Чёрные дыры – монстры, искривляющие пространство-время, и создатели Вселенной

С одной стороны, они уничтожают звёзды и вещество, а с другой, – способствуют их формированию. Что же это такое? Для описания чёрных дыр необходимо использовать общую теорию относительности Эйнштейна, поскольку физика Ньютона здесь не работает. Согласно оценкам астрофизиков, такие объекты возникают в результате вспышки сверхновых крупных звёзд, масса которых по крайней мере в три и более раза превосходит массу Солнца. Вместе с тем не отрицается факт возникновения таких объектов и в системах двойных звёзд. В этом случае образовавшийся белый карлик может отобрать достаточно большую массу у звезды-компаньона. Тогда вспышка сверхновой протекает по сценарию II типа и приведёт уже к образованию чёрной дыры, а не нейтронной звезды.

Карл Шварцшильд, исходя из уравнений Эйнштейна, получил критический уровень размера коллапсирующего объекта, известного как гравитационный радиус, названный в его честь. В случае, если звезда достигает этого радиуса, то уже ничто не сможет остановить коллапс, что приводит к замыканию пространства. Так как в физике Эйнштейна гравитация – это не сила, а кривизна пространства, то оно рассматривается не как протяжённая пустота, что характерно для классической физики, а как жёсткая и упругая среда, которая может искривляться и деформироваться. Математическое уравнение показывает, что гравитационный радиус для нашей планеты равен 3 мм, тогда как для Солнца, имеющего диаметр 1,4 млн км, он составляет 3 км. Замыкание пространства приводит к тому, что ни свет, никакой либо объект не может выйти за его пределы, поэтому для внешнего наблюдателя увидеть чёрную дыру невозможно, и возникает резонный вопрос, как же их тогда обнаружить?

Руффини и Уиллер предположили, что коллапсирующая звезда должна излучать гравитационные волны, порождать рябь пространства, искажая его геометрию. Звёзды, как правило, вращаются, и при сжатии за счёт уменьшения размеров их скорость резко увеличивается, что приводит к выбросу вещества, порождая гравитационные волны.

Резкие деформации пространства могут возникнуть при столкновении чёрных дыр. Это предположение было подтверждено в 2019 году в экспериментах на лазерном интерферометре LIGO, зафиксировавшим гравитационные волны, распространившиеся после столкновения двух чёрных дыр.

Советскими учёными был предложен метод обнаружения чёрной дыры по широкому спектру излучения при падении на неё вещества. Падающая материя закручивается вокруг чёрной дыры, образуя своего рода аккреционный диск, лежащий выше гравитационного радиуса, и излучение из этой области может покидать чёрную дыру. Существуют и другие способы обнаружения чёрных дыр, например, по искажению орбит движущихся звёзд, вспышек массивных чёрных дыр при разрушении и падении на них звёздного вещества в случае гравитационного захвата.

Что же будет происходить с объектом, например, исследовательским зондом при сближении с чёрной дырой? По мере приближения к гравитационному радиусу сигналы, посылаемые зондом, будут разделять всё более длительные промежутки времени, так как искривление пространства вблизи чёрной дыры замедляет для объекта ход времени. При его достижении сигнал от спутника не придёт никогда. При приближении к гравитационному радиусу объекта, он разваливается на элементарные частицы с последующим падением в чёрную дыру, устремляясь в сингулярность. Представленный сценарий характерен для невращающихся сферических и относительно небольших чёрных дыр. Между тем почти все объекты во Вселенной вращаются.

В 1963 году Керру удалось получить решение уравнений Эйнштейна и для вращающихся объектов. Было показано, что, хотя чёрная дыра и сжимается, она не обязательно достигнет сингулярности. Более того, оказалось, что вращающаяся чёрная дыра может оказаться звеном, связывающим нас с другими вселенными. Отечественный физик Н.С. Кардашёв показал, что массивные чёрные дыры можно использовать как машины времени. Если чёрная дыра обладает огромной массой, соизмеримой с массой галактики, то тогда её размеры будут величиной с Солнечную систему. В этом случае градиент кривизны настолько мал, что в неё совершенно безопасно можно влететь по заранее расчётной траектории. При этом перед путешественником откроется будущее Вселенной, за счёт чудовищного замедления времени при выходе из чёрной дыры он окажется на миллиарды лет от времени входа. Другое решение уравнений Шварцшильдом указывает на связь чёрной дыры с нашей Вселенной, и она может осуществлять перемещение в пространстве нашего мира.

Где же находятся массивные чёрные дыры, и как они образовались? Первоначально считалось, что эти объекты появились в результате коллапса огромного количества звёзд, находящихся в галактическом ядре, так как звёзды там располагаются очень близко друг к другу. В настоящее время большинство учёных придерживается точки зрения, согласно которой крупные чёрные дыры родились в ранней Вселенной, когда появились обширные водородные облака. Звёзды в этой юной Вселенной отсутствовали. Сжатие огромных скоплений водорода и привело к возникновению в их центрах массивных чёрных дыр. Именно они, благодаря своей гравитации, вызвали фрагментацию водородных облаков и привели к возникновению первого поколения звёзд в галактиках. Так что, если бы не было чёрных дыр, не было бы ни звёзд, ни атомов, ни планетных систем. Недавно телескоп «Хабл» обнаружил чёрную дыру, стимулирующую образование звёзд. Учёные считают, что несколько миллионов лет тому назад поток горячего газа врезался и растёкся от столкновения с чёрной дырой. После столкновения в газовом потоке начался процесс звёздообразования. Впервые изображение чёрной дыры с её аккреционным диском было получено в результате работы сразу нескольких телескопов в 2021 году. Так удалось запечатлеть сверхмассивную чёрную дыру в центре галактики М87.

Что же будет с чёрными дырами, могут ли они существовать вечно? Чёрные дыры испаряются, т.е. они излучают и теряют свою массу. Это так называемое излучение Хокинга, процесс испускания чёрной дырой элементарных частиц, в основном фотонов. Механизм его появления связан с квантовыми эффектами. Виртуальные частицы, рождающиеся в вакууме, за счёт кривизны чёрной дыры могут получать энергию и становиться реальными. При этом одна частица, получив энергию, покидает чёрную дыру, а другая остаётся внутри. Способствовать излучению может также эффект туннелирования, когда частица просачивается через потенциальный барьер. Температура массивных дыр крайне мала, а размеры велики, поэтому пока излучение Хокинга зафиксировать не удалось. Тем не менее, испаряясь, чёрные дыры теряют массу, при этом и температура, и скорость излучения растут. В результате финальная часть жизни чёрной дыры заканчивается взрывом. Что после него останется? Возможно ничего, кривизна исчезнет, и пространство станет евклидовым, а, возможно, какой-либо квантовый объект всё же останется.

Испарение чёрных дыр весьма длительный процесс. Так, средние по массе чёрные дыры, возникшие, как правило, в результате эволюции звёзд, живут от 10 в 30 степени до 10 в 60 степени лет. Сверхмассивные чёрные дыры могут существовать до 10 в 120 степени лет. Особый интерес представляют микрочёрные дыры, образовавшиеся в самой ранней стадии эволюции Вселенной в момент Большого взрыва. Вероятно, большинство этих объектов уже испарилось за время существования Вселенной, но возможно некоторые из них сохранились и до наших дней. Микрочёрные дыры уже в ближайшее время могут быть получены на земных ускорителях, и их изучение поможет открыть многие тайны Вселенной. А пока итальянские исследователи Международной школы перспективных исследователей SISSA нашли новый подход к определению количества чёрных дыр и пришли к выводу, что их число во Вселенной составляет 40 квинтиллионов, и это примерно 1% от общей материи.

СТАНЬ МЕЦЕНАТОМ!! Поддержи LegendaPress пожертвованием, чтоб мы и дальше могли писать для Вас!