Как черные дыры могут быть активными, если из них ничего не вырывается?
Когда дело доходит до Вселенной, есть один класс объектов, которые находятся в более экстремальных условиях, чем любые другие: черные дыры.
Хотя другие объекты могут быть плотными — центры богатых железом планет, белые карлики, ядра урана или нейтронные звезды — только черная дыра вмещает столько массы в такой малый объем, что фактически создает горизонт событий.
Горизонт событий представляет собой границу между нашей наблюдаемой Вселенной, где мы находимся, и недрами черной дыры, где все падающие кванты неизбежно направляются к центральной сингулярности.
Пересекая этот горизонт извне внутрь, вы никогда не сможете выбраться, независимо от того, кто вы, как бы сильно вы ни запускали ракету и как бы быстро ни двигались: даже если вы движетесь со скоростью света.
Но черные дыры, которые мы регулярно наблюдаем, на самом деле излучают множество вещей, которые мы можем видеть непосредственно: свет всех длин волн, частицы, впечатляющие струи и даже гравитационные волны.
На этом рисунке изображено событие приливного разрушения вокруг активной черной дыры. В то время как большинство активных черных дыр, имеющих джеты, постоянно обладают этими джетами, первый пример активной черной дыры без джетов, у которой «включается» радиоджет, был обнаружен совсем недавно, в начале 2025 года. Это может помочь раскрыть новый класс космических событий.
Если, попав внутрь, что-то не может выбраться, как мы можем видеть все это?
Именно это хочет узнать сторонник Patreon Доминик Турпин (Dominic Turpin), написав ему вопрос:
«Есть кое-что в черных дырах, чего я никогда не понимал.»
«Они настолько мощные, что ничто, пересекающее горизонт событий, не может вырваться наружу, но они порождают струи и ветры, тогда как мы только что обнаружили ветры от Стрельца А*».
Как могут быть верны оба утверждения?
Это запутанная и противоречащая здравому смыслу головоломка, но оказывается, что оба утверждения верны одновременно.
Ничто не может выйти наружу, если оно попало внутрь, и мы видим, как из них выходят самые разные сигналы.
Вот как это можно понять.
Сверхмассивная чёрная дыра в центре нашей галактики, Стрелец A*, излучает рентгеновские лучи в результате различных физических процессов. Вспышки, которые мы видим в рентгеновском диапазоне, указывают на то, что материя неравномерно и прерывисто поступает в чёрную дыру, что приводит к наблюдаемым нами вспышкам с течением времени. В рентгеновском диапазоне на таких разрешениях горизонт событий не виден; «свет» имеет чисто дискообразную форму.
Вместо того чтобы начинать с черной дыры и говорить об астрофизических условиях, которые возникают вокруг нее, — с чем большинство из нас не особенно знакомо, — я хочу начать с чего-то, с чем мы немного лучше знакомы: с кухней.
Представьте, что у вас есть большое количество воды: например, огромный горшок, котёл или кувшин, полный её.
Представьте также, что у вас есть слив: место, которое легко вместит всю эту воду, независимо от её количества.
Даже если само отверстие слива небольшое по своим физическим размерам, если внутри достаточно места — места, куда может «стечь» вода, так сказать, — то каждая капля воды сможет пройти через слив, независимо от размера вашего котла или размера отверстия слива.
Однако, чего делать нельзя, так это заливать всю воду в слив одновременно.
Чем меньше отверстие слива и чем больше воды вам нужно в него залить, тем дольше сливу потребуется времени, чтобы вместить всю воду.
Если вы не хотите испачкаться, действуйте медленно и постепенно.
Если же вас не беспокоит беспорядок, вы можете вылить всю воду сразу, при этом большая её часть разбрызгается и соберётся вокруг слива, и только гораздо позже вся вода перельётся на другую сторону слива.
Когда вода в раковине попадает в слив, она не сразу вся стекает в него, если только поток не медленный, не переполняет слив и остается ограниченным узким участком, непосредственно ведущим в слив. Во всех остальных случаях воде придется обтекать слив, прежде чем попасть в него, и чем уже слив, тем сложнее это сделать.
Если вы попытаетесь силой залить воду в слив под высоким давлением, например, вы создадите самую неприятную ситуацию: вода будет разбрызгиваться обратно, и, возможно, даже поднимется на большую высоту и на значительное расстояние.
Если же с другой стороны слива будет создаваться сильное всасывание, вы, возможно, сможете увеличить пропускную способность слива, но при этом увеличится и скорость движения разбрызганной воды.
И чем меньше отверстие вашего слива, особенно по отношению к объему воды, которую вы пытаетесь в него закачать, тем больше беспорядка вы устроите.
В итоге:
- чем больше воды вы нальёте;
- при более высоких скоростях и/или большем давлении;
- в меньшее сливное отверстие.
Чем больше брызг воды, тем больше грязи она создаст на большем расстоянии от самого слива.
Любой, кто когда-либо включал кран на полную мощность, даже прямо над сливом раковины, сталкивался с этим: создавалась мокрая грязь, и часто это приводило не просто к каплям, а к большим сгусткам воды, которые оказывались гораздо дальше от слива, чем даже первоначальное расстояние до него.
Когда в пруду создается возмущение, например, если бросить камень в неподвижную воду, это вызовет рябь, которая будет распространяться по кругу. Если вода попадает в уже существующий водоем, даже если на дне есть открытый слив, эта вода может быть поднята и полностью выплеснута, как будто она выброшена из окружающей среды, а не втянута в слив.
С другой стороны, если вы будете медленно и плавно наливать воду в слив, то вообще не прольёте ничего лишнего.
Если отверстие слива будет огромным по сравнению с объёмом воды, которую оно вмещает, то тоже ничего лишнего не прольётся.
А если использовать, например, воронку, то, возможно, и капли не прольётся, если диаметр носика воронки будет меньше диаметра слива.
Существует множество способов налить воду в слив, не проливая ничего лишнего: нужно лишь тщательно выбирать способ и аккуратно его выполнять.
Причина проста: если не наливать воду достаточно медленно, чтобы отдельные капли, струйки или «бульканья» попадали непосредственно в слив, вокруг него будет скапливаться «разбрызгивающийся материал» (то есть сама вода).
Этот материал может взаимодействовать сам с собой, с окружающей средой и с раковиной или ванной, которые его окружают.
При определенных условиях часть этого материала может даже выбрасываться с высокой скоростью, хотя, попав в слив, он никогда не выйдет обратно.
Вместо того чтобы вода стекала в канализацию, черная дыра может принимать материал, поступающий в ее горизонт событий: область пространства вокруг нее, которая служит границей между тем, что может вырваться наружу, и тем, что не может. Падающий материал из-за пределов горизонта событий часто может накапливаться сам на себе, и не весь (или даже большая часть) этого накопленного материала в конечном итоге будет поглощен самим горизонтом событий.
Действительно, речь здесь идёт не о водостоках, а о чёрных дырах.
И большая часть того, что попадает в чёрную дыру, совсем не похожа на воду, хотя, будучи состоящей из обычной материи, она часто ведёт себя как жидкость или газ: частицы внутри неё в некотором смысле «текут».
Но общее у водостоков и чёрных дыр вот что: они имеют присущий им «размер отверстия» (площадь поверхности), и вещество может поступать в них только через эту конечную площадь.
Хотя чёрные дыры могут быть большими — сверхмассивные могут быть даже больше орбиты Нептуна вокруг Солнца — вещество, которое обычно в них попадает, как правило, разбросано по гораздо большему объёму пространства.
Другими словами, площадь поверхности чёрной дыры, или её «сливное отверстие», очень мала по сравнению с объёмом вещества, которое в неё попадает.
Даже если это вещество, скажем, от одной звезды, очень маловероятно, что произойдёт прямое попадание: такое, при котором скорость звезды будет направлена точно к центру чёрной дыры в момент её вхождения.
Большинство объектов во Вселенной, а также в галактике или скоплении галактик, обладают так называемым орбитальным угловым моментом, поэтому именно приливные силы чёрной дыры постепенно или внезапно разрывают этот объект.
В результате он занимает гораздо больший объём пространства, чем не только сама исходная звезда (или звёздный остаток), но даже больше, чем размер горизонта событий чёрной дыры.
Эта иллюстрация события приливного разрушения показывает судьбу массивного, крупного астрономического тела, которому не посчастливилось приблизиться слишком близко к черной дыре. Оно будет растянуто и сжато в одном измерении, разорвавшись на части, ускорив свою материю и попеременно поглощая и выбрасывая образовавшиеся обломки. Черные дыры с аккреционными дисками часто обладают сильной асимметрией свойств, но гораздо более яркие, чем неактивные черные дыры, у которых их нет.
Однако, поскольку она по-прежнему состоит из обычной материи — частиц, которые можно построить из строительных блоков Стандартной модели, — эти частицы могут взаимодействовать друг с другом на пути к черной дыре, которая действует как космический сток.
Как и в случае со стоком воды, это приводит к накоплению вещества вокруг черной дыры.
Как правило, по двум причинам:
- Этот материал обладает суммарным угловым моментом;
- и что оно, вероятно, будет распределено в трех измерениях, причем одна ось распределения будет самой короткой/меньшей.
В результате этого вещества материал сжимается, образуя вращающуюся двумерную структуру вокруг черной дыры: диск.
Именно это и означает термин «аккреционный диск»: он часто используется при обсуждении черных дыр.
Материал в основном (но не исключительно) оказывается сосредоточен в диске, потому что обычная материя не просто идеально отскакивает друг от друга при столкновении с другими частицами обычной материи; скорее, она «слипается» в результате так называемого неупругого столкновения.
А при неупругом столкновении материя не только слипается, но и, согласно закону сохранения энергии, нагревается.
Технически, существуют также «аккреционные потоки», которые могут быть как внутри, так и снаружи диска, но обычно доминирует сам диск.
Иллюстрация активной чёрной дыры, которая аккрецирует материю и ускоряет часть её наружу в виде двух перпендикулярных струй. Такое ускорение обычной материи очень хорошо описывает работу квазаров и активных галактик. Потоки материи внутри аккреционного диска могут приводить к вспышкам в излучении чёрной дыры. Все известные, хорошо измеренные чёрные дыры имеют огромные скорости вращения, и законы физики, в частности закон сохранения углового момента, практически гарантируют это.
Теперь мы приближаемся к цели.
Хотя большая часть этой материи неизбежно упадет в водосток, вокруг которого она вращается, в самом процессе «вращения вокруг водостока» она сталкивается с ним и нагревается, приближаясь к нему еще ближе.
И когда это происходит, поскольку большая часть потенциальной гравитационной энергии преобразуется в кинетическую, она начинает вращаться вокруг черной дыры с еще большей скоростью.
Из-за свойств горизонта событий эта материя начинает двигаться со скоростью, близкой к скорости света, по мере приближения к горизонту событий и действительно очень сильно нагревается.
Температура вещества в аккреционных дисках обычно превышает миллион градусов (на этом этапе уже не имеет значения, какие единицы измерения использовать: Фаренгейт, Цельсий или Кельвин), и может даже достигать 10 миллионов градусов.
Это избыточно, потому что при температуре выше нескольких тысяч или десятков тысяч градусов все атомы, которые можно создать, полностью ионизируются: в море свободных атомных ядер и море свободных электронов.
Будучи самыми легкими заряженными составляющими материи, электроны движутся быстрее всего, и когда заряженные частицы движутся в пространстве, они неизбежно генерируют магнитные поля.
На этой иллюстрации представлена модель того, что питает микроквазар: уменьшенная версия сверхмассивной черной дыры внутри активной галактики. Центральная черная дыра получает аккреционный диск, который, в свою очередь, генерирует собственное мощное магнитное поле. Когда вступает в действие дополнительный источник материи (слева), взаимодействие этой новой материи с существующим аккреционным диском может приводить к вспышкам, ветрам, испусканию большого количества заряженных частиц и обильному излучению, а также к другим сигналам.
Таким образом, магнитные поля невероятно важны, потому что в физике происходит следующее: если пропустить заряженную частицу через магнитное поле, это поле ускорит заряженную частицу, изменив её направление.
В аккреционном диске создаваемое им магнитное поле ускоряет частицы в одном из двух направлений: перпендикулярно диску, либо «вверх» и за пределы плоскости диска, либо «вниз» и за пределы плоскости диска.
Сам диск горячий и излучает радиацию, но именно частицы, запущенные перпендикулярно диску, со скоростью, близкой к скорости света, вылетают за его пределы.
Это источник большинства сигналов, которые мы наблюдаем от черных дыр: джеты, рентгеновские лучи, вспышки, частицы материи и антиматерии и даже нейтрино.
Материя, которая вращается вокруг слива:
- образует аккреционный диск;
- который нагревается и ионизируется;
- где заряженные частицы очень быстро движутся вокруг черной дыры;
- создание магнитных полей;
- которые отклоняют частицы вверх и вниз, за пределы плоскости диска;
- а затем эти запущенные частицы создают струи, вспышки, электромагнитное излучение, нейтрино и даже экзотические частицы, такие как антиматерия.
Когда антиматерия, в основном в форме позитронов, затем аннигилирует, распространяясь вниз по потоку, с электронами, создавая гамма-лучи.
Эта картина была убедительно подтверждена открытием «пузырей Ферми» гамма-лучей вокруг галактического центра Млечного пути, образовавшихся в результате ускорения этих частиц во время активности центральной черной дыры Млечного пути.
На главном изображении показаны струи антиматерии нашей галактики, образующие «пузыри Ферми» в газовом гало, окружающем нашу галактику. На небольшом вставленном изображении представлены фактические данные Ферми, показывающие гамма-излучение, являющееся результатом этого процесса. Эти «пузыри» возникают из энергии, производимой аннигиляцией электронов и позитронов: пример взаимодействия материи и антиматерии и их преобразования в чистую энергию по формуле E = mc2. Мы уверены, что в нашей галактике нет признаков присутствия антиматерии, исходящих ни от антиматерийных звезд, ни от больших скоплений антиматерии.
Это также помогает нам развенчать ещё один распространённый миф о чёрных дырах: что они каким-то образом «засасывают» всё в себя.
Чёрные дыры не «засасывают» больше, чем другие массивные объекты во Вселенной: нейтронные звёзды, белые карлики, звёзды и т. д.
Они просто гравитируют, и объекты, вращающиеся вокруг них, вращаются так же, как и любая теоретическая масса на заданном орбитальном радиусе.
Если бы обычная материя не «слипалась», не «прилипала» и не «сталкивалась неупруго», то она не нагревалась бы, не ионизировалась, не создавала бы магнитных полей и не ускорялась бы, чтобы производить эти струи.
Именно поэтому только обычная материя (а не тёмная материя) может создавать эти сигналы!
Ключевой момент, который мы должны понимать, заключается в том, что наблюдаемые нами сигналы исходят вовсе не из-за горизонта событий черной дыры!
Хотя черная дыра поглощает материю и со временем увеличивает свою массу, именно материя, падающая в черную дыру, не является источником струй, излучения, нейтрино, космических лучей и т. д., которые испускает черная дыра.
Источником излучения является лишь вещество, находящееся за пределами горизонта событий черной дыры: вещество, которое не падает внутрь, а проводит время в окружающей среде вблизи горизонта событий, а затем ускоряется и выбрасывается, так что оно не пересекает горизонт событий и не падает внутрь.
Галактика Мессье 87, наиболее известная как сверхмассивная галактика, черная дыра которой впервые была запечатлена телескопом «Event Horizon Telescope», имеет релятивистские струи и ударные волны, создаваемые их веществом, которые были зафиксированы в инфракрасном диапазоне телескопом «Spitzer» среди массы сияющих звезд (обозначены синим цветом). Мессье 87 — самая массивная (и вторая по яркости) галактика во всем скоплении галактик Девы, и именно центральная черная дыра генерирует эти релятивистские струи.
В качестве продолжения можно спросить: «Хорошо, если всё это правда, то когда что-то разрывается приливными силами и образует аккреционный диск вокруг чёрной дыры, какая часть этой массы поглощается, а какая выбрасывается в результате описанного нами процесса?»
Ответ, возможно, покажется неожиданным, заключается в том, что большая часть падающей массы выбрасывается, и лишь небольшая её часть пересекает горизонт событий и попадает внутрь чёрной дыры.
Хотя оценки разнятся, обычно 90-99% массы, столкнувшейся с чёрной дырой, неизбежно покидает её, и лишь 1-10% от общей массы в конечном итоге поглощается: это сильно отличается от той картины, которую большинство людей себе представляют!
Вот почему, когда я объясняю это детям, я говорю им, что чёрные дыры едят, как Коржики из «Улицы Сезам».
Коржики веселее, чем канализационные люки. По крайней мере, мне так казалось в детстве.
Потому что, хотя они и стремятся поглотить как можно больше вещества, большая часть материала в конечном итоге разлетается и выбрасывается, а не попадает внутрь чёрной дыры.
Именно потому, что материя приближается к горизонту событий чёрной дыры, но остаётся за его пределами, могут возникать испускаемые сигналы, которые вы видите — струи, излучение, вспышки, частицы и многое другое!
Основные выводы
- Черные дыры — одни из самых загадочных и экстремальных объектов во Вселенной, горизонты событий которых навсегда скрывают все, что проникло внутрь;
- Но черные дыры также являются одними из самых активных объектов: они испускают излучение, частицы, струи и нейтрино — все эти сигналы мы непосредственно зафиксировали;
- В чём же заключается разрешение этого парадокса? Оказывается, чёрные дыры — одни из самых неаккуратных пожирателей, и существует большая разница между «внутри» и «снаружи»!
Часто задаваемые вопросы:
Может ли что-то выйти из черной дыры после пересечения горизонта событий?
Нет, ничто не может покинуть черную дыру после пересечения горизонта событий.
Это фундаментальное свойство гравитации в данной области пространства.
Даже свет не способен преодолеть притяжение сингулярности.
Откуда берутся джеты и излучение, если черная дыра ничего не выпускает?
Все наблюдаемые сигналы исходят из аккреционного диска вокруг дыры.
Вещество нагревается и ускоряется до падения внутрь объекта.
Магнитные поля выбрасывают часть материи наружу в виде струй.
Почему материя не падает в черную дыру сразу целиком?
Вещество обладает угловым моментом и вращается вокруг объекта.
Частицы сталкиваются друг с другом, теряя энергию и нагреваясь.
Этот процесс формирует плоский диск, замедляющий падение массы.
Какая часть вещества в итоге поглощается черной дырой?
Поглощается лишь малая доля от всей падающей массы.
Около 90-99% материи выбрасывается обратно в космос.
Лишь 1-10% вещества пересекает горизонт событий навсегда.
Черные дыры засасывают все вокруг как пылесос?
Это распространенный миф, не соответствующий реальной физике.
Они действуют гравитационно, как любые другие массивные тела.
Объекты вращаются вокруг них, а не затягиваются принудительно.
Если у вас остались вопросы или вы хотите оставить комментарий по этой статье - напишите его в разделе комментариев ниже.
До скорых встреч! Заходите!
