Наскільки великими бувають чорні діри: масштаби, які важко уявити

Чорна діра здається чимось майже абстрактним. Ми знаємо, що вона має величезну масу, поглинає світло і викривляє простір, але уявити її справжні розміри набагато складніше. Особливо коли мова йде не про чорні діри, що виникають після загибелі масивних зірок, а про надмасивних монстрів у центрах галактик.

NASA спробувало показати цей масштаб буквально. У спеціальній комп'ютерній анімації чорні діри різної маси розташували поруч із добре знайомими нам об'єктами Сонячної системи. І вже через кілька секунд стає зрозуміло: слово «величезні» тут майже нічого не пояснює.

Чорна діра - це не чорна куля

Почнемо з важливого уточнення. Коли ми бачимо на ілюстраціях темне коло, оточене яскравою речовиною, це не поверхня чорної діри.

У чорної діри немає твердої оболонки, на яку можна було б «приземлитися». Навколо неї існує горизонт подій - умовна межа, після перетину якої ні речовина, ні навіть світло вже не можуть повернутися назовні.

Саму чорну діру побачити безпосередньо неможливо. Ми спостерігаємо її вплив на навколишню речовину та світло.

Через сильну гравітацію промені, що проходять поруч, викривляються. У результаті формується характерна темна область, яку зазвичай називають тінню чорної діри. Вона навіть більша за сам горизонт подій.

Саме розмір цієї тіні NASA використало у своїй анімації для порівняння різних надмасивних чорних дір.

Почнемо з «маленької»: 100 тисяч Сонць

Один із перших об'єктів у порівнянні знаходиться в карликовій галактиці 1601+3113.

Маса її центральної чорної діри становить приблизно 100 тисяч мас Сонця.

Сто тисяч Сонць в одному об'єкті звучать вражаюче, але на тлі наступних учасників порівняння ця чорна діра виглядає майже скромно. Її тінь навіть менша за наше Сонце.

А далі масштаб починає зростати дуже швидко.

У центрі нашої галактики теж є чорна діра

У самому центрі Чумацького Шляху розташований об'єкт Sagittarius A*, або Стрілець A*.

Його маса оцінюється приблизно у 4,3 мільйона мас Сонця.

При цьому чорна діра знаходиться приблизно за 26 тисяч світлових років від Землі. Це одночасно неймовірно далеко за людськими масштабами і практично «по сусідству», якщо говорити про розміри Всесвіту.

Розмір її тіні вже можна порівнювати не із Сонцем, а з орбітами планет: її діаметр становить приблизно половину діаметра орбіти Меркурія.

Саме Sagittarius A* стала другою чорною дірою в історії, яку людству вдалося фактично «сфотографувати». Зображення її тіні команда Event Horizon Telescope оприлюднила у 2022 році.

Дві чорні діри, які одного дня стануть однією

Ще цікавіший приклад - галактика NGC 7727.

У її центрі знаходяться одразу дві надмасивні чорні діри. Одна має масу приблизно 6 мільйонів Сонць, друга - понад 150 мільйонів.

Вони розташовані приблизно за 1600 світлових років одна від одної.

Для космосу це вже досить близьке сусідство. За оцінками астрономів, приблизно через 250 мільйонів років ці об'єкти можуть злитися й утворити одну ще масивнішу чорну діру.

Зіткнення чорних дір не означає космічний вибух у звичному розумінні. Значна частина енергії такого процесу поширюється у вигляді гравітаційних хвиль - коливань самого простору-часу.

M87*: чорна діра, яку побачив увесь світ

Наступний масштаб уже зовсім інший.

У центрі гігантської галактики Messier 87 знаходиться чорна діра M87*. Саме її зображення у 2019 році стало першою в історії фотографією тіні чорної діри.

Її маса обчислюється мільярдами мас Сонця.

NASA у своїй візуалізації використовує оцінку близько 5,4 мільярда Сонць. Тінь такого об'єкта настільки велика, що навіть світлу, яке рухається зі швидкістю майже 300 тисяч кілометрів за секунду, знадобилося б приблизно два з половиною дні, щоб перетнути її від краю до краю.

Для порівняння: світло від Сонця до Землі долітає приблизно за вісім хвилин.

І навіть M87* - далеко не межа.

TON 618: коли перестають працювати звичні масштаби

Наприкінці анімації NASA з'являється TON 618.

Це надзвичайно далекий квазар, у центрі якого знаходиться одна з наймасивніших чорних дір, для яких існують прямі астрономічні оцінки.

Її маса перевищує 60 мільярдів мас Сонця.

Тут порівняння із Землею, Сонцем або навіть орбітами внутрішніх планет уже майже втрачають сенс.

Якби промінь світла мав перетнути всю тінь TON 618, йому знадобилися б не секунди, не хвилини й навіть не години - а тижні.

І все це - один об'єкт.

Як чорна діра може бути настільки великою

Саме існування таких гігантів залишається одним із важливих питань сучасної астрофізики.

Надмасивні чорні діри знаходять у центрах більшості великих галактик. Вони можуть рости, поглинаючи газ і зорі, а також зливатися з іншими чорними дірами під час зіткнень галактик.

Але у Всесвіті існують дуже далекі квазари, світло від яких іде до нас мільярди років. Це означає, що величезні чорні діри існували вже тоді, коли сам Всесвіт був відносно молодим.

Як саме деякі з них встигли настільки швидко набрати мільярди сонячних мас - питання, над яким астрономи продовжують працювати.

Чи може така чорна діра поглинути цілу галактику

Популярне уявлення про чорну діру як про космічний пилосос не зовсім правильне.

Її гравітація підкоряється тим самим законам, що й гравітація інших масивних об'єктів. Якщо тіло знаходиться достатньо далеко і рухається стабільною орбітою, чорна діра не починає автоматично його «всмоктувати».

Наприклад, зорі поблизу Sagittarius A* роками й десятиліттями рухаються навколо неї по орбітах. Саме спостереження за цим рухом допомогло астрономам надзвичайно точно визначити масу центральної чорної діри нашої галактики.

Небезпечно стає тоді, коли речовина підходить надто близько.

Тоді гравітаційне поле може розірвати об'єкт, нагріти газ до величезних температур і зрештою відправити частину речовини за горизонт подій.

Найдивніше - ми бачимо не самі чорні діри

Усі ефектні помаранчеві, червоні або блакитні кільця на космічних зображеннях можуть створювати хибне враження, що саме так «світиться» чорна діра.

Насправді світиться речовина навколо неї.

Газ, що падає до чорної діри, може утворювати акреційний диск, розігріватися до колосальних температур і випромінювати величезну кількість енергії. Іноді околиці надмасивної чорної діри стають настільки яскравими, що їх можна бачити через значну частину Всесвіту.

Сама ж область за горизонтом подій залишається для зовнішнього спостерігача недоступною.

Можливо, саме це і робить чорні діри такими захопливими. Ми вже вміємо вимірювати їхню масу, спостерігати рух речовини навколо них, реєструвати зіткнення і навіть отримувати зображення їхніх тіней.

Але побачити, що знаходиться за горизонтом подій, ми все одно не можемо.

І, судячи з масштабу деяких із цих об'єктів, Всесвіт ще довго матиме чим нас дивувати.