ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/NASA/ESA/F. COMBES

Давайте попробуем отвести часы назад. До возникновения жизни, до появления Земли, до рождения Солнца и формирования галактик, до того, как начал литься свет, произошёл . И это было 13,8 миллиарда лет назад.

Но что же раньше? Многие физики утверждают, что никакого «раньше» не существует. Они полагают, что само время началось в момент Большого Взрыва, а всё что было до этого не умещается в научной сфере. Согласно этой точке зрения, мы никогда не сможем постичь, какой была реальность до Большого Взрыва, из каких компонентов он сформировался, и почему случился, дав начало нашей вселенной.

Но есть учёные чуждые условностям, и они не согласны. Эти люди строят замысловатые теории о том, что за мимолётное мгновение до Большого Взрыва вся энергия и масса зарождавшейся вселенной сжалась в нереально плотную, но вполне ограниченную крупинку. Можно назвать её «Семенем новой действительности».

Эти взбалмошные физики полагают, что Семя было невообразимо крохотным, вероятно, в триллионы раз меньше любой элементарной частицы, которую может наблюдать человек. И тем не менее, именно эта крупица стала толчком для появления всего прочего: других частиц, галактик, нашей солнечной системы и людей. Если вы по-настоящему горите желанием назвать хоть что-нибудь частицей Бога, то это Семя — лучший кандидат для такого названия.

А как тогда возникло это Семя? Идея, выдвинутая Никодимом Поплавским из университета Нью-Хейвена, гласит, что Семя нашей реальности появилось в первичной печи чёрной дыры.

Размножение мультивселенных

Прежде чем мы копнём глубже, стоит понять, что за последние годы многие интересующиеся данным вопросом пришли к заключению, что наша вселенная далеко не единственная. Она может быть лишь крохотной частью огромной мультивселенной, одним из светящихся шаров в истинных ночных небесах.

Никто не знает, как эти вселенные связаны между собой, и есть ли вообще подобная связь. И хоть возникающие по этому поводу споры умозрительны и недоказуемы, всё же есть одна занятная идея, гласящая, что Семя каждой вселенной очень похоже на семя растения. Маленький кусочек драгоценно важной материи, компактно сжатый и скрытый под защитной оболочкой.

Этим весьма точно объясняются события, происходящие внутри Чёрной Дыры. Все Чёрные Дыры это останки гигантских звёзд, у которых закончилось топливо, а ядро схлопнулось. Когда силы гравитации сжимают всё с умопомрачительной и постоянно увеличивающейся мощью. Тогда температура поднимается до 100 миллиардов градусов, атомы распадаются, а электроны разрывает на куски. И затем эта каша ещё больше сжимается.

Теперь звезда — это Чёрная Дыра. А это означает, что сила её притяжения столь громадна, что из неё не может выскользнуть даже луч света. Граница между внешней и внутренней частями Чёрной Дыры носит название горизонта событий. В центре практически каждой галактики, не исключая и наш Млечный Путь, если хорошенько присмотреться, можно обнаружить массивные Чёрные Дыры, которые в миллионы раз крупнее нашего Солнца.

Вопросы без дна

Воспользовавшись теорией Эйнштейна для того, чтобы определить, что же твориться на дне Чёрной Дыры, мы непременно упрёмся в концепцию сингулярности, согласно которой, там бесконечно плотная и бесконечно малая точка. А это противоречит самой природе, в которой бесконечностей вроде как не существует... Неувязка кроется в самих формулах Эйнштейна, которые идеально подходят для расчётов касательно большей части пространства-времени, однако напрочь не работают в квантовых масштабах неимоверных сил, что правят рождением вселенных и живут внутри Чёрных Дыр.

Такие физики-теоретики как доктор Поплавский утверждают, что материя в Чёрной Дыре доходит до того, что сдавить её больше не является возможным. Это крохотное Семя весит как миллиард звёзд, но в отличие от сингулярности, всё же вполне реально.

Поплавский считает, что сжатие останавливается, ибо Чёрные Дыры очень быстро крутятся, возможно, достигая в этом вращении скорости света. А это маленькое и тяжёлое Семя, обладающее нереальным осевым кручением, сжатое и искривлённое можно сравнить с пружиной черта из табакерки. Совершенно внезапно это Семя может прорасти и сделать это с мощным хлопком. Подобные дела и именуются Большим Взрывом, или, как предпочитает выражаться Поплавский, Большим Отскоком.

Другими словами, может оказаться, что Чёрная Дыра — это тоннель между двумя вселенными, при чём в один конец. Что в свою очередь означает, попади вы в Чёрную Дыру, тут же окажетесь в другой вселенной (точнее то, что от вас останется). Та другая вселенная не имеет отношения к нашей; дыра — это лишь соединительное звено, словно общий корень, из которого растут два дерева.

Так как же на счёт всех нас, внутри нашей родной вселенной? Мы можем быть детьми иной, более древней пра-вселенной. Семя, выкованное внутри Чёрной Дыры матерью-вселенной, могло 13,8 миллиарда лет назад исполнить Большой Отскок, и не смотря на то, что с тех пор наша вселенная по-прежнему быстро расширяется, мы всё ещё можем существовать за горизонтом событий той Чёрной Дыры.

Понятие чёрной дыры известно всем — от школьника до людей преклонного возраста, оно используется в научной и фантастической литературе, в желтых СМИ и на научных конференциях. Но что конкретно представляют собой такие дыры, известно далеко не всем.

Из истории чёрных дыр

1783 г. Первая гипотеза существования такого явления, как чёрная дыра, была выдвинута в 1783 году английским учёным Джоном Мичеллом. В своей теории он объединил два творению Ньютона — оптику и механику. Идея Мичелла была такова: если свет — это поток мельчайших частиц, то, как и все другие тела, частицы должны испытывать притяжение гравитационного поля. Получается, чем массивнее звезда, тем сложнее свету противиться её притяжению. Через 13 лет после Мичелла, французский астроном и математик Лаплас выдвинул (скорее всего, независимо от британского коллеги) схожую теорию.

1915 г. Однако, все их труды оставались невостребованными вплоть до начала XX века. В 1915 году Альберт Эйнштейн опубликовал Общую теорию относительности и показал, что гравитация есть искривление пространства-времени, вызванное материей, а спустя несколько месяцев немецкий астроном и физик-теоретик Карл Шварцшильд использовал её для решения конкретной астрономической задачи. Он исследовал структуру искривленного пространства-времени вокруг Солнца и заново открыл феномен чёрных дыр.

(Джон Уилер ввел в научный обиход термин "Чёрные дыры")

1967 г. Американский физик Джон Уилер обрисовал пространство, которое можно скомкать, подобно листику бумаги, в бесконечно малую точку и обозначил термином "Чёрная дыра".

1974 г. Британский физик Стивен Хокинг доказал, что чёрные дыры, хоть и поглащают метерию без возврата, могут испускать излучение и в конце концов испаряться. Такое явление получило название "излучение Хокинга".

2013 г. Новейшие исследования пульсаров и квазаров, а также открытие реликтового излучения, наконец сделали возможным описать само понятие чёрных дыр. В 2013 году газовое облако G2 приблизилось на очень близкое расстояние к чёрной дыре и скорее всего будет поглощено ей, наблюдения за уникальным процессом даёт огромные возможности для новых открытий особенностей чёрных дыр.

(Массивный объект Стрелец А*, его масса больше Солнца в 4 млн раз, где подразумевается скопление звезд и образование чёрной дыры )

2017 г . Группа ученых из коллоборации нескольких стран Event Horizon Telescope, связав восемь телескопов с разных точек континентов Земли, проводили наблюдения за чёрной дырой, которая является сверхмассивным объектом и находится в галактике М87, созвездие Дева. Масса объекта 6,5 млрд (!) солнечных масс, в гигантские разы больше массивного объекта Стрелец А*, для сравнения диаметром чуть менее расстояния от Солнца до Плутона.

Наблюдения проводились в несколько этапов, начиная с весны 2017 года и в течении периодов 2018 года. Объём информации исчислялся петабайтами, которые затем следовало расшифровать и получить подлинный снимок сверхдалекого объекта. Поэтому потребовалось ещё целых два года для досканальной обработки всех данных и соединения их в одно целое.

2019 г. Данные были успешно расшифрованы и приведены в вид, получив первое в истории изображение чёрной дыры.

(Первый в истории снимок чёрной дыры в галактики М87 в созвездии Дева )

Разрешение изображения позволяет увидеть тень точки невозврата в центре объекта. Изображение получено в результате интерферометрических наблюдений со сверхдлинной базой. Это, так называемые, синхронные наблюдения одного объекта с нескольких радиотелескопов, соединенных между собой сетью и находящихся в разных частях земного шара, направленных в одну сторону.

Чем на самом деле являются чёрные дыры

Лаконичное объяснение феномена звучит так.

Чёрная дыра — это пространственно-временная область, чье гравитационное притяжение настолько велико, что её не может покинуть ни один объект, в том числе световые кванты.

Когда-то чёрная дыра была массивной звёздой. Пока термоядерные реакции поддерживают в её недрах высокое давление, всё остаётся в норме. Но со временем запас энергии истощается и небесное тело, под действием собственной гравитации, начинает сжиматься. Завершающий этап этого процесса — схлопывание звездного ядра и образование чёрной дыры.

• 1. Выбрасывание черной дырой струи на высокой скорости


• 2. Диск материи перерастает в чёрную дыру


• 3. Чёрная дыра


• 4. Детальная схема региона чёрной дыры


• 5. Размер найденных новых наблюдений

Самая распространённая теория гласит, что подобные феномены есть в каждой галактике, в том числе и в центре нашего Млечного пути. Огромная сила притяжения дыры способна удерживать вокруг себя несколько галактик, не давая им удаляться друг от друга. «Площадь покрытия» может быть разной, всё зависит от массы звёзды, которая превратилась в чёрную дыру, и может составлять тысячи световых лет.

Радиус Шварцшильда

Главное свойство чёрной дыры — любое вещество, которое в неё попало, никогда не сможет вернуться. Это же касается и света. По своей сути дыры — это тела, которые полностью поглощают весь попадающий на них свет и не испускающие собственного. Такие объекты визуально могут казаться сгустками абсолютной темноты.

• 1. Движущаяся материя в половину скорости света


• 2. Фотонное кольцо


• 3. Внутреннее фотонное кольцо


• 4. Горизонт событий в чёрной дыре

Отталкиваясь от Общей теории относительности Эйнштейна, если тело приблизилось на критическое расстояние к центру дыры, оно уже не сможет вернуться. Это расстояние называют радиусом Шварцшильда. Что именно происходит внутри этого радиуса доподлинно неизвестно, но есть наиболее распространенная теория. Считается, что всё вещество чёрной дыры концентрируется в бесконечно малой точке, а в её центре находится объект с бесконечной плотностью, который ученые именуют сингулярным возмущением.

Как происходит падение в чёрную дыру

(На картинке чёрная дыра Стрельца А* выглядит крайне ярким скоплением света)

Не так давно, в 2011 году, ученые обнаружили газовое облако, дав ему несложное название G2, которое испускает необычные свет. Такое свечение может давать трение в газе и пыли, вызываемое действием чёрной дыры Стрельца А* и которые вращаются вокруг нее в виде аккреционного диска. Таким образом, мы становимся наблюдателями удивительного явления поглощения сверхмассивной чёрной дырой газового облака.

По последним исследованиям наибольшее сближение с черной дырой произойдет в марте 2014 года. Мы можем воссоздать картину того, как будет происходит это захватывающее зрелище.

• 1. При первом появлении в данных газовое облако напоминает огромный шар из газа и пыли.


• 2. Сейчас по состоянию на июнь 2013 года облако находится в десятках миллиардов километров от чёрной дыры. Оно падает в неё со скоростью 2500 км/с.


• 3. Ожидается, что облако пройдет мимо чёрной дыры, но приливные силы, вызванные различием в притяжении, действующем на передний и задний край облака, заставят его принимать всё более вытянутую форму.


• 4. После того, как облако будет разорвано, большая его часть, скорее всего, вольется в аккреционный диск вокруг Стрельца А*, порождая в нём ударные волны. Температура при этом подскочит до нескольких миллионов градусов.


• 5. Часть облака упадёт прямо в чёрную дыру. Никто не знает в точности, что случится потом с этим веществом, но ожидается, что в процессе падения оно будет испускать мощные потоки рентгеновских лучей, и больше его никто не увидит.

Видео: чёрная дыра поглощает газовое облако

(Компьютерное моделирование того, как большая часть газового облака G2 будет разрушено и поглощено чёрной дырой Стрельцом А*)

Что там внутри чёрной дыры

Есть теория, которая утверждает, что чёрная дыра внутри практически пуста, а вся её масса сосредоточена в невероятно маленькой точке, находящейся в самом её центре - сингулярности.

Согласно другой теории, существующей на протяжении полувека, всё, что попадает в чёрную дыру, переходит в другую вселенную, находящуюся в самой чёрной дыре. Сейчас это теория не является основной.

И есть третья, самая современная и живучая теория, по которой всё, что попадает в чёрную дыру, растворяется в колебаниях струн на её поверхности, которую обозначают, как горизонт событий.

Так что же такое - горизонт событий? Внутрь чёрной дыры заглянуть нельзя даже сверхмощным телескопом, так как даже свет, попадая внутрь гигантской космической воронки, не имеет шансов вынырнуть назад. Всё, что можно хоть как-то рассмотреть, находится в её ближайших окрестностях.

Горизонт событий - это условная линия поверхности, из под которой ничто (ни газ, ни пыль, ни звезды, ни свет) выйти уже не сможет. И вот это и есть та самая таинственная точка невозврата в чёрных дырах Вселенной.

При анализе движения частиц, входящих в черную дыру, опубликованном в марте Никодимом Поплавским из Университета Индианы в Блумингтоне, было продемонстрировано, что внутри каждой черной дыры может существовать другая вселенная. "Может быть, огромные черные дыры в центре Млечного пути и других галактик являются "мостами" между различными вселенными", говорит Поплавский. Если это верно, и это большое "если", ничто не исключает того, что наша вселенная также находится внутри черной дыры.

В общей теории относительности Эйнштейна (ОТО), внутренности черных дыр представляют собой регионы, где плотность вещества достигает бесконечности. Будь сингулярность фактической точкой бесконечной плотности или просто математической неоднозначностью ОТО, уравнения Эйнштейна "рушатся" внутри черной дыры. В любом случае, модифицированная версия уравнений Эйнштейна, используемая Поплавским, устраняет сингулярность в целом.

Для своего анализа, Поплавский обратился к варианту уравнений Эйнштейна Картана-Кибл-Сциама (ККС) теории гравитации. В отличие от уравнений Эйнштейна, ККС теории гравитации учитывает спин, или же момент импульса элементарных частиц. Благодаря учитыванию спина, становится возможным вычислить геометрию пространства-времени черной дыры.

Когда плотность вещества достигает гигантских размеров (больше, чем 1050 килограмм на кубический метр) внутри черной дыры, кручение проявляется как сила, эквивалентная притяжению. Это предотвращает вопросы о неопределенном времени сжатия для достижения бесконечной плотности. Вместо этого, говорит Поплавский, материя реорганизовывается и начинается расширяться снова.

Поплавский применил эти идеи к модели поведения пространства-времени внутри черной дыры. Сценарий напоминает то, что происходит, когда вы сжимаете пружину: Поплавский подсчитал, что первоначально сила тяжести преодолевает силы отталкивания и кручения и сохраняет сжатие материи, но в конечном итоге сила отталкивания становится настолько сильной, что материя перестает сжиматься и реорганизуется. Расчеты Поплавского показывают, что пространство-время внутри черной дыры, расширяется примерно до 1,4 раз по сравнению с наименьшим размером всего за 10-46 секунд.

Этот поразительно быстрый отскок назад, говорит Поплавский, мог бы быть тем, что привело к расширяющейся Вселенной, которую мы наблюдаем сегодня.

Как же мы узнаем, что живем внутри черной дыры? Ну, вращающаяся черная дыра дала бы некоторый спин в пространстве-времени внутри нее, и это должно было бы отобразиться как "предпочтительное направление" в нашей Вселенной, говорит Поплавский. Такое предпочтительное направление приведет к нарушению свойства пространства-времени, называемого симметрией Лоренца, которое связывает пространство и время. Было высказано мнение, что такие нарушения могут быть вызваны наблюдаемыми колебаниями нейтрино из одного типа в другой.

К сожалению, для нас нет никакого смысла искать другие миры внутри черных дыр. По мере приближения к черной дыре, увеличение гравитационного поля делает время все медленнее и медленнее. Таким образом, для внешнего наблюдателя, любая новая вселенная внутри появится только после того, как пройдет бесконечное количество времени.

Новая модель мироздания позволяет обойтись без квантовой сингулярности и космологической инфляции.

Основной вопрос космологии можно сформулировать буквально в трех словах: откуда возникла Вселенная? Для стандартного ответа хватит и двух: из квантовой сингулярности. Так называют особое состояние материи, где нет ни пространства, ни времени и не действуют известные физические законы. Принято считать, что оно оказалось неустойчивым и дало начало трехмерному пространству, наполненному квантовыми полями и рожденными ими частицами. Этот выход из сингулярности называют Большим взрывом и берут за начало отсчета возраста Вселенной.

Что такое эта сингулярность, никто толком не знает. Если «проиграть» космологические уравнения назад во времени к нулевой точке, плотность энергии и температура обратятся в бесконечность и потеряют физический смысл. Обычно сингулярность описывают как хаотическую квантовую флуктуацию вакуума, которая сделала возможным появление гравитации и других физических полей. Теоретики приложили немало усилий, пытаясь понять, как именно это могло произойти, но пока без особых успехов.

Не взрыв, а коллапс

Некоторые космологические модели вообще обходятся без сингулярности, но они в меньшинстве. А вот недавно трое канадских ученых выступили с весьма любопытной моделью Большого взрыва, не требующей гипотезы квантового хаоса. Профессор физики и астрономии Университета Ватерлоо Роберт Манн и его коллеги допускают, что наша Вселенная могла появиться как побочный продукт гравитационного стягивания космической материи, которое закончилось рождением черной дыры. Их ключевая идея состоит в том, что эта материя существовала в пространстве не с тремя, а с четырьмя измерениями. Новорожденная дыра, опять-таки четырехмерная, окружила себя трехмерной оболочкой, которая и стала зародышем Вселенной. Она позаимствовала от материнского четырехмерия не только тяготение, но и прочие поля и частицы, которые зажили самостоятельной трехмерной жизнью. Так что наш мир возник не из Большого взрыва, а из его противоположности, Большого коллапса!

Откуда взялась эта оболочка? «Обычная» черная дыра окружена замкнутой двумерной поверхностью, горизонтом событий. Частица, упавшая внутрь горизонта, уже не сможет вернуться обратно, и даже фотоны из-под горизонта тоже не преодолеют этот непроницаемый барьер. Если дыра неподвижна, горизонт имеет сферическую форму, а у вращающихся дыр эта сфера сплюснута у полюсов. Поскольку горизонт имеет нулевую толщину, внутри него, естественно, нет никакого вещества. Но это в трехмерном пространстве. Четырехмерная дыра тоже обладает горизонтом событий, чья размерность на единицу меньше ее собственной. Следовательно, ее горизонт - это трехмерное пространство. Согласно гипотезе канадских физиков, оно и может дать начало нашей Вселенной.

Профессор Университета Ватерлоо (Канада):

«Уравнения ОТО имеют смысл для пространств со сколь угодно большим числом измерений, причем во всех случаях они обладают решениями, приводящими к возникновению сингулярностей. Отсюда следует, что, если плотность вещества в замкнутой четырехмерной области превысит определенный критический предел, оно коллапсирует с образованием черной дыры. Физические свойства такого вещества должны сильно отличаться от тех, которые мы наблюдаем в нашем мире. Однако вполне логично предположить, что гравитация будет господствовать и в этом мире: если частицы материи четырехмерного мира деформируют пространство-время в соответствии с уравнениями ОТО, они притягиваются друг к другу и дают начало черным дырам».

Для материи четырехмерного пространства, запертой внутри горизонта черной дыры, эта трехмерная область будет единственным миром, полностью отсеченным от четырехмерного окружения. Можно допустить, что втянутая внутрь горизонта материя будет вести себя по всем законам трехмерия. Новая модель позволяет обойтись без распространенной гипотезы космологической инфляции, предложенной в начале 1980-х, которая все еще сталкивается с серьезными нерешенными проблемами. В частности, непонятна природа физического поля, которое, как предполагается, запустило ускоряющееся расширение новорожденной Вселенной.

Отскок мира

Но если не принимать в расчет квантовые эффекты, горизонт трехмерной дыры стабилен, тогда как наша Вселенная расширяется. Модель Манна объясняет и это: «Гравитационный коллапс в четырехмерном пространстве не только породит черную дыру, но и вызовет «отскок» не провалившейся в нее материи и ее разлет по всем направлениям. Нечто подобное происходит при взрывах сверхновых, которые разбрасывают свои оболочки по окружающему пространству. Как показывают вычисления, эта материя может создать трехмерный слой вокруг горизонта, который будет расширяться и тянуть за собой сам горизонт. В результате возникнет единое расширяющееся пространство нашей Вселенной. Модель можно модифицировать таким образом, что она предскажет ускорение этого расширения, которое стандартная космология объясняет с помощью темной энергии».

Новая модель допускает опытную проверку. Гравитационное воздействие четырехмерия на нашу Вселенную должно вызвать определенные флуктуации реликтового излучения, спектр которых можно предсказать.

Чёрная дыра в физике определяется как область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть ее не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света, в том числе и кванты самого света. Граница этой области называется горизонтом событий, а её характерный размер – гравитационным радиусом, который назван радиусом Шварцвальда. Чёрные дыры – это самые загадочные объекты во Вселенной. Своим неудачным названием они обязаны американскому астрофизику Джону Уиллеру. Это он в популярной лекции «Наша Вселенная: известное и неизвестное» в 1967 г. назвал эти сверхплотные тела дырами. Ранее подобные объекты называли «сколлапсировавшие звёзды» или «коллапсары». Но термин «чёрная дыра» прижился, и менять его уже стало просто невозможно. Во Вселенной существует два типа черных дыр: 1 – сверхмассивные черные дыры, масса которых в миллионы раз больше массы Солнца (считается, что такие объекты находятся в центрах галактик); 2 – менее массивные черные дыры, которые возникают в результате сжатия гигантских умирающих звезд, масса их больше трех масс Солнца; при сжатии звезды вещество все сильнее уплотняется и в результате гравитация объекта усиливается до такой степени, что свет не может преодолеть ее. Чёрную дыру не может покинуть ни излучение, ни вещество. Чёрные дыры – это сверхмощные гравитаторы.

Радиус, до которого должна сжаться звезда, чтобы превратиться в чёрную дыру, называется гравитационным радиусом. Для чёрных дыр, образовавшихся из звезд, он составляет всего лишь несколько десятков километров. В некоторых парах двойных звезд одна из них невидима в самый мощный телескоп, но масса невидимого компонента в такой гравитационной системе оказывается чрезвычайно большой. Скорее всего, такие объекты являются или нейтронными звездами, или чёрными дырами. Иногда невидимые компоненты в таких парах срывают вещество с нормальной звезды. В этом случае газ отделяется от внешних слоев видимой звезды и падает неведомо куда – на невидимую чёрную дыру. Но прежде чем упасть на дыру, газ излучает электромагнитные волны самой разной длины, в том числе и очень короткие рентгеновские волны. Более того, вблизи нейтронной звезды или чёрной дыры газ сильно разогревается и становится источником мощного высокоэнергичного электромагнитного излучения в рентгеновском и гамма-диапазонах. Такое излучение не проходит сквозь земную атмосферу, но его можно наблюдать с помощью космических телескопов. Одним из вероятных кандидатов в чёрные дыры считается мощный источник рентгеновских лучей в созвездии Лебедя.