Тайны черных дыр: 6 занимательных вопросов астрофизикам

Красота черных дыр завораживает. И все же что такое черная дыра с точки зрения традиционной физики? Рассказывает Кип Торн, физик-теоретик и автор книги «"Интерстеллар". Наука за кадром». Спорим, вы об этом не знали?

Впервые реалистично черные дыры показали в голливудском фильме «Интерстеллар». Их внешний вид был рассчитан с помощью уравнений — этим занимался Кип Торн, будучи научным консультантом картины. Раньше режиссеры и создатели спецэффектов полагались больше на фантазию, чем на науку. Но и сегодня вопрос о том, как устроены черные дыры и каковы их свойства, остается открытым.

Даже Стивен Хокинг, гений и один из основных исследователей этого удивительного явления, недавно опроверг собственную теорию, предложенную 30 лет назад. Еще не так давно считалось, что черная дыра уничтожает все, что затягивает внутрь себя. Хокинг же предположил, что черная дыра — дверь в альтернативную Вселенную. Так ли это? Ученым еще предстоит проверить. А пока мы узнаем у Кипа Торна, как же традиционная физика рассматривает это удивительное явление. Будет интересно!

1. Светится ли черная дыра?

Часть светящегося диска черной дыры Гаргантюа вблизи и пролетающий над ним космолет «Эндюранс». Светится не черная дыра, а диск вокруг нее, состоящий из раскаленного газа, который дыра «забирает» у звезд при помощи сил гравитации, когда разрывает их на части. Иллюстрация из книги «"Интерстеллар". Наука за кадром»

Нет, в черной дыре нечему светиться, так как она состоит только лишь из искаженного времени и пространства — и больше ничего. В фильмах можно увидеть, что вокруг черных дыр есть сияющие диски, мерцания и лучи. На самом деле это звезды и туманности, свет которых дыра тоже искривляет — отсюда и причудливые световые узоры.

2. Правда ли, что черная дыра искривляет время?

Космический модуль «Рейнджер», идущий на снижение к планете Миллер. Иллюстрация из книги «"Интерстеллар". Наука за кадром»

Да, это так. Если человек провалится в черную дыру, он почти перестанет стареть: чем ниже он будет лететь, тем сильнее будет замедляться время. Как на планете Миллер в фильме «Интерстеллар», которая находилась возле черной дыры Гаргантюа: час по времени Миллера равен семи земным годам. Таким образом, можно улететь в космос молодым и прилететь всего на пару лет старше, а на Земле пройдут сотни лет.

3. Можно ли передать сообщение на Землю, угодив в черную дыру?

Сигналы, которые будут посланы после пересечения горизонта событий, не могут выйти наружу, так как в черной дыре все стремится вниз, к сингулярности. Иллюстрация из книги «"Интерстеллар". Наука за кадром»

В соответствии с современными представлениями — нет. Как только вы пересечете горизонт событий (поверхность черной дыры), например, с радиопередатчиком в руках, то сигналы перестанут выходить наружу. А все потому, что и вас, и ваши сигналы будет непреодолимо затягивать вниз.

4. Как происходит искривление пространства?

Представьте муравья (человечество), живущего на детском батуте (Вселенная), в середине которого лежит очень тяжелый камень. Точно так же, как и поверхность батута, искривляется пространство нашей Вселенной. Иллюстрация из книги «"Интерстеллар". Наука за кадром»

Черная дыра искривляет не только время, но и пространство: получается что-то вроде батута (пространство Вселенной), которое прогнулось под лежащим на нем тяжелым камнем (черная дыра с ее низшей точкой — сингулярностью). Ученые смогли выяснить это благодаря теории относительности Эйнштейна, которая однозначно предсказывает многие космические явления

5. Куда пропадает звезда, из которой образовалась черная дыра?

Так черная дыра разрывает приблизившуюся к ней звезду. Когда звезда (здесь — красный гигант) приближается к дыре, гравитация дыры начинает растягивать и сжимать звезду. Спустя 12 часов звезда уже сильно деформирована. А через 24 часа она распадается на части, так как ее собственная гравитация не может противостоять гравитации черной дыры. Иллюстрация из книги «"Интерстеллар". Наука за кадром»

Известно, что черная дыра — результат коллапса (другими словами, сжатия к центру) массивной звезды. Это своего рода смерть звезды: ядерное топливо, благодаря которому поддерживается высокая температура, заканчивается, и звезда «схлопывается». А еще молодая черная дыра бесконечно искривляет время и пространство вокруг себя и постепенно поглощает звезду-родителя.

6. Похожа ли черная дыра на вихрь?

Быстровращающаяся черная дыра, которая движется на фоне звезд, искривляя пространство вокруг себя. Иллюстрация из книги «"Интерстеллар". Наука за кадром»

Сама черная дыра — это ничто, в ней нет материи, атомов, каких-то элементарных частиц. И время, и пространство — составные части черной дыры — искривляются настолько, что в конце концов исчезают. И именно это искривление пространства как раз и выглядит подобно вихрю или смерчу на Земле. Это справедливо для вращающихся черных дыр (кстати, они бывают еще и неподвижными). Вспомните, как выглядит воронка тайфуна — воздух в ней завихряется с разной скоростью. Точно так же в черной дыре ближе к центру пространство вращается очень быстро, а удаляясь от центра к краям — медленнее. Любой объект, захваченный черной дырой, будет кружиться, как подхваченный смерчем автомобиль на нашей планете.