Беспощадный поглотитель материи: как на самом деле выглядит центр черной дыры

Черные дыры представляют собой особенные объекты в космосе, где гравитация настолько сильна, что ничто, даже свет, не может покинуть ее пределов, если преодолеет границу под названием горизонт событий. Теоретически в центре черной дыры находится сингулярность, то есть точка, в которой современные научные теории терпят крах из-за бесконечного искривления пространства-времени. Тайна того, что скрывается внутри черных дыр, может навсегда остаться за пределами нашей досягаемости, считает Дон Линкольн, физик из Фермилаб (США), пишет Big Think.

У Фокус. Технологии появился свой Telegram-канал. Подписывайтесь, чтобы не пропускать самые свежие и захватывающие новости из мира науки!

По сути, черные дыры являются местами в космосе, которые полностью опровергают наше представление о том, как ведут себя пространство и время. Природа черных дыр до сих пор до конца не ясна. Если использовать теорию относительности Эйнштейна, то центр черной дыры представляет собой сингулярность, то есть место, где масса, эквивалентная как минимум пяти массам Солнца, сжимается в точку с нулевым объемом.

Горизонт событий черной дыры

Далеко за пределами черной дыры ее гравитация работает как обычно. Например, если бы на месте Солнца оказалась черная дыра такой же массы, то Земля продолжала бы кружить вокруг этого объекта. Правда, наша планета стала бы очень холодным миром, но с точки зрения гравитации никаких изменений не произойдет. Все меняется, если любой объект приближается слишком близко к черной дыре.

Важной особенностью черных дыр является сфера, которая называется горизонтом событий. Эту невидимую границу можно определить благодаря поведению света. На свет, как и на массу, влияет гравитация. Свету нужна энергия, чтобы покинуть объект с сильной гравитацией. Чем сильнее гравитация, тем больше энергии требуется свету, чтобы уйти.

По мере приближения к центру черной дыры гравитация становится все сильнее и сильнее. Существует радиус, при котором объект, движущийся со скоростью света, больше не может покинуть черную дыру.

Радиус горизонта событий черной дыры

Размер горизонта событий зависит от массы черной дыры, но есть и другие важные параметры: вращается ли черная дыра и имеет ли она электрический заряд. Но для самой простой черной дыры без этих двух параметров радиус горизонта событий называется радиусом Шварцшильда. На расстояниях ближе к центру черной дыры, чем радиус Шварцшильда, ничто не может покинуть черную дыру, даже свет. За пределами этого радиуса объекты могут улететь.

Для объекта с массой Солнца радиус Шварцшильда составляет примерно 3 км. Но радиус Солнца составляет почти 700 тысяч км. На расстояниях, примерно в 2,5 раза превышающих радиус Шварцшильда, объекты могут вращаться вокруг черной дыры. В диапазоне от 2,5 до 1,5 раза больше радиуса Шварцшильда вращение объекта будет уже достаточно сложным и нестабильным, что требует от объекта огромных усилий для поддержания орбиты.

На расстоянии в 1,5 раза превышающем радиус горизонта событий находится "фотонная сфера". На этом расстоянии черная дыра настолько сильно искривляет пространство, что фотоны (частицы света) фактически вращаются вокруг черной дыры.

"Если бы вы находились на таком расстоянии от черной дыры, то свет от задней части головы обогнул бы черную дыру и ударил бы вам в лицо. Вам не понадобится в этом случае зеркало, чтобы проверить, правильно ли вы причесались", — говорит Линкольн.

"Свет с другой стороны ударит в лицо"

Представьте себе человека, который двигается еще ближе к черной дыры и события становится все более странными. В этом случае человек увидит, что объекты медленно приближаются к горизонту событий, а затем исчезают.

Но по мере приближения человека к горизонту событий ничего особо не поменяется, хотя вид окружающего космоса сильно искривляется гравитационным полем черной дыры.

"Стоит сказать, что в зависимости от размера черной дыры и размера объекта, который приближается к горизонту событий, гравитация черной дыры может либо разорвать объект на части, либо нет. В данном случае я игнорирую этот эффект, ведь все зависит от многих факторов", — говорит Линкольн.

Пересечение горизонта событий черной дыры

Если человек пересечет горизонт событий, то это будет точкой невозврата. Как было сказано выше никто и ничто не покидает черную дыру. Но поскольку ничто не может покинуть горизонт событий, у ученых нет данных, что же на самом деле происходит внутри черной дыры.

"Наше понимание природы пространства и времени внутри черной дыры является полностью теоретическим, и эти теории могут быть как верными, так и наоборот. Считается, что пространство и время меняются местами внутри горизонта событий. Двигаясь к центру черной дыры, вы движетесь во времени, а не в пространстве. Это безумная идея, но это может быть правдой", — говорит Линкольн.

Что из себя представляет центр черной дыры?

Все научные теории терпят крах, если речь идет о центре черной дыры, который считается сингулярностью. То есть это место, где масса черной дыры сжимается до нулевого размера. Если серьезно относиться к теории относительности Эйнштейна, вариант нулевого размера реален. И это значит, что сингулярность — это место бесконечной плотности.

Если существует сингулярность, значит теория относительности не работает. Таким образом, нам нужна новая теория гравитации, то есть теория квантовой гравитации. Но ученые на самом деле не знают, как выглядит эта теория. Есть некоторые идеи, но ни одна из них не получила подтверждения.

"Таким образом, правда о центре черной дыры является двоякой. Разумно предположить, что теории Эйнштейна работают в точках горизонта событий, но далеко от центра черной дыры. С другой стороны, ученые уверены, что теория Эйнштейна терпит крах внутри горизонта событий. Итак, если быть честными, мы совершенно 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 нее. Вполне вероятно, что внутренняя часть черной дыры навсегда останется для нас загадкой", — говорит Линкольн.

Как уже писал Фокус, ученые считают, что черная дыра из ранней Вселенной бросает вызов всему пониманию начальной истории космоса.