Черная дыра – одно из самых завораживающих космических явлений. По сути, черные дыры – это точки в пространстве, которые полностью перечеркивают наши представления о том, как ведут себя пространство и время. В фильмах их часто изображают как высшую опасность – хищных монстров, которые захватывают любой космический корабль, попавший в их гравитационное поле. Еще более странно то, что их внутреннее устройство скрыто под покровом тайны. Ученые, использующие общую теорию относительности Эйнштейна, говорят нам, что центр черной дыры – это сингулярность: место, где масса, эквивалентная по меньшей мере пятикратной массе нашего Солнца, сжимается в точку с нулевым объемом. Так что же на самом деле представляют собой черные дыры? И есть ли хоть какая-то правда в идее сингулярности?

Приближение к черной дыре

Начнем с самого простого. Далеко за пределами черных дыр гравитация, которую они оказывают, на самом деле совершенно обычная. Замените Солнце черной дырой с такой же массой, и Земля продолжит свое величественное шествие по Солнечной системе, обращаясь вокруг черной дыры каждые 365,25 дня. Конечно, Земля потеряла бы солнечный свет и начала замерзать, но с точки зрения гравитации никаких изменений не произошло бы.

Однако если подлететь к черной дыре ближе, все меняется. Что означает “ближе”? Говоря о черных дырах, следует отметить несколько радиусов, которые заслуживают внимания. Первый – это сингулярность. Общая теория относительности говорит, что вся масса черной дыры была сдавлена гравитацией буквально до нулевого размера. Поэтому разумно было бы сказать, что радиус черной дыры равен нулю (хотя, как мы увидим через мгновение, это поспешный вывод).

Еще одна важная особенность – сфера, называемая горизонтом событий. Горизонт событий определяется поведением света. Свет, как и масса, подвержен влиянию гравитации. Точно так же, как требуется энергия, чтобы поднять ракету с поверхности Земли в космос, свету требуется энергия, чтобы покинуть тяжелый объект. Чем сильнее гравитация, тем больше энергии требуется для выхода света.

По мере приближения к центру черной дыры гравитация становится все сильнее и сильнее. Существует радиус, при котором объект, движущийся с максимально возможной скоростью – скоростью света, – уже не может покинуть черную дыру.

Размер горизонта событий зависит от массы черной дыры, но есть и другие важные параметры: вращается ли она и имеет ли электрический заряд. Однако для самой простой из возможных черных дыр – незаряженной и не вращающейся – радиус горизонта событий называется радиусом Шварцшильда, по имени немецкого физика и астронома Карла Шварцшильда. На расстояниях ближе к центру черной дыры, чем радиус Шварцшильда, ничто не может вырваться наружу – даже свет. За его пределами объекты могут улететь, по крайней мере, в теории.

Для объекта с массой Солнца радиус Шварцшильда составляет примерно 3 километра. Для сравнения, обычный радиус Солнца составляет около 700 000 километров. Радиус Шварцшильда для черной дыры размером с Землю составляет чуть меньше сантиметра. На расстояниях, примерно в 2,5 раза превышающих радиус Шварцшильда, объекты могут вращаться вокруг черной дыры. На расстоянии от 2,5 до 1,5 радиуса Шварцшильда движение по орбите затруднено и нестабильно, объект начинает падать в черную дыру и требуются огромные усилия для поддержания орбиты.


На расстоянии, примерно в 1,5 раза превышающем радиус горизонта событий, находится так называемая “фотонная сфера”. На этом расстоянии черная дыра так сильно искривляет пространство, что фотоны света фактически вращаются вокруг черной дыры. Если бы вы находились на таком расстоянии от черной дыры, свет от вашего затылка обогнул бы дыру и ударил бы вам в лицо. Зато вам не понадобится зеркало, чтобы проверить, хорошо ли вы причесались.

Ближе к черной дыре все становится еще более странным. Наблюдатель, находящийся вдали от черной дыры, будет видеть, как объекты приближаются к горизонту событий, двигаясь все медленнее и медленнее, и в конце концов исчезают из виду. Однако когда сам наблюдатель приближается к горизонту событий, то ничего особо не меняется, хотя вид окружающего неба сильно исказится под действием гравитационного поля черной дыры. (Примечание: в зависимости от размера черной дыры и размера объекта, приближающегося к горизонту событий, гравитационные силы могут разорвать объект на части. Или нет. Многие вещи определяют, будет ли объект разрушен, и нельзя обобщать. Мы будем игнорировать этот эффект).

Как только наблюдатель проходит горизонт событий, это точка невозврата. Попав туда, вы уже никогда не сможете оттуда выйти. И вот что интересно: поскольку ничто не может покинуть горизонт событий, у нас нет абсолютно никаких данных о том, что происходит внутри. Наше понимание природы пространства и времени внутри черной дыры полностью теоретическое, и эти идеи могут быть верными, а могут и нет. Однако, согласно теории, внутри горизонта событий пространство и время меняются местами. Когда вы движетесь к центру черной дыры, вы движетесь во времени, а не в пространстве. Это безумная идея, но она может оказаться правдой.

Сингулярность

Когда человек приближается к центру черной дыры, к нашему незнанию измерений добавляется незнание теории; теория разрушается. Часто можно услышать, что центр черной дыры – это сингулярность: теоретическое место, где масса дыры сжимается до нулевого размера. Но на самом деле сингулярность означает не это.

Сингулярность – это место, где теория разрушается. Если серьезно относиться к общей теории относительности, то вариант с нулевым размером вполне реален. Но это также означает место с бесконечной плотностью. И все это означает, что наша теория больше не работает.

Среди практикующих ученых существует консенсус: сингулярность означает, что общая теория относительности больше не работает. Таким образом, нам нужна новая теория гравитации – то, что ученые называют квантовой гравитацией. И здесь кроется тревожная правда: ученые не знают, как выглядит эта теория. Есть несколько идей, но ни одна из них не подтвердилась.

Таким образом, правда о центре черной дыры двояка. Внутри горизонта событий у нас есть только теории и предположения. Разумно предположить, что теории Эйнштейна работают в точках внутри горизонта событий, но далеко от центра. Хотя и в этом мы не уверены. Но ученые уверены, что в центре теория Эйнштейна полностью проваливается. Так что, если быть честными, мы не знаем, что скрывается в центре черной дыры.

Поскольку мы никогда не сможем заглянуть внутрь черной дыры, вполне возможно, что мы никогда не узнаем, что происходит внутри. Поэтому вполне вероятно, что внутренняя часть черной дыры навсегда останется для нас загадкой.