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
Согласно общей теории относительности, черные дыры пусты. За горизонтом событий – пустота. А вся масса черной дыры сосредоточена в безразмерной точке, называемой сингулярностью. Поэтому упасть на нее и разбиться в привычном понимании этого слова не получится.
Но по отношению к сингулярности название «дыра» не совсем корректно. Дыра подразумевает пустоту, а это небесное тело, напротив, – максимально сжатый комок вещества. Но раз уж закрепился термин когда-то в науке, не так просто его поменять. «Дыра» – это скорее метафорическая, художественная интерпретация.
Ведь если что-то – свет или материя – попало в дыру, назад пути нет. И на фоне космоса она черная, так как практически ничего не излучает. Свет она не отражает, а захватывает, не выпуская из цепких объятий плотной материи.
Согласно уравнениям Эйнштейна, которые не раз подтверждались на практике, пространство и время не существуют сами по себе. Они связаны с объектом, зависят от его массы. Пространство-время искривляется даже рядом с вами, когда вы идете на работу. Но это настолько несущественное искривление, что, как говорят физики, мы спокойно можем им пренебречь.
Но когда речь идет о таком супермонстре, как черная дыра, искривление пространства-времени становится сильно заметным.
Какая звезда может превратиться в черную дыру
Речь идет о массивных звездах, которые как минимум в три раза больше нашего Солнца. Такая звезда в конце своего пути может коллапсировать в черную дыру. Ее размер будет очень маленьким – максимум несколько десятков километров.
У каждого объекта, даже у человека, есть так называемый гравитационный радиус. Он же радиус Шварцшильда. Назван он в честь немецкого астронома Карла Шварцшильда, который первым предсказал существование черных дыр. Сделал он это в 1916 году, незадолго до смерти, точно решив уравнения Эйнштейна.
Гравитационный радиус – это тот радиус, при котором объект заданной массы превращается в сингулярность. Ну, или, говоря проще, в черную дыру. Высчитывается он по очень простой формуле:
rg = 2GM/c2
где G – уже знакомая вам гравитационная постоянная, а в знаменателе – скорость света в квадрате.
Подставляем сюда массу объекта вместо М и получаем гравитационный радиус. Для Солнца, например, гравитационный радиус был бы равен 3 километрам. Для Земли он составил бы всего 9 миллиметров.
Но ни Солнцу, ни тем более Земле просто не хватит массы, чтобы сколлапсировать в черную дыру.
Что будет, если человек попадет в черную дыру?
Трудно смоделировать такую ситуацию. Теоретически он может даже не погибнуть, по крайней мере сразу. Пространство-время здесь искривлено настолько, что человек может даже не заметить перехода, – его просто моментально затянет. Одно известно точно: выйти обратно он уже никогда не сможет. Вокруг него будет беспросветная тьма. Даже если он достанет мощный фонарь, свет не выберется и не сможет что-либо осветить внутри черной дыры.
Однако вероятность, что человек попадет за горизонт событий, практически нулевая. Дело в том, что вокруг черной дыры, как правило, на огромных скоростях вращается раскаленный газ – уже упоминаемый мною аккреционный диск. Ведь черные дыры заглатывают вещество, пролетающее мимо звезды, и т. д. И человек, даже в очень защищенном крепком скафандре, вряд ли преодолеет эту преграду. И даже если удастся защититься от высокой температуры, то радиация и рентгеновские лучи добьют человека окончательно. Именно в этих диапазонах свечение аккреционного диска максимально.
Если же представить, что у космонавта будет суперскафандр (фантастика, конечно, но падение в черную дыру космонавта – тоже событие не слишком реалистичное), который защитит и от радиации, и от жары, его ждет другой неприятный сюрприз.
На притягивающийся объект
