Взрываются ли черные дыры?

Черные дыры – это космические пылесосы – массивные объекты, настолько большие, что даже свет не может их покинуть.

Большинство людей представляют, что черные дыры только и делают, что пожирают блуждающие кусочки газа или пыли.

Но могут ли черные дыры на самом деле иметь более интересную внутреннюю жизнь? Могут ли они, например, взрываться? Если «взрыв» – это «внезапный, кратковременный выброс огромного количества энергии», то ответ однозначен – да. И самое интересное, что они могут взрываться несколькими интересными способами: либо взрываясь сами, либо взрывая окружающую среду.

Существует один способ, с помощью которого черные дыры могут взрываться. Этот процесс связан с тем, что черные дыры не являются полностью черными, что было открыто известным астрофизиком Стивеном Хокингом в 1976 году.

«В классической физике из дыры ничего не может выйти, – сказал Live Science Самир Матур, физик из Университета штата Огайо. – Но Хокинг обнаружил, что с квантовой механикой дыра медленно уносит свою энергию в бесконечность, испуская низкоэнергетическое излучение; это называется излучением Хокинга».

До тех пор, пока черная дыра не всасывает новый материал, она будет медленно терять массу, испуская излучение Хокинга. Однако излучение Хокинга испускается медленно. Обычная черная дыра с массой в несколько раз больше массы Солнца излучает примерно один фотон, или пакет света, каждый год. При такой скорости излучения типичной черной дыре потребуется 10^100 лет, чтобы полностью испариться.

Но Хокинг понял, что черные дыры меньшего размера испаряются гораздо быстрее. По мере того как черная дыра становится все меньше и меньше, она испускает все больше и больше излучения. В последние мгновения своей жизни черная дыра испускает так много излучения, так быстро, что эффективно действует как бомба, выпуская поток высокоэнергетического излучения и частиц.

Если бы маленькие черные дыры (размером с Землю) образовались в очень ранней Вселенной, им потребовалось бы несколько миллиардов лет, чтобы испариться, а это означает, что эти «первобытные» черные дыры, если они существуют, взрываются по всей Вселенной прямо сейчас.

На сегодняшний день астрономы не нашли никаких свидетельств взрывов первозданных черных дыр, но они могут быть где-то рядом.

Сверхизлучение

Черные дыры взрываются с помощью другого типа взрыва, который не встречается больше нигде во Вселенной, благодаря тому, что они вращаются. Вращающиеся черные дыры – их также называют черными дырами Керра в честь новозеландского математика Роя Керра, который первым понял, как они работают, – создают эргосферу вокруг своих горизонтов событий. Эргосфера – это вытянутая область пространства, где ничто не может оставаться неподвижным. Все, что падает на вращающуюся черную дыру, начинает вращаться вокруг нее, когда частица входит в эргосферу.

Вращающееся пространство-время вокруг черной дыры также может притягивать фотоны. Если фотонов достаточно много, они могут отскакивать друг от друга или от любых блуждающих частиц. Иногда отскок приводит к тому, что фотоны покидают эргосферу. Но в других случаях отскок заставляет фотоны падать глубже к черной дыре, где они приобретают энергию. Затем они могут снова рассеяться на более высокую орбиту, а затем снова упасть вниз.

С каждым повторением этого процесса и с каждым путешествием вокруг черной дыры фотон набирает энергию. Этот процесс называется «сверхизлучение». Если фотон наконец вырвется на свободу, он будет обладать огромным количеством энергии по сравнению с тем, когда он только начал свое путешествие.

Если в этом процессе участвует достаточное количество фотонов, они могут вырваться все сразу с невероятной энергией, превратившись в так называемую «бомбу черной дыры». Даже если сама черная дыра не взрывается, этот эффект сверхизлучения еще раз показывает, насколько мощно черные дыры могут влиять на свое окружение.

Диски и струи

Наиболее распространенный способ, которым черные дыры вызывают взрывы, – это не их самоуничтожение, а мощь их непреодолимой гравитационной силы. Сверхмассивные черные дыры находятся в центрах галактик, и иногда большие сгустки материи, такие как звезды, проходят слишком близко. Когда это происходит, звезду разрывает на куски из-за приливных эффектов, и в результате этого разрыва происходит взрывной выброс энергии. Астрономы на Земле могут наблюдать этот выброс энергии в виде короткой, но интенсивной вспышки рентгеновского и гамма-излучения.

Помимо измельчения звезд, эти гигантские черные дыры часто собирают рои материи, которые постоянно кружатся вокруг них в гигантских аккреционных дисках. Аккреционные диски достигают температуры в квадриллионы градусов, что делает их самыми яркими объектами во Вселенной – один светящийся диск может затмить более миллиона галактик одновременно.

При своей наибольшей мощности диски создают электрические и магнитные поля, которые вовлекают часть материала диска вокруг черных дыр в виде длинных, тонких струй, простирающихся на десятки тысяч световых лет.

Хотя эти струи технически не считаются взрывами, они все равно довольно интенсивны.