Если сжать Землю до размера чёрной дыры, получится шарик диаметром девять миллиметров — примерно как виноградина. Вся масса планеты, спрессованная в объём, который легко потеряется в кармане. Именно так работает гравитация, доведённая до абсолюта. Чёрные дыры — не фантастика и не метафора. Это реальные объекты, которые мы уже сфотографировали, «услышали» и частично поняли. Частично — потому что кое-что в них до сих пор ломает физику.

Что такое чёрная дыра — и почему она не пылесос

Главное заблуждение: чёрные дыры якобы засасывают всё вокруг. Это неправда. Чёрная дыра притягивает вещество так же, как обычная звезда той же массы. Если бы Солнце вдруг стало чёрной дырой, Земля продолжала бы вращаться по своей орбите — просто стало бы очень темно.

Особенность чёрной дыры в другом: у неё есть горизонт событий — граница точки невозврата. Как водопад: лодку, которую унесло за край, уже не спасут никакие вёсла. Всё, что пересекает горизонт событий, исчезает для внешнего наблюдателя навсегда.

Внутри горизонта находится сингулярность — точка с нулевым объёмом и бесконечной плотностью. Это как деление на ноль в математике: формулы перестают работать. Что происходит в сингулярности на самом деле — никто не знает.

Виды чёрных дыр: от звёздных до сверхмассивных

Самая маленькая известная чёрная дыра — XTE J1650-500. Диаметр её горизонта событий — около 24 километров. Меньше, чем от центра Москвы до Садового кольца.

В центре нашей галактики — Стрелец А* массой четыре миллиона Солнц. Диаметр её горизонта событий — 24 миллиона километров. Для сравнения: орбита Меркурия вокруг Солнца меньше.

Рекордсмен среди сверхмассивных чёрных дыр — квазар TON 618 в созвездии Гончих Псов. Масса — 66 миллиардов солнечных масс, горизонт событий больше всей Солнечной системы.

Как математик с фронта описал то, чего никто не видел

Идею о «тёмных звёздах», удерживающих свет, высказал британский астроном Джон Мичелл в 1783 году. Серьёзная математика пришла позже.

В 1916 году немецкий физик Карл Шварцшильд взял свежеопубликованные уравнения Эйнштейна и решил их прямо в окопах Первой мировой. Он описал математику чёрной дыры за несколько месяцев до гибели на фронте. Сам Эйнштейн был поражён: он не думал, что его уравнения допускают такое решение.

Термин «чёрная дыра» появился только в 1967 году — его придумал американский физик Джон Уилер. До этого говорили громоздко: «полностью коллапсировавшая гравитационная звезда».

Первое фото чёрной дыры: восемь телескопов против одной тени

В 2019 году человечество впервые увидело чёрную дыру — точнее, её тень на фоне раскалённого газа. Объект M87* находится в 55 миллионах световых лет от Земли.

Для съёмки объединили восемь радиотелескопов по всему миру — от Антарктиды до Испании. Вместе они образовали виртуальный телескоп размером с Землю. Данные не передавали по интернету: их записали на жёсткие диски и физически привезли самолётами. Объём — 5 петабайт, пять тысяч терабайт. Обработка заняла два года.

В 2022 году таким же образом сфотографировали Стрелец А* — сверхмассивную чёрную дыру в центре нашей галактики.

Спагеттификация: что происходит, если упасть внутрь чёрной дыры

Зависит от размера чёрной дыры — и это не шутка.

При падении в небольшую звёздную чёрную дыру приливные силы разорвут тело на части ещё до горизонта событий. Физики называют это спагеттификацией: ноги притягиваются сильнее, чем голова, и тело растягивается в тонкую нить.

В сверхмассивную чёрную дыру — вроде TON 618 — можно войти и не почувствовать ничего особенного. Горизонт событий настолько велик, что приливные силы на его границе почти незаметны. Осознание придёт позже, когда выбраться уже невозможно.

Снаружи картина другая. Наблюдатель никогда не увидит, как объект пересекает горизонт: из-за гравитационного замедления времени падающее тело будет «зависать» у границы, краснеть и гаснуть — бесконечно.

Излучение Хокинга: как чёрные дыры медленно умирают

В 1974 году Стивен Хокинг предсказал неожиданное: чёрные дыры испаряются. Квантовые эффекты у горизонта событий порождают слабое излучение Хокинга. Постепенно чёрная дыра теряет массу и исчезает.

Но «постепенно» — мягко сказано. Чёрная дыра массой Солнца будет испаряться 10⁶⁷ лет. Возраст всей Вселенной — около 13,8 миллиарда лет, то есть примерно 10¹⁰ лет. Сверхмассивные чёрные дыры-монстры доживут до 10⁹⁹ лет.

Вселенная погаснет, последние звёзды догорят, а чёрные дыры всё ещё будут медленно таять в пустоте.

Гравитационные волны и открытые вопросы о чёрных дырах

В нашей галактике, по расчётам, около ста миллионов чёрных дыр звёздной массы. Большинство молчат — не поглощают вещество и никак себя не выдают. Мы живём в галактике, кишащей невидимыми объектами.

Телескоп Джеймса Уэбба обнаружил сверхмассивные чёрные дыры, существовавшие уже через 700 миллионов лет после Большого взрыва. Загадка: непонятно, как они успели вырасти до таких размеров за столь короткое время.

Открытых вопросов хватает. Что происходит в сингулярности — неизвестно: для ответа нужна теория квантовой гравитации, которой пока нет. Куда девается информация о веществе, упавшем в чёрную дыру, — тоже неясно. Хокинг спорил об этом с физиком Кипом Торном десятилетиями, в итоге признал поражение и подарил тому энциклопедию бейсбола.

Детекторы гравитационных волн LIGO и Virgo зафиксировали более девяноста слияний чёрных дыр — каждое сотрясало саму ткань пространства-времени. Мы научились их слышать и фотографировать. Но чёрные дыры по-прежнему остаются местом, где заканчивается физика, которую мы знаем, — и начинается то, чего мы ещё не понимаем.

Часто задаваемые вопросы о чёрных дырах

Может ли чёрная дыра поглотить Землю?
Нет. Чёрные дыры не засасывают всё вокруг — они притягивают вещество так же, как обычные звёзды той же массы. Ближайшая известная чёрная дыра находится на расстоянии около 1500 световых лет от Земли и не представляет никакой угрозы.

Что такое горизонт событий чёрной дыры?
Горизонт событий — это граница точки невозврата вокруг чёрной дыры. Всё, что пересекает её, уже не может вернуться обратно, в том числе свет.

Можно ли увидеть чёрную дыру напрямую?
Саму чёрную дыру — нет, поскольку она не излучает свет. Но можно зафиксировать её тень на фоне раскалённого газа, что и было сделано в 2019 году при съёмке M87*.

Что такое излучение Хокинга?
Излучение Хокинга — это слабое тепловое излучение, которое, по теории Стивена Хокинга, испускают чёрные дыры из-за квантовых эффектов вблизи горизонта событий. Благодаря ему чёрные дыры очень медленно теряют массу и в конечном счёте исчезают.

Что такое спагеттификация?
Спагеттификация — это процесс, при котором приливные силы чёрной дыры растягивают падающий объект в тонкую нить. Происходит при падении в чёрные дыры небольшой массы, где градиент гравитации особенно велик.