Черные дыры — области в космосе, где гравитация настолько сильна, что ничто не может вырваться, — в наши дни являются очень обсуждаемой темой. Половина Нобелевской премии по физике 2020 года была присуждена Роджеру Пенроузу за его математическую работу, показывающую, что черные дыры являются неизбежным следствием теории гравитации Эйнштейна. Андреа Гез и Рейнхард Гензель разделили вторую половину, показав, что массивная черная дыра находится в центре нашей галактики.
Черные дыры пугают по трем причинам. Если вы упадете в черную дыру, оставшуюся после смерти звезды, вас разорвет на куски. Кроме того, у массивных черных дыр в центре всех галактик ненасытный аппетит. А черные дыры — это места, где нарушаются законы физики.
Сверхмассивные черные дыры, которые скрываются в центре галактик большую часть времени неактивны, но когда они просыпаются и поедают звезды и газ, область, близкая к черной дыре, может затмить всю галактику, в которой они находятся. Галактики, в которых активны черные дыры, называются квазарами. Несмотря на все, что мы узнали о черных дырах за последние несколько десятилетий, нам еще предстоит разгадать множество загадок.
Ожидается, что черные дыры образуются при смерти массивной звезды. После того, как ядерное топливо звезды исчерпано, ее ядро коллапсирует до самого плотного состояния материи, которое только можно вообразить, в сто раз более плотного, чем атомное ядро. Он настолько плотный, что протоны, нейтроны и электроны больше не являются дискретными частицами. Поскольку черные дыры темные, они обнаруживаются, когда они вращаются вокруг нормальной звезды. Свойства нормальной звезды позволяют астрономам делать выводы о свойствах ее темного компаньона, черной дыры.
Первой подтвержденной черной дырой стал Лебедь X-1 — самый яркий источник рентгеновского излучения в созвездии Лебедя. С тех пор около 50 черных дыр было обнаружено в системах, где нормальная звезда вращается вокруг черной дыры. Это ближайшие образцы из примерно 10 миллионов, которые, как ожидается, будут разбросаны по Млечному Пути.
Черные дыры — это могилы материи; ничто не может избежать их, даже свет. Судьба тех, кто падает в черную дыру, будет болезненным: "спагеттификация", идея, которую популяризировал Стивен Хокинг в своей книге "Краткая история времени". При спагеттификации сильная гравитация черной дыры разлучила бы вас, разделив ваши кости, мышцы, сухожилия и даже молекулы. Как поэт Данте описал слова над вратами ада в своей поэме "Божественная комедия": "Оставь надежду, всяк сюда входящий".
За последние 30 лет наблюдения с помощью космического телескопа Hubble показали, что все галактики имеют черные дыры в своих центрах. У больших галактик есть большие черные дыры. Природа знает, как создавать черные дыры ошеломляющего диапазона масс — от звездных трупов, в несколько раз превышающих массу Солнца, до монстров, в десятки миллиардов раз более массивных. Это похоже на разницу между яблоком и Великой пирамидой в Гизе.
Только в прошлом году астрономы опубликовали первое в истории изображение черной дыры и ее горизонта событий, зверя с массой 7 миллиардов солнечных в центре эллиптической галактики M87.
Это более чем в тысячу раз больше черной дыры в нашей галактике, первооткрыватели которой получили в этом году Нобелевскую премию. Эти черные дыры большую часть времени темные, но когда их гравитация притягивает близлежащие звезды и газ, они вспыхивают, вызывая интенсивную активность и выбрасывая огромное количество излучения. Массивные черные дыры опасны по двум причинам. Если вы подойдете слишком близко, огромная гравитация поглотит вас. А если они находятся в активной фазе квазара, вы будете поражены излучением высокой энергии.
Насколько ярок квазар? Представьте, что вы парите над большим городом, например, над Москвой ночью. Примерно 100 миллионов огней от автомобилей, домов и улиц города соответствуют звездам в галактике. По этой аналогии черная дыра в активном состоянии подобна источнику света диаметром пару сантиметров в центре Москвы, который затмевает город в сотни или тысячи раз. Квазары — самые яркие объекты во Вселенной.
Самая большая черная дыра, обнаруженная на данный момент, весит в 40 миллиардов раз больше массы Солнца, или в 20 раз больше солнечной системы. В то время как внешние планеты в нашей солнечной системе обращаются по орбите раз в 250 лет, этот гораздо более массивный объект вращается раз в три месяца. Ее внешний край движется со скоростью вдвое меньшей скорости света. Как и все черные дыры, она скрыта от глаз горизонтом событий. В их центрах находится сингулярность, точка в пространстве, где плотность бесконечна. Мы не можем понять внутреннюю часть черной дыры, потому что законы физики нарушаются. Время замирает на горизонте событий, а в сингулярности гравитация становится бесконечной.
Хорошая новость о массивных черных дырах заключается в том, что вы можете выжить, попав в одну из них. Хотя их гравитация сильнее, сила растяжения слабее, чем у маленькой черной дыры, и она не убьет вас. Плохая новость в том, что горизонт событий отмечает край пропасти. Ничто не может ускользнуть из-за горизонта событий, поэтому вы не можете убежать или сообщить о своем опыте.
По словам Стивена Хокинга, черные дыры медленно испаряются. В далеком будущем Вселенной, спустя много времени после того, как все звезды умрут и галактики исчезнут из поля зрения ускоряющегося космического расширения, черные дыры будут последними выжившими объектами.
Самым массивным черным дырам потребуется невообразимое количество лет, чтобы испариться, по оценкам, 10 в сотой степени или 10 со 100 нулями лет. Самые страшные объекты во Вселенной почти вечны.