Открытие черных дыр стало возможно благодаря российским учёным
Говоря простым языком, чёрная дыра — область пространства-времени с очень сильным гравитационным притяжением, в которой ничто, включая свет не может её покинуть. Граница этой области называется горизонтом событий. По словам Анатолия Черепащука, наблюдение черных дыр началось 60 лет тому назад, после работы Якова Зельдовича и Эдвина Солпитера о том, что падение вещества на чёрную дыру должно приводить очень большому выделению энергии в рентгеновском диапазоне спектра, потому что при падении на очень большой скорости и столкновении вещества плазма разогревается на миллионы градусов и формируется мощное рентгеновское излучение. Рентгеновская астрономия после предсказания Зельдовича и Солпитера обеспечила первый прорыв в изучении черных дыр и открыла много кандидатов в черные дыры, но доказать окончательно их существование с помощью рентгеновских наблюдений оказалось невозможно, при этом были получены важные аргументы в пользу гипотезы, что черные дыры все-таки существуют.
До 2000-х годов, многие физики не верили в существование черных дыр. И только когда в США в 2015 году была запущена гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) на базе лазерного интерферометра было открыто слияние черных дыр в двойных системах, тогда стало ясно, что черные дыры реально существуют во Вселенной. Сейчас уже известно около сотни слияний черных дыр. Идея этого подхода к изучению была высказана ещё в 1962 году аспирантами академика РАН Виталия Гинзбурга: Михаилом Герценштейном и Владислав Пустовойтом. «Позже эту идею подхватили американцы, а наши учёные Владимир Брагинский из МГУ, Ефим Хазанов из Института прикладной физики РАН включились в экспериментальную проработку этого проекта и внесли большой вклад. Так что гравитационно-волновая астрономия — это детище России и Америки, но, к сожалению, Нобелевскую премию получили только американцы», — рассказал астрофизик, академик РАН Анатолий Черепащук.
Сейчас уже нет никаких сомнений в том, что существуют черные дыры масса которых составляет порядка 10-50 масс Солнца. В 2022 году группа учёных разных стран измерила тени от сверхмассивных черных дыр в ядре нашей галактики на сети радиотелескопов Event Horizon Telescope (EHT, «Телескоп горизонта событий»). Исследователи выяснили, что в нашей галактике чёрная дыра составляет 4 млн масс Солнца, а в ядре галактики М87 существует чёрная дыра размером в 6,5 млрд солнечных масс. Ими было доказано само существование черных дыр.
Российская космическая обсерватория «Миллиметрон» («Спектр-М»), запуск которой планируется в 2029 году, может дать абсолютно новые данные о черных дырах. Она предназначена для работы в режиме одиночной антенны и интерферометра по принципу «космос — Земля», при этом сам «Миллиметрон» будет располагаться на гало-орбите в 1,5 млн километрах от нашей планеты. Угловое разрешение 10-метрового космического телескопа будет значительно превышать разрешение Event Horizon Telescope, а значит, и возможности его будут больше.
«Но после того, когда черные дыры были окончательно открыты, мы должны согласиться со всеми их экстремальными свойствами. Представьте себе объект, у которого радиус конечный, например, 30 километров, а объем бесконечный. Внутри любой чёрной дыры, любой массы, можно поместить целую Вселенную, это первое. Второе, — на поверхности, на границе чёрной дыры ход времени останавливается. То есть, если вы пошлёте космический корабль, то он с нашей точки зрения никогда не пересечёт границу чёрной дыры и там же остановится. А со своей точки зрения он проникает внутрь и погибает. И наконец, третья особенность, самая важная. В центре каждой чёрной дыры расположена так называемая сингулярность. Это формально объект с бесконечно большой плотностью. Конечно, бесконечности в физике не бывает, на определённом этапе начинают действовать законы квантовой механики, квантовой гравитации. И поэтому размеры и плотность этого объекта, они так называемые, планковские (объясняемые квантовой теорией Макса Планка — Прим. ред.). Плотность вещества в сингулярности составляет 1093 грамм в кубическом сантиметре, для сравнения — плотность вещества нейтронной звезды — 1015 грамм в кубическом сантиметре», — резюмирует Черепащук. Так всего спичечный коробок обычного размера, который содержит материал нейтронной звезды, весил бы примерно 3 млрд тонн.
«Представьте себе объект, у которого радиус конечный, например, 30 километров, а объем бесконечный. Внутри любой чёрной дыры, любой массы можно поместить целую Вселенную».
Увидеть черную дыру и умереть
По словам учёного, важнейший вывод из существования черных дыр и задача — изучение сингулярности — этой новой формы материи, которая реально существует во Вселенной. Размышляя об инструментарии, который можно было бы использовать для изучения, Анатолий Черепащук, отметил, что сингулярность покрыта горизонтом событий и с точки зрения далёкого наблюдателя, она не наблюдаема. Чтобы её достигнуть надо сесть на космической корабль и упасть, и погибнуть, размышляет собеседник «Телеспутника». Полет от границы чёрной дыры до центральной сингулярности может занять примерно несколько суток. За это время можно изучить свойства этой материи, но передать на Землю информацию не получится. «Сверхзадача для экспериментаторов — подобрать такой вариант чёрной дыры, когда до сингулярности можно, так сказать, подлететь и пощупать её», — добавил Черепащук.
При этом, по его словам, есть отдельные случаи, когда сингулярность можно наблюдать. Согласно одной из гипотез, голую сингулярность можно наблюдать, когда чёрная дыра вращается предельно быстро, то горизонт событий уменьшается, кроме того, если электрический заряд у чёрной дыры очень большой, то он тоже аннулирует горизонт событий.
Чёрные дыры страшны только для звёзд
Несмотря на то, что чёрные дыры «пожирают» звезды, для Земли и людей они безопасны. Чёрные дыры, известные нам, расположены далеко, а их притяжение на больших расстояниях ничем не отличается от притяжения звёзд. Черные дыры образуются из массивных звёзд, которых в нашей галактике меньшинство, так ближайшие к нам 300 млрд звёзд, в основном имеют массу около одной массы Солнца. А для формирования чёрной дыры требуется гораздо большая масса — от 15 до 30 масс Солнца. Наблюдения показывают, что ближайшие черные дыры расположены от нас за тысячи световых лет. Их воздействие на нас связано только с коллективным гравитационным полем всех звёзд галактики — наша Солнечная система движется по своей орбите в галактике и за 220 миллионов лет она делает целый оборот. Но это воздействие маленькое, а мы его не чувствуем, как и воздействие черных дыр, пояснил Черепащук.
Бесконечный источник энергии
Для астрономии изучение воздействия чёрной дыры служит для понимания эволюции галактики. Если же говорить о практическом аспекте, то предположения учёных звучат фантастически — из области рядом с чёрной дырой можно извлекать энергию. «Если создать чёрную дыру, сжав массу до уровня плотности 1015 грамм на кубический сантиметр, то есть, например, гору до размера атомного ядра. И если она будет вращаться очень быстро, то с помощью механизма Пенроуза, можно из этого вращения извлекать энергию. И сотни тысяч лет эта чёрная дыра будет обеспечивать энергией», — говорит Анатолий Черепащук, при этом добавляя, что пока такие технологии возможны только теоретически.
Продолжая рассуждать о будущем, наш собеседник рассказал нам, что сингулярность может иметь также ещё и форму кольца, которые могут стать «воротами» в новые миры. «Если в чёрной дыре вращение очень быстрое, то сингулярность имеет вид колечка и если масса чёрной дыры очень большая, то размеры пустоты в колечке тоже будут достаточно большие и теоретически на космическом корабле можно через это колечко выйти в другую Вселенную, где будут другие физические законы, другие физические константы и так далее. Такие путешествия теоретически тоже будут возможны», — сказал он.
Кротовая нора — машина времени будущего
С другими путешествиями – во времени, часто связывают свойство кротовых нор. Общая теория относительности предсказывает возможность существования не только черных дыр, но и кротовых нор — это туннель в пространстве и времени, где нет сингулярности и нет горизонта событий. «То есть в кротовую нору можно входить, выходить, и путешествовать не только в пространстве, но и во времени, как в будущее и даже в прошлое, что сразу приводит к массе парадоксов. Это не очень реально, но во всяком случае, общая теория относительности предсказывает существование замкнутых линий времени, которые как раз и формируются в кротовой норе. Поэтому с кротовыми норами человечество связывает мечты о создании машины времени», — сказал Черепащук.
Но по словам учёного, известна проблема устойчивости кротовых нор: из-за сильного гравитационного поля они коллапсируют в чёрную дыру, а, чтобы создать устойчивую кротовую нору надо заполнить её горловину особой формой материи — экзотической материей, у которой отрицательное давление и которая имеет, так называемое, фантомное уравнение состояния. «Сегодня многие физики не верят, что такая материя может реально существовать. Но я могу сказать, что, когда я начинал в 1960-х годах заниматься черными дырами, отношение к черным дырам было точно такое же. Большинство считало, что это чистая математическая абстракция, которая к наблюдениям и к жизни не имеет никакого отношения. Но вот прошло 60 лет, и мы черные дыры уже считаем своими объектами (наблюдения). Не исключено, что ещё через 60 лет на Всероссийской астрономической конференции станет известно и об открытии кротовых нор», — резюмировал Анатолий Черепащук.
