Вы можете попасть под горизонт, но не можете выбраться обратно. Это свойство связано с геометрическим характером гравитации, по сути чёрная дыра такая себе «выпуклая» область пространства. Если мы следуем традиционной аналогии и представим себе пространство в виде эластичной плоскости, то, когда мы кладем массивное тело, оно образует вмятину, что иллюстрирует гравитационный потенциал в этой области, но мы можем положить настолько массивный объект, что какая-то область станет совсем выпуклой. Тогда какой-нибудь ползающий муравей сможет заползти внутрь, но не сможет выползти обратно, т.е. он обязательно будет сваливаться, и все его траектории будут оставаться внутри.

Черная дыра
 

Именно это происходит в настоящих черных дырах. Это области пространства без поверхности, ограниченные горизонтом событий, проницаемые только в одну сторону, и доказательство того, что мы имеем дело именно с чёрными дырами, по сути должно сводиться к доказательству существования горизонта событий. Сделать это очень трудно, потому что с точки зрения удалённого наблюдателя все процессы вблизи горизонта черной дыры будут выглядеть крайне замедленными. Поэтому говорят, что если вы бросите камень в черную дыру, то никогда не увидите, как он упадет. На самом деле используя наблюдения с конечной точностью (которые происходят за конечный отрезок времени), вы сможете увидеть, как Ваш камень исчезнет. Только в идеализированном эксперименте, где постоянно будет видно длинноволновое излучение от удаляющегося объекта, Вы без конца будете наблюдать за паданием камня.

 

Так вот, из-за этого эффекта гравитационного замедления времени, мы не можем видеть процессы в непосредственной близости от горизонта. Это делает черные дыры трудно идентифицируемыми объектами. Мы можем сказать, что у нас есть массивные очень компактные объекты (определим отношение массы к радиусу), которые не проявляют свойств поверхности. Например, мы бросаем предметы и не слышим стука от удара о поверхность, мы не регистрируем никакого энерговыделения, связанного с контактом падающего объекта с этой самой поверхностью. Если мы что-то видим, то это только процессы снаружи от горизонта. Таким образом, самые надежные существующие кандидаты в чёрные дыры - это компактные объекты (т.е. большая масса сконцентрирована в маленьком объёме), сами по себе возможно тёмные. Существует несколько способов идентифицировать такие объекты и несколько способов ближе подобраться к горизонту.

 

Начнем с самых простых.

 

Черные дыры могут иметь разное происхождение. Есть черные дыры Звёздных масс, которые рождаются в результате коллапса звёздных ядер. Звезды, особенно массивные, часто образовываются парами. Предположим, что у нас родилась пара из двух звезд, одна была достаточно массивной и её ядро довольно быстро превратилось в черную дыру. Теперь у нас есть пара: нормальная звезда с черной дырой. Вещество с нормальной звезды может начать перетекать на черную дыру, образуется аккреционный диск. Мы будем видеть излучения, связанные именно с этим диском вокруг черной дыры. И в такой двойной системе мы сможем определить массу компактного объекта. И мы можем видеть, что когда диска нет, то этот объект является очень темным. Итак, у нас есть темный компактный элемент, и мы знаем его массу. Что мы можем придумать с точки зрения физики, зная природу компактного объекта с массой скажем 10 масс солнца размером меньше 100 километров, который сам по себе вроде бы почти ничего не излучает? Ответ - это может быть только Черная дыра. О нейтронной звезде тут речь идти не может, у нее верхний предел массы - 3 массы Солнца.

 

Хотя такие объекты считаются надежными кандидатами в черные дыры, это всё-таки довольно косвенное доказательство.

 

Что еще мы можем в таких двойных системах придумать? У нас есть система, состоящая из нормальной звезды и нейтронной, идет аккреция и вещество, перетекающее из нормальной звезды, накапливается на поверхности нейтронной. Водород довольно быстро прогорает в гелий, иногда гелий успевает прогореть в углерод. И это накопление гелия или углерода приводит в конечном счёте к термоядерному взрыву: вещество долго скапливается, растет плотность, растет температура, и происходит термоядерный взрыв. Есть очень похожие двойные системы, где никаких взрывов не наблюдается, и самое хорошее объяснение состоит в том, что мы имеем дело с черной дырой. То есть вещество течет, но оно ни на чём не накапливается. Именно поэтому мы не видим феномен рентгеновского барстера (рентгеновская вспышка, вызванная термоядерным взрывом накопленного аккрецируемого вещества на поверхности слабо намагниченной нейтронной звезды)

 

Заканчивая разговор про черные дыры Звёздных масс, наверное, нужно сказать про наблюдение объектов методом микролинзирования. Оно состоит в том, что мы наблюдаем большое количество звезд, например, центральную часть балдж нашей галактики (балдж галактики состоит в основном из старых звёзд, движущихся по вытянутым орбитам), и, если между нами и одной из этих звёзд пролетает массивное тело, оно работает как гравитационная линза. Блеск далекой звезды растет, потом спадает, и мы можем определить массу линзы. В некоторых случаях масса линзы оказывается 4, 5, а то и 10 солнечных масс. Звезда такой массы должна быть яркой. Мы наводим телескоп помощнее в то место, где находится линза, но ничего не видим. Снова у нас возникает странная ситуация: у нас есть достаточно массивный объект массой несколько солнечных масс, но он очень темный. Нейтронные звезды мы отбрасываем потому, что масса нашей линзы большая. Опять-таки из того, что есть в арсенале стандартной астрофизики под описание подойдет только черная дыра. Таким образом у нас есть еще одно свидетельство в пользу существования черных дыр, но тем не менее свидетельство по-прежнему косвенное.

 

Возможно, лучшим доказательством станет наблюдение финальных стадий испарения черных дыр. Конечно, мы будем видеть излучения, которые рождаются снаружи горизонтов, но воспроизвести хокинговское излучение в моделях без горизонта очень тяжело. И хотя наблюдения таких вспышек, связанных с самыми последними мгновениями жизни черных дыр, возможно, нельзя будет считать окончательным непосредственным прямым доказательством существования черных дыр. Тем не менее кажется, что это отбросит фактически все обсуждаемые альтернативы и на очень долгое время станет самым главным доказательством того, что мы действительно имеем дело с черными дырами, что действительно такие удивительные объекты существуют в нашей Вселенной.

 

По материалам Сергея Попова

 

Напоминаем Вам, что в нашем журнале "Наука и техника" Вы найдете много интересных оригинальных статей о развитии авиации, кораблестроения, бронетехники, средств связи, космонавтики, точных, естественных и социальных наук. На сайте Вы можете приобрести электронную версию журнала за символические 60 р/15 грн.

 

В нашем интернет-магазине Вы найдете также книгипостерымагнитыкалендари с авиацией, кораблями, танками.