Forbes (США): самый большой миф о черных дырах

Черные дыры — это участки космического пространства, где в маленьком объеме так много массы, что там существует горизонт событий — область пространства, из которой не может выйти ничто, даже свет. Однако это не значит, что черные дыры засасывают материю. Они просто ее притягивают. Научный редактор «Форбс» развеивает один из мифов о Черных дырах.

23.12.2018

Этан Сигел (Ethan Siegel)

Черные дыры — это участки космического пространства, где в маленьком объеме так много массы, что там существует горизонт событий — область пространства, из которой не может выйти ничто, даже свет. Но это не значит, что черные дыры засасывают материю. Они просто ее притягивают.

Черные дыры это едва ли не самые странные и удивительные объекты во Вселенной. Там в очень маленьком объеме сосредоточена огромная масса, и черные дыры неизбежно схлопываются до состояния сингулярности, окруженные горизонтами событий, за пределы которых не может выйти ничто. Это самые плотные объекты во Вселенной. Когда что-то подходит к ним слишком близко, силы черной дыры разрывают это что-то на части. Когда материя, антиматерия или излучение пересекают горизонт событий, они просто падают в центр черной дыры, увеличивая ее и прибавляясь к ее массе.

Эти свойства черных дыр действительно существуют, и все это правда. Но есть одна связанная с этим идея, которая является абсолютной фикцией: что черные дыры засасывают в себя находящуюся вокруг них материю. Это очень далеко от правды, и это полное искажение картины гравитации. Самый большой миф о черных дырах это то, что они засасывают материю. А вот научная истина.

В принципе и в практическом плане черная дыра может сформироваться самыми разными способами. Большая массивная звезда может превратиться в сверхновую, центральное ядро которой схлопывается и образует черную дыру. Можно увидеть, как сливаются две нейтронные звезды, и если они преодолевают определенный порог массы, то в результате появляется новая черная дыра. Либо же огромное скопление материи (сверхмассивная звезда либо гигантское облако сокращающегося газа) коллапсируют и непосредственно превращаются в черную дыру.

При наличии достаточной массы в достаточно сконцентрированном объеме пространства вокруг нее формируется горизонт событий. Находясь за пределами горизонта события, мы можем удалиться от него, если будем двигаться прочь от черной дыры со скоростью света. Но если мы находимся внутри горизонта событий, то даже на скорости света, которая является пределом космической скорости, любая траектория движения все равно приведет нас в центр черной дыры, то есть, в сингулярность. Убежать из черной дыры, находясь внутри горизонта событий, просто невозможно.

Но и у объектов за пределами черной дыры проблем немало. Черные дыры настолько массивны, что если подобраться к одной из них поближе, мы начнем испытывать значительные приливные силы. Вам могут быть знакомы такие приливные силы, если вы знаете, что такое Луна, и как она взаимодействует с Землей.

Безусловно, Луну и Землю можно рассматривать как материальные точки, удаленные друг от друга на относительно большое расстояние в 380 тысяч километров. Но на самом деле, Земля не точка, а объект, занимающий определенный и вполне реальный объем. Одни участки Земли ближе к Луне, чем другие. Те, что ближе, испытывают силу притяжения больше средней. Те, что дальше, испытывают силу притяжения меньше средней.

Но есть и другие особенности, кроме разницы в расстоянии. Как и все физические объекты, Земля является трехмерной. Это значит, что «верх» и «низ» Земли (если смотреть с Луны) втягиваются вовнутрь, к ее центру относительно тех частей, которые находятся посередине.

При всем при этом, если мы вычтем среднюю силу, существующую в любой точке Земли, то увидим, что разные точки поверхности подвергаются воздействию внешних сил с Луны по-разному. Линии этих сил составляют относительные силы, воздействующие на объект, и объясняют, почему объект под воздействием приливной силы вытягивается по направлению к ней и сжимается перпендикулярно направлению этой силы.

Чем больше мы приближаемся к массивному объекту, тем больше становятся приливные силы. Они увеличиваются даже быстрее, чем сила притяжения! Поскольку черные дыры имеют огромную массу, но при этом очень компактны, они создают самые мощные приливные силы во Вселенной. По этой причине по мере приближения к черной дыре мы все больше вытягиваемся, становясь похожими на тонкие спагетти.

Если исходить из этого, то очень легко понять, почему черная дыра может нас засосать. Чем больше мы к ней приближаемся, тем мощнее становится сила притяжения, и тем сильнее начинает растягивать и разрывать нас приливная сила.

Однако представление о том, что нас может затянуть в черную дыру, является ошибочным. Любая частица, составляющая объект, который находится под воздействием черной дыры, все равно подчиняется известным законам физики, в том числе, правилу искривления пространства-времени из общей теории относительности.

Да, из-за присутствия массы ткань пространства искривляется, а черная дыра является самым большим скоплением массы во Вселенной. Но верно и то, что плотность этой массы никак не влияет на искривление пространства. Если на место Солнца поставить белого карлика, нейтронную звезду или черную дыру с той же массой, сила гравитационного воздействия на Землю не изменится. Пространство вокруг нас искривляет общая масса в целом, а плотность не имеет к этому практически никакого отношения.

С расстояния черная дыра похожа на любую другую массу во Вселенной. Но если приблизиться к ней на минимальное расстояние в несколько радиусов сферы Шварцшильда, то мы начнем замечать отклонения от ньютоновской гравитации. Тем не менее, черная дыра все равно действует просто как центр притяжения, и приближающиеся к ней объекты обращаются по обычной орбите: круг, эллипс, парабола или гипербола с очень хорошим приближением.

Из-за воздействия приливных сил приближающиеся объекты могут растянуться и разорваться на части. А поскольку материя накапливается вокруг черной дыры в форме аккреционного диска, могут возникнуть и дополнительные последствия, такие как магнитные поля, трение и нагревание. Часть материи из-за этого дополнительного воздействия замедлит свое движение и будет проглочена черной дырой, но большая ее часть все равно останется снаружи.

Факт остается фактом: черные дыры ничего не засасывают. Те силы, которыми обладает черная дыра, имеются и у всех прочих обычных объектов (лун, планет, звезд). Так или иначе, все это просто гравитация. Самое большое отличие заключается в том, что черные дыры плотнее большинства объектов, занимают намного меньше объема в космическом пространстве и могут быть гораздо массивнее любого другого объекта. Сатурн спокойно летает по орбите вокруг Солнца, но если вместо Солнца в центре Млечного Пути поставить черную дыру, масса которой в четыре миллиона раз превышает массу нашего светила, то приливные силы сломают Сатурн, превратив его в гигантское кольцо, и он станет составной частью аккреционного диска этой самой черной дыры. А если там будет достаточно трения, нагрева и ускорения в присутствии генерируемых материей гравитационных, электрических и магнитных полей, то со временем он упадет внутрь и будет проглочен.

Это только кажется, что черные дыры поглощают материю, потому что они очень массивны, а приливные силы и материя, скопившаяся вокруг черной дыры, вместе могут разрывать внешние объекты на куски, после чего часть такого объекта под воздействием затягивающей силы окажется внутри аккреционного диска, а со временем и внутри самой черной дыры. Но черная дыра весьма привередлива, и абсолютное большинство той материи, что проходит близко к ней, выплевывается обратно в той или иной форме. И лишь небольшая часть попадает внутрь горизонта событий, заставляя черную дыру постепенно разрастаться.

Если всю массу во Вселенной мы заменим на черную дыру с соответствующей массой, а потом уберем все, что создает трение, скажем, аккреционные диски, то черная дыра будет всасывать внутрь себя очень мало. Частицы будут подвергаться трению только из-за излучения гравитационных волн, проходя через генерируемое черной дырой искривленное пространство-время. По теории Эйнштейна, всасываться внутрь будет только та материя, которая находится внутри и в самом центре стабильной циклической орбиты. Это ничтожно мало в сравнении с тем, что попадает внутрь горизонта событий в нашей физической реальности.

В итоге мы имеем только силу гравитации и искривленное пространство-время, возникающее от присутствия этих масс. Представление о том, что черные дыры всасывают что-то внутрь, это самый большой миф. Они увеличиваются вследствие гравитации, и больше ничего. Но во Вселенной этого больше чем достаточно.