Чёрные дыры – интереснейшие объекты во Вселенной, и узнать доподлинно о том, что происходит внутри них никто пока не может. Скрытое горизонтом событий – одна из величайших тайн космоса. Но когда появились самые древние из этих загадочных объектов?
Виды чёрных дыр
Обычные чёрные дыры, которые нам известны, образуются тогда, когда погибают массивные звёзды. В течение жизни звёзды синтезируют атомы всё с большим числом протонов от лёгких элементов к тяжёлым в отчаянной попытке предотвратить натиск беспощадной силы гравитации. Звёзды синтезируют элементы «послойно»: сначала водород синтезируется в гелий, затем гелий – в кислород и углерод, потом очередь доходит до тяжёлых элементов, таких как магний, кремний, и когда процесс добирается до железа в ядре, синтез прекращается, звезда коллапсирует, и её внешние слои проваливаются внутрь с околосветовыми скоростями. Проходит всего несколько секунд, и вся эта колоссальная масса оказывается в столь крошечном пространстве, что даже энергия взрыва не может оттуда вернуться.
Есть ещё одна разновидность – сверхмассивные чёрные дыры, а вот как появляются они – до сих пор неясно. Их масса в миллиарды раз больше солнечной, поэтому это явно не «трупы», оставшиеся после взрыва звезд-гигантов. Они находятся в центрах галактик, являются их «сердцами», поглощая материю и выбрасывая огромное количество энергии, необходимое для формирования новых звёзд. Возможно, они рождаются при слиянии более мелких чёрных дыр. Другая версия – это «разъевшиеся» с течением времени чёрные дыры, которым посчастливилось оказаться возле «кормушки» - там, где много материи. И ещё одна теория: сверхмассивные чёрные дыры образуются в результате гравитационного коллапса гигантских газопылевых облаков, минуя промежуточные этапы рождения, жизни и смерти звёзд.
Оба вида чёрных дыр найдены во Вселенной. Теоретически, чёрная дыра может быть любой массы. А что насчёт первичных чёрных дыр?
Идеи об их существовании появились ещё в 1974 году. Тогда астрономы начали высказывать предположения о том, что первичные чёрные дыры появились спустя недолгое время после рождения Вселенной и до сих пор они проживают где-то на её просторах. К сожалению, никто пока не нашёл ни одну первичную чёрную дыру. Нет даже косвенных доказательств их существования, но открытие подобных объектов помогло бы дать некоторые ключи к разгадке различных тайн, например, о природе тёмной материи.
Сама Вселенная перед Большим взрывом была похожа на чёрную дыру, ведь материя и энергия были сжаты до невообразимой плотности в одной точке, где не работали все известные нам законы физики. Судя по разнице температур реликтового излучения, в ранней Вселенной попадались области с большей или меньшей плотностью. Из-за этого в определённых областях Вселенной вещество могло сжаться в чёрные дыры разных размеров: так, это могла быть или небольшая «горстка» атомов, или более крупные сгустки материи, которые образовали собой небольшие черные дыры. Никто не может обнаружить первичные чёрные дыры по тому, что их размеры невелики, и они свободно странствуют по Вселенной, лишь иногда влияя своей гравитацией на объекты, мимо которых они проходят. Астрофизики отмечают, что такое поведение очень напоминает тёмную материю. Из чего состоит тёмная материя – никто не знает, но в галактиках и туманностях нередко видимая материя ведёт себя странно, как будто на неё что-то влияет. Может быть, траектории движения вещества видимой материи как раз и отклоняют первичные чёрные дыры, заметить которых очень трудно из-за их малых размеров?
Как найти первичные чёрные дыры?
Астрофизики считают, что эффект гравитационного линзирования поможет найти эти уникальные объекты. Его суть заключается в том, что когда чёрная дыра (или другой массивный объект) будет проходить между нами и далёким объектом, его гравитация искривит свет далёкого объекта подобно линзе.
Ещё один способ – поймать момент их испарения, этот процесс называется излучением Хокинга. Но как же чёрная дыра может что-то излучать? Стивен Хокинг предположил, что даже «из-под носа» чёрной дыры всё-таки можно ускользнуть! Согласно квантово-механической теории, частицы и их аналоги (античастицы) постоянно появляются и исчезают во всей Вселенной. Эти пары частица-античастица возникают повсюду, даже рядом с горизонтом событий черной дыры, и они быстро уничтожают друг друга. Однако одна частица может упасть в черную дыру до того, как может произойти ее уничтожение, и в этом случае другая частица (ее аналог) ускользнет под действием излучения Хокинга, унося с собой при этом крошечную долю её массы. Это означает, что излучение Хокинга не исходит непосредственно от самой черной дыры, а является результатом того, что виртуальные частицы "поднимаются" под действием интенсивного гравитационного притяжения черной дыры, превращаясь в настоящие частицы. Частица, упавшая в черную дыру, должна была иметь отрицательную энергию, в то время как ее двойник должен был иметь положительную энергию (по отношению к внешнему наблюдателю). Таким образом, получается, что черная дыра выпускает частицу и теряет свою массу. Нужно найти способ как-то зафиксировать этот процесс, либо дождаться, когда чёрная дыра полностью «испарится» - в этот момент произойдёт гамма-всплеск, а то, что осталось от чёрной дыры, вспыхнет ярким светом в финале её жизни, когда плотность вещества будет уже настолько малой, что гравитации «не за что будет цепляться». Поиски затрудняет то, что большая часть первичных чёрных дыр уже успела испариться за долгое время существования Вселенной, именно поэтому они очень маленькие и незаметные.
Множество частиц «получат свободу» и распространятся по просторам Вселенной. Одна из таких частиц – нейтрино, которую можно будет зарегистрировать на Земле с помощью детекторов. Также можно и зафиксировать гамма-всплеск. Возможно, что короткие гамма-вспышки – это и есть взрывы первичных чёрных дыр.
И ещё один способ зарегистрировать первичные чёрные дыры – это гравитационные волны. Так, в мае 2019 года обсерватории гравитационных волн LIGO и Virgo обнаружили слияние двух черных дыр. Одна имела массу 85 солнечных, а другая – 66. Событие было названо неприметным номером GW190521. В результате столкновения получилась новая черная дыра массой 142 солнечных – это было первым наблюдением гравитационных волн. Но астрофизиков насторожили размеры этих чёрных дыр, ведь 66 солнечных масс – такие «малышки» не образуются в результате гибели сверхмассивных звёзд! Может быть, это и есть первичные черные дыры?
Если бы первичная чёрная дыра пробралась внутрь Солнечной системы, то этого бы хватило на то, чтобы отклонить орбиты планет. Самой интересной гипотезой является то, что таинственная Планета Х, которую всё никто не может никак найти, а признаки её существования есть, может оказаться той самой первичной чёрной дырой размером с футбольный мяч или даже с грейпфрут. Её можно было бы найти только по маленькому аккреционному диску, ведь для чёрной дыры в Поясе Койпера полно добычи. Возможно, обсерваториям или космическим аппаратам удастся когда-нибудь это увидеть!
Вам может быть интересно:
"Неутомимые велосипедисты": спутники Сатурна Янус и Эпиметей
Из чего можно пострелять на Луне?
Как будут выглядеть люди, покорившие Марс?
10 оптимистичных цитат Стивена Хокинга, которые заставят вас улыбнуться
Существует ли время? Или это наши выдумки?
Задумчивый брат Плутона: путешествие на Харон!
Где находится самый далёкий объект во Вселенной?
Наблюдаемая Вселенная - это сколько?
Несколько способов спасти Землю от "непрошенных гостей" в виде комет и астероидов