Черные дыры — это не только самые плотные массы во Вселенной, но и самые быстрые из всех массивных объектов.

Когда бы вы ни взглянули туда, в бескрайнюю бездну глубокой Вселенной, больше всего выделяются светящиеся точки: звезды и галактики. Хотя большая часть света, который вы впервые заметите, действительно исходит от звезд, более глубокий взгляд, выходящий далеко за пределы видимой части электромагнитного спектра, показывает, что там гораздо большее. Самые яркие и массивные звезды по самой своей природе имеют самую короткую продолжительность жизни, поскольку они сжигают свое топливо гораздо быстрее, чем их собратья с меньшей массой. Как только они достигают своего предела и больше не могут объединять элементы, они достигают конца своей жизни и становятся звездными трупами. Эти трупы бывают разных видов: белые карлики для звезд с наименьшей массой (например, подобных Солнцу), нейтронные звезды для следующего уровня и черные дыры для самых массивных звезд из всех. Эти компактные объекты испускают электромагнитное излучение, охватывающее диапазон длин волн от радио до рентгеновского света, проявляя свойства, которые варьируются от обыденных до совершенно шокирующих. Хотя сами звезды могут вращаться относительно медленно, черные дыры вращаются почти со скоростью света. Это может показаться нелогичным, но по законам физики по-другому и быть не может. Вот почему. Ближайшим аналогом одного из этих экстремальных объектов в нашей Солнечной системе является Солнце. Примерно через 7 миллиардов лет, после того как он станет красным гигантом и сожжет гелиевое топливо, накопившееся в его ядре, оно закончит свою жизнь, сбросив свои внешние слои, в то время как его ядро ​​сожмется до звездного остатка: самое щадящее из всех основных типов звездной смерти. Внешние слои создадут зрелище, известное как планетарная туманность, которая возникает из-за того, что выбрасываемые газы ионизируются и освещаются сжимающимся центральным ядром. Эта туманность будет светиться десятки тысяч лет, прежде чем остынет и снова станет нейтральной, обычно возвращая этот материал в межзвездную среду. Когда появится возможность, эти атомы будут участвовать в формировании звезд будущих поколений. Но внутреннее ядро, в основном состоящее из углерода и кислорода, будет сжиматься настолько, насколько это возможно. В конце концов, гравитационный коллапс будет остановлен только частицами ⁠ — атомами, ионами и электронами — из которых будет состоять остаток нашего Солнца.Пока вы остаетесь ниже порога критической массы, предела массы Чандрасекара, квантовых свойств, присущих этим частицам, будет достаточно, чтобы удержать звездный остаток от гравитационного коллапса. Конечным этапом для ядра звезды, подобной Солнцу, будет вырожденное состояние, известное как белый карлик. Она будет обладать значительной долей массы своей родительской звезды, но будет втиснута в крошечную часть объема: примерно размером с Землю. Теперь астрономы достаточно знают о звездах и звездной эволюции, чтобы описать, что происходит во время этого процесса. Для такой звезды, как наше Солнце, примерно 60% ее массы будет выброшено во внешние слои, а остальные 40% останутся в ядре. Чем массивнее становится звезда, тем больше массы, в процентном отношении, выбрасывается из ее внешних слоев, и меньше остается в ядре. Для самых массивных звезд, которых постигла та же участь, что и наше Солнце, масса которых примерно в 7-8 раз превышает массу Солнца, массовая доля, оставшаяся в ядре, составляет примерно 18% от исходной массы звезды. Это произошло относительно недавно, поскольку у самой яркой звезды на земном небе, Сириуса, есть компаньон в виде белого карлика, который виден на изображении Хаббла ниже. Сириус А немного ярче и массивнее нашего Солнца, и мы полагаем, что его двойной компаньон, Сириус В, когда-то был даже массивнее Сириуса А. Потому что более массивные звезды сжигают свое ядерное топливо быстрее, чем звезды с меньшей массой, т.е., у Сириуса B, вероятно, закончилось топливо некоторое время назад. Сегодня Сириус А продолжает сжигать свое водородное топливо и доминирует в этой системе с точки зрения массы и яркости. Хотя Сириус А сегодня весит примерно в два раза больше массы нашего Солнца, Сириус В лишь приблизительно равен массе нашего Солнца. Однако, основываясь на наблюдениях за пульсирующими белыми карликами , мы извлекли ценный урок. Вместо того, чтобы совершать полный оборот за несколько дней или даже (как у нашего Солнца) примерно за месяц, как обычно делают обычные звезды, белые карлики совершают полный оборот на 360° всего за час. Это может показаться странным, но если вы когда-нибудь видели фигурное катание, то поймете, что тот же принцип, который объясняет вращающегося фигуриста, подтягивающего руки, объясняет скорость вращения белых карликов: закон сохранения углового момента. Угловой момент — это просто мера того, «сколько вращательного и/или орбитального движения имеет масса?» Если вы раздуете этот массивный объект так, что его масса окажется дальше от центра его вращения, его скорость вращения должна замедлиться, чтобы сохранить угловой момент. Точно так же, если вы сожмете массивный объект, так что большая часть его массы окажется ближе к центру его оси вращения, ему придется увеличить скорость вращения, делая больше оборотов в секунду, чтобы сохранить угловой момент. Что же тогда произойдет, если вы возьмете звезду, подобную нашему Солнцу, — с массой, объемом и скоростью вращения Солнца — и сожмете ее до объема размером с Землю, типичный размер белого карлика?Хотите верьте, хотите нет, но если вы сделаете предположение, что угловой момент сохраняется и что и Солнце, и сжатая версия Солнца, которую мы воображаем, являются сферами, это вполне решаемая задача с единственным возможным ответом. Если мы пойдем консервативно и предположим, что все Солнце совершает полный оборот один раз каждые 33 дня (наибольшее количество времени, которое требуется любой части фотосферы Солнца, чтобы совершить один оборот на 360°) и что только внутренние 40% Солнца становятся белым карликом, вы получите замечательный ответ: Солнце, как белый карлик, совершит оборот всего за 25 минут. Приблизив всю эту массу к оси вращения звездного остатка, мы гарантируем, что скорость его вращения должна возрасти. В общем, если вы вдвое уменьшите радиус объекта при его вращении, скорость его вращения увеличится в четыре раза; скорость вращения обратно пропорциональна квадрату радиуса вращающейся массы. Если учесть, что для прохождения диаметра Солнца требуется примерно 109 земных шаров, вы можете получить тот же ответ для себя. (В действительности белые карлики обычно вращаются немного медленнее, так как самые внешние слои сдуваются, и только внутренний «ядерный» материал сжимается, образуя белый карлик.)Неудивительно, что вы можете начать спрашивать о нейтронных звездах или черных дырах: еще более экстремальных объектах. Нейтронная звезда обычно является продуктом гораздо более массивной звезды, заканчивающей свою жизнь сверхновой, где частицы в ядре настолько сжимаются, что оно ведет себя как одно гигантское атомное ядро, состоящее почти исключительно (90% или более) из нейтронов. Масса нейтронных звезд обычно в два раза превышает массу нашего Солнца, но их диаметр составляет от 10 до 40 км. Они вращаются гораздо быстрее, чем любая известная звезда или белый карлик. Даже самая наивная оценка, которую вы можете дать скорости вращения нейтронной звезды — опять же, по аналогии с нашим Солнцем — показывает, насколько быстро мы можем ожидать вращения нейтронной звезды. Если вы повторите мысленный эксперимент по сжатию всего Солнца в меньший объем, но на этот раз воспользуетесь объемом всего 40 километров в диаметре, вы получите гораздо, гораздо более высокую скорость вращения, чем когда-либо могли бы получить для белого карлика.: около 10 миллисекунд. Тот же самый принцип сохранения углового момента, который мы ранее применили к фигуристу, приводит нас к выводу, что нейтронные звезды могут совершить более 100 полных оборотов за одну секунду. На самом деле, это прекрасно согласуется с нашими реальными наблюдениями. Некоторые нейтронные звезды излучают радиоимпульсы вдоль прямой видимости Земли: пульсары. Мы можем измерить периоды импульсов этих объектов, и хотя некоторым из них требуется примерно полная секунда, чтобы завершить оборот, некоторые из них вращаются всего за 1,3 миллисекунды, до максимума 766 оборотов в секунду. Самые быстро вращающиеся нейтронные звезды называются миллисекундными пульсарами, и они действительно вращаются с невероятно высокой скоростью. На их поверхности эти скорости вращения действительно релятивистские: это означает, что они достигают скоростей, составляющих значительную часть скорости света. Самые экстремальные примеры таких нейтронных звезд могут развивать скорость, превышающую 50% скорости света на внешней поверхности этих нейтронных звезд. Но они даже не приближаются к истинным астрофизическим пределам Вселенной. Нейтронные звезды не являются самыми плотными объектами во Вселенной; эта честь достается черным дырам, которые поглощают всю массу нейтронной звезды, а на самом деле даже больше, и сжимают ее до уровня пространства, из которого не может вырваться даже объект, движущийся со скоростью света.Если вы сожмете Солнце до объема всего в 3 километра в радиусе, это заставит его стать черной дырой. И все же сохранение углового момента будет означать, что большая часть этой внутренней области будет испытывать настолько сильное перетаскивание системы отсчета, что само пространство будет увлекаться со скоростью, приближающейся к скорости света, даже за пределами радиуса Шварцшильда черной дыры. Чем больше вы сжимаете эту массу, тем быстрее растягивается сама ткань пространства. На самом деле, мы не можем измерить вращение самого пространства вблизи черной дыры. Но мы можем измерить увлечение инерциальных систем отсчёта на материи, которая присутствует в этом пространстве. Для черных дыр это означает изучение аккреционных дисков и аккреционных потоков вокруг этих черных дыр, которые существуют в средах, богатых материей. Возможно, это парадоксально, но черные дыры с наименьшей массой, которые имеют наименьшие горизонты событий, на самом деле имеют наибольшую пространственную кривизну на своих горизонтах событий и вблизи них. Поэтому вы можете подумать, что они станут лучшими лабораториями для тестирования этих увлечений инерциальных систем отсчёта. Но природа удивила нас на этом фронте: сверхмассивная черная дыра в центре галактики NGC 1365, которая также является одной из первых галактик, снятых космическим телескопом Джеймса Уэбба, продемонстрировала излучение, испускаемое внешним объемом, что позволило измерить его скорость. Даже на таких больших расстояниях материал вращается со скоростью 84% скорости света. Если вы настаиваете на сохранении углового момента, то по-другому и быть не могло. Впоследствии мы определили скорость вращения черных дыр, которые слились вместе, гравитационно-волновыми обсерваториями, такими как LIGO и Virgo, и обнаружили, что некоторые черные дыры вращаются с теоретической максимальной скоростью: около ~95% скорости света. Интуитивно понять это чрезвычайно сложно: представление о том, что черные дыры должны вращаться почти со скоростью света. В конце концов, звезды, из которых возникли черные дыры, вращаются крайне медленно, даже по земным меркам — один оборот каждые 24 часа. Однако если вы вспомните, что большинство звезд в нашей Вселенной также имеют огромные объемы, вы поймете, что они обладают огромным угловым моментом. Если необходимо сохранить угловой момент, все, что они могут сделать, это увеличить скорость вращения, пока они почти не достигнут скорости света. В этот момент начнут действовать гравитационные волны, и часть этой энергии (и углового момента) будет излучаться, возвращая ее обратно к теоретическому максимальному значению. Если бы не эти процессы, черные дыры могли бы вовсе не быть черными, а демонстрировать обнаженные сингулярности в своих центрах. В этой Вселенной у черных дыр нет другого выбора, кроме как вращаться с необычайной скоростью. Возможно, когда-нибудь мы сможем напрямую измерить их вращение.