Самыми таинственными объектами во Вселенной по праву можно назвать черные дыры – области пространства-времени гравитация которых настолько сильна, что ничто, даже свет, не может их покинуть. Интересно, что на просторах бесконечной Вселенной существуют черные дыры, масса которых превышает массу Солнца в пять-сто раз, но есть и такие, чья масса превышает миллиард солнечных. Сегодня астрономы считают, что сверхмассивные черные дыры скрываются в сердце большинства галактик, отмечая при этом, что Вселенная находится в так называемой «звездной эре» – этапе эволюции Вселенной, во время которого звезды и галактики рождаются непрерывно. Но что лежит за границей звездной эры? Исследователи полагают, что в конечном итоге все ингредиенты для создания черных дыр будут исчерпаны, а звезды в ночном небе медленно погаснут, превратив тем самым черные дыры в единственных обитателей Вселенной. Но даже эти космические монстры не могут существовать вечно. Когда-нибудь и они погибнут, озарив, на прощание, пустое и безжизненное пространство фейерверком.
Теоретическая возможность существования черных дыр следует из решения в 1915 году Карлом Шварцшильдом некоторых уравнений Альберта Эйнштейна. Сегодня мы знаем, что в космосе действительно существуют области пространства-времени, гравитационное притяжение которых настолько велико, что никакие объекты, включая фотоны света, не могут их покинуть. В 2016 году команде физиков удалось услышать и записать звук двух черных дыр, сталкивающихся в миллиардах световых лет от Земли – это открытие окончательно подтвердило пророчество общей теории относительности Эйнштейна. А всего через три года мир увидел первое изображение тени черной дыры, расположенной в центре галактики Messier 87 (находится на расстоянии 55 миллионов световых лет от нашей планеты). Поскольку стремительное развитие технологий, сложные современные приборы и зонды исследования космоса позволяют ученым обнаруживать и изучать этих космических монстров, пришла пора нанести их на карту, избавив себя от потенциальной возможности оказаться поблизости к черной дыре. Если мы, конечно, когда-нибудь сможем заплыть так далеко в космический океан.
С того самого момента, как Альберт Эйнштейн обнаружил в своих уравнениях гравитационные волны, прошло 105 лет – мгновение по меркам Вселенной, да и для человечества это не так много. Тем не менее за прошедшее столетие мы узнали о Вселенной столько нового! Намного больше, чем предполагал Эйнштейн. Представьте себе его изумление, застань он обнаружение гравитационных волн или публикацию первого снимка черной дыры. Что уж говорить об открытиях лауреатов Нобелевской премии по физике 2020 года – ее удостоились Роджер Пенроуз из Великобритании, Райнхард Генцель из Германии и Андреа Гез из США. Пенроуз математически доказал, что черные дыры должны возникать в обычном для космоса процессе: при взрывах сверхновых. А Генцель и Гез обнаружили сверхмассивный компактный объект в центре Млечного Пути. Небесное тело, открытое лауреатами, стало первым обнаруженным в космосе объектом, который абсолютно точно является черной дырой. Но и это еще не все. Недавно международная группа астрономов доказала, что у вращающихся черных дыр могут существовать «волосы», то есть дополнительные параметры, которые зависят от поглощенной материи.
Черные дыры странные. Эти удивительные объекты, существование которых было окончательно доказано и вещественно подтверждено в 2019 году, представляют собой область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что объекты, движущиеся со скоростью света (и даже кванты самого света) не могут ее покинуть. Но не все черные дыры одинаковы: исследователи полагают, что существуют первичные черные дыры – объекты, которые предположительно образовалась в момент начального расширения Вселенной, когда еще не было ни звезд ни галактик. Именно к ним приковано внимание международной команде астрофизиков из Физико-математического института имени Кавли (Япония), которые выдвинули крайне необычное предположение о роли первичных черных дыр в структуре Вселенной: исследователи предположили, что первичные черные дыры могут отвечать за всю темную материю Вселенной или некоторую ее часть, за некоторые из наблюдаемых гравитационно-волновых сигналов, а также служить зародышами сверхмассивных черных дыр, расположенных в центре нашей и других галактик.
Вселенная полна загадок. Возьмем, к примеру, черные дыры – область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть ее не могут не только объекты, движущиеся со скоростью света, но и фотоны самого света. Напомню, что существование этих таинственных объектов впервые было подтверждено в 2017 году после открытия гравитационных волн. А два года спустя, в 2019 году астрономы впервые получили самый настоящий снимок тени черной дыры. Но что еще ученым известно об этих удивительных, массивных объектах? По мнению авторов нового исследования, сверхмассивные черные дыры могут оказаться самыми настоящими «тоннелями», с помощью которых путешественники на космических кораблях теоретически могут путешествовать по бескрайней Вселенной. Примечательно, что новое исследование согласуется с тем, что думал о черных дырах великий физик-теоретик Стивен Хокинг.
Эйнштейн утверждал, что черная дыра определяется тремя свойствами: массой, спином и электрическим зарядом. Заряд черной дыры должен быть близок к нулю, поскольку вещество, захваченное черной дырой, электрически нейтрально. Масса черной дыры определяет размер ее горизонта событий и может быть измерена несколькими способами: от яркости материала вокруг нее до орбитального движения ближайших звезд. Но вот вращение черной дыры изучать гораздо сложнее. На самом деле мы не знаем с какой скоростью вращается сверхмассивная черная дыра в центре Млечного Пути. Мы знаем, что звезды и планеты вращаются вокруг своей оси, и ровно то же самое происходит с черными дырами. Разница лишь в том, что у черных дыр нет физической поверхности, как у звезд и планет. Спин черной дыры, как и ее масса, является пространственно-временным свойством и определяет, как искривляется пространство вокруг черной дыры, таким образом, чтобы измерить спин черной дыры, нужно изучить, как материя ведет себя вблизи нее.
О чем вы думаете, когда смотрите в ночное небо? За пределами всех видимых с нашей планеты звезд скрывается бесконечная, полная тайн Вселенная. Всего несколько лет назад ученым удалось доказать существование черных дыр – объектов в пространстве-времени, гравитационное притяжение которых настолько велико, что покинуть их не может даже свет. Последующее открытие гравитационных волн и вовсе положило начало новой области астрофизики – астрономии гравитационных волн. Но что на счет червоточин – особенностей пространства-времени, представляющих собой в каждый момент времени «туннель» в пространстве? Несмотря на то, что кротовые норы согласуются с Общей теорией относительности Эйнштейна, существуют они или нет сегодня неизвестно. Между тем, если эти объекты реальны, они могли бы значительно облегчить космические путешествия. Более того, благодаря червоточинам человечество могло бы проложить путь к самым отдаленным уголкам Вселенной. Это верно в буквальном смысле, поскольку теоретические объекты могут соединять отдаленные уголки космоса (или даже разные вселенные), позволяя путешественнику отправиться куда-то сразу, не посещая пространство между ними.
Когда кто-то говорит что-то про гравитационные волны, многим остается только недоумевать и не понимать, что это вообще такое. Если вы этого не знали, расслабьтесь — даже ученые не могут дать на это развернутый ответ. Конечно, в целом они понимают, что это такое и откуда берется, но белые пятна в этой истории все равно еще остаются. Даже то, что несколько лет назад их смогли зафиксировать, не дает развернутого ответа на вопрос, что же это такое. Все из-за того, что они появляются в далеком космосе и уже потом доходят до нас. Примечательно, что предсказал их существование еще Альберт Эйнштейн, а современные ученые только сейчас начинают подбираться к их разгадке. Понимание того, откуда они берутся и что из себя представляют, пусть и примерное, очень интересно. Попробуем рассказать об этом попроще и без лишних сложных формул.
Сразу огорчу фанатов научной фантастики. На самом деле вы не можете пережить путешествие через черную дыру. И если вы попытаетесь попасть хотя бы в одну из них, как, например, это сделал Мэттью Макконахи в фильме «Интерстеллар», вас разорвет на части задолго до того, как вы узнаете, что находится внутри черной дыры. Однако ученые не просто так наблюдают за этими загадочными космическими объектами последние десятки лет. Это позволило ответить на два вопроса: что такое черная дыра, и что (в теории) находится внутри нее.
Астрономы впервые увидели всплеск света от столкновения двух черных дыр. Объекты встретились находясь на расстоянии 7,5 миллиардов световых лет от Земли. В момент их встречи в вихре горячей материи, вращающейся вокруг более крупной, сверхмассивной черной дыры, началось слияние. Этот водоворот называется аккреционным диском и вращается вокруг горизонта событий черной дыры – места в космосе, в котором сила гравитация настолько сильна, что даже фотоны света не могут ее покинуть. Вот почему ученые никогда не видели столкновения двух черных дыр. В отсутствие света идентифицировать такие слияния можно только обнаружив гравитационные волны – рябь в пространстве-времени, создаваемой столкновениями массивных объектов.