Дырявая вселенная. Факты о чёрных 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 чёрная дыра. Выход фильма спровоцировал невероятный всплеск интереса к феномену чёрных дыр. Естественно, хитом стала и книга, которую выпустил научный консультант «Интерстеллара» Кип Торн. АиФ.ru публикует наиболее интересные факты о чёрных дырах, собранные и описанные Торном.

Сколько чёрных дыр в нашей Вселенной

В центре почти каждой галактики есть огромные чёрные дыры. Среди тех, что удалось обнаружить учёным, самой тяжёлой оказалась чёрная дыра из галактики NGC1277. Её 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 чёрных дыр, которые весят от трёх до тридцати солнечных масс. Выходит, чёрная дыра — не такая уж редкость.

Хорошо, что чёрных дыр нет в Солнечной системе. Ведь гравитация чёрной 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 бы очень далеко от Солнца и покрылась льдами. А может, и вовсе улетела бы из Солнечной системы или попала в чёрную дыру. Человечество не протянуло бы и пары лет!

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

Как умирают звёзды: что случится с Солнцем и откуда берутся чёрные дыры

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

Звёзды, масса которых значительно превышает массу Солнца, сжигают топливо намного скорее, а потом схлопываются. В результате может образоваться нейтронная звезда или чёрная дыра. Масса нейтронной звезды составляет примерно от одной до трёх 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.

Чёрная дыра совсем не содержит материи. Нам трудно это представить, но она целиком состоит из искривлённого пространства и искривлённого времени. Если масса чёрной дыры будет равняться массе нейтронной звезды, то её 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 чёрные дыры, искривляют время и такое искривление — причина гравитации. Суть можно объяснить одной фразой: всё стремится быть там, где оно медленнее всего стареет, и гравитационное притяжение направлено именно туда.

Чем медленнее идёт 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 чёрной дырой время практически не движется и гравитация настолько огромна, что даже свет не способен её преодолеть.

Искривляться способно не только время, но и пространство. Физики считают, что наше трёхмерное 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 перелёты через червоточины, как в кинокартине «Интерстеллар».

Муравей на батуте и сингулярность

Чтобы лучше понять, что такое искривление пространства и чёрная дыра, попробуйте представить себя слепым муравьём, живущим на детском батуте. Резиновое полотнище прогибается вниз, так как на нём лежит камень. Вы не видите того, что вас окружает, но предполагаете, что ваша вселенная — батут — искривлена. Вы ползёте 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 чёрной дыры изгибается, подобно батуту, только там нет шестов и муравья, а вместо камня в центре чёрной 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 её знаем, растягивается и сжимается вплоть до полного исчезновения.

Почему из чёрной дыры нельзя вернуться

У чёрной 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 чёрную 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 чёрной дыры. Никто, находясь снаружи горизонта событий, не получил бы ваших сообщений.Чёрная дыра превращается в ловушку из-за искривления времени. За горизонтом событий время искривлено так сильно, что, можно сказать, приобретает свойства пространственного измерения: оно течёт вниз, устремляясь к сингулярности. Это главная причина, по которой нельзя выбраться из чёрной дыры. 

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

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