Всепоглощающая область пространства-времени или портал между галактиками? В этой статье мы попробуем расширить представления в рамках Общей теории относительности Энштейна и немного пофантазируем. Все нормально, формул не будет.

Геометрическая теория гравитации

Уже прошло больше века с тех пор, как в 1915 году Альберт Эйнштейн предложил Общую теорию относительности. Чёрные дыры — одно из самых экстремальных предсказаний этой теории. Начнем с геометрической теории гравитации. Звучит сложно, но есть очень понятный пример:

Представьте себе резиновую плоскость. Вы кладете разные предметы — чем тяжелее предмет, тем больше прогнется плоскость, и возникнет ямка, а все объекты будут туда притягиваться. Если вы бросите какие-нибудь дополнительные шарики на плоскость, то они скатятся в ямку. Мы можем положить настолько большой объект, что он так сильно продавит плоскость, что возникнет область пространства, которая как бы «окуклится». Из нее наружу ничего выходить не будет. Вот это и есть, черная дыра в Общей теории относительности.

Горизонт событий

И так черная дыра — это область пространства. У нее нет поверхности, по ней нельзя постучать-походить, есть только горизонт, граница, отделяющая недра черной дыры от остального мира. В такой границе сигналы, распространяющиеся со скоростью света, полностью удерживаются тяготением и не могут уйти в бесконечность во внешнем пространстве. Граница возникает при гравитационном коллапсе, приводящем к образованию черной дыры, когда усиливающееся гравитационное поле перестаёт выпускать наружу даже лучи света. Эту границу обычно называют Горизонтом событий.

Горизонт событий будущего является необходимым признаком черной дыры как научно подтвержденного объекта. Горизонт событий так же называют сферой Шварцшильда она имеет характерный размер, называемый гравитационным радиусом.

Находясь под горизонтом событий, любое тело будет двигаться только внутри чёрной дыры и не сможет вернуться обратно во внешнее пространство. C точки зрения наблюдателя, свободно падающего в черную дыру, свет может свободно распространяться как по направлению к черной дыре, так и от неё. Однако после пересечения горизонта событий даже свет, распространяющийся от наблюдателя наружу, никогда не сможет выйти за пределы горизонта. Предмет, попавший внутрь горизонта событий, в конце концов попадает в сингулярность, а перед этим разрывается вследствие высокого градиента силы притяжения чёрной дыры.

Параметры черной дыры

Любая черная дыра для наблюдателя снаружи может быть описана всего тремя параметрами:

1. Масса

2. Электрический заряд — физическая скалярная величина, определяющая способность тел быть источником электромагнитных полей и принимать участие в электромагнитном взаимодействии. Электромагнитное взаимодействие переносится безмассовым бозоном — фотоном. Сам фотон электрическим зарядом не обладает, но может взаимодействовать с другими фотонами путем обмена виртуальными электрон-позитронными парами. ( Квантовая теория поля )

3. Спин — собственный момент импульса атомного ядра или атома. ( Квантовая-механика )

Посмотрим на картинку.

В зелёной зоне существуют стабильные круговые орбиты и пребывание здесь безопасно.

В жёлтой зоне круговые орбиты нестабильны, и малейший манёвр двигателями может привести к падению в черную дыру, либо к вылету наружу.

В оранжевой зоне нет никаких круговых орбит, и если вы хотите оттуда выбраться, у вас есть единственный шанс — вовсю жечь свои ракеты.

Красная линия - это горизонт событий. Если вы пересечете ее, ничто уже не поможет выбраться обратно.

Чем ближе к сингулярности, тем сильнее на вас действуют приливные силы. Если мы падаем вниз ногами, то на них действует большая гравитационная сила, чем на голову, так что вас растягивает в вертикальном направлении. Примерно за секунду до сингулярности вас просто разорвет на части.

Излучение Хокинга

Черные дыры очень трудно открыть. Она дыра и она черная — собственно, что там можно увидеть? Единственный, сразу приходящий в голову способ — это излучение Хокинга. Черные дыры должны понемногу испаряться. Но это процесс очень медленный. Обычно процесс испарения черных дыр иллюстрируют таким образом. В вакууме постоянно рождаются пары частиц. Это ничему не противоречит. Вы как бы на короткое время берете взаймы энергию, рождаете пару частиц, а потом они аннигилируют.

Ну, представьте такую полукриминальную ситуацию: вы работаете в банке, и вы периодически берете деньги из кассы, а на следующий день возвращаете. Ничего не произошло, никто не знает — вы взяли на короткое время и вернули. А теперь представьте, что у вас есть рядом черная дыра. То есть, например, случился какой-то кризис: вы взяли деньги, а вернуть уже ничего не можете, у вас остался долг, и, значит, банк немножко испарился, — для внешнего наблюдателя это выглядит как испарение банка. Если есть черная дыра, рядом возникла пара частиц: одна упала в дыру, а другая улетела. Глядя на это с какого-то расстояния, мы просто увидим, что родилась частица и улетела. Единственный источник энергии для того, чтобы получить эту частицу, — это масса черной дыры. Таким образом, для внешнего наблюдателя масса дыры начинает уменьшаться.

Казалось бы, надо искать такое испарение черных дыр — вот вам и доказательство их существования! Но здесь, если мы к реалиям вернемся, проблема такова: в природе есть два основных типа черных дыр.

Типы черных дыр

Первый, самый известный — это черные дыры звездных масс, возникающие на финальных стадиях эволюции самых массивных звезд. Живет большая массивная звезда, она пережигает водород в гелий, гелий в углерод, азот, кислород, наконец, доходит до элементов группы железа. Дальше горение идти не может, и ядро схлопывается. Если это схлопывание ничем не остановить, образуется черная дыра. Типичная масса такого объекта раз в десять больше солнечной. Это массивная черная дыра, она испаряется очень медленно, вокруг постоянно летает какой-нибудь мусор, реликтовое излучение, и это все попадает в черную дыру, поэтому ее масса все-таки в среднем растет, испарение несущественно.

Второй тип черных дыр — это сверхмассивные объекты в центрах галактик. Есть два основных сценария их образования: или большие облака газа сразу схлопывались в дыры, а потом они постепенно росли, поглощая вещество из окружающего пространства; или самые первые звезды в конце своей жизни давали довольно большие, по сто-двести масс Солнца, черные дыры, и они становились зародышами для будущих сверхмассивных объектов. Естественно эти дыры испаряются крайне медленно, поэтому увидеть это фактически невозможно.

Заключение: У этой статьи есть видео версия. Подача в ней немного другая, больше сказал от себя.

Источники: Черные дыры, Гравитационный коллапс, Горизонт событий, Спин, FAQ: Гравитационные волны и черные дыры, Черные дыры и кротовые норы, Падаем в чёрную дыру, Черная дыра wiki, Горизонт событий wiki, Космологическая сингулярность wiki, Электрический заряд wiki.