Темные места в современных представлениях о космосе

Состоит ли черная дыра из антивещества и что это вообще такое? Антиматерия и темная материя — связаны ли они между собой? Освежим в памяти эти «темные» загадочные понятия, являющиеся основополагающими в изучении нашего мироустройства

Черная дыра

Черная 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 все, что рядом, не совсем точно. Если бы черная дыра с массой Солнца образовалась на месте нашего светила, ее диаметр составил бы около шести километров, в Солнечной системе настал бы полный блэкаут, 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 черную 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. Звезды массой в несколько раз больше Солнца коллапсируют в нейтронные звезды, а для образования черной дыры необходима еще большая начальная масса.

Сам термин «черная 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 черных дыр.

Далее он вместе со Снайдером в ответ опубликовал статью, где было показано, что гравитационное сжатие массивной звезды приводит к ее отделению от Вселенной на границе горизонта событий.

Наличие сверхмассивных черных дыр предполагается в центре каждой галактики, в нашем Млечном пути она скрыта от Земли другими звездами и межзвездной пылью, но активно изучается сейчас по косвенным свидетельствам вроде изменения траектории окружающих звезд. Подлетая к черной 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 все более красным и, не достигнув горизонта событий, постепенно исчезает из виду.

Антивещество

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.

А еще 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 темной материей Вселенной. Темная 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.

Обсерватория имени Веры Рубин. Фото: lsst.org

Темная материя

Практическую основу для теории темной 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 ее периферии в десятки раз превышает значения, рассчитанные для Солнечной системы. Стало очевидно, что в галактиках все устроено немножко по-другому, так что ньютоновская динамика не работает. Объяснения стали искать в гипотезе Фрица Цвикки, который еще в 1930-е годы предположил наличие во Вселенной «скрытой массы» или «темной 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 темной энергии и темной материи. Их ищут также на Большом адронном коллайдере. По расчетам, они должны составлять более 95% от содержимого Вселенной. Надо найти, или придется менять всю гипотезу.