Согласно уравнениям, управляющим черными дырами, чем больше одно из этих космических чудовищ, тем ниже его средняя плотность. Учитывая, что Вселенная содержит много относительно пустого пространства, может ли весь космос быть черной дырой?
Может ли это быть иллюстрацией всей вселенной? Арлум / Алами
Ниже представлен отрывок из нашей рассылки «Затерянные в пространстве и времени». Каждый месяц мы передаём клавиатуру физику или математику, чтобы они рассказали вам об увлекательных идеях из их уголка Вселенной. Подписаться на рассылку «Затерянные в пространстве и времени» можно здесь.
«Итак, вы написали книгу о черных дырах?»
Незнакомец делает глоток коктейля. Мы на вечеринке, и меня представляют гостям. Я вежливо киваю, помешивая пинаколаду.
«Тогда скажите мне», — продолжает незнакомец, пристально глядя мне в глаза, — «действительно ли правда, что вся Вселенная — это черная дыра?»
Я не удивлён. Это один из самых распространённых вопросов, которые мне задают, когда я рассказываю, что годами общаюсь с учёными и посещаю обсерватории, чтобы узнать, что нам сейчас известно об этих космических гигантах.
И неудивительно, что люди хотят знать. В СМИ регулярно появляются заголовки, предполагающие, что мерцающие галактики, которые мы видим, вглядываясь в космос, могут быть заперты внутри гигантской чёрной дыры. Видеоролики, обсуждающие подобные идеи, набирают миллионы просмотров на YouTube. И хотя это звучит как отрывок из научно-фантастического романа, это не лишено смысла. Научное исследование этой идеи началось как минимум в 1972 году, когда физик Радж Кумар Патрия опубликовал в журнале Nature письмо под названием «Вселенная как чёрная дыра». С тех пор это ошеломляющее заявление время от времени возвращается.
Так это правда?
Как сделать черную дыру
Проще говоря, черная дыра — это область пространства, где гравитация настолько сильна, что ничто, даже свет, не может ее покинуть.
Эти загадочные объекты были впервые обнаружены астрономом Карлом Шварцшильдом с помощью математики во время Первой мировой войны. Слыша грохот сражений на франко-германском фронте, он исследовал, что предсказывают недавно опубликованные Альбертом Эйнштейном уравнения общей теории относительности относительно движения планет и структуры звёзд.
Шварцшильд вывел формулу, описывающую, как пространство и время могут вести себя совершенно не синхронно с нашим восприятием мира, замыкаясь в себе и создавая тип неизбежной области, позже названной черной дырой.
Открытие Шварцшильда привело к глубокому пониманию принципов работы чёрных дыр. Возьмём заданный объект массы, например, человеческое тело, планету или звезду. Теперь сожмём его внутри объёма, определяемого формулой Шварцшильда, и вуаля! Чёрная дыра образовалась.
Этот критический объём зависит от массы объекта. Для человеческого тела он смехотворно мал: в сто раз меньше протона. Для Земли он примерно равен размеру мяча для гольфа, а для Солнца соответствует примерно размеру центра Лос-Анджелеса (около 6 километров, или чуть меньше 4 миль, в поперечнике).
Как видите, создать чёрные дыры сложно. В обычных условиях материя просто не любит сжиматься до такой экстремально высокой плотности. Только самые катастрофические процессы во Вселенной — например, взрыв сверхновой очень массивной звезды — могут заставить материю схлопнуться и образовать чёрную дыру.
Но в истории происхождения чёрных дыр есть один нюанс. В то время как чёрные дыры, образовавшиеся в результате взрыва звёзд, состоят из исключительно плотной материи, их гораздо более крупные сверхмассивные собратья, находящиеся в центрах большинства галактик, обладают довольно низкой плотностью. Согласно формуле Шварцшильда, чем больше чёрная дыра, тем больше в ней пустоты и тем ниже её средняя плотность (в довольно условном смысле — на самом деле плотность сложного пространственно-временного объекта, такого как чёрная дыра, определить непросто). Таким образом, у самых крупных наблюдаемых чёрных дыр средняя плотность меньше плотности воздуха!
Так что же тогда со Вселенной? Учитывая, что она в основном состоит из пустого пространства, может ли её чрезвычайно низкая плотность всё же соответствовать плотности чёрной дыры?
Поляризация реликтового излучения Сотрудничество ЕКА/Планка
Оценка вселенной
Благодаря формуле Шварцшильда астрономы получили инструмент для определения, является ли объект чёрной дырой: сначала измерить его массу, а затем определить его объём. Если масса объекта заключена в объёме, меньшем, чем определён формулой Шварцшильда, то это должна быть чёрная дыра.
Итак, применим этот рецепт ко всей Вселенной. Для этого нам нужно знать её массу и объём. Но поскольку мы не можем обойти всю Вселенную с небесной линейкой и измерить её истинную ширину, невозможно узнать её полный размер. Всё, что мы можем сделать, — это наблюдать за светом и частицами, которые доходят до нас из далёких уголков космоса.
Самый древний свет, который мы можем видеть, исходит от реликтового излучения. Он возник всего через 380 000 лет после Большого взрыва. Поскольку Вселенная расширяется, точки, из которых исходил этот свет, теперь находятся очень далеко от нас. Общее расстояние, которое свет мог пройти с момента Большого взрыва, определяет наблюдаемую Вселенную, диаметр которой составляет 93 миллиарда световых лет.
Благодаря кропотливым измерениям, проводившимся в течение нескольких десятилетий, астрономы определили массу, находящуюся в этом объеме: около 1054 кг (это 1 с 54 нулями, имеющая замысловатое название один септендециллион).
Теперь вычислим гипотетический размер чёрной дыры массой один септендециллион килограммов. Подставим это число в формулу Шварцшильда, пусть барабаны бьют, и после нескольких математических действий мы получим поразительный ответ: диаметр такой чёрной дыры составит 300 миллиардов световых лет, что примерно в три раза больше наблюдаемой Вселенной. Другими словами, если судить по размеру и массе наблюдаемой Вселенной, то она вполне соответствует определению чёрной дыры.
«Ух ты, — восклицает любопытный незнакомец на коктейльной вечеринке, — так Вселенная и правда представляет собой черную дыру?»
«Не так быстро, кузнечик», — отвечаю я. Чтобы докопаться до сути, нам нужно повнимательнее заглянуть внутрь чёрной дыры.
В темноту
Чёрные дыры — странные существа. Одна из их многочисленных странностей заключается в том, что снаружи они кажутся фиксированными по размеру, но внутри постоянно меняются. Согласно формуле Шварцшильда, пространство внутри них растянуто в одном направлении и одновременно сжато в двух других. (Если чёрная дыра вращается, её внутренний мир становится ещё более странным, но это тема для отдельной рассылки.)
Космологи называют такую структуру анизотропной. Tropos означает «направление», iso — «равный», а an — отрицание. Анизотропная динамика внутри чёрной дыры означает, что из трёх пространственных направлений одно будет расширяться, а два других — сжиматься — подобно тому, как резиновый лист растягивается в тонкую нить. Это искажение тесно связано с приливным растяжением всей падающей материи, которое Стивен Хокинг, с его фирменным лингвистическим талантом, назвал спагеттификацией.
В отличие от чёрных дыр, расширение Вселенной происходит изотропно (то есть одинаково во всех направлениях). Не очень похоже на то, что происходит внутри чёрной дыры, не правда ли?
Но это пока не исключает существование Вселенной с чёрными дырами. Дело в том, что у чёрных дыр с нашей Вселенной есть две общие черты, которые на первый взгляд кажутся знакомыми: горизонт событий и сингулярность.
Горизонт событий — это поверхность, из которой не может выйти свет. В случае чёрной дыры он обозначает точку невозврата, из которой материя уже не может выбраться. В случае Вселенной он возникает из-за того, что расширение пространства происходит настолько быстро, что свет от очень далёких галактик не успевает до нас дойти.
Этот космический горизонт событий похож на вывернутую наизнанку версию горизонта событий черной дыры: последний не позволяет нам заглянуть в глубины бездны черной дыры, тогда как первый не позволяет нам заглянуть в самые дальние уголки космоса.
Это обратное соотношение справедливо и для зловещей сингулярности — обречённой точки, в которой плотность материи и кривизна пространства-времени становятся бесконечно большими. Согласно формуле Шварцшильда, сингулярность — это будущая точка во времени, с которой любой несчастный астронавт, попавший в чёрную дыру, должен столкнуться после пересечения горизонта событий. Аналогично, наша космологическая модель также содержит сингулярность — но в прошлом. По мере того как мы экстраполируем расширение Вселенной назад, все точки в пространстве становятся всё ближе и ближе, а плотности всё выше и выше. По мере того как плотности неограниченно растут, загадочный начальный момент нашей модели Большого взрыва достигает кульминации в сингулярности. Таким образом, для чёрных дыр математически сингулярность находится в будущем, тогда как для нашей расширяющейся Вселенной она лежит в прошлом. В обоих случаях сингулярности, возникающие в наших моделях, сигнализируют об отсутствии понимания того, что именно происходит в этих необъяснимо плотных точках.
Сложив всё это вместе – различия в расширении, горизонте событий и сингулярностях – мы получаем довольно убедительную картину того, что наша Вселенная не является чёрной дырой. Она просто не похожа на неё!
«Но погодите», — говорит незнакомец с ноткой разочарования. — «Я думал, мы только что вычислили, что наша Вселенная соответствует критериям чёрной дыры. Это же бессмыслица!»
«Что ж, хотя расчёт верен, — отвечаю я, — оказывается, что математическое соотношение, похожее на то, что предложил Шварцшильд, также глубоко заложено в нашей модели расширяющейся Вселенной. Оно характерно не только для чёрных дыр».
Кто знает, какие странности происходят в самых больших космических масштабах, за пределами тех, что мы можем исследовать с помощью наших телескопов. Но, согласно нашим фундаментальным моделям расширяющихся вселенных и невращающихся чёрных дыр, наша Вселенная не обладает признаками нахождения внутри чёрной дыры. Что нам с этим делать? Лично я считаю, что это свидетельство универсальности гравитации, создающей одновременно такие удивительные структуры, как сжимающие пространство-время чёрные дыры и ускоряющуюся расширяющуюся Вселенную.
Йонас Энандер — шведский научный писатель, имеющий докторскую степень по физике. Его недавно опубликованная книга «Facing Infinity: Black holes and our place on Earth» (Atlantic Books/The Experiment, 2025) исследует влияние черных дыр на Вселенную и человечество. Чтобы проиллюстрировать эти идеи, он создал видео, рассказывающее историю с помощью акварельных рисунков.
Тайны Вселенной: Чешир, Англия
Проведите выходные в компании самых ярких умов науки и исследуйте тайны Вселенной в рамках увлекательной программы, включающей экскурсию к знаменитому телескопу Ловелла.
Узнать больше
Источник: www.newscientist.com
