Среди самых удивительных концепций, порожденных человеческим разумом, черные дыры занимают особое место. Это области пространства с четкими границами, обладающие колоссальной гравитацией, способной захватывать даже свет и необратимо деформировать пространство-время. Хотя они кажутся порождением научной фантастики, их существование является прямым следствием фундаментальных законов физики. По оценкам ученых, только в нашей галактике могут находиться миллионы черных дыр, однако их природа делает их невидимыми и крайне сложными для обнаружения.
На иллюстрации изображена сверхмассивная черная дыра. Зимой 2021 года исследователи из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики впервые достоверно зафиксировали движение подобного объекта в космическом пространстве.
История термина и первые открытия
Сам термин «черная дыра» относительно молод. Его в научный оборот в 1969 году ввел американский физик-теоретик Джон Уилер. Всего через три года, в 1972-м, астрофизики с помощью рентгеновских наблюдений обнаружили и идентифицировали первую черную дыру в глубоком космосе — объект Лебедь X-1, расположенный на расстоянии около 6000 световых лет от Земли.
Однако идеи, легшие в основу этого понятия, появились гораздо раньше. Еще в 1783 году английский ученый Джон Мичелл в своей работе для «Философских трудов Лондонского Королевского общества» предположил, что достаточно массивная и компактная звезда может обладать гравитационным полем такой силы, что свет не сможет его покинуть. Он рассуждал, что хотя такие объекты будут невидимы, их гравитационное влияние можно будет обнаружить. Независимо от Мичелла, схожие идеи чуть позже высказывал французский ученый Пьер-Симон Лаплас.
Джон Мичелл (1724-1793) — английский священник и естествоиспытатель, один из первых, кто теоретически описал объекты, которые мы сегодня называем черными дырами.
Рождение, жизнь и смерть звезды
Чтобы понять механизм образования черной дыры, необходимо рассмотреть жизненный цикл звезды. Звезда рождается, когда огромное облако газа (в основном водорода) начинает сжиматься под действием собственной гравитации. В процессе сжатия атомы сталкиваются, газ разогревается, и при достижении критической температуры запускаются термоядерные реакции синтеза гелия из водорода. Выделяющаяся при этом энергия вызывает свечение звезды и создает давление, которое уравновешивает гравитационное сжатие, подобно тому как давление воздуха внутри шарика уравновешивает натяжение резины.
Это равновесие сохраняется миллионы или миллиарды лет, пока в ядре звезды не иссякнет ядерное топливо. Чем массивнее звезда, тем быстрее она расходует свое топливо. Когда реакции синтеза прекращаются, звезда остывает и начинает неудержимо сжиматься под действием гравитации. Дальнейшая судьба звезды зависит от ее первоначальной массы.
Предел Чандрасекара и судьба массивных звезд
В 1928 году молодой индийский аспирант Субраманьян Чандрасекар, следуя в Кембридж, провел революционные расчеты. Он определил максимальную массу, которую может иметь холодная звезда, чтобы противостоять собственному гравитационному коллапсу. Этот предел, названный в его честь пределом Чандрасекара, примерно в 1.4 раза превышает массу Солнца. Чандрасекар понял, что отталкивание между частицами, обусловленное квантово-механическим принципом Паули, не безгранично и не сможет сдержать гравитацию более массивного объекта.
Субраманьян Чандрасекар (1910–1995) — американский астрофизик индийского происхождения, лауреат Нобелевской премии, чьи работы заложили основу для понимания эволюции звезд.
Примерно в то же время к аналогичным выводам пришел советский физик Лев Ландау. Эти открытия предсказали возможные конечные состояния звезд.
Лев Давидович Ландау (1908–1968) — выдающийся советский физик-теоретик, Нобелевский лауреат, внесший фундаментальный вклад во многие области физики.
Белые карлики, нейтронные звезды и путь к сингулярности
Если масса остатка звезды меньше предела Чандрасекара, она может стабилизироваться, превратившись в белого карлика — сверхплотный объект размером с Землю, удерживаемый от коллапса давлением вырожденных электронов.
Белый карлик, такой как звезда-алмаз PSR J2222-0137, — одно из возможных конечных состояний звезд солнечной массы.
Ландау также теоретически предсказал существование нейтронных звезд — еще более плотных объектов, в которых вещество состоит практически из одних нейтронов. Их радиус составляет всего десятки километров, а плотность колоссальна.
Однако если масса звездного остатка значительно превышает предел Чандрасекара, гравитационный коллапс становится неостановим. Согласно расчетам Чандрасекара, вещество сожмется в точку с бесконечной плотностью — сингулярность, размеры которой невообразимо малы. В то время эта идея казалась настолько абсурдной, что встречала резкое неприятие научного сообщества, включая таких авторитетов, как Артур Эддингтон и даже Альберт Эйнштейн. Лишь десятилетия спустя работа Чандрасекара получила полное признание и была отмечена Нобелевской премией.
Открытие черных дыр Оппенгеймером
Первый последовательный сценарий образования черной дыры в рамках общей теории относительности описал в 1939 году американский физик Роберт Оппенгеймер совместно со своим студентом Хартландом Снайдером. Изучая финальные стадии жизни массивных звезд, они обнаружили математическое решение уравнений Эйнштейна, которое описывало объект, навсегда исчезающий из поля зрения внешнего наблюдателя.
Роберт Оппенгеймер (1904–1967), более известный как «отец атомной бомбы», также внес ключевой вклад в теорию черных дыр.
Оппенгеймер показал, что при сжатии массивной звезды ее гравитационное поле на поверхности становится настолько сильным, что формируется «горизонт событий» — граница, из-под которой не может вырваться ни свет, ни любая другая форма материи или информации. Область внутри горизонта событий и есть черная дыра. Вещество звезды, сколлапсировавшее в сингулярность, навсегда скрыто от внешней Вселенной, оставляя после себя лишь мощнейшее гравитационное поле.
Черные дыры во Вселенной сегодня
Сегодня астрономы располагают данными о существовании черных дыр в двойных системах, подобных Лебедю X-1. Более того, считается, что черных дыр во Вселенной может быть даже больше, чем видимых звезд. Их коллективная гравитация может объяснять скорость вращения галактик. Существуют убедительные свидетельства наличия сверхмассивной черной дыры в центре нашей Галактики Млечный Путь, масса которой оценивается в миллионы солнечных масс. Еще более гигантские черные дыры, массой в сотни миллионов солнц, вероятно, находятся в центрах квазаров и активных галактик. Падение вещества на такие монстры, его разогрев и взаимодействие с мощными магнитными полями порождают колоссальные выбросы энергии и релятивистские струи (джеты), наблюдаемые астрономами.
Таким образом, черные дыры, пройдя путь от математической абстракции и предмета споров до признанных астрофизических объектов, стали неотъемлемой частью нашей картины Вселенной, подтверждая, что иногда самая невероятная научная фантастика оказывается реальностью.
Спасибо за внимание!
Больше интересных статей здесь: Космос.
Источник статьи: Черные дыры - фантастика или реальность?.