Итак, в предыдущем посте мы выяснили, что черные дыры образуются после коллапса гигантских звезд. При сжатии гравитационное поле уплотняется. Наконец звезда сжимается до такой степени, что свет уже не может преодолеть ее притяжения.

Не имея, таким образом, возможности «рассмотреть» черную дыру в традиционном смысле слова «смотреть», мы, тем не менее, можем обнаружить ее присутствие по косвенным признакам влияния ее сверхмощного и совершенно необычного гравитационного поля на материю.

Впервые идея о подобном объекте пришла в голову английскому священнику Джону Мичеллу в далеком 1784 году. Однако, всерьез черные дыры стали обсуждаться только с появлением теории относительно Эйнштейна в начале 20 века.  Немецкий астрофизик Шварцшильд первым нашел точное решение уравнений Эйнштейна, которое, как оказалось впоследствии, описывает геометрию пространства-времени вблизи идеальной черной дыры. Он вычислил критический радиус, до которого нужно сжать массу, чтобы получить черную дыру. Этот радиус стал называться радиусом Шварцшильда.

Своим неудачным названием эти объекты обязаны американскому астрофизику Джону Уиллеру. Это он в популярной лекции «Наша Вселенная: известное и неизвестное» в 1967 г. назвал сверхплотные тела дырами. Ранее подобные объекты называли «сколлапсировавшие звёзды» или «коллапсары». Но термин «чёрная дыра» прижился, и менять его уже стало просто невозможно. Черная дыра — это не вещество и не излучение. С некоторой долей образности можно сказать, что это самоподдерживающееся гравитационное поле, сконцентрированное в сильно искривленной области пространства-времени.

Ученые имеют веские доказательства существования двух различных классов черных дыр: первые - это черные дыры со звездными массами примерно в 10 раз больше Солнца, вторые - сверхмассивные черные дыры, которые располагаются в центре галактик и имеют массу от сотен тысяч до миллиардов масс Солнца. Астрономы пришли к заключению, что черные дыры не рождаются огромными, а постепенно растут за счет газа и звезд галактик. Данные показывают, что гигантские черные дыры не предшествовали рождению галактик, а эволюционировали вместе с ними, поглощая определенный процент массы звезд и газа центральной области галактики.

Распространенный миф о черных дырах говорит, о том, что они всасывают всю материю вокруг себя. Но, это не так. Они будут всасывать материю, которая находится на определенном расстоянии, а в остальном они действуют не иначе, чем массивные звезды. Если, например, наше Солнце станет черной дырой, планеты будут и дальше вращаться по своей орбите, как они это и сегодня.

Теория относительности Эйнштейна описывает гравитацию как искривление пространства-времени. Чем массивнее объект, тем больше это искажение будет. Черные дыры настолько огромны, что они искажают  пространство времени, и оно отодвигается в глубокую и бездонную пустоту, от которой ничто не может укрыться.

Две важнейшие черты, присущие чёрным дырам — это наличие горизонта событий и сингулярности, которая отделена этим горизонтом от остальной вселенной.

Рис. 1 Искривление пространства-времени массивными объектами.

Горизонтом событий является точка, в которой вторая космическая скорость равна скорости света. Внутри черной дыры эта скорость превышает скорость света. Поскольку ничто не может двигаться быстрее света, ничто и не может вырваться из пределов горизонта событий. Информация о любом событии произошедший за горизонтом событий внутри черной дыры не может пересечь горизонт событий.

Сингулярность - это область внутри черной дыры, там, где решения уравнений гравитации не имеют четких физических интерпретаций. Другими словами, ученые, опираясь на весь свой накопленный опыт, еще не в состоянии дать внятный ответ на вопрос: что происходит в черной дыре? Из вычислений известно лишь то, что сингулярность в данном случае - это бесконечно малая точка, практически ничто, в пространстве, обладающая беспрецендентой гравитацией.

Стоит отметить, что ученые множество раз пытались с помощью вычислений описать, что же является центром черной дыры, но все попытки оказались тщетны. Дело в том, что для этих объектов далекого космоса не работают ни общая, ни специальная теория относительности. Тогда астрофизики решили применить квантовую механику, которая описывает взаимодействие элементарных частиц. Это было сделано в виду того, что сам гравитационный центр черных дыр (сингулярность) имеет ничтожно малый размер, сравнимый с атомным ядром. Но и это не дало никакого результата. В процессе вычислений остается бессмысленной уравнение с делением на ноль. А из школьного курса мы прекрасно знаем, что это невозможно.

Но в такой науке, как астрофизика, данное уравнение все же имело определенный логический ряд, из которого следовало, что в центре черной дыры находится масса, равная по значению бесконечности...

Несмотря на это, решения уравнений специальной теории относительности дают ответ на не менее интересный вопрос: как происходит падение в черную дыру. Для наблюдателя внутри космического корабля взявшего курс на черную дыру его скорость относительно черной дыры будет увеличиваться вплоть до скорости света.

Для наблюдателя, находящегося далеко от черной дыры на своем наблюдательном пункте картина будет совершенно иной. По мере приближения космического корабля к черной дыре информация от него на наблюдательный пункт будет приходить все с большим запаздыванием. С точки зрения наблюдательного пункта, скорость корабля будет постепенно уменьшаться по мере приближения к горизонту событий. Для того, чтобы преодолеть горизонт событий и скрыться с радаров, по часам наблюдательного пункта потребуется бесконечное время.

Вернемся к пилоту космического корабля. По его собственный часам ему потребуется довольно небольшое время до преодоления горизонта событий. Однако, ему как целому не суждено будет застать этого события. Дело в том, что по мере приближения к черной дыре, будет увеличиваться ускорение свободного падения. Также будет расти его неоднородность. Вблизи горизонта событий она может достигнуть такой величины, что будет способна только разломать корабль на части, но и разорвать молекулы на атомы.

Рис. 2 Чёрная дыра своей гравитацией собрала вокруг себя газо-пылевое облако и передала ему часть своего вращательного движения. Падая на чёрную дыру, пыль и газ теряют электрические заряды своих элементарных частиц. Электрическая энергия выбрасывается из чёрной дыры в виде двух мощных джетов, перпендикулярных плоскости аккреционного диска. Через этот джет чёрная дыра сбрасывает в космическое пространство электрические заряды – точнее, электрически заряженные частицы, накопившиеся на ее поверхности и препятствующие ее сжатию.

Черные дыры растягивают предметы, которые находятся рядом с ними. Эти предметы начинают напоминать спагетти (есть даже специальный термин - «спагеттификация»).

Это происходит благодаря тому, как работает сила притяжения. В настоящий момент ваши ноги находятся к центру Земли ближе, чем голова, поэтому они притягиваются сильнее. На поверхности черной дыры разница в силе притяжении начинает работать против вас. Ноги притягиваются к центру черной дыры все быстрее, так, что верхняя половина туловища не успевает за ними.

Многие из звезд в нашей галактике существуют как двойные звездные системы, в которых одна из звезд может становиться черной дырой. Когда это произойдет, черная дыра может начать сосать все на своем пути независимо от другой звезды. Эта материя кружится вокруг нее, формируясь как диск ускорения, двигаясь все быстрее и быстрее по мере приближения к центру. Считается, что эта материя испускает излучения в виде рентгеновских лучей, и как только они  как это входит в черную дыру, материя начинает разрушаться.

На этих фотографиях и схеме показано, как звезда попала в поле тяготения чёрной дыры. Когда чёрная дыра стала срывать вещество со звезды, то прежде чем упасть в эту дыру, газ нагревался и начинал светиться. После того, как атмосфера звезды перетекла к чёрной дыре, последняя стала видна как огромная звезда. Звезда, потерявшая атмосферу, превратилась в белого карлика – у нее осталось только ядро с большой плотностью.

Но черные дыры не только поглощают звездный ветер, но и испаряются. Это явление было открыто в 1974 году и было названо излучением Хокинга (по имени Стивена Хокинга, сделавшего открытие).

Со временем черная дыра может отдать всю свою массу в окружающее пространство вместе с этим излучением и исчезнуть.

Новая теория Хокинга также лишает человечество надежды на то, что черные дыры могут служить "машинами времени" или "воротами в другие вселенные". "Мне жаль расстраивать поклонников научной фантастики. Но если вы упадете в черную дыру, энергия вашей массы вернется в нашу вселенную в измененной форме", – указывает Хокинг.

Во Вселенной существует круговорот материи, суть которого – в рассеянии материи сверхмассивными чёрными дырами, взрывами новых и сверхновых и затем в собирании рассеянной материи планетами, звездами и чёрными дырами с помощью своей гравитации. Взрывы (и весьма мощные) случаются и случались в Метагалактике периодически то здесь, то там. Вселенная не пульсирует, она просто кипит.