Чёрные дыры: горизонт событий, образование и как их находят

Чёрная дыра — область пространства, где тяготение так сильно, что изнутри не может выйти даже свет. Её граница называется горизонтом событий: всё, что пересекло горизонт, вернуться обратно уже не может. Предсказанные теорией, чёрные дыры долго оставались гипотезой, а сегодня их взвешивают, «слышат» гравитационными детекторами и фотографируют их тени.

Горизонт событий

Размер горизонта для невращающейся чёрной дыры — радиус Шварцшильда: r = 2GM/c², где M — масса, G — гравитационная постоянная, c — скорость света. Для массы Солнца это около 3 км, для массы Земли — меньше сантиметра. Радиус растёт пропорционально массе.

Падение в чёрную дыру выглядит по-разному для разных наблюдателей. Сам падающий пересечёт горизонт за конечное время по своим часам и ничего особенного в этот момент не заметит — если его раньше не разорвут приливные силы, которые у звёздных чёрных дыр огромны. А внешний наблюдатель увидит, как падающее тело всё медленнее приближается к горизонту, тускнеет и краснеет, но так и не пересекает его: из-за искривления пространства-времени время у горизонта для него замирает.

История идеи

В 1783 году английский священник и естествоиспытатель Джон Мичелл рассудил, что достаточно массивная звезда может удержать свой свет, а в 1796 году ту же мысль высказал Пьер-Симон Лаплас. В 1916 году Карл Шварцшильд нашёл решение уравнений общей теории относительности, описывающее такой объект. В 1939 году Роберт Оппенгеймер и Хартленд Снайдер показали, что массивная звезда может неограниченно сжаться. Название «чёрная дыра» распространилось в конце 1960-х благодаря физику Джону Уилеру. Первым надёжным кандидатом стал рентгеновский источник Лебедь X-1, изученный в начале 1970-х.

Как они образуются

Чёрные дыры звёздной массы — конец жизни самых массивных звёзд. Когда в недрах такой звезды заканчивается термоядерное топливо, её ядро коллапсирует, а оболочка может быть выброшена взрывом сверхновой. Если оставшееся ядро тяжелее примерно трёх масс Солнца, никакое давление вещества не остановит сжатие. Чем массивнее должна быть звезда для такого конца, зависит от её состава и вращения; обычно говорят о начальных массах от 20–25 солнечных. Сверхмассивные чёрные дыры в центрах галактик растут, поглощая газ и сливаясь друг с другом; как появились их первые «зародыши» в молодой Вселенной — открытый вопрос.

Какими они бывают

Звёздные — от нескольких до десятков масс Солнца. Только в нашей Галактике их, по оценкам, до ста миллионов, но известны лишь десятки.
Промежуточные — от сотен до сотен тысяч масс Солнца. Надёжных примеров мало; одно из свидетельств — слияние, зарегистрированное в 2019 году (GW190521), после которого осталась чёрная дыра примерно в 140 масс Солнца.
Сверхмассивные — от миллионов до миллиардов масс Солнца, находятся в центрах почти всех крупных галактик. В центре Млечного Пути — Стрелец A* массой около 4,3 млн солнечных, в галактике M87 — около 6,5 млрд.

Как их находят

По излучению падающего газа. В тесной двойной системе газ звезды-компаньона стекает на чёрную дыру, закручивается в аккреционный диск и раскаляется до миллионов градусов, излучая в рентгеновском диапазоне. Так найден Лебедь X-1.
По движению звёзд. Звёзды в центре Галактики обращаются вокруг невидимой массы в миллионы солнечных. За эти наблюдения Райнхард Генцель и Андреа Гез получили Нобелевскую премию по физике 2020 года вместе с Роджером Пенроузом, доказавшим, что чёрные дыры неизбежно следуют из общей теории относительности.
По гравитационным волнам. 14 сентября 2015 года обсерватория LIGO зарегистрировала волны от слияния двух чёрных дыр массами около 36 и 29 солнечных. С тех пор найдены сотни таких слияний.
По тени. Сеть радиотелескопов Event Horizon Telescope получила изображения тёмной «тени» чёрной дыры на фоне светящегося газа: в галактике M87 (2019) и в центре Млечного Пути (2022).
По движению обычной звезды. «Спящая» чёрная дыра, которая ничего не поглощает, выдаёт себя, раскачивая звезду-компаньона. Так в 2022 году по данным Gaia найдена Gaia BH1 — ближайшая известная чёрная дыра, примерно в 1560 световых годах.

Излучение Хокинга

В 1974 году Стивен Хокинг показал, что с учётом квантовых эффектов чёрная дыра должна слабо излучать и постепенно терять массу. Температура этого излучения обратно пропорциональна массе: у чёрной дыры массой с Солнце — около шестидесяти миллиардных долей кельвина, намного холоднее реликтового излучения. Поэтому звёздные и сверхмассивные чёрные дыры сейчас не испаряются, а растут, и излучение Хокинга пока никто не наблюдал.