Глава 6 · От умирающей звезды до ряби пространства-времени
Чёрные дыры
Точка невозврата
Представьте, что вы подбросили мяч вверх. Он упадёт обратно, если не бросить его со скоростью убегания — для Земли это 11,2 км/с. Чем тяжелее и меньше объект, тем эта скорость выше. Когда у массивной звезды кончается топливо, её ядро может сжаться настолько, что скорость убегания превысит скорость света, 299 792 км/с. Граница, где это происходит, называется горизонтом событий. Внутри него ничто не возвращается, даже свет. Считается, что так заканчивают звёзды, масса которых больше примерно 20 масс Солнца. Мысль о тёмной звезде впервые высказал Джон Мичелл в 1783 году.
Какой он, размер чёрной дыры?
В 1916 году, через несколько месяцев после выхода общей теории относительности, Карл Шварцшильд нашёл размер горизонта: r = 2GM, делённое на c в квадрате, где G — гравитационная постоянная, M — масса, c — скорость света. Пример для Солнца: его масса даёт r около 2,95 километра, так что Солнце, сжатое в шар радиусом 3 км, стало бы чёрной дырой. Для Земли радиус составил бы около 9 миллиметров, с горошину. Меняйте массу в песочнице и смотрите на радиус. У чёрной дыры в центре нашей Галактики, Sgr A*, около 4 миллионов солнечных масс, и радиус у неё примерно 12 миллионов км.
Спагеттификация
Чёрная дыра ничего не «засасывает». Если заменить Солнце чёрной дырой той же массы, Земля продолжила бы обращаться точно так же. Опасность только в том, чтобы подойти близко. Чем ближе, тем сильнее гравитация, и ноги притягиваются сильнее, чем голова. Эта разница, приливная сила, вытягивает астронавта в длинную тонкую нить, и учёные называют это спагеттификацией. У малой чёрной дыры это произойдёт до горизонта, у гигантской — уже внутри. Гравитация замедляет и время: часы у горизонта идут медленнее, если смотреть издалека. Ослабленный вариант этого эффекта приходится учитывать в часах спутников GPS.
Тень M87*
Чёрная дыра тёмная, но газ вокруг неё светится. 10 апреля 2019 года телескоп Event Horizon Telescope, сеть радиотелескопов на нескольких континентах, работающая как телескоп размером с Землю, показал первый снимок чёрной дыры: яркое кольцо вокруг тёмной тени в галактике M87, примерно в 55 миллионах световых лет от нас. Масса этой дыры около 6,5 миллиарда Солнц, а её горизонт примерно в 130 раз больше расстояния от Земли до Солнца и шире всей нашей планетной системы. Кольцо неравномерно яркое, потому что газ с одной стороны движется в нашу сторону.
Наша собственная чёрная дыра
12 мая 2022 года та же команда представила чёрную дыру в центре нашей Галактики, Стрелец A*, на расстоянии около 27 000 световых лет. Она куда меньше, около 4 миллионов масс Солнца, а газ вокруг неё меняется за минуты, поэтому сделать снимок было труднее. И у неё тоже есть кольцо. Два снимка, самого большого гиганта и нашего ближайшего, похожи, а это подтверждает общую теорию относительности Эйнштейна. Снимок не фотография в обычном смысле: его собрали из радиосигналов, записанных в разных местах и объединённых компьютерами.
Рябь от столкновения
Когда две чёрные дыры обращаются друг вокруг друга и сливаются, они сотрясают само пространство и испускают гравитационные волны. Первую зарегистрировал LIGO 14 сентября 2015 года, а о ней объявили 11 февраля 2016 года. Две чёрные дыры в 36 и 29 масс Солнца слились в одну в 62 массы на расстоянии 1,3 миллиарда световых лет. Пример: 36 + 29 = 65, а осталось 62, то есть около 3 масс Солнца исчезли и превратились в гравитационные волны по формуле E = mc². LIGO измерил изменение длины в тысячи раз меньше ширины протона. За это открытие в 2017 году присудили Нобелевскую премию по физике.
В цифрах
- ≈ 3 км
- радиус Шварцшильда для Солнца
- 2019
- первый снимок чёрной дыры, M87*
- 14 сент. 2015
- LIGO зарегистрировал первые гравитационные волны