Радиус горизонта событий чёрной дыры называется радиусом Шварцшильда13 в честь учёного впервые рассчитавшего соответствующие уравнения. У чёрной дыры с массой Земли радиус Шварцшильда составляет всего 9 миллиметров, а с массой Солнца примерно 3 километра.
Чёрные дыры стремительно вращаются, некоторые со скоростью свыше полутора миллионов километров в час. Гравитационное притяжение чёрной дыры настолько огромно, что никакой сигнал не способен покинуть пределы радиуса Шварцшильда.
Если объект пролетает мимо чёрной дыры на безопасном расстоянии, то он отклоняется от неё, как от обычной звезды. Однако, стоит только переступить порог, называемый горизонтом событий, как тут же любое тело попадает в гравитационную ловушку и обратного пути никогда не будет.
Чёрная дыра поглощает абсолютно всё, что только существует во Вселенной. Попав в ловушку, вернуться назад невозможно. Потому что для этого необходимо превысить скорость света. А это противоречит законам физики.
Важно понимать, что, хотя горизонт событий представляет собой внешнюю границу чёрной дыры, но это не оболочка и тем более не твёрдая поверхность. Это абстрактная сфера, радиус которой тем больше, чем больше масса чёрной дыры. А сама чёрная дыра пустая вплоть до самого центра, где сконцентрировано всё её вещество.
Именно в точке сингулярности оно сжато до предельно допустимой в природе плотности.
Там в одном кубическом сантиметре содержится 10
93
Существует два типа чёрных дыр.
Первые – звёздные, которые я только что описал, образуются после гибели звёзд.
Но, есть и чёрные дыры второго типа – галактические. Они располагаются в центрах галактик, и их масса может составлять миллиарды солнечных масс.
Такие чёрные дыры образуются, когда вблизи галактического ядра собирается огромное количество зарождающихся звёзд. Большое скопление материи приводит к естественному образованию чёрной дыры, которая поглощает юные звёзды и постепенно наращивает свою массу. Когда «добыча» иссякает, чёрная дыра вступает в стадию относительно стабильного существования.
Наличие чёрной дыры в центре Млечного Пути установлено экспериментально. Её масса составляет около 2.5 миллиона солнечных масс.
По космическим меркам это не очень большой объект. Чёрная дыра в центре соседней Туманности Андромеды весит 30 миллионов солнц.
Астрономы обнаружили вблизи «нашей» галактической чёрной дыры звезду, которая обращается около неё со скоростью в 2% от скорости света. Это быстрее, чем скорость вращения электрона вокруг ядра в атоме. Только вообразите себе, насколько огромной должна быть сила гравитационного воздействия, чтобы целая звезда так быстро вертелась вокруг единого центра притяжения.
Но, конечно, самое необычное свойство чёрной дыры – нарушение вблизи неё привычного течения времени. Это не фантастическая гипотеза, а прямое следствие теории относительности Эйнштейна.
Гравитация вблизи чёрной дыры настолько сильная, что ход времени часов чрезвычайно замедляется. Над горизонтом событий они будут идти в десять тысяч раз медленнее, чем на Земле. В самой непосредственной близости от чёрной дыры время практически останавливается.
По часам наблюдателя может пройти лишь несколько дней, но вся остальная Вселенная состарится на сотни миллиардов лет и вступит в завершающую фазу своей эволюции. В чёрной дыре мгновение становится практически бесконечным. К этому удивительному факту я ещё неоднократно буду обращаться в ходе дальнейшего повествования.
Все чёрные дыры удивительно похожи друг на друга. У каждой из них есть всего три отличительных особенности.
Во-первых, это масса.
Во-вторых, электрический заряд.
В-третьих, скорость вращения.
И это всё. Две чёрные дыры с одинаковыми массой, зарядом и вращением совершенно неотличимы друг от друга. У них нет «индивидуальных» свойств.
Когда эти особенности чёрных дыр стали известны, многие физики были весьма озадачены. Ведь те же самые характеристики свойственны всего лишь ещё одним объектам во Вселенной. Но каким!
Именно этими свойствами – массой, зарядом и спином – отличаются друг от друга элементарные частицы. Подобная схожесть невольно заставляет выдвинуть гипотезу – а не являются ли чёрные дыры сверхмассивными элементарными частицами?
И если это так, то совершенно непонятны физические и философские последствия этого вывода.
Высказывались предположения, что чёрные дыры и элементарные частицы могут быть двумя сторонами одной медали – двумя разными аспектами фазового перехода единой материи.
Примерно аналогичное свойство присуще воде, которая может быть газообразной, жидкой и твёрдой. Стороннему несведущему наблюдателю было бы сложно догадаться, что лёд, жидкость и пар – суть одно и то же в разных фазовых состояниях. Может быть, подобный подход применим и к чёрным дырам?
Во всяком случае, никакого более вразумительного объяснения пока что не придумано.
Следует сказать ещё об одном интересном свойстве чёрной дыры. Дело в том, что её температура обратно пропорциональна массе. Это противоречит нашему повседневному опыту, но это факт.
Мы знаем, что в обычных условиях для нагревания объекта надо обеспечить его энергией. У чёрной дыры всё наоборот. Чем больше она поглощает вещества или энергии – тем сильнее она охлаждается. Кажется, что рано или поздно любая «насытившаяся» чёрная дыра должна стать абсолютно холодной. Но этот вполне логичный вывод оказался ошибочным.
В 1974 году Стивен Хокинг14 установил, что чёрные дыры не совсем чёрные, а обладают минимальной положительной температурой чуть выше абсолютного нуля. Это было потрясающее открытие с далеко идущими последствиями.
Дело в том, что любое тело, имеющее температуру, обязано излучать. Но это в корне противоречит главному качеству чёрной дыры – ничего от себя не отпускать, включая свет и вообще любое излучение. Как решить возникшее противоречие?
На помощь пришла квантовая физика. Поскольку я ещё буду детально рассказывать об этом передовом разделе современной науки, то в этой главе главное, не разобраться в квантовых законах, а просто уловить суть идей Хокинга.
Суть вот в чём.
Пустое пространство лишь кажется пустым. Вакуум постоянно вибрирует на микроуровне, в пространстве беспрестанно происходят так называемые квантовые флуктуации.
В этом динамичном состоянии постоянно рождаются элементарные частицы, которые являются парными, то есть частицей и античастицей. Время их жизни необычайно мало. Из-за того, что они парные, они почти что моментально взаимно аннигилируют, и мы не замечаем их рождения и смерти в обычных условиях.
Однако, вблизи горизонта событий чёрной дыры, условия, мягко говоря, далеки от обычных. Пара частица-античастица быстро взаимно уничтожается, если поблизости нет внешних полей, способных повлиять на их поведение. Но, рядом с чёрной дырой наблюдается сильнейшее гравитационное поле.
Оно настолько мощное, что успевает как бы выхватить одну из рождённых частиц из объятий аннигиляционной смерти, и затянуть её внутрь чёрной дыры. Вторая частица, соответственно, остаётся без пары.
Но, в отличие от захваченного партнёра, энергия гравитационного поля не втягивает её внутрь чёрной дыры, а, наоборот, отталкивает эту одинокую частицу от горизонта событий. В результате подобного «разлучения пар» со стороны кажется, что чёрная дыра непрерывно испускает излучение, названное излучением Хокинга.