Дырявая вселенная. Факты о «черных дырах» от консультанта «Интерстеллара»

Блокбастер «Интерстеллар» поразил зрителей не только своими кинематографическими достоинствами, но и высококачественной научной работой, легшей в основу сценария. Фактически одним из «безмолвных героев» фильма стала черная дыра. Выход фильма спровоцировал невероятный всплеск интереса к феномену «Черных дыр». Естественно, хитом стала и книга, которую выпустил научный консультант «Интерстеллара» Кип Торн. "АиФ" публикует наиболее интересные факты о черных дырах,  собранные и описанные Торном.  

Сколько черных дыр в нашей Вселенной

В центре почти каждой галактики есть огромные черные дыры. Среди тех, что удалось обнаружить ученым, самой тяжелой оказалась черная дыра из галактики NGC1277. Ее вес в семнадцать миллиардов раз больше веса Солнца; она находится в 250 миллионах световых лет от нашей планеты — это составляет около одной десятой расстояния до границы наблюдаемой Вселенной.

Кроме массивных, в нашей Галактике существует около ста миллионов сравнительно небольших черных дыр, которые весят от трех до тридцати солнечных масс. Выходит, черная дыра — не такая уж редкость.

Хорошо, что черных дыр нет в Солнечной системе. Ведь гравитация черной дыры могла бы повлиять на земную орбиту и привести к катастрофическим последствиям. Наша планета сместилась бы слишком близко к Солнцу и сгорела. Или, наоборот, оказалась очень далеко от Солнца и покрылась льдами. А может, и вовсе улетела из Солнечной системы или попала в черную дыру. Человечество не протянуло бы и пары лет!

По словам астрономов, самая близкая к нам черная дыра находится приблизительно в трех сотнях световых лет от Земли, а это в сто раз дальше, чем ближайшая звезда (исключая Солнце) Проксима Центавра.

Как умирают звезды: что случится с Солнцем и откуда берутся черные дыры

Солнцу и Земле около четырех с половиной миллиардов лет. Еще через шесть с половиной миллиардов лет в солнечном ядре закончится ядерное топливо. Тогда начнет выгорать топливо в оболочке, которая окружает ядро. Солнце увеличится и поглотит нашу планету. Когда топливо в оболочке тоже выгорит, а Земля исчезнет, Солнце начнет сжиматься и превратится в белый карлик. Его размер будет примерно таким же, как размер Земли, а плотность в миллионы раз больше. Со временем белый карлик остынет и сделается плотным темным огарком.

Звезды, масса которых значительно превышает массу Солнца, сжигают топливо намного скорее, а потом схлопываются. В результате может образоваться нейтронная звезда или черная дыра. Масса нейтронной звезды составляет примерно от одной до трех солнечных масс, диаметр — около ста километров, а плотность равняется плотности атомного ядра: в сотни триллионов раз больше плотности камня. Тесно упакованные атомные ядра — вот из чего состоит нейтронная звезда.

Черная дыра совсем не содержит материи. Нам трудно это представить, но она целиком состоит из искривленного пространства и искривленного времени. Если масса черной дыры будет равняться  массе нейтронной звезды, то ее окружность составит около 22 километров.

Искривление времени и пространства

В начале двадцатого века Эйнштейн сделал потрясающее открытие. Он вычислил, что тела с большой массой, например черные дыры, искривляют время и такое искривление — причина гравитации. Суть можно объяснить одной фразой: все стремится быть там, где оно медленнее всего стареет, и гравитационное притяжение направлено именно туда.

Чем медленнее идет время, тем выше гравитация. На Земле время замедляется всего на несколько микросекунд в день, поэтому гравитационное притяжение здесь небольшое. На поверхности нейтронной звезды, где время замедляется на несколько часов в день, гравитация весьма велика. А рядом с черной дырой время практически не движется, и гравитация настолько огромна, что даже свет не способен ее преодолеть.

Искривляться способно не только время, но и пространство. Физики считают, что наше трехмерное пространство (брана) прогибается внутрь многомерного гиперпространства (балка), не принадлежащего нашей Вселенной! Предполагается, что у балка десять измерений: одно временнóе и девять пространственных. Существование гиперпространства теоретически делает возможными путешествия во времени и межгалактические перелеты через червоточины, как в кинокартине «Интерстеллар».

Муравей на батуте и сингулярность

Чтобы лучше понять, что такое искривление пространства и черная дыра, попробуйте представить себя слепым муравьем, живущим на детском батуте. Резиновое полотнище прогибается вниз, так как на нем лежит камень. Вы не видите того, что вас окружает, но предполагаете, что ваша вселенная — батут —  искривлена. Вы ползете по кругу  в верхней части. Измерив длину окружности, отправляетесь в путешествие с одного края на другой через центр, чтобы определить диаметр.

Если бы ваша вселенная была плоской, длина окружности равнялась бы числу π, умноженному на диаметр. Но вы выяснили, что длина окружности меньше диаметра, даже если его не умножать на π. В этот момент вы убеждаетесь: ваша вселенная действительно искривлена! Пространство вблизи черной дыры изгибается подобно батуту, только там нет шестов и муравья, а вместо камня в центре черной дыры находится сингулярность.

Сингулярность — это небольшая область, где поверхность «бесконечно искривляется» и сходится в точку, в которой силы приливной гравитации бесконечно велики, из-за чего материя в том виде, как мы ее знаем, растягивается и сжимается вплоть до полного исчезновения.

Почему из черной дыры нельзя вернуться

У черной дыры есть поверхность (другое название — «горизонт событий»), через которую ничто не может выйти наружу, даже свет. Если бы вы взяли микроволновый передатчик и отправились прямо в черную дыру, то после пересечения горизонта событий вас неотвратимо затягивало бы к сингулярности. Любые сигналы, которые вы попытались бы передать, тоже устремились бы вниз.

Сигналы, как и вы сами, стали бы пленниками черной дыры. Никто, находясь снаружи горизонта событий, не получил бы ваших сообщений. Черная дыра превращается в ловушку из-за искривления времени. За горизонтом событий время искривлено так сильно, что, можно сказать, приобретает свойства пространственного измерения: оно течет вниз, устремляясь к сингулярности. Это главная причина, по которой нельзя выбраться из черной дыры.

Однако новая теория Хокинга обнадеживает: по его мнению, информация не исчезает в черной дыре бесследно. Она или остается на границе черной дыры в виде голограммы, или переходит в другую вселенную. Важное условие: черная дыра обязательно должна быть вращающейся.

Книга «Интерстеллар. Наука за кадром» предоставлена издательством «Манн, Иванов и Фербер»