Продолжаю рассказывать про то, что я вычитал в «Краткой истории времени» Стивена Хокинга. Это седьмая часть рассказа.

Чёрные дыры — офигенно интересные штуки! У них в центре точка с бесконечной плотностью, а гравитация так искажает пространство-время, что свет от них не может достичь внешних наблюдателей.

Фотка с телефона по запросу «чёрная дыра»

Чтобы понять, как образуются и действуют чёрные дыры, надо сначала разобраться с нормальными звёздами.

Нормальные звёзды

Звезда образуется, когда большое количество газа (в основном водорода) начинает сжиматься под действием сил гравитации. В процессе сжатия атомы газа всё чаще и чаще сталкиваются друг с другом, двигаясь со всё большими и большими скоростями. В результате газ разогревается до такой степени, что атомы водорода, вместо того, чтобы отскакивать друг от друга, начинают сливаться, образуя гелий. Тепло, выделяющееся в этой реакции, которая напоминает управляемый взрыв водородной бомбы, и вызывает свечение звезды. Из-за дополнительного тепла давление газа возрастает до тех пор, пока не уравновесит гравитационное притяжение. Получается достаточно стабильный горящий шар, в котором выделяющееся в ядерных реакциях тепло уравновешивает гравитационное притяжение.

Но в конце концов водород весь сгорает. Например, Солнце сгорит через 5 млрд лет. А более массивная звезда разогревается сильнее и сгорает быстрее, например, за сто миллионов лет. Дальше звезда может оказаться в нескольких состояниях: стать белым карликом, нейтронной звездой или чёрной дырой.

Белые карлики

Если масса звезды меньше «предела Чандрасекара», то есть примерно полутора масс Солнца, то она может стать «белым карликом». Белый карлик имеет в радиусе всего несколько тысяч километров и плотность — сотни тонн на кубический сантиментр.

Этот радиус удерживается в равновесии благодаря отталкиванию электронов в его веществе по принципу запрета (исключения) Паули. Грубо говорят, (как я это понимаю) две одинаковые частицы в одном и том же состоянии не могут занимать одну и ту же точку в пространстве. Чем больше частиц оказывается в одном маленьком объёме пространства, тем сильнее они отталкиваются друг от друга. Таким образом, радиус звезды остаётся постоянным благодаря равновесию между гравитационным притяжением и возникающим в силу принципа Паули отталкиванием.

На небе видно немало белых карликов. Одним из первых открытых белых карликов стала звезда, вращающийся вокруг Сириуса — самой яркой звезды на ночном небе.

Нейтронные звёзды

Если масса звезды больше предела Чандрасекара, то звезда сжимается ещё сильнее. Эти звёзды должны существовать благодаря возникающему из-за принципа Паули отталкиванию, но не между электронами, а между протонами и нейтронами. Поэтому такие звёзды получили название нейтронных звёзд. Их радиус не больше нескольких десятков километров, а плотность — сотни миллионов тонн на кубический сантиметр. Их сначала предсказали, а позже и реально увидели.

Чёрные дыры

Но и у отталкивания по принципу Паули есть предел. Согласно теории относительности, максимальная разница скоростей частиц в веществе равна скорости света. Если масса звезды ещё больше, то она может коллапсировать. Из-за гравитационного поля звезды лучи света в пространстве-времени отклоняются от тех траекторий, по которыми они бы перемещались в отсутствие звезды. По мере сжатия звезды увеличивается гравитационное поле, и в какой-то момент оно становится настолько сильным, что траектория света становится направленной внутрь, превращая звезду в чёрную дыру. То есть свет от неё всё ещё летит прямо, но до границы чёрной дыры так и не долетает.

Чтобы понять, что бы мы увидели, если бы наблюдали за образованием чёрной дыры при коллапсе звезды, надо вспомнить, что в теории относительности нет абсолютного времени, и у каждого наблюдателя оно своё. Представьте себе астронавта на поверхности коллапсирующей звезды. Звезда по его часам должна сколлапсировать в 11:00. Он отправляет сигналы на корабль на орбите звезды. Сигнал из 10:59:58 по времени астронавта придёт сразу. Сигнал в 10:59:59 придёт с маленькой задержкой. Сигналы из следующих долей секунды будут приходить на корабль всё позже и позже. Сигнал из 11:00:00 придёт через бесконечное время. При этом излучаемый звездой свет будет ослабевать и казаться всё более красным. В конце концов звезда станет настолько тусклой, что её больше не увидят с борта космического корабля: от неё останется лишь чёрная дыра в пространстве. При этом на корабль будет по-прежнему действовать гравитационное притяжение звезды, так что он продолжит своё движение по орбите вокруг чёрной дыры. Что касается астронавта, то если не считать разницы в гравитации, действующей на голову и ноги, которая разорвёт астронавта на части, в остальном он и не заметит как окажется область из которой нельзя вернуться.

Увидеть чёрную дыру нельзя, но можно обнаружить по её гравитационному влиянию. В небе есть звёздные системы, в которых видима лишь одна звезда, которая вращается вокруг невидимого партнёра. Можно было бы предположить, что мы не видим вторую звезду потому что она просто очень тусклая. Но одна из таких систем — Лебедь X-1 — является к тому же мощным источником рентгеновского излучения. А это являение лучше всего объясняется тем, что с поверхности видимой звезды «сдувается» вещество, которое падает на вторую, невидимую звезду, вращаясь по спирали (как вытекающая вода из ванны), и, сильно разогреваясь, испускает рентгеновское излучение. Для существования такого механизма невидимый объект должен быть очень малым — белым карликом, нейтронной звездой или чёрной дырой. Судя по орбите видимой звезды, невидимая должна иметь массу примерно в шесть солнечных масс. Эта масса слишком велика для нейтронной звезды, и, видимо, должна быть чёрной дырой.

Все части серии

1. Эволюция представлений об устройстве Вселенной
2. Неабсолютное пространство
3. Неабсолютное время
4. Взаимодействие света и гравитации
5. Предельная скорость перемещения в пространстве
6. Большой взрыв, большое схлопывание и тепловая смерть
7. Жизненный цикл звёзд и чёрные дыры
8. Квантовая физика и вероятностный мир

Где купить «Краткую историю времени» Хокинга

— Бумажную — на Озоне, я читал её,
— электронную — на Литресе,
— аудиоверсии пока нет.

Как получать свежие посты

— Электронная почта и РСС — туда попадают только посты в блог,
— телеграм-канал, фейсбук и твиттер — туда попадают заинтересовавшие меня ссылки с короткими комментариями,
— инстаграм — туда иногда выкладываю фотки.