Тайны Мироздания. Похитители света

ОХОТА НА НЕВИДИМОГО КОСМИЧЕСКОГО ВЕЛИКАНА или
ПОХИТИТЕЛИ СВЕТА

Ты когда-нибудь видел просто тень? Не ту тень, которую отбрасывают предметы, когда на них падает свет, а настоящую тень без источника света… Это примерно, как улыбка Чеширского кота, без самого кота. Скажешь, такого не бывает? Бывает! И это, пожалуй, самое «вау» из всего, что есть в безбрежном Космосе.
Эта тень — чёрная дыра. Не дырка, не портал в другой мир, а место, где гравитация стала настолько сильной, что даже свет не может вырваться, поэтому мы не можем видеть саму чёрную дыру — мы видим только её тень на фоне звёзд. Она не светит, не мерцает, не подмигивает звёздами. Она просто есть — и забирает свет себе. Представь: ты включаешь самый мощный прожектор во Вселенной и направляешь его прямо туда. Луч летит, летит… и исчезает. Без вспышки, без эха, без отблеска. Будто его и не было. Или, допустим, кто-то изнутри чёрной дыры прожектором светит наружу. Каким бы мощным не был прожектор, луч света не вырвется из этой ловушки для света. То есть внешний наблюдатель будет видеть только чёрное пятно, на месте чёрной дыры. Здесь гравитация такая мощная, что она ловит даже свет. Представь: ты бросаешь мяч вверх — он падает обратно. Чтобы улететь навсегда, ему нужно разогнаться посильнее. Учёные называют это «скорость убегания». Для Земли она примерно 11 километров в секунду. Для чёрной дыры эта скорость должна быть больше скорости света, что запрещено физическими законами. Поэтому свет просто… застревает в ней.
«Чёрная дыра засосёт всю Вселенную!» — так любят пугать в фантастике. Но правда куда интереснее. Чёрная дыра — это не космический пылесос, который летает и собирает всё подряд. Это просто очень тяжёлый объект. Настолько тяжёлый, что он сильно искривляет пространство- время вокруг себя.
Представь батут. Положи в центр лёгкий мячик — почти ничего не произойдёт. А теперь поставь туда гирю. Батут прогнётся, и все мелкие шарики покатятся прямо к ней. Чёрная дыра — как эта гиря, только в масштабах космоса. Она притягивает только то, что подошло слишком близко. Если бы вместо Солнца вдруг появилась чёрная дыра такой же массы, Земля продолжала бы спокойно кружиться по той же орбите. Просто стало бы очень темно.
 
Давай разберёмся, как устроена чёрная дыра!
На схеме видно несколько частей:
Сингулярность. Это точка в самом центре. Представь, что всю массу огромной звезды сжали до размера булавочной головки. Вот в этой точке вся масса собирается в одну точку, и привычные нам правила физики там перестают работать.
Горизонт событий. Это пространство отделяет чёрную дыру от остальной Вселенной. Это как невидимая «точка невозврата» — граница вокруг сингулярности. Если что-то (космический корабль, астероид или даже луч света) пересечёт эту линию, назад пути уже не будет. Представь реку, которая течёт всё быстрее и быстрее, а потом срывается в водопад. Есть такая линия, после которой даже самая быстрая лодка уже не сможет выгрести назад — её унесёт вниз. Это и есть аналог горизонта событий чёрной дыры.
Аккреционный диск. Сама чёрная дыра не светится — она чёрная. Но вокруг неё часто есть раскалённый газ и пыль. Они закручиваются в диск, потому что гравитация чёрной дыры их сильно притягивает. Газ нагревается до огромных температур и начинает ярко светиться — вот это мы и видим на схемах как светящееся кольцо вокруг тёмного центра.

Сам термин «чёрная дыра» (black hole) в научный обиход ввёл американский физик Джон Арчибальд Уилер. Он впервые публично употребил его в лекции «Наша Вселенная: известное и неизвестное» 29 декабря 1967 года.

Откуда берутся чёрные дыры или история звёзд
Теперь давай разберёмся, как вообще появляются такие космические «ловушки». И тут всё начинается со звёзд — но не с любых, а с очень больших.
Жизненный цикл звезды — это последовательность стадий, которые проходит звезда от рождения до смерти, меняя свои размеры, температуру и химический состав:
Рождение: звёзды рождаются в молекулярных облаках — гигантских скоплениях газа (в основном водорода) и пыли, которые плавают в галактиках. Под действием гравитации облако начинает сжиматься, сначала распадается на более мелкие сгустки. Каждый сгусток становится протозвездой — зародышем будущей звезды. 
Главная последовательность: когда температура в центре протозвезды достигает примерно 10 миллионов градусов, начинаются термоядерные реакции — водород превращается в гелий. Звезда зажигается и становится звездой главной последовательности. Длительность этого этапа зависит от массы звезды: чем больше масса, тем быстрее она сжигает водород. 
Красный гигант: когда водород в ядре заканчивается, звезда начинает сжигать гелий. Ядро сжимается, внешние слои расширяются — звезда становится огромной и холодной. Цвет звезды меняется с жёлтого на красный из-за охлаждения поверхности. 
Конец пути: в зависимости от массы, звезда может закончить свою жизнь тремя способами:
Белый карлик: ядро сжимается до размеров Земли, внешние слои сбрасываются в виде планетарной туманности.
Нейтронная звезда: если звезда не слишком массивная, она сожмётся в плотный шарик ядро, происходит взрыв сверхновой.  — получится нейтронная звезда. Это уже невероятно плотно: чайная ложка такого вещества весила бы миллиарды тонн. Но это ещё не чёрная дыра.
Чёрная дыра: представь звезду, которая в десятки раз тяжелее и больше Солнца. Она светит, греет, взрывает атомы внутри себя, чтобы держаться на ногах — то есть, чтобы не схлопнуться под собственной тяжестью. Пока в ней есть топливо, она держится: жар изнутри борется с гравитацией, которая тянет всё к центру. Это как воздушный шарик: воздух внутри давит наружу, а резина тянет внутрь. Пока баланс держится — шарик круглый. Но у любой звезды топливо когда-нибудь кончается. И вот тут начинается самое интересное. Когда топливо выгорает, гравитация побеждает. Звезда начинает стремительно сжиматься — это называется гравитационный коллапс. Представь, что ты резко отпускаешь надутый шарик: он не просто сдувается, а схлопывается внутрь себя с огромной силой. У звезды это происходит в космических масштабах. Вокруг неё появляется невидимая граница — горизонт событий. И вот это уже и есть чёрная дыра.
Каждая звезда уникальна, и её жизненный путь зависит от её начальных условий и массы.

Один из ключевых вопросов звучит так: где проходит граница между нейтронной звездой и черной дырой? Когда умирающая звезда коллапсирует, что определяет ее конечную судьбу — объект, в который она в итоге превратится? После серьезных расчетов и моделирования ученые пришли к выводу — эта граница проходит между 2,2 и 2,3 массами Солнца. Радиус таких объектов составляет около 12 километров. Звезды тяжелее этой массы становятся при коллапсе черными дырами, легче — нейтронными звездами.
Получается, чёрная дыра — это как «призрак» погибшей звезды. Сама звезда исчезла, сгорела, схлопнулась, но её огромная масса осталась — и теперь она искривляет пространство и время вокруг себя.
Есть и другой способ рождения чёрных дыр: в центрах галактик живут сверхмассивные чёрные дыры. Они могли появиться не из одной звезды, а из целого облака газа, которое одновременно сжалось, или из множества звёзд и чёрных дыр, которые слились вместе, как капли воды на стекле.
Сейчас учёные допускают таже и наличие первичных чёрных дыр (ПЧД) различной величины, которые могли образоваться в первые мгновения Вселенной, когда плотность вещества была колоссальной. Они рождались из самой плотности ранней Вселенной. Они ровесники Большого взрыва.

Размер (а точнее, масса) первичной чёрной дыры зависит от того, в какой момент и в каком масштабе она образовалась:

Очень маленькие ПЧД (масса как у астероида или даже меньше): размер (радиус горизонта событий) у чёрной дыры массой с гору (скажем, 10^12 кг) радиус будет порядка долей миллиметра. У совсем маленьких — ещё меньше, вплоть до нанометров. Такие дыры — почти наверняка уже испарились из за излучения Хокинга. Чем меньше чёрная дыра, тем сильнее она «светит» и тем быстрее теряет массу. Для самых лёгких это могло занять доли секунды или годы, для дыр чуть потяжелее — миллионы или миллиарды лет. Представь песчинку, которая весит как целый небоскрёб. Она настолько плотная, что даже такая крошечная штука становится чёрной дырой. Но она и «горит» как сверхяркая искра — быстро выгорает и исчезает.

Средние ПЧД (от массы горы примерно от 10^15 кг и до массы Луны. Размер: у дыры массой с большую гору радиус горизонта событий — примерно, как толщина человеческого волоса или чуть больше. У дыры массой с Луну радиус будет уже порядка сантиметров. Они могли дожить до наших дней. Именно их сейчас активно ищут, потому что они могли бы быть частью тёмной материи. Их не видно, но если такой «камешек» пролетит мимо далёкой звезды, звезда на мгновение станет ярче (микролинзирование) — будто кто то на долю секунды повернул прожектор. Они могут влиять на движение других тел. Учёные даже высказали предположение, что такая чёрная дыра может быть на окраине нашей солнечной системы. Откуда такое предположение? Дело в том, что за орбитой Нептуна есть так называемый пояс Койпера. Это примерно в 30–55 астрономических единицах от Солнца. Это не просто «пустота» — там тысячи малых ледяных тел (состоящих из льда, метана, аммиака и органических соединений) и достаточно большое количество карликовых планет: Плутон, Эрида, Хаумеа, Макемаке, Седна, Орк и др.

Тайна Девятой планеты

Так вот учёные (Майк Браун и Константин Батыгин) в начале 2016 года предположили существование гипотетической Девятой планеты, чтобы объяснить странные закономерности в орбитах некоторых объектов пояса Койпера. Астрономами была вычислена масса этой планеты - примерно 6,2 массы Земли, пример-но рассчитана её орбита, которая сильно вытянута (среднее расстояние от Солнца — примерно 400–700 астрономических единиц (а. е.), перигелий - ближайшая к Солнцу точка — порядка 200–300 а. е., а афелий - самая удалённая от Солнца точка — может достигать 1000–1200 а. е.). Период её обращения — примерно от 10 до 20 тысяч лет. 
Есть две основные версии по её составу и атмосфере. Одни модели предполагают, что по составу планета ближе к ледяным гигантам (Уран, Нептун): у неё может быть ядро из железа, мантия из силикатов магния и водяного льда, а также атмосфера из водорода и гелия. Другие работы допускают, что из-за особенностей формирования и удалённости её состав мог оказаться ближе к каменистым планетам.
Из-за огромного расстояния видимая звёздная величина планеты может быть больше 22–25m, что делает её крайне тусклой для современных телескопов.
Астрономы всего мира направили свои телескопы в предполагаемую зону её нахождения, чтобы застолбить приоритет её открытия, но увы… Тайна девятой планеты остаётся, её пока не обнаружили напрямую …

Тогда в 2019 году Якуб Шольц (Jakub Scholtz) из Даремского университета (Великобритания) и Джеймс Анвин (James Unwin) из Иллинойсского университета в Чикаго (США) выдвинули  экзотическую гипотезу, что тот самый невидимый объект, который некоторые астрономы называют Девятой планетой, на самом деле может быть первичной чёрной дырой (PBH — primordial black hole).  Одна из таких дыр в прошлом могла быть захвачена гравитацией Солнца и сейчас находится на окраине Солнечной системы — вот её и принимают за Девятую планету. При этом авторы отмечали: вероятность того, что Солнце захватило первичную чёрную дыру, сопоставима с вероятностью захвата свободно летящей планеты. Они также наметили путь для проверки идеи: если гипотеза верна, нужно искать движущийся источник высокоэнергетического излучения (гамма- или рентгеновских лучей). Такое излучение может возникать, когда небольшие тела (кометы, астероиды) из Облака Оорта подходят слишком близко к чёрной дыре, разрушаются приливными силами и часть вещества аккрецирует (падает) на дыру.
Пока это лишь гипотеза. Некоторые исследователи указывают, что аномалии в поясе Койпера можно объяснить и другими факторами — например, распределением самих малых тел в этой области, а не наличием отдельной крупной планеты или чёрной дыры. Поэтому учёные продолжают наблюдения и уточняют модели: новые данные могут как подтвердить, так и опровергнуть эти идею.

Крупные ПЧД (вплоть от десятков и до сотен солнечных масс) — тоже могли сохраниться. Они интересны ещё и тем, что могут объяснять некоторые слияния чёрных дыр, которые фиксирует гравитационно-волновая астрономия. Радиус горизонта событий у чёрной дыры в 10 солнечных масс — примерно 30 км. У 100 солнечных масс — около 300 км. То есть по радиусу - это как небольшой город или область, а по массе — сотни солнц. Они живут невероятно долго. Излучение Хокинга у них ничтожно слабое, так что такие дыры практически вечные по меркам Вселенной. Такие чёрные дыры могут сливаться друг с другом, и эти слияния дают мощные гравитационные волны, которые ловят лазерно-интерферометрические гравитационно-волновые обсерватории LIGO и Virgo. Представь невидимый шар размером с город, который весит как сотни солнц. Он не светится, но его гравитация настолько сильна, что даже свет не может вырваться. И если два таких шара столкнутся, Вселенная «вздрогнет» — эти волны долетают до Земли через миллиарды световых лет.
То есть диапазон первичных чёрных дыр может быть огромный: от «крошечных» до вполне внушительных. И если они действительно существуют, то по всей Вселенной их может быть очень много.

Как их ищут (и почему пока не нашли)
Учёные не могут увидеть первичные чёрные дыры напрямую (они ведь ничего не излучают), поэтому используют косвенные методы:
Гравитационное микролинзирование: если ПЧД пролетает на фоне далёкой звезды, её свет искривляется, и звезда на короткое время становится ярче. Телескопы (включая данные Gaia) ищут такие вспышки.
Излучение Хокинга: самые маленькие ПЧД должны «испаряться», давая всплески гамма излучения. Их ищут в данных космических обсерваторий.
Влияние на структуру Вселенной: если ПЧД составляют часть тёмной материи, они должны оставлять следы в распределении галактик и в реликтовом излучении.
Гравитационные волны: слияния первичных чёрных дыр могли бы давать особый сигнал, который пытаются выделить из данных LIGO/Virgo.
Пока однозначных подтверждений нет. Но и запрета тоже нет: первичные чёрные дыры остаются одной из «живых» гипотез.