Превратится ли наше Солнце когда-нибудь в чёрную дыру? Состоит ли чёрная дыра из антивещества и что это вообще такое? Антиматерия и тёмная материя — связаны ли между собой? Все эти «тёмные» загадочные понятия являются основополагающими в изучении нашего мироустройства и космоса в частности.
Чёрная дыра есть и в Млечном Пути
Чёрная дыра — это совсем не дыра, а даже, наоборот, вполне материальный объект: сгусток вещества чрезвычайно высокой плотности. Представление о том, что она засасывает в себя как суперпылесос всё, что рядом, не совсем точно. Если бы чёрная дыра с массой Солнца образовалась на месте нашего светила, её диаметр составил бы около шести километров, в Солнечной системе настал бы полный блэкаут (беспросветный мрак), но движение планет и, в частности, Земли, никак бы не изменилось, поскольку гравитационные силы зависят исключительно от массы объекта, а не от его плотности.
В реальности превращение в чёрную дыру Солнцу не светит, поскольку, по нынешним понятиям, максимум, на что звезда подобного размера может рассчитывать, — это судьба остывшего белого карлика после кратковременного расширения до красного гиганта. Звёзды массой в несколько раз больше Солнца коллапсируют (сжимаются) в нейтронные звёзды, а для образования чёрной дыры необходима еще большая начальная масса.
Сам термин «чёрная дыра» в обиход ввел американский физик Джон Уилер в 1967 году для наглядности, а процесс гравитационного коллапса был описан в 1939 году Робертом Оппенгеймером и его учеником Хартлэндом Снайдером на основе уравнений астронома Карла Шварцшильда. Началось с того, что Оппенгеймер поспорил с Альбертом Эйнштейном, который обосновал невозможность существования чёрных дыр. Далее Оппенгеймер вместе со Снайдером в ответ опубликовал статью, где было показано, что гравитационное сжатие массивной звезды приводит к её отделению от Вселенной на границе горизонта событий.
Наличие сверхмассивных чёрных дыр предполагается в центре каждой галактики, в нашем Млечном Пути (Млечный Путь – название нашей галактики) она скрыта от Земли другими звездами и межзвёздной пылью, но активно изучается сейчас по косвенным свидетельствам вроде изменения траектории окружающих звёзд. Подлетая к чёрной дыре, готовьтесь пройти процесс «спагеттизации», то есть, вытягивания в длинную макаронину. Что при этом происходит внутри, никто не знает. Но снаружи это должно выглядеть так, что объект по мере приближения к дыре вытягивается, тормозит, становится всё более красным и, не достигнув горизонта событий, постепенно исчезает из виду.
Антивещество – самое дорогое в мире
Что мы знаем сегодня об антиматерии? Есть позитроны — электроны с положительным зарядом. Они выделяются некоторыми природными изотопами и уже используются в медицине для диагностики — это ПЭТ/КТ. Есть антипротоны. Обещают, что ими можно будет с успехом облучать опухоли. Есть антинейтроны — без заряда, но с противоположным магнитным моментом. Синтезированы ядра атомов антиводорода и антигелия. Живут они недолго: рекорд для антиводорода в специальной ловушке — всего 17 минут.
Бомба и даже батарейка с антивеществом — пока утопия. В книге Дэна Брауна «Ангелы и демоны» украденное антивещество должно взорвать Ватикан. За автора пришлось оправдываться физикам из CERN (Европейского совета по ядерным исследованиям): за 20 лет они произвели всего антивещества разве что на одну детскую хлопушку.
Большая загадка для науки — доминирование вещества Вселенной над антивеществом, которое называют барионной асимметрией. Хотя отличить галактику от антигалактики в телескоп невозможно: фотоны и в антимире фотоны. Но уже известно, что антигравитации в антимирах нет: это доказали в сентябре 2023 года в одном из экспериментов CERN. Сила гравитации зависит от энергии, в материи и антиматерии она положительна, то есть, её действие одинаково.
А ещё антивещество — это самое дорогое в мире вещество, одна миллиардная доля грамма антипротонов стоит несколько сот миллионов швейцарских франков. Почему франки? Потому что главная фабрика по производству антивещества — это как раз CERN, которая располагается на границе Швейцарии и Франции.
Добавим, что важно не путать антивещество с тёмной материей Вселенной. Тёмная она потому, что ни фотонов, ни других электромагнитных излучений не испускает. И вообще, в отличие от антиматерии, может, и существует только в гравитационных расчетах физиков. Прямых доказательств пока нет.
Тёмная материя: законы Ньютона не работают
Практическую основу для теории тёмной материи во Вселенной дали наблюдения за галактиками Веры Рубин, которую считают одной из самых недооцененных исследовательниц в астрономии.
В 1960-е годы вместе с Кентом Фордом она изучала поведение ближайшей к нам галактики Андромеда и обнаружила, что скорость вращения звезд на её периферии в десятки раз превышает значения, рассчитанные для Солнечной системы. Стало очевидно, что в галактиках всё устроено немножко по-другому, так что ньютоновская динамика — базовая теория, описывающая движение тел в пространстве и времени, — не работает. Объяснения стали искать в гипотезе Фрица Цвикки, который еще в 1930-е годы предположил наличие во Вселенной «скрытой массы» или «тёмной материи».
Сама Вера Рубин говорила, что предпочла бы объяснить парадокс, согласно бритве Оккама, модифицированной ньютоновской динамикой, чтобы не было необходимости допускать неизвестный вид элементарных частиц. Но более простого объяснения до сих пор не нашлось.
Одна из версий предполагает, что недостающая масса сконцентрирована в галактических гало — сферических скоплениях на периферии галактик — и состоит из горячего газа температурой свыше миллиона градусов.
Вере Рубин принадлежит открытие галактик, в которых звезды вращаются как по часовой, так и против часовой стрелки, галактик с полярным кольцом и сливающихся галактик. Ее достижения не были отмечены Нобелевской премией, но в 1996 году она получила почетнейшую золотую медаль Королевского астрономического общества. Именем Рубин названа построенная в 2025 году в чилийских горах обсерватория. Одна из задач комплекса как раз поиск признаков тёмной энергии и тёмной материи. Их ищут также на Большом адронном коллайдере. По расчетам, они должны составлять более 95 процентов от содержимого Вселенной. Надо найти — или придется менять всю гипотезу.
Сергей Корзун, BFM