Маю упереджену думку, визнаю, але одне з найкультовіших зображень у кіно та астрономічних спостережень в історії – це «погляд зблизька» на чорну діру.

Зокрема, я маю на увазі вигадані зображення Ґарґантюа та реальні фотографії надмасивної чорної діри M87, гігантської галактики, що знаходиться поруч із нами, лише за 53 мільйони світлових років. M87 містить монстра, який концентрує масу близько семи мільярдів сонць. І робить це в об'ємі, подібному до відстані, на якій зараз знаходиться космічний апарат Voyager 1 від нас, що становить приблизно 140 розмірів орбіти Землі навколо Сонця, або менше однієї двадцятитисячної відстані, яка відділяє нас від найближчої зірки. Тобто, в тому ж об'ємі, де знаходяться пара зірок (Сонце та Проксіма Центавра), надмасивна чорна діра M87 концентрує еквівалент кількох мільярдів зірок. І це не найбільша відома чорна діра.

А як ми дізнаємося, що там чорна діра? Як виглядають ці монстри? Зокрема, як вони виглядають на коротких відстанях, якщо ми опинимося прямо перед нею? Щоб зрозуміти це, розглянемо проблему з кількома припущеннями.

Насамперед, подивимося, що станеться, якщо чорна діра буде абсолютно самотньою у Всесвіті. Ми повинні враховувати, що найпопулярніше визначення чорної діри полягає в тому, що навіть світло не може уникнути її гравітаційного тяжіння, тобто світло не має достатньої швидкості, щоб вирватися. У випадку з масою, як у Землі, ніщо не може вийти з неї, якщо не рухається зі швидкістю понад 11 кілометрів на секунду (близько 40 000 кілометрів на годину, що є більш зрозумілою для нас одиницею). Світлу, з його швидкістю 300 000 кілометрів на секунду, недостатньо, щоб уникнути гравітаційного впливу самотньої чорної діри. Отже, ми не повинні нічого бачити, вона не випромінювала б світло, була б буквально невидимою.

Але, можливо, це не так. Я кажу «можливо», тому що це не перевірено, але так зване випромінювання Хокінга було б способом, яким чорна діра дійсно випромінювала б світло. Це випромінювання було б результатом квантових флуктуацій прямо на горизонті подій, який був би поверхнею, де швидкість виходу дорівнює швидкості світла. Під час квантової флуктуації на мить може бути створена частинка та античастинка. І виявляється, що античастинкою фотона є інший фотон. Якщо два фотони створені квантовою флуктуацією, за нормальних умов вони анігілювали б, і ми б цього не помітили. Але якщо при створенні пари фотонів один залишається трохи всередині горизонту подій, а інший зовні, перший не зможе вийти, а другий зможе! Отже, чорні діри дійсно випромінювали б світло! За рахунок своєї маси. Вони не були б такими невидимими, хоча розрахунки Хокінга визначають, що ймовірність цього явища настільки мала, що вони випромінювали б надзвичайно слабке світло, занадто слабке, щоб його можна було виявити за допомогою наших сучасних інструментів. Тим не менш, це настільки важливо, що ми його шукаємо.

Продовжуємо додавати припущення, які у фізиці швидко ускладнюють проблему. Насправді, в нашій сьогоднішній статті ми обговорюємо, що ми побачимо від чорної діри, тому ми вже припускаємо, що вона не самотня у Всесвіті, принаймні ми повинні бути перед нею. І від нас виходить світло (припускаючи, що ми не знаходимося при нулі градусів Кельвіна, ми живі). Найбільш надійне визначення чорної діри полягає в тому, що вона викривляє простір-час таким чином, що ніщо не може прискоритися, щоб мати відкриту траєкторію (або траєкторію виходу), все, що наблизиться занадто близько, впаде в чорну діру. Але якщо ми знаходимося на достатній відстані, деякі з фотонів, які виходять з нас, можуть подорожувати простором, викривленим чорною дірою, і, знову ж таки, якщо ми знаходимося в правильному місці, вони можуть обійти чорну діру (завжди за горизонтом подій, перехід через нього – це «смерть» фотона) і повернутися до нас. Отже, ми могли б побачити себе, як у дзеркалі! Наше зображення було б досить спотвореним, але ми б знали, що там чорна діра. Фактично, це дзеркало було б особливим, тому що, якщо ми знаходимося в потрібному місці і навіть не дивимося прямо на чорну діру, фотони, які виходять з нашої потилиці, могли б побачити свою траєкторію настільки викривленою, що вони могли б досягти наших очей після обходу навколо чорної діри. Це було б дзеркало, яке дозволило б нам побачити нашу потилицю.

Чорна діра, отже, як дзеркало, але також як лупа. Тому що, якщо за чорною дірою є речі (планети, зірки, галактики), близькі чи далекі, чорна діра дозволяє нам бачити їх більш детально та/або спотвореними, залежно від їх відстані та відносного положення відносно чорної діри. Це точно так само, як лупа, яка може сфокусувати сонячне світло в точці або створити дивне зображення (каустик, як його називають).

Продовжуємо ускладнювати проблему. Новий випадок, який ми пропонуємо, насправді є найпоширенішим способом виявлення чорних дір. Якщо навколо чорної діри є матеріал, він розподіляється в диску, який є круговою структурою з чорною дірою посередині та дуже плоскою, звідси і його назва. У цьому диску матеріал нагрівається до високих температур. У випадку з надмасивними чорними дірами, і як якщо б це була велика лампа розжарювання, він може сяяти як ціла галактика. Ми говоримо про газ у зоні, що становить кілька десятків світлових днів, тобто набагато менше, ніж розмір Сонячної системи до її меж, у тому, що відомо як хмара Оорта, яка знаходиться на відстані кількох сотень світлових днів (згаданий нами Voyager 1 знаходиться майже на відстані одного світлового дня). Матеріал диска, випромінюючи світло, втрачає енергію, тому в кінцевому підсумку чорна діра може його проковтнути, тому структура відома як акреційний диск, використовуючи ще одне не дуже відоме слово, але яке визначається як «зростання шляхом додавання матерії».

Але повернемося до нашого питання про те, що ми побачимо від чорної діри. У цій останній ситуації, коли навколо є матеріал, ми повинні побачити диск, що випромінює світло. Але це вірно лише в тому випадку, якщо ми спостерігаємо чорну діру зверху, з тієї ж осі, навколо якої обертається диск. Якщо ми спостерігаємо диск збоку, під певним кутом, ми не бачимо його так, як можна було б очікувати. Спробуйте подивитися на компакт-диск, або краще на вініл, у якого посередині є чорна діра, як у астрономічних акреційних дисках. Якщо ви дивитеся на нього перпендикулярно, ви бачите його круглим, якщо ви дивитеся на нього під певним кутом, ви бачите еліпс, а якщо ви дивитеся на нього з площини диска, ви побачите дуже тонкий сегмент. Але аналогія не підходить для космічних монстрів. Тому що викривлення простору-часу, яке вони створюють, означає, що траєкторія світла з тієї частини диска, яка знаходиться за чорною дірою і яка спочатку рухалася перпендикулярно до диска, спотворюється і обертається навколо чорної діри, нарешті рухаючись до нас. Нам здається, що це світло виходить із зони над чорною дірою, але воно надходить із задньої частини диска. Оскільки диск круглий, він в кінцевому підсумку утворює гребінець над чорною дірою. І те ж саме відбувається знизу: промені світла з нижньої частини зони диска, яка знаходиться за чорною дірою, промені, які спочатку рухалися вниз, викривлюються і досягають нас, як якщо б вони надходили з нижньої області чорної діри.

Зображення Ґарґантюа в «Інтерстелларі» ідеально показує це, воно засноване на наших найкращих моделях випромінювання акреційного диска навколо чорної діри. Хочу підкреслити, що я використовую теперішній час у цьому абзаці, а не умовний спосіб, і це тому, що ми бачили цей ефект! Як для надмасивної чорної діри в галактиці M87, так і для чорної діри в Чумацькому Шляху.

Вид чорної діри зблизька має ще більш надзвичайно цікаві особливості, але у мене закінчується місце. Я лише згадаю, нарешті, кільце світла, яке утворюється навколо, дуже близько до горизонту подій і в зоні більш внутрішній, ніж межі акреційного диска, де фотони можуть набувати майже стабільних кругових орбіт навколо монстра, як якщо б вони були планетою, в тому, що відомо як сфера фотонів. Деякі з цих фотонів врешті-решт вириваються і дають нам бачення кільця. Пошукайте зображення Ґарґантюа, це кільце видно у фільмі. Якби ми були в цьому кільці, ми могли б побачити нашу потилицю, і, закривши коло аргументів у цій статті, як нескінченна кривизна чорної діри в її центрі, я закінчую.