Что такое чёрная дыра

Ловушка для света

Чёрная дыра — область пространства-времени, притяжение которой так велико, что её не могут покинуть даже объекты, движущиеся со скоростью света, — в том числе сам свет^[1].

Граница этой области называется горизонтом событий. Всё, что пересекло его, обратно уже не выйдет. Для простейшей, невращающейся чёрной дыры горизонт — это сфера, радиус которой называется радиусом Шварцшильда ^[1].

Солнце — в 3 км, Земля — в 9 мм

Чёрной дырой может стать любая масса, если сжать её достаточно сильно — внутрь её радиуса Шварцшильда. Масштабы поражают^[1]:

• Солнце стало бы чёрной дырой, сжавшись до шара радиусом примерно 3 км;
• Земля — до радиуса около 9 мм — в шарик меньше двух сантиметров в поперечнике.

Конечно, сжать Землю или Солнце до таких размеров нечему. Но в природе есть процессы, которые делают это с массивными звёздами.

Тёмные звёзды XVIII века

Идея невидимых тел намного старше теории относительности. В 1784 году Джон Мичелл в письме Королевскому обществу посчитал: у звезды плотностью как у Солнца, но радиусом в 500 солнечных, скорость, нужная, чтобы улететь с её поверхности, сравнялась бы со скоростью света. Свет не смог бы покинуть такое тело, и оно стало бы невидимым. Мичелл предположил, что в космосе может быть множество таких объектов ^[1].

В 1796 году эту идею изложил Лаплас — благодаря ему она и стала известна ^[1].

От Шварцшильда до Уилера

Настоящая теория появилась в XX веке. Возможность существования чёрных дыр следует из уравнений общей теории относительности Эйнштейна. Первое такое решение нашёл Карл Шварцшильд в 1915 году ^[1].

Долгое время такие объекты называли «сколлапсировавшими» или «застывшими» звёздами. Кто придумал название «чёрная дыра», точно неизвестно. Популяризовал его физик Джон Уилер: впервые публично он употребил его в лекции 29 декабря 1967 года^[1].

Как рождаются чёрные дыры

Главный путь — гравитационный коллапс: достаточно массивная звезда в конце жизни сжимается под собственной тяжестью^[1]. Теория говорит, что компактный объект тяжелее трёх масс Солнца может быть только чёрной дырой^[2].

Другие пути — слияние нейтронных звёзд и коллапс центральной части галактики. А есть и гипотетические: чёрные дыры, возникшие сразу после Большого взрыва^[1].

Как их находят

Саму чёрную дыру не видно, но видно её влияние на окружение.

• Лебедь X-1. В 1971 году рентгеновский телескоп заметил в созвездии Лебедя источник, мерцающий так быстро, что он должен быть очень компактным. Газ обычной звезды перетекал на её невидимого тяжёлого соседа и разогревался. К 1974 году Лебедь X-1 стал первым общепризнанным кандидатом в чёрные дыры^[2].
• Стрелец A*. Наблюдая, как быстро движутся звёзды в центре нашей Галактики, группы Андреа Гез и Райнхарда Генцеля пришли к выводу: там находится сверхмассивная чёрная дыра массой около 4,3 миллиона масс Солнца. За это открытие они получили Нобелевскую премию^[2].
• Гравитационные волны. В конце 2015 года детекторы LIGO и Virgo впервые напрямую уловили гравитационные волны — рябь пространства-времени от слияния двух чёрных дыр. С тех пор таких сигналов поймали сотни ^[2].

Излучают ли чёрные дыры?

В 1974 году Стивен Хокинг показал, что с учётом квантовой физики чёрные дыры должны слабо излучать — это явление называют излучением Хокинга. Чем меньше масса дыры, тем сильнее излучение^[2]. При этом даже самые лёгкие из наблюдаемых чёрных дыр поглощают реликтовое излучение Вселенной быстрее, чем теряют массу через излучение Хокинга^[2].