Словосочетание «черная дыра» уже давно и прочно вошло в наш быт, хотя в широком употреблении оно фигурирует чуть больше полувека — так назвал это явление американский физик Джон Виллер (John Archibald Wheeler) в своих научно-популярных лекциях. Но на самом деле авторство этого термина ему не принадлежит.
Первым мысль о существовании столь массивного тела, что из его «гравитационных объятий» не может вырваться даже свет, высказал в конце XVIII века английский священник Джон Мичелл (John Michell), которого также считают одним из основоположников современной геологии и сейсмологии. «Расчетную базу» под его рассуждения подвел французский математик Пьер-Симон Лаплас (Pierre-Simon Laplace). Но после того, как веком позже ученые пришли к выводу о волновой природе света, эти представления на время были забыты. «Спас» их Альберт Эйнштейн с его теорией относительности. Решая составленные им уравнения, немецкий астроном Карл Шварцшильд (Karl Schwarzschild) незадолго до своей смерти получил величину радиуса сферы, в которую должна быть «вдавлена» определенная масса, чтобы вторая космическая скорость для полученного тела превысила скорость света. Некоторое время для обозначения таких объектов использовался термин «невидимые звезды».
Не все ученые вначале согласились с расчетами Шварцшильда, но постепенно понятие «черная дыра» заняло свое место в наших представлениях о Вселенной, хотя до начала нынешнего столетия многие выражали сомнения в существовании таких объектов. Точку в дискуссии по поводу их реальности поставили наблюдения космического телескопа Hubble и больших радиотелескопов, построенных за последние 30 лет. Они позволили измерить лучевые скорости звезд в непосредственной близости от галактических центров и убедиться в том, что эти звезды обращаются вокруг очень массивного и очень компактного тела, которое само по себе абсолютно ничего не излучает. Из достижений в этом направлении следует упомянуть получение изображения «тени» черной дыры в галактике M87, а также регистрацию гравитационных волн, образованных во время столкновений подобных объектов, специализированными обсерваториями LIGO и Virgo.
Сейчас ученым известно о существовании десятков тысяч черных дыр, и еще больше они планируют открыть в ближайшее время с помощью специализированных орбитальных обсерваторий. В отличие от звезд, отличающихся друг от друга большим количеством характеристик, фактически единственным параметром, позволяющим различить черные дыры, является их масса (и непосредственно связанный с ней размер). Она и стала основой классификации, приведенной ниже.
Черные дыры звездных масс
Самый распространенный и лучше всего изученный тип черных дыр образуется во время гравитационного коллапса массивных звезд, в недрах которых полностью завершились реакции термоядерного синтеза. Тогда начинается их очень быстрое сжатие под действием собственной силы тяжести, сопровождающееся выделением огромного количества энергии. С Земли такие события наблюдаются как вспышки сверхновых.
Объекты с массой меньше 20 солнечных в результате коллапса превращаются в нейтронные звезды, более тяжелые — в черные дыры. Если коллапс переживает один из компонентов двойной системы, в ней может начаться процесс аккреции — перетекание вещества со второго компонента. Приближаясь к шварцшильдовскому радиусу, это вещество разгоняется почти до скорости света и закручивается в так называемый аккреционный диск, который разогревается до сверхвысоких температур и начинает излучать в широком спектральном диапазоне (от рентгеновских лучей до радиоволн). Регистрация такого излучения является основным способом поиска черных дыр в пределах нашего Млечного Пути.
Сверхмассивные (супермассивные) черные дыры
В процессе эволюции Вселенной материя в ней собиралась во все более масштабные структуры. После взрывов первичных звезд, которые были, как правило, намного массивнее современных, образовались первые черные дыры. Они сразу начали поглощать окружающее вещество — его плотность тоже была значительно выше, чем сейчас. Кому-то из них повезло больше, они росли быстрее, вовлекая во вращательное движение вокруг себя другие объекты, собирая их в целые системы с совокупными массами в миллионы и миллиарды солнечных. Так можно упрощенно описать процессы появления больших звездных систем — галактик. Подобные выводы можно сделать, исходя из того, что в центрах практически всех достаточно массивных галактик имеются неизлучающие компактные объекты, в миллионы раз превосходящие по массе наше Солнце. Они получили название сверхмассивных черных дыр.
Бывает, что такая черная дыра до сих пор поглощает вещество в огромных количествах. При этом выделяется большое количество энергии (в пересчете на затраченную массу — даже больше, чем при термоядерном синтезе). Из выпадающего вещества формируется уже упомянутый аккреционный диск. В нем возникают мощные магнитные поля, заставляющие часть материи извергаться обратно в космическое пространство в виде двух высокоэнергетических струй, направленных в противоположные стороны вдоль оси диска — так называемых джетов. Их уже не раз наблюдали в центрах массивных галактик. Многие факты указывают на то, что в центре Млечного Пути в прошлом также происходило нечто подобное.
Черные дыры промежуточных масс
Особенности формирования сверхмассивных объектов привели к тому, что черные дыры с массами от сотни до миллиона солнечных встречаются довольно редко. Они присутствуют, например, в центрах некоторых шаровых звездных скоплений (среди самых известных подобных объектов — скопления ω Центавра и M15), которые можно рассматривать как «минигалактики», содержащие сотни тысяч звезд. Также эти черные дыры находятся в центрах части карликовых галактик. В 2015 году команда японских ученых обнаружила чрезвычайно высокие скорости потоков газа в межзвездном газовом облаке CO-0.40-0.22. Наиболее удачное объяснение этого феномена — наличие в облаке черной дыры примерно в сотню тысяч раз тяжелее Солнца.
Реликтовые черные дыры
Могут ли существовать сверхплотные объекты с массой, скажем, в несколько тонн? Теоретически — да, просто ученым неизвестны технические возможности сжатия больших объемов «обычной» материи до частиц нанометрового размера. Однако существует гипотетическая возможность того, что подобные тела образовывались на ранних этапах эволюции Вселенной, когда ее средняя плотность была несравнимо больше, чем сейчас.
Большинство таких «реликтовых черных дыр» уже давно исчезло благодаря механизму квантового испарения, предложенного британским астрофизиком Стивеном Хокингом (Stephen Hawking), но небольшая часть, возможно, «дожила» до нашего времени, блуждая где-то в межзвездном и межгалактическом пространстве. Вероятность столкнуться с какой-нибудь из них чрезвычайно низка, заметить их на больших расстояниях практически невозможно.
Самая большая черная дыра?
Чем больше масса вещества, «заполняющего» шварцшильдовский радиус — тем меньше получается условная плотность черной дыры. Чтобы довести до «чернодырного» состояния, например, нашу Землю, ее нужно сжать в шарик диаметром примерно 18 мм. Полученная при этом плотность превысила бы 2×10³⁰ кг/м³. Но уже в случае Солнца, имеющего шварцшильдовський радиус почти 3 км, этот показатель будет в сто миллиардов раз меньше. «Плотность» сверхмассивной черной дыры в центре Туманности Андромеды вообще не превышает 650 кг/м³— это меньше плотности воды!
А если рассчитать этот радиус для условного тела, масса которого соответствует оценкам массы нашей Вселенной (10⁵³ кг), мы получим почти 14 млрд световых лет, что подозрительно близко к величине радиуса пространства, доступного наблюдениям. Это дает основания некоторым ученым считать, что на самом деле мы вместе со всеми объектами нашего мира находимся внутри огромной черной дыры, и для наблюдателей из другого пространственного измерения она вполне может выглядеть именно так. Пока мы не можем ни доказать, ни опровергнуть эту экзотическую гипотезу.
Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале!
Присоединяйтесь: https://t.me/ustmagazine
