Что такое чёрная дыра: горизонт событий, размеры и как мы знаем, что они есть
Чёрная дыра — это область пространства, где гравитация так сильна, что ничто, даже свет, не может вырваться, пересекая границу, которая называется горизонтом событий. Звёздные чёрные дыры возникают, когда у массивной звезды кончается топливо и её ядро сжимается, а у чёрной дыры с массой Солнца горизонт имел бы радиус всего около 3 км. Это не дыра, а очень большая масса, сжатая в очень малом объёме.
У вопроса «что такое чёрная дыра» есть короткий ответ и длинный список того, что люди понимают неверно: это не космический пылесос, не дыра в чём-то и, начиная с 2019 года, не просто рисунок. Здесь сначала даётся определение, затем размер чёрной дыры в виде числа, которое можно посчитать, что происходило бы рядом с ней и какие есть доказательства, что она настоящая. Чтение займёт около шести минут.
Главные идеи
- Чёрная дыра — масса, сжатая так сильно, что вторая космическая скорость на горизонте событий больше скорости света, 299 792 км/с, поэтому оттуда ничто не возвращается.
- Размер горизонта равен r = 2GM/c², около 2,95 км на каждую массу Солнца: Солнце стало бы чёрной дырой радиусом 3 км, а Земля — радиусом около 9 мм.
- Чёрная дыра не втягивает всё издалека: замените Солнце чёрной дырой той же массы, и планеты останутся на своих орбитах. Опасно только вблизи горизонта, где приливные силы растягивают вещество, — это называется спагеттификацией.
- Доказательства прямые: LIGO в сентябре 2015 года зарегистрировал гравитационные волны от слияния чёрных дыр, а Телескоп горизонта событий получил изображение тени M87* в 2019 году и Стрельца A* в 2022-м.
- Что происходит за горизонтом, неизвестно: общая теория относительности предсказывает сингулярность, но привычная физика там перестаёт работать.
Короткий ответ: гравитация настолько сильна, что свет не уходит
Бросьте мяч вверх, и он упадёт, если не бросить его быстрее второй космической скорости, которая для Земли равна 11,2 км/с. Чем тяжелее и меньше объект, тем эта скорость выше. Если массу сжать настолько, что вторая космическая скорость на некотором расстоянии превысит скорость света, 299 792 км/с, то изнутри этого расстояния ничто не сможет уйти. Эта граница и есть горизонт событий.
NASA подчёркивает, что горизонт событий — не поверхность вроде земной или солнечной. Это граница, которая заключает в себе всё вещество чёрной дыры, и снаружи нельзя увидеть, что внутри. Общая теория относительности предсказывает в центре точку бесконечной плотности, сингулярность, но учёные согласны, что наша физика там перестаёт работать, а NASA отмечает, что многого мы пока не знаем о том, как выглядит вещество внутри горизонта.
Как образуется чёрная дыра и какая она маленькая
Самая привычная разновидность, звёздная чёрная дыра, рождается, когда у массивной звезды кончается топливо. Ядро больше не выдерживает вес звезды, сжимается, а внешние слои во многих случаях сбрасываются при взрыве сверхновой. Считается, что звёзды массой очень примерно от 20 масс Солнца оставляют чёрные дыры, хотя точная граница неясна. Самая лёгкая из известных чёрных дыр, по данным NASA, имеет всего 3,8 массы Солнца. Идею о звезде, настолько тяжёлой, что свет не может её покинуть, впервые обсуждал Джон Мичелл в 1783 году.
В 1916 году, через несколько месяцев после публикации Эйнштейном общей теории относительности, Карл Шварцшильд нашёл размер горизонта: r = 2GM / c², где G — гравитационная постоянная, M — масса, c — скорость света. Для одной массы Солнца получается около 2,95 км. Значит, Солнце, сжатое в шар радиусом 3 км, стало бы чёрной дырой, а Землю пришлось бы сжать примерно до 9 миллиметров, размера горошины.
Радиус растёт пропорционально массе, примерно на 2,95 км на одну массу Солнца. У чёрной дыры в центре нашей Галактики, Стрельца A*, около 4 млн масс Солнца и радиус горизонта около 12 млн км. У M87* в соседней галактике около 6,5 млрд масс Солнца, а радиус её горизонта примерно в 130 раз больше расстояния от Земли до Солнца, то есть шире всей нашей планетной системы.
Что было бы рядом с ней
Чёрная дыра не засасывает всё издалека. NASA напоминает: если заменить Солнце чёрной дырой той же массы, в Солнечной системе стало бы гораздо холоднее, но планеты остались бы на своих орбитах. Притяжение на расстоянии зависит только от массы, а масса Солнца не изменилась бы. Опасность — только в приближении.
Гравитация растёт по мере приближения, и притяжение к ногам было бы сильнее, чем к голове. Эта разница, приливная сила, вытягивает астронавта в длинную тонкую нить, и учёные называют это спагеттификацией. Возле маленькой чёрной дыры это произошло бы до горизонта, а возле гигантской вы пересекли бы горизонт раньше, чем растяжение стало бы смертельным.
Гравитация также замедляет время. Часы вблизи горизонта идут медленнее, если смотреть издалека. Слабая форма того же эффекта реальна и измерена: часы на спутниках GPS идут чуть иначе, чем часы на земле, и система вносит поправку.
Откуда мы знаем, что чёрные дыры существуют
14 сентября 2015 года детекторы LIGO зарегистрировали гравитационные волны, рябь пространства-времени, от слияния двух чёрных дыр примерно в 1,3 млрд световых лет от нас. Их массы были около 36 и 29 масс Солнца, а слились они в одну около 62, то есть примерно 3 массы Солнца превратились в гравитационные волны согласно E = mc². LIGO способен заметить изменение длины меньше одной десятитысячной ширины протона. Об открытии объявили 11 февраля 2016 года.
10 апреля 2019 года Телескоп горизонта событий — сеть радиотелескопов на нескольких континентах, работающая как один телескоп размером с Землю, — показал первое изображение чёрной дыры: яркое кольцо вокруг тёмной тени в центре галактики M87 в 55 млн световых лет от нас. В мае 2022 года та же команда представила чёрную дыру в центре Млечного Пути, Стрелец A*, примерно в 27 000 световых лет. Эти картинки собирают компьютеры из радиосигналов, это не обычный снимок.
Нобелевскую премию по физике 2020 года получили: половину — Роджер Пенроуз за доказательство того, что образование чёрных дыр — надёжное следствие общей теории относительности, и половину — Рейнхард Гензель и Андреа Гез за открытие сверхмассивного компактного объекта в центре нашей Галактики по орбитам звёзд вокруг него. Ближайшая из известных чёрных дыр, Gaia BH1, находится примерно в 1500 световых годах от нас, по данным NASA, так что Земле ничто не угрожает.
Как это показывает VJOURNAL SMART BOOK
Глава «Чёрные дыры» бесплатной книги SMART BOOK «Всё обо всём», том II, на VITON13 SCHOOL разбирает эти идеи в пяти коротких моментах. Рядом с текстом — живая 3D-картинка, которую можно вращать пальцем или мышью.
Под картинкой есть песочница, где вы двигаете массу и читаете радиус горизонта. В главе также рассказано о спагеттификации и замедлении времени, о тени M87* и снимке Стрельца A*, о первых гравитационных волнах, а в конце — тест из трёх вопросов с объяснениями и источники, которые можно открыть.
Простыми словами
Представьте холм настолько крутой, что выбраться по нему можно только быстрее света, а так не может ничто. Чёрная дыра — такой холм в космосе. Его край — горизонт событий, а внутри все пути ведут только вниз.
Попробуйте сами
Используйте правило r ≈ 2,95 км × (масса в массах Солнца), чтобы найти радиус горизонта у чёрных дыр в 3, 10 и 100 масс Солнца.
Ожидаемый результат
Около 8,9 км, 29,5 км и 295 км. Чёрная дыра с массой большой звезды не больше города, а радиус растёт вместе с массой.
Проверьте себя: У Стрельца A* около 4 млн масс Солнца. Каков примерно радиус его горизонта и как он соотносится с радиусом Солнца в 696 000 км?
4 000 000 × 2,95 км — это около 11,8 млн км, то есть примерно 12 млн км. Это примерно в 17 раз больше радиуса Солнца, но меньше расстояния от Солнца до Меркурия.
Вопросы и ответы
Может ли чёрная дыра поглотить Землю или Солнце?
Не издалека. Далеко от неё чёрная дыра притягивает так же, как любой объект той же массы. Ближайшая из известных, Gaia BH1, находится примерно в 1500 световых годах, по данным NASA.
Что внутри чёрной дыры?
Никто не знает. Общая теория относительности предсказывает сингулярность бесконечной плотности, но привычная физика там перестаёт работать, а заглянуть за горизонт событий не может никакое наблюдение.
Какая самая большая чёрная дыра?
NASA называет самой массивной из наблюдаемых TON 618, около 66 млрд масс Солнца. Такие значения — оценки, и рекорд может измениться.
Можно ли увидеть чёрную дыру?
Саму чёрную дыру нельзя, но видно раскалённый газ вокруг неё и её тёмную тень. Телескоп горизонта событий получил снимки M87* в 2019 году и Стрельца A* в 2022-м.
Что будет, если упасть в чёрную дыру?
Приливные силы вытянули бы вас — это спагеттификация, а часы вблизи горизонта шли бы медленно с точки зрения внешнего наблюдателя. Где именно растяжение становится смертельным, зависит от массы чёрной дыры.
Вечны ли чёрные дыры?
Теоретически они медленно теряют энергию в виде излучения Хокинга. У чёрной дыры в одну массу Солнца оно так слабо, что испарение заняло бы гораздо больше времени, чем возраст Вселенной, и само излучение никогда не наблюдали.
Запомните определение в одну строку: чёрная дыра — масса, сжатая так плотно, что ничто, даже свет, не может выйти изнутри её горизонта событий, а размер растёт примерно на 2,95 км на каждую массу Солнца. Затем откройте главу и подвигайте массу в песочнице.
Источники и дальнейшее чтение
- NASA Science: Black holes (essential facts) ↗Источники проверены:
- LIGO Caltech: Observation of gravitational waves from a binary black hole merger (GW150914) ↗Источники проверены:
- ESO: Astronomers capture the first image of a black hole (M87*, 2019) ↗Источники проверены:
- ESO: First image of the black hole at the centre of our Galaxy (Sagittarius A*, 2022) ↗Источники проверены:
- Nobel Prize in Physics 2020: press release (Penrose, Genzel, Ghez) ↗Источники проверены: