… А что с тем, что мы видим вокруг?
2.2. Черные дыры – наши маяки во Вселенной
А видим мы довольно много.
Наверняка многие слышали про Стрельца, который держит на себе Млечный Путь. Правильно называть его Стрелец A со звездочкой, но это скучно, нудно, да и в контексте нашего разговора не будет обязательным.
Возможно, в нашем галактическом центре есть еще и другие черные дыры, но пока мы сфотографировали только Стрельца, с чем друг друга и поздравили.
Давайте разбираться, что мы увидели.
Во-первых, это сверхмассивная черная дыра, она тяжелее четырех миллионов солнечных масс. При этом горизонт событий умещается в орбиту Меркурия.
Во-вторых, сфотографировали мы не саму черную дыру, а ее аккреционный диск. Аккреция – это процесс приращения массы тела при помощи гравитации. То есть когда на черную дыру что-то падает, это аккреция. В случае Стрельца аккрецирует огромное количество газа, газ сильно разгоняется на этой карусели и начинает светиться. Это свечение мы и видим вокруг черной дыры. Не у всех черных дыр есть аккреционный диск – если вокруг ничего нет, ничего в черную дыру не падает, не разгоняется и не светит. Тут все логично.
А вот черная дырка от бублика внутри диска – это тень горизонта событий. Наверное, это самое прямое изображение черной дыры, которое мы можем получить.
В-третьих, расчеты показали, что масса самой черной дыры составляет примерно четверть от всей массы этого объекта, остальное приходится как раз на аккреционный диск, соседние газопылевые облака и прочую материю поблизости.
Ученые увидят здесь гораздо больше информации, но это уже тема отдельных научных конференций, там сидят совершенно другие люди и ведут совершенно другие разговоры. А мы, наверное, дальше пойдем.
Наш родной Млечный Путь – не единственная галактика с черной дырой в центре. Больше того, есть галактики, которые еще не сформировались, а черная дыра в центре уже есть. Такие активные ядра галактик вокруг черных дыр мы называем квазарами. Как правило, они расположены довольно далеко от нас, поэтому выглядят неподвижными.
Знаете это ощущение, когда вы сели в вагон и непонятно, тронулся ваш поезд или соседний. Чтобы понять, надо посмотреть на фон, чтобы понять, как смещается соседний поезд относительно него. Так вот, квазары достаточно далеки от нас, чтобы мы считали их фоном: они почти не двигаются на небе.
И еще квазары – самые яркие в абсолютных значениях объекты на небосводе.
Аккреционный диск квазара может иметь светимость в десятки или даже сотни раз больше, чем суммарная светимость всех звезд, скажем, Млечного Пути.
Именно поэтому квазары и называют маяками Вселенной.
В принципе, пик распространения квазаров уже прошел около 10 миллиардов лет назад. Это как раз то время, когда активно формировались галактики. Самый старый квазар, который мы сегодня знаем, сформировался всего через 690 миллионов лет после Большого взрыва.
Есть еще блазары, квазаги, микроквазары – и все примерно об одном и том же. Это сверхмассивные черные дыры и их аккреционные диски. Только в случае микроквазаров мы говорим о черной дыре звездной массы и звезде-компаньоне, которую черная дыра и пожирает. Светится это все дело определенным образом, так что мы вполне понимаем, что происходит.
Кстати, эта история работает не только на больших масштабах. Достаточно малая черная дыра может найти себе газопылевое облако, разогнать его до достаточной светимости, и вот мы уже видим звезду на небе. Такие звезды называются звездами Хокинга, и я даже не буду говорить, кто впервые заговорил о таких объектах. Мы таких пока не видели, а если и увидели, то не поняли. Звезда Хокинга практически неотличима от звезды, которая светится за счет термоядерной реакции в ядре, так что мы даже не знаем, может быть, в центре каких-то соседних звезд сидит маленькая черная дыра. Нам это не угрожает, время жизни таких звезд сравнимо с обычными звездами, так что разницы никакой нет.
Еще раз.
В сердцах некоторых звезд могут быть черные дыры.
В сердцах множества галактик находятся черные дыры.
Самые яркие объекты во Вселенной – это черные дыры.
А что, если мы сами находимся внутри черной дыры? Кто-то наверняка слышал такую гипотезу, давайте проверим.
2.3. Мы в черной дыре?
Что нам надо? Сравнить гравитационный радиус для массы обозримой Вселенной и собственно радиус самой обозримой Вселенной.
Радиус обозримой Вселенной на данный момент составляет около 46 миллиардов световых лет. На всякий случай скажу, что световой год – это единица длины, равная расстоянию, которое свет проходит за год. Скорость света у нас с утра была равна примерно 300 000 километров в секунду, так что видим мы довольно далеко.
Что интересно, многие говорят, что радиус обозримой Вселенной примерно равен шварцшильдовскому радиусу для известной массы Вселенной. То есть вроде как можно говорить, что мы живем в черной дыре.
И вот тут-то я вам все и покажу! Мне понадобились гугл и калькулятор, ничего сложного.
Вот формула гравитационного радиуса:
Вот оценка массы Вселенной, которую я списал из Википедии, а та – у Андрея Линде, одного из авторов инфляционной теории:
масса наблюдаемой части Вселенной – больше 1053 кг.
Точность хромает. Это может быть как половина заявленной массы, так и в десять раз больше. Так что в конце, когда будем сравнивать, сравним порядки, а не конкретные числа.
Давайте считать:
Кого тоже ругали учителя по физике за оформление? Так… Килограммы сокращаются, секунды тоже. Остаются только метры. Ничего не напутал вроде. Ну и со степенями десятки тоже можно сразу разобраться:
Тут уже можно брать калькулятор и считать. Вот так примерно это все будет выглядеть:
Вот нам примерный гравитационный радиус для нашей Вселенной.
А теперь давайте посмотрим, сколько метров займут 46 миллиардов световых лет. Значение светового года я точно так же примерно на глазок посмотрю в интернете. Можно перепроверить, результат будет примерно тот же, небольшие различия для нас не принципиальны. Википедия говорит, что
1 световой год = 9 460 730 472 580,8 км.
Давайте мы опять возьмем и огрубим все это дело. Пусть это будут просто 9,5 триллионов километров, а в формулу вообще воткнем метры, чтоб совпадали единицы.
И получим результат:
А результаты-то практически сходятся. Обозримая Вселенная больше своего гравитационного радиуса всего раза в три. С учетом расплывчатого значения массы, даже с учетом всех округлений – можно сказать, что да, гравитационный радиус и видимый радиус для нашей Вселенной примерно равны. И если бы на нашу Вселенную можно было бы посмотреть со стороны – возможно, мы бы ничего не увидели.
Есть такая теория естественного космологического отбора, которая говорит, что внутри черных дыр могут случаться свои Большие Взрывы и начинаться свои Вселенные. Кто знает, может, мы и вправду живем в черной дыре из какой-то родительской Вселенной.
2.4. Черные дыры – не совсем черные?
Я уже говорил про черные дыры, но почти все интересности оставил на потом.
Вообще я тут недавно листал ленту новостей и наткнулся на интересный заголовок. Что-то вроде «Ученые нашли красную черную дыру». И вот тут я сначала поверил в маловероятный сценарий, а потом уже понял, что речь идет про довольно простой и часто встречающийся механизм – черная дыра захватила пылегазовое облако, раскрутила, нагрела, и оно стало светиться.
А еще оказалось, что это облако пропускает только длинные красные волны, а более энергичные короткие волны остальных цветов блокирует.
Теперь попробуйте представить, что подумала моя больная голова.
Как мы видим все вокруг? Например, как я вижу свою клавиатуру? Свет от Солнышка или лампочек в комнате летит на клавиатуру, а потом отражается в мои глаза.
Ну или в Солнышке проходят термоядерные реакции, и часть энергии испускается в виде фотонов видимого спектра. Клавиатура, нагретая до условных 20 градусов по Цельсию, немножко не дотягивает до того, чтобы светиться самостоятельно. Но, например, разогретая нить накаливания в старой лампочке вполне годится для излучения фотонов света.
Так вот, у нас есть два варианта что-то увидеть: либо свет должен испускаться самим телом, как в лампочке и в Солнышке, либо свет должен от тела отразиться, как в случае с клавиатурой.
Черная дыра не отражает фотоны света, которые на нее попадают. Вообще физики довольно странный, но логичный народ. Черным они называют тело, которое не выпускает попавшие на него фотоны. Испускать оно может, главное – чтоб не отражало.
Напомню вам один внезапный факт. Самое черное тело в нашей Солнечной системе – само Солнышко. Свет от него почти не отражается, а то, что мы видим, – собственное излучение звезды.
Так вот, если у нас самое черное тело в системе излучает, да еще как излучает, то, может, и черные дыры не такие уж черные?
Для начала я вспомнил про звезды Хокинга. Помните, интернет ими пестрил? По факту это довольно простая вещь – небольшая черная дыра, которая собирает вокруг себя газопылевое облако и может это самое облако разогнать так, что оно разогреется и засветится, как та лампочка.
Разница между обычными термоядерными звездами и звездами Хокинга довольно небольшая, и определить, что это вот такая звезда или вот другая, можно буквально по нюансам. А так – время жизни, спектр излучения, вращение, какие-то другие основные характеристики будут идентичны.
Но меня такой расклад не устроил. Во-первых, я еще не очень понимаю, почему у массивных черных дыр есть аккреционный диск, а у маленьких должен быть, по сути, аккреционный шар или сфера. Но тут я могу вспомнить квазары (о них подробнее расскажу чуть позже), которые по сути – ядра зарождающихся галактик с черными дырами в сердце. То есть, та же история, просто большего масштаба.