Откуда они вообще берутся? Для чего их изучают?Стыдные вопросы о черных дырах
10 апреля группа исследователей проекта «Телескоп горизонта событий» показала первое в истории изображение черной дыры. Косвенно существование этих объектов, которые поглощают даже свет, подтверждали и раньше, но теперь их впервые показали наглядно. «Медуза» попросила приглашенного профессора лаборатории фундаментальных и прикладных исследований релятивистских объектов Вселенной МФТИ Станислава Бабака и главу лаборатории Юрия Ковалева ответить на распространенные вопросы о черных дырах.
Что представляют собой черные дыры? Что такое горизонт событий?
Черные дыры — это наиболее компактные и самые простые объекты во Вселенной. Они описываются всего двумя параметрами — массой и скоростью вращения. С точки зрения астрофизики черные дыры — это конечная стадия эволюции звезд. Например, тяжелая звезда эволюционирует, взрывается, и ее центр сжимается в черную дыру. Горизонт событий черной дыры — это ее условная поверхность, оболочка, никакой физической поверхности нет, это просто некоторое расстояние от центра. Это то место, попадая в которое объект или свет уже не сможет выбраться обратно, так как здесь начинается очень сильная гравитация, которая не выпускает попавшие в него объекты. Это можно объяснить математически: выход из горизонта событий означает движение в обратную сторону по времени, что невозможно с точки зрения физики.
Почему черные дыры так называются? Разве они могут быть какого-то цвета?
Одно из первых названий черных дыр — коллапсары. Название «черные дыры» было придумано в XX веке журналистами и подхвачено одним из великих ученых того времени, американским физиком-теоретиком Джоном Уиллером. Почему именно черные? Это такой объект, который не может ничего излучать, свет оттуда не выходит. Хотя и это не совсем правда: черные дыры могут излучать так называемое излучение Хокинга (испарение черных дыр), но на классическом уровне если свет в них попадает, то ничто оттуда не выходит, именно поэтому их называют «черные дыры» — их никак нельзя увидеть. Мы можем наблюдать черную дыру, только если вокруг нее есть какая-то материя: газ или соседняя звезда, с которой черная дыра стаскивает оболочку. Благодаря гравитационным волнам мы можем «увидеть» две сливающиеся черные дыры. Фактически у черных дыр нет никакого цвета, это условное название, обозначающее, что все в нее падает и ничего не выходит.
Откуда берутся черные дыры?
Это зависит от их массы. Черные дыры бывают небольшими (несколько масс нашего Солнца), а могут быть очень массивными (миллионы масс Солнца). Размер черных дыр пропорционален их массе.
Черные дыры с околосолнечной массой могли зародиться в ранней Вселенной. Подобная черная дыра может образоваться путем сжимания звезды в 20–60 раз больше нашего Солнца, которая взрывается в конце жизни, а то, что останется в центре, сожмется до размеров черной дыры, сколлапсирует. Массы таких черных дыр ограниченны — больше 5 солнечных масс, но меньше 50–60 солнечных масс.
Пример массивной черной дыры показали 10 апреля благодаря «Телескопу горизонта событий», который сфотографировал объект в центре галактики M87 с массой в миллиарды солнечных. В центре нашей Галактики тоже есть подобная черная дыра, ее масса — 4 миллиона солнечных. Эта черная дыра образовалась вместе с Галактикой — либо от гигантского газового облака, которое сжалось и образовало черную дыру, либо это было первое поколение тяжелых звезд, которые образовывали первые черные дыры, те, в свою очередь, сливались и формировали черные дыры размером в тысячу солнечных масс. Основной механизм роста массы черных дыр в центре галактик — заглатывание газа из окружающей среды. Чем больше «бросаешь» в черную дыру, тем больше она растет. Более того, если «бросать» газ или частицы в черную дыру в одном направлении, она еще будет и раскручиваться.
Какой они бывают формы? Если в черную дыру все проваливается, значит, у нее есть дно?
Черные дыры могут быть двух форм: если она почти не вращается — сферической, а если вращается быстрее — сфероидальной (сплющенная сфера). Как правило, все черные дыры вращаются — какие-то быстрее, какие-то медленнее. Дна в черной дыре нет. Мы не до конца понимаем, что конкретно происходит в самом центре, где законы физики перестают работать. Общая теория относительности говорит нам, что кривизна пространства в центре черной дыры бесконечна. Но это означает только, что теория в центре черной дыры не работает. Поэтому, например, попытки создать квантовую теорию гравитации — это попытки ответить, что может быть в самом центре черной дыры. Пока простейший ответ — это бесконечность, сингулярность. Но в природе нет ничего бесконечного, значит, пока в нашем уравнении что-то не так.
Для чего изучают черные дыры?
Достаточно большое количество вопросов о природе Вселенной основывается на понятии черных дыр, поэтому ученым важно подтвердить экспериментально это представление, чтобы сказать: «Да, мы не занимаемся ерундой, эти теории справедливы, наши построения верны, и мы можем двигаться дальше в изучении Вселенной с использованием такого теоретического понятия, как черная дыра». Можно вспомнить открытие гравитационных волн — слияние двух черных дыр массой 20–30 масс Солнца. Это тоже было косвенное доказательство существования черных дыр. Объявленное 10 апреля обнаружение тени черной дыры очень важно, потому что оно подтверждает самосогласованность наших теорий. Предсказание было такое: если в центре галактики Дева А (или Мессье 87) есть черная дыра массой около 6 миллиардов масс Солнца, тогда мы увидим фотонное кольцо из света как раз такого размера, как удалось измерить.
Следующий шаг — обновление общей теории относительности Эйнштейна на основе данных о сильном гравитационном поле массивной черной дыры. Для этого центр галактики М87, где было получено первое изображение, не очень подходит: нужна значительно более высокая точность измерений. Массу с большой точностью ученые смогли определить только для черной дыры в центре нашей Галактики — мы называем этот объект Стрелец А*.
Все обратили внимание, что группа «Телескопа горизонта событий» практически ни слова не сказала про центр нашей Галактики. Дело в том, что Стрелец А* довольно недружелюбно к нам настроен по объективным физическим причинам. Наша центральная черная дыра имеет достаточно маленький горизонт событий. Соответственно, взрывные процессы там происходят очень быстро — в пределах или менее одного часа. «Телескопу горизонта событий» сложно восстановить картинку, когда черная дыра так быстро меняется. Это можно сравнить с попытками родителей сфотографировать своего постоянно крутящегося ребенка — картинка все время получается смазанной. Ученым необходимо научиться восстанавливать изображение в центре нашей Галактики за очень короткое время. Пока таких инструментов нет.
Сколько уже открыто черных дыр?
Объектов, которые ведут себя как одиночные черные дыры (тянут на себя материю и газ), очень много. Что касается двойных черных дыр, если верить каталогу LIGO и VIRGO, то их всего 10 пар.
Черные дыры действительно бесконечно расширяются, поглощая все на своем пути?
Нет. Если в черную дыру специально бросать объекты, масса будет увеличиваться, но в нее очень сложно попасть. Черная дыра при этом будет оставаться очень маленькой. Звездам и газу, которые вращаются вокруг черной дыры, ничего не угрожает — нужно быть действительно очень близко к черной дыре, чтобы она начала их поглощать.
Что будет, если попасть в черную дыру?
Когда падаешь в черную дыру, с одной стороны, тебя начинает сплющивать, с другой — очень сильно растягивать. Есть известная задача: что случится с космонавтом, который падает в черную дыру, — сначала оторвет голову или сплющит? Правильный ответ — голову оторвет вначале. При проходе через горизонт событий пространство искривляется, и кривизна пространства быстро растет, пока космонавт сам не станет сингулярностью (исчезнет).
Могут ли две черные дыры столкнуться? Что тогда произойдет?
Две черные дыры очень тяжело столкнуть. Для этого они должны быть на очень близком расстоянии друг к другу. Один из способов — двойные звезды, которые обе в результате «старения» превратились в черные дыры, тогда они будут с самого начала близко друг от друга.
Чтобы две массивные черные дыры в сталкивающихся галактиках оказались близко, нужны миллиарды лет. И они должны быть очень близко, чтобы гравитационное излучение стало таким, что они сольются в течение нескольких десятков лет. В результате слияния черных дыр получается опять же черная дыра с большей массой и больше по размерам.
