Нещадний поглинач матерії: як насправді виглядає центр чорної діри

Чорні діри є особливими об'єктами в космосі, де гравітація настільки сильна, що ніщо, навіть світло, не може покинути її меж, якщо подолає межу під назвою горизонт подій. Теоретично в центрі чорної діри знаходиться сингулярність, тобто точка, в якій сучасні наукові теорії зазнають краху через нескінченне викривлення простору-часу. Таємниця того, що ховається всередині чорних дір, може назавжди залишитися за межами нашої досяжності, вважає Дон Лінкольн, фізик із Фермілаб (США), пише Big Think.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

По суті, чорні діри є місцями в космосі, які повністю спростовують наше уявлення про те, як поводяться простір і час. Природа чорних дір досі до кінця не зрозуміла. Якщо використовувати теорію відносності Ейнштейна, то центр чорної діри являє собою сингулярність, тобто місце, де маса, еквівалентна щонайменше п'ятьом масам Сонця, стискається в точку з нульовим об'ємом.

Горизонт подій чорної діри

Далеко за межами чорної діри її гравітація працює як зазвичай. Наприклад, якби на місці Сонця опинилася чорна діра такої ж маси, то Земля продовжувала б кружляти навколо цього об'єкта. Щоправда, наша планета стала б дуже холодним світом, але з погляду гравітації жодних змін не відбудеться. Усе змінюється, якщо будь-який об'єкт наближається занадто близько до чорної діри.

Важливою особливістю чорних дір є сфера, яка називається горизонтом подій. Цю невидиму межу можна визначити завдяки поведінці світла. На світло, як і на масу, впливає гравітація. Світлу потрібна енергія, щоб покинути об'єкт із сильною гравітацією. Що сильніша гравітація, то більше енергії потрібно світлу, щоб піти.

У міру наближення до центру чорної діри гравітація стає все сильнішою і сильнішою. Існує радіус, за якого об'єкт, що рухається зі швидкістю світла, більше не може покинути чорну діру.

Радіус горизонту подій чорної діри

Розмір горизонту подій залежить від маси чорної діри, але є й інші важливі параметри: чи обертається чорна діра і чи має вона електричний заряд. Але для найпростішої чорної діри без цих двох параметрів радіус горизонту подій називається радіусом Шварцшильда. На відстанях ближче до центру чорної діри, ніж радіус Шварцшильда, ніщо не може покинути чорну діру, навіть світло. За межами цього радіуса об'єкти можуть полетіти.

Для об'єкта з масою Сонця радіус Шварцшильда становить приблизно 3 км. Але радіус Сонця становить майже 700 тисяч км. На відстанях, що приблизно в 2,5 раза перевищують радіус Шварцшильда, об'єкти можуть обертатися навколо чорної діри. У діапазоні від 2,5 до 1,5 раза більшому за радіус Шварцшильда обертання об'єкта буде вже доволі складним і нестабільним, що вимагатиме від об'єкта величезних зусиль для підтримання орбіти.

На відстані, що в 1,5 раза перевищує радіус горизонту подій, знаходиться "фотонна сфера". На цій відстані чорна діра настільки сильно викривляє простір, що фотони (частинки світла) фактично обертаються навколо чорної діри.

"Якби ви перебували на такій відстані від чорної діри, то світло від задньої частини голови обігнуло б чорну діру і вдарило б вам в обличчя. Вам не знадобиться цього разу дзеркало, щоб перевірити, чи правильно ви зачесалися", — каже Лінкольн.

"Світло з іншого боку вдарить в обличчя"

Уявіть собі людину, яка рухається ще ближче до чорної діри і події стають дедалі дивнішими. У цьому разі людина побачить, що об'єкти повільно наближаються до горизонту подій, а потім зникають.

Але в міру наближення людини до горизонту подій нічого особливо не зміниться, хоча вигляд навколишнього космосу сильно викривляється гравітаційним полем чорної діри.

"Варто сказати, що залежно від розміру чорної діри і розміру об'єкта, який наближається до горизонту подій, гравітація чорної діри може або розірвати об'єкт на частини, або ні. У цьому разі я ігнорую цей ефект, адже все залежить від багатьох чинників", — каже Лінкольн.

Перетин горизонту подій чорної діри

Якщо людина перетне горизонт подій, то це буде точкою неповернення. Як було сказано вище, ніхто і ніщо не покидає чорну діру. Але оскільки ніщо не може покинути горизонт подій, у вчених немає даних, що ж насправді відбувається всередині чорної діри.

"Наше розуміння природи простору і часу всередині чорної діри є повністю теоретичним, і ці теорії можуть бути як правильними, так і навпаки. Вважається, що простір і час міняються місцями всередині горизонту подій. Рухаючись до центру чорної діри, ви рухаєтеся в часі, а не в просторі. Це божевільна ідея, але це може бути правдою", — каже Лінкольн.

Що являє собою центр чорної діри?

Усі наукові теорії зазнають краху, якщо йдеться про центр чорної діри, який вважається сингулярністю. Тобто це місце, де маса чорної діри стискається до нульового розміру. Якщо серйозно ставитися до теорії відносності Ейнштейна, варіант нульового розміру реальний. І це означає, що сингулярність — це місце нескінченної щільності.

Якщо існує сингулярність, значить теорія відносності не працює. Отже, нам потрібна нова теорія гравітації, тобто теорія квантової гравітації. Але вчені насправді не знають, який вигляд має ця теорія. Є деякі ідеї, але жодна з них не отримала підтвердження.

"Отже, правда про центр чорної діри є двоякою. Розумно припустити, що теорії Ейнштейна працюють у точках горизонту подій, але далеко від центру чорної діри. З іншого боку, вчені впевнені, що теорія Ейнштейна зазнає краху всередині горизонту подій. Отже, якщо бути чесними, ми абсолютно не знаємо, що ховається в центрі чорної діри. Оскільки ми ніколи не зможемо зазирнути всередину чорної діри, цілком можливо, що ми ніколи не дізнаємося, що відбувається всередині неї. Цілком імовірно, що внутрішня частина чорної діри назавжди залишиться для нас загадкою", — каже Лінкольн.

Як уже писав Фокус, вчені вважають, що чорна діра з раннього Всесвіту кидає виклик усьому розумінню початкової історії космосу.