Что, если Солнце станет чёрной дырой?

Солнце сжато в чёрную дыру поперечником 6 км: планеты сохраняют орбиты, но свет и тепло исчезают

Гипотеза: физика допускает это на бумаге, но никто этого не видел. Всё показано по теории в её нынешнем виде.

Шаг за шагом

То же притяжение

Ньютон показал в 1687 году, что снаружи круглого тела его притяжение такое же, как если бы вся масса находилась в центре: это теорема о сферической оболочке. Гравитация Эйнштейна с этим согласна, по теореме Биркгофа 1923 года: снаружи круглой массы пространство имеет одну и ту же форму, что бы ни происходило с массой внутри. Поэтому чёрная дыра массой в одно Солнце притягивала бы Землю точно так же, как Солнце сейчас.

Изменились бы только две вещи: не стало бы солнечного света и солнечного тепла. Остальная часть этой истории о том, что это означало бы, рассчитанное по измеренным числам. Ничего подобного никогда не случалось, и с нашим Солнцем это случиться не может.

Как её можно было бы сделать

Природа не может сделать этого с Солнцем. Чёрные дыры рождаются, когда у звезды тяжелее примерно 20 Солнц кончается топливо и её ядро обрушивается само на себя. Остаток должен весить больше примерно 2,3 Солнца, иначе он остановится на нейтронной звезде: самая тяжёлая из известных, PSR J0952−0607, весит 2,35 Солнца (Романи и др., 2022).

Так что это мысленный эксперимент: Солнце просто заменяют чёрной дырой той же массы. Настоящее сжатие высвободило бы в сотни раз больше энергии, чем Солнце излучает за всю свою жизнь; здесь это не учтено. Рисунок показывает сжатие в скользящем масштабе.

Восемь минут солнечного света

Почувствовала бы Земля изменение притяжения раньше? Изменения гравитации тоже распространяются со скоростью света: в 2017 году гравитационные волны от столкновения нейтронных звёзд GW170817 пришли не более чем через две секунды после его света, пробыв в пути 130 миллионов лет. Но здесь передавать нечего: дыра притягивает так же, как Солнце.

Луна и планеты светятся только солнечным светом, поэтому они тоже погасли бы, каждая, когда до нас дошёл бы её последний отражённый свет: Луна в пределах трёх секунд после Солнца, Юпитер больше чем через час, а Нептун примерно через 8 часов.

Чёрное небо

Без солнечного света, который можно рассеять, воздух больше не светится голубым, и дневное небо становится таким же чёрным, как ночное. Луна исчезла бы, и её можно было бы заметить только там, где она закрывает звёзды. Дыра слишком мала, чтобы её было видно на рисунке, поэтому её место отмечено.

Холод

Как быстро она к ней придёт, рассчитано по простой модели: порода, которая несёт тепло снизу, и воздух над ней, который выпускает тепло в космос. Парниковый эффект слабеет, когда холод вымораживает из воздуха водяной пар, а позже и углекислый газ. Ветры, несущие тепло с моря и поначалу замедлявшие бы остывание суши, не учтены.

Море замерзает

Так что море не промёрзло бы ни за год, ни за век: под ледяной крышкой жидкая вода продержалась бы десятки тысяч лет. Температуры и толщина льда взяты из этой модели, и более полная модель могла бы дать несколько иные значения.

Жизнь в темноте

Жизнь на поверхности, которая питается пищей, созданной растениями из солнечного света, вымерла бы за несколько месяцев. Но некоторой жизни Солнце никогда не было нужно: она питается химическими веществами из горных пород, на морском дне и глубоко под землёй.

В 1977 году подводный аппарат Alvin нашёл на дне Тихого океана у Галапагосских островов горячие источники, полные гигантских трубчатых червей, моллюсков и крабов. Они живут за счёт микробов, которые получают энергию не от света, а от сероводорода в воде, поднимающейся из пород.

Многие из этих микробов и животные всё же дышат кислородом, который растения создали на солнечном свете и который растворён в море. Без Солнца нового кислорода не появится, поэтому крупные животные источников вымерли бы по мере того, как его становилось бы меньше. Микробы, которым кислород не нужен, жили бы дальше.

Ещё глубже, в 2008 году, была найдена бактерия Desulforudis audaxviator, которая живёт в одиночку на глубине 2,8 км в южноафриканской золотой шахте, питаясь водой, расщеплённой радиоактивностью породы (Чивиан и др.). Такая жизнь могла бы продолжаться в темноте миллионы лет.

Вблизи

Чёрные дыры, снятые Event Horizon Telescope, M87* в 2019 году и Стрелец A* в 2022-м, показывают кольцо света, потому что в них падает и нагревается газ. Вокруг дыры на месте Солнца пространство было бы почти пустым, поэтому она бы не светилась: её можно было бы заметить только по тому, как она искривляет небо.

Искривление света звёзд на рисунке следует общей теории относительности, луч за лучом. Сами звёзды нарисованы, а небо сделано ярче, чем оно выглядело бы на самом деле, словно для глаз, давно привыкших к темноте.

Растянутые

Ближе она вытянула бы тело в длинную тонкую нить, что астрономы называют спагеттификацией, задолго до горизонта. Там, где раньше была поверхность Солнца, в 696 000 км, растяжение меньше миллионной доли земной силы тяжести: прилив зависит от того, насколько вы близко, а не от того, насколько мала дыра.

Большие дыры у края мягче. У горизонта Стрельца A*, который в четыре миллиона раз тяжелее, растяжение человека гораздо меньше земной силы тяжести, и его можно пересечь, ничего не почувствовав. Кольца на рисунке отмечают, где растяжение равно одной и десяти земным силам тяжести.

Что будет на самом деле

Звезда становится чёрной дырой, только если рождается с массой больше примерно 20 солнечных. Солнце же исчерпает водород в ядре, раздуется примерно в 200 раз по ширине и сбросит внешние слои. Его горячее ядро останется белым карликом размером примерно с Землю, который будет медленно остывать триллионы лет.

Земля продолжит обращаться вокруг него, если её прежде не поглотит красный гигант, и на ночном небе вместо Солнца будет маленькая угасающая белая звезда. Симуляция «Смерть Солнца» в разделе «Явления» показывает, как оно закончит свою жизнь на самом деле.

Ближайшая известная чёрная дыра, Gaia BH1, находится в 1560 световых годах (Эль-Бадри и др., 2023). Она в десять раз тяжелее Солнца, и вокруг неё обращается звезда, похожая на Солнце, так же, как Земля обращалась бы вокруг Солнца, ставшего чёрной дырой.