Что такое горизонт событий, или как вырваться из черной дыры

Изучением черных дыр всерьез физики занялись не так давно — хотя сама концепция их существования появилась еще в позапрошлом веке. Но идея присутствия где-то в космосе таких объектов казалась настолько фантастической и недоказуемой, что практически не рассматривалась всерьез. В новом выпуске рубрики «Просто о сложном» — рассказ об истории открытия «застывших звезд» и о том, что происходит с пространством и временем на границах черной дыры.

Долгая история неверия

В 1783 году священник из английской деревни Торнхилл Джон Митчелл представил в журнал «Философские труды Лондонского Королевского общества» свою статью. В ней он писал, что достаточно массивная и компактная звезда будет иметь столь сильное гравитационное поле, что свет не сможет уйти от нее далеко — он будет затянут обратно за счет гравитационного притяжения. Митчелл считал, что таких объектов в космосе может быть очень много, но увидеть их невозможно — так как их свет поглощается ими же. Тем не менее теоретически их гравитационное притяжение можно обнаружить. Статья не вызвала ажиотажа в научном сообществе и прошла практически незамеченной.
Спустя несколько лет французский ученый Пьер-Симон Лаплас, незнакомый с работой Митчелла, выдвинул схожую гипотезу. Он опубликовал ее в своем труде «Система мира», однако после второго издания теория из книги исчезла — по всей видимости, Лаплас решил, что о такой дурацкой идее и говорить не стоит.

А вот в XIX веке ученым уже не могла прийти в голову мысль о невидимых звездах. Все дело в том, что ньютоновское убеждение относительно того, что свет состоит из частиц, вышло из моды. Ученые пришли к выводу, что концепция, согласно которой свет — это волна, лучше описывает явления окружающего мира. О том, как гравитация действует на волны, ничего известно не было, стало быть, и рассуждения о небесных объектах, «затягивающих» собственный свет, пришлось забыть.

Вновь вспомнили о них только в XX веке. В 1916 году, практически сразу после публикации Эйнштейном общей теории относительности, Карл Шварцшильд описал «застывшую звезду», как тогда называли такие объекты, не рассматривая процесс ее зарождения, а в 1939 этот недостающий элемент в теорию добавили Роберт Оппенгеймер и Хартланд Снайдер. И только 1969 году американский физик Джон Уилер придумал термин «черная дыра» (Уилер вообще был романтиком, и второй придуманный им термин, «кротовая нора», еще более любим фантастами).

Загробная жизнь звезды

Жизненный цикл звезды чем-то похож на человеческий — она рождается и умирает. Вначале огромное облако газа (преимущественно водорода) в космосе начинает сжиматься под воздействием собственной гравитации, его молекулы все чаще сталкиваются друг с другом, и их скорости увеличиваются. Газ разогревается, и при определенной температуре возникает реакция термоядерного синтеза, в результате которой образуется гелий. В ходе реакции выделяется тепло и излучается свет. Так возникает звезда. Тепло создает дополнительное давление, которое уравновешивает гравитационное притяжение, и звезда перестает сжиматься — в стабильном состоянии она может существовать более миллиона лет. Но рано или поздно запасы реагирующего водорода у звезды иссякают, и она начинает остывать и сжиматься.

Тут сравнение с человеческой жизнью заканчивается, потому что дальнейшая судьба светила зависит от его массы. Из небольших звезд получаются белые карлики, объекты с плотностью в сотни тонн на кубический сантиметр. В космосе их обнаружено довольно много, и наше Солнце со временем пополнит их ряды. Из более крупных светил образуются нейтронные звезды. Их размер куда меньше, чем у белых карликов, зато плотность составляет сотни миллионов тонн на кубический сантиметр.
И, наконец, если масса звезды достаточно велика, то образующаяся нейтронная звезда под воздействием гравитации сжимается все сильнее и сильнее, пока не станет черной дырой.

Выхода нет

Одним из важнейших достижений Эйнштейна было открытие природы гравитации. Ученый показал, что она, по сути, является искривлением пространства. Под воздействием массивных объектов оно «проминается», как натянутая эластичная ткань, на которую положили тяжелый предмет. Продолжая это сравнение, можно сказать, что точно так же в виде тяжелого шара можно представить и Солнце, а Земля, будучи значительно более мелким шариком, не притягивается к нему, а всего лишь вращается в получившейся воронке (с той только разницей, что настоящий шарик со временем скатился бы вниз).

Так же можно представить и рождение черной дыры — шар на натянутой эластичной ткани становится все более маленьким и плотным, и ткань все сильнее прогибается под его весом, пока наконец он не становится настолько маленьким, что она просто смыкается над ним и он пропадает из поля зрения. Примерно так происходит и в реальности: пространство-время вокруг звезды свертывается, и она пропадает из Вселенной, оставляя в ней лишь сильно искривленную область пространства-времени. В самой же черной дыре искривление пространства-времени становится бесконечным — такое состояние физики называют сингулярностью, и в нем нет ни пространства, ни времени в нашем понимании.
Из-за происходящего искривления лучи света, идущие от звезды, меняют свои траектории. Если представить себе эти лучи как конусы, вершина которых — у звезды, а «подошва» — это круг расходящегося света, то можно сказать, что в процессе коллапса эти конусы постепенно все больше наклоняются внутрь, к звезде. Наблюдателю, смотрящему на этот процесс, будет казаться, что свечение становится все более тусклым и красным (это потому что красный свет имеет наибольшую длину волны). В конце концов искривление (то есть гравитационное поле) станет настолько сильным, что ни один луч света не сможет выйти наружу. Согласно теории относительности, ничто не может двигаться быстрее света, и это означает, что начиная с этого момента ничто не может выбраться за пределы этого гравитационного поля. Эту область пространства, из которой нет выхода, и называют черной дырой. Ее граница определяется по траектории тех световых лучей, которые первыми потеряли возможность выйти наружу. Она называется горизонтом событий черной дыры — так же как, глядя из окна, мы не видим, что находится за горизонтом, так и условный наблюдатель не может понять, что происходит внутри границ невидимой мертвой звезды.

На самом деле все не так

Убеждение, что ничто не может покинуть черную дыру, было незыблемым до 70-х годов XX века. А в 1974 году Стивен Хокинг предположил, что черные дыры в результате квантовых процессов все же излучают разнообразные элементарные частицы, преимущественно фотоны. В 2010-х годах разные группы ученых в лабораторных условиях подтвердили его предположение. При этом в природе такого излучения пока не было обнаружено, как, впрочем, и самих черных дыр — Нобелевская премия за их открытие еще ждет своего счастливчика.