Что может произойти с человеком при попадании в черную дыру?

Автор Михаил Закурдаев

28.05.2020 15:30

Наука

Всего в тысяче световых лет от Земли обнаружена так называемая черная дыра — так заявили сотрудники Европейской южной обсерватории в Чили. Звезды, которые вращаются вокруг нее, можно увидеть невооруженным глазом, находясь на южном полушарии нашей планеты.

2 поделились

Оценивая это расстояние в масштабах Млечного пути — это очень близко к нам, считают астрономы. Как говорят исследователи, эта черная дыра находится практически у нас «на заднем дворе».

Космическим черным дырам часто приписывают свойства пожирать другие объекты в пространстве вокруг нее. Они якобы поглощают целые звезды и небольшие планеты. Ждет ли теперь нашу планету вслед за пандемией космический коллапс?

«Черная дыра — это умершая звезда, которая не может взорваться. С ней не может ничего произойти в принципе. В этом плане она не опасна. Опасно находиться рядом с ней, потому что она искривляет время, пространство, — поясняет астрофизик, главный научный сотрудник Физического института имени Лебедева РАН Сергей Богачев. — Есть фантастический фильм «Интерстеллар», вышедший несколько лет назад, там хорошо показана экспедиция человечества к черной дыре. Там люди высаживаются на планету, проводят на ней одну минуту, а в это время на Земле проходит тридцать лет».

По словам Богачева, участь стать черной дырой — лишь один из вариантов для существующих звезд. Маленькие звезды становятся белыми карликами (это, скорее всего, случится в итоге с Солнцем), побольше — нейтронными звездами. А гиганты становятся черными дырами, сохраняют при этом свою массу и за счет последнего продолжают притягивать к себе и удерживать движущиеся вокруг по орбитам звезды и планеты.

В чем необычность черной дыры?

Как отмечает эксперт, такая звезда имеет чудовищную плотность. А все умирающие звезды такие плотные, поскольку у них нет излучения и они сжимаются до очень малых размеров. У них такая плотность, что она, по сути, способна вокруг себя искривлять пространство и время, по уравнениям Эйнштейна.

Что, вообще, это такое? Как ее обнаружить, и насколько она опасна? Дело в том, что Земля вращается вокруг Солнца, потому что Солнце своей массой притягивает Землю к себе и держит ее. По всей видимости, если Солнце умрет и сожмется в какой-то маленький объект, его масса при этом не исчезнет. Оно перестанет светить, будет очень компактным, но сохранит свою массу.

Что может вырваться из черной дыры?

Черная дыра – это область пространства-времени с огромным гравитационным притяжением. Любое тело в космосе обладает гравитационным полем, которое хоть сколько-нибудь искривляет пространство-время. Например, чтобы преодолеть гравитационное поле нашей Земли, объекту необходимо достигнуть первой и второй космической скорости. Современные двигатели вполне способны придать космическому кораблю необходимый импульс.

Но чтобы покинуть пределы черной дыры, объекту необходимо разогнаться до скорости, превышающей скорость света. Современная физика считает, что ничто во Вселенной не может двигаться со скоростью, превышающей скорость света – и кванты самого света, конечно, тоже. Именно поэтому мы можем утверждать, что ничто, даже свет, не может покинуть черную дыру.

Или все-таки может? Удивительный мир квантовой механики утверждает, что и черная дыра может излучать в пространство. Чтобы понять, как это становится возможно, необходимо рассказать о том, что представляет наше пространство на уровне элементарных частиц.

Квантовая теория поля утверждает, что все пространство-время Вселенной в любой точке различными энергетическими полями. Если взять пустое пространство – физический вакуум — измерить его точнейшими современными приборами и увидеть, что в этом пространстве не наблюдается ни одного фотона, то можно сказать что поле находится в состоянии наименьшей энергии, то есть не способно отдавать энергию. Получается, энергия поля равна нулю? Вовсе нет. Даже в этом случае невозможно точно (определенно) измерить энергию данного поля, иначе это нарушило бы принцип неопределенности (или принцип Гейзенберга) – основу квантовой механики. Получается, что даже в состоянии с наименьшей энергией мы можем задать значение энергии поля только лишь распределением вероятности. А это значит, что в физическом вакууме будут всегда происходить различные флуктуации.

Рекомендуем
В прошлом скорость света была быстрее, чем сейчас?

Квантовая теория объясняет их наличие постоянным рождением и уничтожением виртуальных частиц и античастиц. Почему виртуальных? Потому что происходит это в столь короткие промежутки времени (около 10-24 сек.), что мы просто не сможем эти частицы зарегистрировать. Изначально существование виртуальных частиц было обнаружено на бумаге – во время вывода формул – и долгое время подвергалось сомнению, как лишь математическое описание реальности. Однако теперь ученые точно знают, что виртуальные частицы существуют – они реагируют с обычными реальными частицами, изменяя характеристики последних, что было многократно подтверждено различными экспериментами. Да, мир на квантовом уровне выглядит совсем не так, как наш обыденный мир, а представляет собой некий кипящий бульон, в котором из ниоткуда постоянно рождаются и уничтожаются новые частицы. Теоретически, при воздействии на вакуум внешним полем, пару виртуальных частиц можно превратить в пару реальных, приложив для этого энергию.

А теперь представим, что пары виртуальных частиц рождаются на самом горизонте событий черной дыры. Среди бесчисленного множество таких пар может возникнуть и такая, которая под воздействием гравитационного поля перейдет в реальное состояние. При этом когда-нибудь наступит такой момент, что одна из частиц упадет в черную дыру, а другая сможет избежать падения, выйдя на удачную траекторию полета, которая словно из пращи «отшвырнет» частицу обратно в космос, придав ей огромное ускорение.

Заметим, что реальные частицы не родились сами по себе – их своей энергией создала черная дыра, излучив затем одну из частиц в космос. Можно подсчитать, что упавшая за горизонт событий первая частица не смогла компенсировать черной дыре потерю в энергии, которую она расходовала на превращение виртуальных частиц в реальные, а затем на придание импульса второй частице. Получается, черная дыра не только излучила в космос частицу, но и потеряла из-за этого часть своей энергии, а значит и массы. Теоретически, со временем она должна просто испариться – ведь каждое мгновение рождается бесчисленное множество виртуальных частиц, а материя вблизи черной дыры рано или поздно заканчивается.

Данное излучение носит имя известного физика-теоретика Стивена Хокинга и называется «излучением Хокинга». Доказать или опровергнуть теорию Стивена Хокинга можно измерив тепловой спектр излучения вблизи горизонта событий черной дыры, однако современная техника пока что не достигла должного уровня для столь сложных наблюдений. Вокруг существования излучения Хокинга по сей день ведутся ожесточенные дискуссии.

Это интересно: некоторые физики полагают, что именно излучение Хокинга испаряет те микроскопические черные дыры, которые могли бы теоретически возникнуть во время экспериментов на Большом адронном коллайдере.

Точку в спорах могло бы поставить обнаружение исчезающих черных дыр – каждое испарение теоретически должно оканчиваться грандиозным взрывом. Однако пока что никаких следов подобных происшествий не обнаружено – скорее всего, возраст Вселенной пока еще слишком мал, чтобы даже первые образовавшиеся в ней черные дыры подошли к концу своей жизни.

Иллюстрация: depositphotos | aaronrutten

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
comments powered by HyperComments

Горизонт событий

Самой дальней границей черной дыры является «горизонт событий», то есть то место, где гравитационная сила спадает до такого уровня, что свету вот-вот удастся проникнуть сквозь гравитационное поле. Переступите эту черту – и выхода уже не будет. Горизонт событий буквально сияет энергией. Квантовые эффекты, которые наблюдаются на границе черной дыры, создают потоки раскаленных частиц, излучаемых обратно во Вселенную из черной дыры. Этот феномен называется излучением Хокинга – в честь ученого Стивена Хокинга, который предсказал этот эффект. Если дать черной дыре достаточно времени, то излучения выдадут обратно в космос всю ее массу, и она исчерпает себя и исчезнет.

Подруга спросила, зачем мне столько риса: мой ответ заставил её тоже закупиться

Внучка Никиты Михалкова не планирует идти по стопам бабушки и не станет моделью

Как выглядит нацистский бункер, который можно арендовать на ночь за 345$

Ваш компаньон

Так что же случится, если вы случайно упадете в одну их этих космических аберраций? Давайте спросим у вашего космического компаньона — пусть ее будут звать Анна. Она в ужасе смотрит на то, как вы падаете в черную дыру, пока сама она находится на безопасном расстоянии от нее. И с ее точки зрения, все происходящее выглядит крайне странно.

Как приготовить вкусный чизкейк «Шоколадный взыв»: простой рецепт

Автор «Гарри Поттера» выложит новую сказку: Роулинг просит у фанатов рисунки

Порезы залечит и не только: на что способен простой спрей-дезодорант

Что может произойти с человеком при попадании в черную дыру?

В естественных условиях большинство черных дыр должны вращаться. Это значит, что у черной дыры есть две поверхности, одна внутри другой. Внешняя – это так называемая эргосфера. И вот если туда попасть, но не пересечь горизонт событий, то можно вылететь из черной дыры. Самое интересное происходит, если попасть под горизонт черной дыры. Попав туда, вылететь не получится уже ни при каких условиях — что бы вы ни предпринимали. Избежать падения в центр черной дыры после пересечения горизонта — это то же самое, что избежать следующего понедельника.

Что происходит при приближении к черной дыре и пересечении эргосферы или горизонта, зависит от ее размера. Если черная дыра очень большая, то есть массивная (например, у дыры массой 100 000 000 масс солнца размер будет в два раза больше земной орбиты – где-то 300 000 000 км), и вы пересекаете либо ее эргосферу либо горизонт событий, то ничего страшного с вами не происходит. Дело в том, что когда вы свободно падаете, вы чувствуете гравитацию только через приливные силы. Это разница между тем, как притягиваются к гравитирующему центру ваши ноги и голова. Через разницу этих сил вы и чувствуете гравитацию в свободном падении. Если эта разница небольшая, то вы особо ничего и не чувствуете. Для черных дыр большого размера эта разница совершенно ничтожна. Поэтому пересекая или эргосферу, или горизонт такой дыры, вы не почувствуете никаких разрушительных сил.

Если же черная дыра маленькая (например, если бы солнце могло превратиться в черную дыру, то ее радиус был бы порядка 3 км), то, скорее всего, приливные силы будут огромными, и они разорвут человека на части. Но вас и за пару километров до пересечения горизонта, на подлете, могут порвать приливные силы. С точки зрения гравитационных сил важно здесь то, на каком расстоянии вы находитесь от сингулярности (центр черной дыры – место средоточия

всей ее массы под горизонтом), а не то, на каком расстоянии вы находитесь от горизонта или эргосферы. При приближении именно к сингулярности вы и начинаете ощущать эти приливные силы.

Все эти выводы можно сделать изучая свойства черных дыр в рамках общей теории относительности. Она применима только, если приливные силы не очень большие. Когда приливные силы становятся очень большими (значительно больше тех, которые разрывают человека на части) мы уже не знаем, что происходит. Мы не знаем что происходит при сверхвысоких плотностях, которые возникают в окрестности сингулярности. Мы знаем только то, что сингулярностей не бывает в природе. Что же будет вместо сингулярности – в самом центре черной дыры – нам не известно.

Ближайшая черная дыра находится во многих световых годах от нас, а люди не побывали до сих пор и на ближайшей звезде, которая находится всего в четырех световых годах от нас. Но даже если бы человек и попал в черную дыру, нам бы он ничего сообщить не смог. Потому что ничто не может вылететь из-под ее горизонта.

Гигантская черная дыра в центре Млечного Пути является источником нейтрино

Указывающие на это свидетельства были получены от трех спутников NASA, которые проводят наблюдения в рентген-диапазоне: рентгеновская орбитальная обсерватория Чандра, орбитальная обсерватория Swift и космическая обсерватория NuSTAR.

Нейтрино от Солнца постоянно бомбардируют Землю. Однако нейтрино, приходящие из-за пределов Солнечной системы могут быть в миллионы и миллиарды раз энергичнее. В течение долгого времени ученые ищут источник сверхвысокой энергии и нейтрино очень высоких энергий.

«Выяснение того, откуда приходят нейтрино высоких энергий, является одной их важнейших проблем астрофизики на сегодняшний день», – отметил Янг Бай (Yang Bai), соавтор исследования, результаты которого были опубликованы в журнале Physical Review D. «Теперь у нас есть первые доказательства, что сверхмассивная черная дыра в Млечном Пути может быть источником этих очень энергичных нейтрино».

Так как нейтрино очень легко проходят через вещество, то крайне сложно построить детекторы, которые могли бы показать, откуда эти нейтрино пришли. Нейтринная обсерватория IceCube, находящаяся на южном полюсе, зафиксировала 36 высокоэнергичных нейтрино, начиная с 2010 года, когда комплекс был запущен.

Совмещая возможности IceCube с данными, полученными от рентген-телескопов, ученые смогли наблюдать за интенсивными событиями в космосе, которые соответствуют прибытию высокоэнергичных нейтрино на Землю.

«Мы проверили, что произошло после того, как Чандра стала свидетелем наиболее мощного выброса когда-либо наблюдаемого на Стрельце А*, сверхмассивной черной дыре Млечного Пути», – рассказала соавтор Андреа Петерсон (Andrea Peterson). «И менее чем через три часа IceCube зафиксировал нейтрино».

Помимо этого, несколько обнаружений нейтрино произошло в течение нескольких дней вспышек от сверхмассивной черной дыры, которые наблюдались обсерваториями Swift и NuSTAR.

«Это бы значило многое, если мы обнаружим, что Стрелец А* генерирует нейтрино», – сказала Эми Барджер (Amy Barger), соавтор работы.

Ученые полагают, что самые высокоэнергичные нейтрино образуются в самых массивных событиях во Вселенной, таких как слияние галактик, падение материи на сверхмассивные черные дыры и ветра вокруг пульсаров.

Одна из идей заключается в том, что это могло случиться, когда частицы вокруг черной дыры ускоряются взрывной волной, словно звуковым ударом, что приводит к появлению заряженных частиц, которые распадаются до нейтрино.

За горизонтом событий черных дыр: прощальный «вальс» света

Черные дыры — это своего рода «богачи» на «рынке» Вселенной, где «валютой» считается вещество. Как деньги прилипают к деньгам, так и масса притягивается к массе. Чем больше запас, тем быстрее он увеличивается. Соблазн пополнить «карман» черной дыры настолько велик, что ничего в космосе не может покинуть ее пределы, если пересечет так называемый горизонт событий.

Астрономам и физикам до сих пор неясно, хорошо ли общая теория относительности Эйнштейна описывает законы гравитации при экстремальные условиях, существующих в чреве черных дыр. Что если, подобно классической динамике Ньютона, неприменимой к объектам, движущимся со скоростями, близкими к скорости света, теория Эйнштейна не работает, когда гравитация достигает чудовищной силы?

Чтобы выяснить это, ученые со всех возможных ракурсов исследуют невидимые массивные объекты. Коллектив LIGO-Virgo в течение 5 лет «ловит» гравитационные волны, которые возникают после очередного поглощения вещества черной дырой или слияния двух небольших черных дыр в более крупную. Исследовательская группа Event Horizon Telescope сосредоточилась на изучении теней черных дыр.

Технические возможности позволяют фиксировать потрясающие явления, многое рассказывающие о свойствах черных дыр. Но ни одно наблюдение пока не может раскрыть, что происходит за горизонтом событий. Остается лишь строить теории и искать им косвенные подтверждение в явлениях, доступных для наблюдения.

Наука

Сложные отношения: Луна, солнечный ветер и магнитосфера Земли

Одну из таких теорий построили исследователи из Института гравитационной физики Макса Планка в Германии и Университета Авейру в Португалии. Теория предсказывает, что в области, лежащей за горизонтом событий, гравитация так сильно искажает прямолинейную траекторию движения света, что его путь замыкается сама на себя. Между горизонтом событий и центром черной дыры образуются круговые орбиты фотонов или световые кольца. В статье, опубликованной в Physical Review Letters, предполагается, что у каждой черной дыры должно быть, по крайней мере, одно световое кольцо.

Чем обогатит науку изучение этих легких колец? Ученые верят, что их свойства могут содержать важную информацию о черной дыре. Измерение этих свойств может открыть прямое окно в неуловимый мир сильной гравитации вблизи черной дыры и дать ответ на ключевой вопрос: нужно ли менять существующие теории гравитации, когда речь заходит о черных дырах.

Авторы исследования Педро Кунья и Карлос Хердейро попытались объяснить феномен световых колец, не прибегая к общей теории относительности. Вместо того, чтобы использовать уравнения движения, ученые обратили внимание на то, как пространство-время должно проявлять себя вблизи черной дыры и далеко от нее. В результате, они пришли к выводу, что вращающаяся черная дыра должна иметь, как минимум, два крутящихся световых кольца. Одно из них должно вращаться в том же направлении, что и черная дыра, другое — в противоположном.

Звучит довольно захватывающе, однако теория Куньи и Хердейро построена на ряде предположений. Самым спорным является следующее. Ученые допустили, что вдали от черной дыры нет гравитационного поля. Расширение Вселенной свидетельствует об обратном. Даже на большом удалении от массивных объектов есть хотя бы крошечное гравитационное поле. В будущих работах исследователи планируют изменить некоторые из своих допущений и оценить, как это повлияет на их теорию.

Рейтинг
( 2 оценки, среднее 5 из 5 )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями: