Популярная астрофизика. Философия космоса и пятое измерение

Во-первых, через систему двойных звезд, одна из которых – черная дыра. Она начинает постепенно забирать вещество у своей «сестры», и этот процесс хорошо заметен. С помощью гравитации она засасывает в себя поток плазмы и газа. На данный момент это самый распространенный способ обнаружения черных дыр.

Во-вторых, через перепады светимости далеких звезд. Когда черная дыра пролетает между звездой и Землей, где расположены наши телескопы, она забирает себе часть света. Звезда резко тускнеет.

Также сверхмассивные черные дыры можно заметить по так называемому аккреционному диску. Черная дыра затягивает в себя гигантские объемы вещества, которые начинают крутиться вокруг нее на огромных скоростях. Из-за высокой вязкости возникает сила трения, которая заставляет материю светиться.

Сверхмассивные дыры часто находятся в центрах галактик, из-за чего те ярко светятся.

Черная дыра раскручивает вокруг себя вещество с огромной скоростью. Для сравнения: Меркурий, который находится максимально близко к Солнцу, движется вокруг нашего светила со скоростью около 48 км/c, а звезды и другие космические объекты, захваченные черной дырой и вращающиеся вокруг нее, разгоняются до 5000 км/с.

Как черная дыра затягивает свет, если он не имеет массы?

Если фотон не имеет массы, почему свет затягивается в черную дыру под действием гравитации?

Частица света – фотон – относится к безмассовым частицам. То есть его масса равна нулю. Такие частицы всегда движутся со скоростью света. Безмассовые частицы могут менять направление движения, энергию и импульc.

Импульс релятивистской частицы (то есть частицы, которая движется со скоростью, близкой к скорости света) считается не по методам классической физики, поэтому частицы с нулевой массой вполне могут его иметь. Энергия высчитывается по следующей формуле:

E = c √(p² + m

²c²)

Дальше подставляем массу фотона m = 0. Зная энергию, высчитываем импульс. Импульс фотона:

P = Е/c = hv/c = h/λ.

Здесь h – константа, постоянная Планка. Импульс зависит от длины волны. Чем меньше длина волны, тем больше импульс. Поэтому фотоны фиолетового цвета имеют импульс и энергию больше, чем фотоны красного цвета.

Черная дыра притягивает вещество с помощью своей гигантской гравитации. Как же она затягивает безмассовую частицу? Ведь, как мы прекрасно помним, сила притяжения зависит от произведения масс. Если у одного из объектов масса равна нулю, то и сила притяжения, соответственно, равна нулю. Как же черная дыра притягивает фотон?

С точки зрения ньютоновской гравитации это и правда невозможно. Но объекты типа черных дыр нельзя просчитать с помощью ньютоновской физики. Для них используют общую теорию относительности.

Здесь пространство-время искривлено материей. Все объекты продолжают двигаться по прямым траекториям так же, как двигались раньше. Просто пространство-время здесь бесконечно искривлено.

Черная дыра создает так называемый гравитационный колодец. Принцип его такой. Представьте себе бесконечный колодец. Если в него упадет, скажем, капля воды, она будет двигаться по прямой. И бесконечно долго. Но с внешней стороны капля просто исчезла, хотя она существует и движется. Фотон и дальше продолжает лететь по прямой линии, но для наблюдателя он скрыт. Исчез, так как залетел в гравитационный колодец. Ведь фотону нужно пространство, чтобы двигаться, – он летит по траектории.

Гравитационный колодец. Иллюстрация

Представьте себе шоссе. Вы можете ехать только там, где проложен асфальт. А теперь представьте, что само шоссе движется с такой скоростью, что даже если вы попытаетесь повернуть назад и двигаться против движения шоссе – вы не сможете.

Если свет попал внутрь черной дыры, тут пространство растягивается таким образом, что фотонам, чтобы выбраться, нужно суметь изменить направление и двигаться быстрее света. Для фотона это невозможно. К тому же фотон не пропадает в черной дыре навсегда. Черная дыра постепенно испаряется, испуская частицы.

Гравитация не может замедлить фотоны, но она забирает у них энергию, поэтому они смещаются в красную область. То есть выходят уже ослабленными, красного спектра. Это уже не те фотоны, которые когда-то в нее залетели (подробнее см. далее главу «Черные дыры со временем испаряются», этот эффект называется излучением Хокинга).

Впрочем, масса фотона в некоторых случаях может быть и не нулевой. Это гипотетический тяжелый фотон, экспериментально пока не обнаруженный. И он может обладать массой, просто очень маленькой. По оценкам астрофизика Дмитрия Будкера из университета Гутенберга, масса тяжелого фотона не может превышать 10 в – 18 степени электронвольт (в физике электронвольтами измеряют массу микрочастиц). В таком случае черные дыры могут взаимодействовать с фотонами, притягивая их с помощью классической гравитации.

Что находится за горизонтом событий