Притяжение черной дыры. Черная дыра – самый загадочный объект во Вселенной

Научное мышление подчас конструирует объекты со столь парадоксальными свойствами, что даже самые проницательные ученые поначалу отказывают им в признании. Самый наглядный пример в истории новейшей физики — многолетнее отсутствие интереса к черным дырам, экстремальным состояниям гравитационного поля, предсказанным почти 90 лет назад. Долгое время их считали чисто теоретической абстракцией, и лишь в 1960-70-е годы уверовали в их реальность. Однако основное уравнение теории черных дыр было выведено свыше двухсот лет назад.

Озарение Джона Мичелла

Имя Джона Мичелла, физика, астронома и геолога, профессора Кембриджского университета и пастора англиканской церкви, совершенно незаслуженно затерялось среди звезд английской науки XVIII века. Мичелл заложил основы сейсмологии — науки о землетрясениях, выполнил превосходное исследование магнетизма и задолго до Кулона изобрел крутильные весы, которые использовал для гравиметрических измерений. В 1783 году он попытался объединить два великих творения Ньютона — механику и оптику. Ньютон считал свет потоком мельчайших частиц. Мичелл предположил, что световые корпускулы, как и обычная материя, подчиняются законам механики. Следствие из этой гипотезы оказалось весьма нетривиальным — небесные тела могут превратиться в ловушки для света.

Как рассуждал Мичелл? Пушечное ядро, выстреленное с поверхности планеты, полностью преодолеет ее притяжение, лишь если его начальная скорость превысит значение, называемое теперь второй космической скоростью и скоростью убегания. Если гравитация планеты столь сильна, что скорость убегания превышает скорость света, выпущенные в зенит световые корпускулы не смогут уйти в бесконечность. Это же произойдет и с отраженным светом. Следовательно, для очень удаленного наблюдателя планета окажется невидимой. Мичелл вычислил критическое значение радиуса такой планеты R кр в зависимости от ее массы М, приведенной к массе нашего Солнца M s: R кр = 3 км x M/M s .

Джон Мичелл верил своим формулам и предполагал, что глубины космоса скрывают множество звезд, которые с Земли нельзя разглядеть ни в один телескоп. Позже к такому же выводу пришел великий французский математик, астроном и физик Пьер Симон Лаплас, включивший его и в первое (1796), и во второе (1799) издания своего «Изложения системы мира». А вот третье издание вышло в свет 1808 году, когда большинство физиков уже считало свет колебаниями эфира. Существование «невидимых» звезд противоречило волновой теории света, и Лаплас счел за лучшее о них просто не упоминать. В последующие времена эту идею считали курьезом, достойным изложения лишь в трудах по истории физики.

Модель Шварцшильда

В ноябре 1915 года Альберт Эйнштейн опубликовал теорию гравитации, которую он назвал общей теорией относительности (ОТО). Эта работа сразу же нашла благодарного читателя в лице его коллеги по Берлинской Академии наук Карла Шварцшильда. Именно Шварцшильд первым в мире применил ОТО для решения конкретной астрофизической задачи, расчета метрики пространства-времени вне и внутри невращающегося сферического тела (для конкретности будем называть его звездой).

Из вычислений Шварцшильда следует, что тяготение звезды не слишком искажает ньютоновскую структуру пространства и времени лишь в том случае, если ее радиус намного больше той самой величины, которую вычислил Джон Мичелл! Этот параметр сначала называли радиусом Шварцшильда, а сейчас именуют гравитационным радиусом. Согласно ОТО, тяготение не влияет на скорость света, но уменьшает частоту световых колебаний в той же пропорции, в которой замедляет время. Если радиус звезды в 4 раза превосходит гравитационный радиус, то поток времени на ее поверхности замедляется на 15%, а пространство приобретает ощутимую кривизну. При двукратном превышении оно искривляется сильнее, а время замедляет свой бег уже на 41%. При достижении гравитационного радиуса время на поверхности звезды полностью останавливается (все частоты зануляются, излучение замораживается, и звезда гаснет), однако кривизна пространства там все еще конечна. Вдали от светила геометрия по-прежнему остается евклидовой, да и время не меняет своей скорости.

Несмотря на то что значения гравитационного радиуса у Мичелла и Шварцшильда совпадают, сами модели не имеют ничего общего. У Мичелла пространство и время не изменяются, а свет замедляется. Звезда, размеры которой меньше ее гравитационного радиуса, продолжает светить, однако видна она только не слишком удаленному наблюдателю. У Шварцшильда же скорость света абсолютна, но структура пространства и времени зависит от тяготения. Провалившаяся под гравитационный радиус звезда исчезает для любого наблюдателя, где бы он ни находился (точнее, ее можно обнаружить по гравитационным эффектам, но отнюдь не по излучению).

От неверия к утверждению

Шварцшильд и его современники полагали, что столь странные космические объекты в природе не существуют. Сам Эйнштейн не только придерживался этой точки зрения, но и ошибочно считал, что ему удалось обосновать свое мнение математически.

В 1930-е годы молодой индийский астрофизик Чандрасекар доказал, что истратившая ядерное топливо звезда сбрасывает оболочку и превращается в медленно остывающий белый карлик лишь в том случае, если ее масса меньше 1,4 масс Солнца. Вскоре американец Фриц Цвикки догадался, что при взрывах сверхновых возникают чрезвычайно плотные тела из нейтронной материи; позднее к этому же выводу пришел и Лев Ландау. После работ Чандрасекара было очевидно, что подобную эволюцию могут претерпеть только звезды с массой больше 1,4 масс Солнца. Поэтому возник естественный вопрос — существует ли верхний предел массы для сверхновых, которые оставляют после себя нейтронные звезды?

В конце 30-х годов будущий отец американской атомной бомбы Роберт Оппенгеймер установил, что такой предел действительно имеется и не превышает нескольких солнечных масс. Дать более точную оценку тогда не было возможности; теперь известно, что массы нейтронных звезд обязаны находиться в интервале 1,5-3 M s . Но даже из приблизительных вычислений Оппенгеймера и его аспиранта Джорджа Волкова следовало, что самые массивные потомки сверхновых не становятся нейтронными звездами, а переходят в какое-то другое состояние. В 1939 году Оппенгеймер и Хартланд Снайдер на идеализированной модели доказали, что массивная коллапсирующая звезда стягивается к своему гравитационному радиусу. Из их формул фактически следует, что звезда на этом не останавливается, однако соавторы воздержались от столь радикального вывода.

Окончательный ответ был найден во второй половине XX века усилиями целой плеяды блестящих физиков-теоретиков, в том числе и советских. Оказалось, что подобный коллапс всегда сжимает звезду «до упора», полностью разрушая ее вещество. В результате возникает сингулярность, «суперконцентрат» гравитационного поля, замкнутый в бесконечно малом объеме. У неподвижной дыры это точка, у вращающейся — кольцо. Кривизна пространства-времени и, следовательно, сила тяготения вблизи сингулярности стремятся к бесконечности. В конце 1967 года американский физик Джон Арчибальд Уилер первым назвал такой финал звездного коллапса черной дырой. Новый термин полюбился физикам и привел в восторг журналистов, которые разнесли его по всему миру (хотя французам он сначала не понравился, поскольку выражение trou noir наводило на сомнительные ассоциации).

Там, за горизонтом

Черная дыра — это не вещество и не излучение. С некоторой долей образности можно сказать, что это самоподдерживающееся гравитационное поле, сконцентрированное в сильно искривленной области пространства-времени. Ее внешняя граница задается замкнутой поверхностью, горизонтом событий. Если звезда перед коллапсом не вращалась, эта поверхность оказывается правильной сферой, радиус которой совпадает с радиусом Шварцшильда.

Физический смысл горизонта очень нагляден. Световой сигнал, посланный с его внешней окрестности, может уйти на бесконечно далекую дистанцию. А вот сигналы, отправленные из внутренней области, не только не пересекут горизонта, но и неизбежно «провалятся» в сингулярность. Горизонт — это пространственная граница между событиями, которые могут стать известны земным (и любым иным) астрономам, и событиями, информация о которых ни при каком раскладе не выйдет наружу.

Как и положено «по Шварцшильду», вдали от горизонта притяжение дыры обратно пропорционально квадрату расстояния, поэтому для удаленного наблюдателя она проявляет себя как обычное тяжелое тело. Кроме массы, дыра наследует момент инерции коллапсировшей звезды и ее электрический заряд. А все остальные характеристики звезды-предшественницы (структура, состав, спектральный класс и т. п.) уходят в небытие.

Отправим к дыре зонд с радиостанцией, подающей сигнал раз в секунду по бортовому времени. Для удаленного наблюдателя по мере приближения зонда к горизонту интервалы времени между сигналами будут увеличиваться — в принципе, неограниченно. Как только корабль пересечет невидимый горизонт, он полностью замолчит для «наддырного» мира. Однако это исчезновение не окажется бесследным, поскольку зонд отдаст дыре свою массу, заряд и вращательный момент.

Чернодырное излучение

Все предыдущие модели были построены исключительно на основе ОТО. Однако наш мир управляется законами квантовой механики, которые не обходят вниманием и черные дыры. Эти законы не позволяют считать центральную сингулярность математической точкой. В квантовом контексте ее поперечник задается длиной Планка—Уилера, приблизительно равной 10 -33 сантиметра. В этой области обычное пространство перестает существовать. Принято считать, что центр дыры нафарширован разнообразными топологическими структурами, которые появляются и погибают в соответствии с квантовыми вероятностными закономерностями. Свойства подобного пузырящегося квазипространства, которое Уилер назвал квантовой пеной, еще мало изучены.

Наличие квантовой сингулярности имеет прямое отношение к судьбе материальных тел, падающих вглубь черной дыры. При приближении к центру дыры любой объект, изготовленный из ныне известных материалов, будет раздавлен и разорван приливными силами. Однако даже если будущие инженеры и технологи создадут какие-то сверхпрочные сплавы и композиты с невиданными ныне свойствами, все они все равно обречены на исчезновение: ведь в зоне сингулярности нет ни привычного времени, ни привычного пространства.

Теперь рассмотрим в квантовомеханическую лупу горизонт дыры. Пустое пространство — физический вакуум — на самом деле отнюдь не пусто. Из-за квантовых флуктуаций различных полей в вакууме непрерывно рождается и погибает множество виртуальных частиц. Поскольку тяготение около горизонта весьма велико, его флуктуации создают чрезвычайно сильные гравитационные всплески. При разгоне в таких полях новорожденные «виртуалы» приобретают дополнительную энергию и подчас становятся нормальными долгоживущими частицами.

Виртуальные частицы всегда рождаются парами, которые движутся в противоположных направлениях (этого требует закон сохранения импульса). Если гравитационная флуктуация извлечет из вакуума пару частиц, может случиться так, что одна из них материализуется снаружи горизонта, а вторая (античастица первой) — внутри. «Внутренняя» частица провалится в дыру, а вот «внешняя» при благоприятных условиях может уйти. В результате дыра превращается в источник излучения и поэтому теряет энергию и, следовательно, массу. Поэтому черные дыры в принципе не стабильны.

Этот феномен называется эффектом Хокинга, в честь замечательного английского физика-теоретика, который его открыл в середине 1970-х годов. Стивен Хокинг, в частности, доказал, что горизонт черной дыры излучает фотоны точно так же, как и абсолютно черное тело, нагретое до температуры T = 0,5 x 10 -7 x M s /M. Отсюда следует, что по мере похудания дыры ее температура возрастает, а «испарение», естественно, усиливается. Этот процесс чрезвычайно медленный, и время жизни дыры массы M составляет около 10 65 x (M/M s) 3 лет. Когда ее размер становится равным длине Планка—Уилера, дыра теряет стабильность и взрывается, выделяя ту же энергию, что и одновременный взрыв миллиона десятимегатонных водородных бомб. Любопытно, что масса дыры в момент ее исчезновения все еще довольно велика, 22 микрограмма. Согласно некоторым моделям, дыра не исчезает бесследно, а оставляет после себя стабильный реликт такой же массы, так называемый максимон.

Максимон родился 40 лет назад — как термин и как физическая идея. В 1965 году академик М. А. Марков предположил, что существует верхняя граница массы элементарных частиц. Он предложил считать этим предельным значением величину размерности массы, которую можно скомбинировать из трех фундаментальных физических констант — постоянной Планка h, скорости света C и гравитационной постоянной G (для любителей подробностей: для этого надо перемножить h и C, разделить результат на G и извлечь квадратный корень). Это те самые 22 микрограмма, о которых говорится в статье, эту величину называют планковской массой. Из тех же констант можно сконструировать величину с размерностью длины (выйдет длина Планка—Уилера, 10 -33 см) и с размерностью времени (10 -43 сек).
Марков пошел в своих рассуждениях и дальше. Согласно его гипотезе, испарение черной дыры приводит к образованию «сухого остатка» — максимона. Марков назвал такие структуры элементарными черными дырами. Насколько эта теория отвечает реальности, пока что вопрос открытый. Во всяком случае, аналоги марковских максимонов возрождены в некоторых моделях черных дыр, выполненных на базе теории суперструн.

Глубины космоса

Черные дыры не запрещены законами физики, но существуют ли они в природе? Совершенно строгие доказательства наличия в космосе хоть одного подобного объекта пока не найдены. Однако весьма вероятно, что в некоторых двойных системах источниками рентгеновского излучения являются черные дыры звездного происхождения. Это излучение должно возникать вследствие отсасывания атмосферы обычной звезды гравитационным полем дыры-соседки. Газ во время движения к горизонту событий сильно нагревается и испускает рентгеновские кванты. Не меньше двух десятков рентгеновских источников сейчас считаются подходящими кандидатами на роль черных дыр. Более того, данные звездной статистики позволяют предположить, что только в нашей Галактике существует около десяти миллионов дыр звездного происхождения.

Черные дыры могут формироваться и в процессе гравитационного сгущения вещества в галактических ядрах. Так возникают исполинские дыры с массой в миллионы и миллиарды солнечных, которые, по всей вероятности, имеются во многих галактиках. Судя по всему, в закрытом пылевыми облаками центре Млечного Пути прячется дыра с массой 3-4 миллиона масс Солнца.

Стивен Хокинг пришел к выводу, что черные дыры произвольной массы могли рождаться и сразу после Большого Взрыва, давшего начало нашей Вселенной. Первичные дыры массой до миллиарда тонн уже испарились, но более тяжелые могут и сейчас скрываться в глубинах космоса и в свой срок устроивать космический фейерверк в виде мощнейших вспышек гамма-излучения. Однако до сих пор такие взрывы ни разу не наблюдались.

Фабрика черных дыр

А нельзя ли разогнать частицы в ускорителе до столь высокой энергии, чтобы их столкновение породило черную дыру? На первый взгляд, эта идея просто безумна — взрыв дыры уничтожит все живое на Земле. К тому же она технически неосуществима. Если минимальная масса дыры действительно равна 22 микрограммам, то в энергетических единицах это 10 28 электронвольт. Этот порог на 15 порядков превышает возможности самого мощного в мире ускорителя, Большого адронного коллайдера (БАК), который будет запущен в ЦЕРНе в 2007 году.

Однако не исключено, что стандартная оценка минимальной массы дыры значительно завышена. Во всяком случае, так утверждают физики, разрабатывающие теорию суперструн, которая включает в себя и квантовую теорию гравитации (правда, далеко не завершенную). Согласно этой теории, пространство имеет не три измерения, а не менее девяти. Мы не замечаем дополнительных измерений, поскольку они закольцованы в столь малых масштабах, что наши приборы их не воспринимают. Однако гравитация вездесуща, она проникает и в скрытые измерения. В трехмерном пространстве сила тяготения обратно пропорциональна квадрату расстояния, а в девятимерном — восьмой степени. Поэтому в многомерном мире напряженность гравитационного поля при уменьшении дистанции возрастает намного быстрее, нежели в трехмерном. В этом случае планковская длина многократно увеличивается, а минимальная масса дыры резко падает.

Теория струн предсказывает, что в девятимерном пространстве может родиться черная дыра с массой всего лишь в 10 -20 г. Примерно такова же и расчетная релятивистская масса протонов, разогнанных в церновском суперускорителе. Согласно наиболее оптимистическому сценарию, он сможет ежесекундно производить по одной дыре, которая проживет около 10 -26 секунд. В процессе ее испарения будут рождаться всевозможные элементарные частицы, которые будет несложно зарегистрировать. Исчезновение дыры приведет к выделению энергии, которой не хватит даже для того, чтобы нагреть одним микрограмм воды на тысячную градуса. Поэтому есть надежда, что БАК превратится в фабрику безвредных черных дыр. Если эти модели верны, то такие дыры смогут регистрировать и орбитальные детекторы космических лучей нового поколения.

Все вышеописанное относится к неподвижным черным дырам. Между тем, существуют и вращающиеся дыры, обладающие букетом интереснейших свойств. Результаты теоретического анализа чернодырного излучения привели также к серьезному переосмыслению понятия энтропии, которое также заслуживает отдельного разговора. Об этом — в следующем номере.

January 24th, 2013

Из всех гипотетических объектов Вселенной, предсказываемых научными теориями, черные дыры производят самое жуткое впечатление. И, хотя предположения об их существовании начали высказываться почти за полтора столетия до публикации Эйнштейном общей теории относительности, убедительные свидетельства реальности их существования получены совсем недавно.

Давайте начнем с того, как общая теория относительности решает вопрос о природе гравитации. Закон всемирного тяготения Ньютона утверждает, что между двумя любыми массивными телами во Вселенной действует сила взаимного притяжения. По причине такого гравитационного притяжения Земля обращается вокруг Солнца. Общая теория относительности заставляет нас взглянуть на систему Солнце—Земля иначе. Согласно этой теории в присутствии столь массивного небесного тела, как Солнце, пространство-время как бы проминается под его тяжестью, и равномерность его ткани нарушается. Представьте себе эластичный батут, на котором лежит тяжелый шар (например, от боулинга). Натянутая ткань прогибается под его весом, создавая вокруг разрежение. Таким же образом Солнце продавливает пространство-время вокруг себя.

Согласно этой картине Земля просто катается вокруг образовавшейся воронки (за исключением того, что маленький шарик, катающийся вокруг тяжелого на батуте неизбежно будет терять скорость и по спирали приближаться к большому). И то, что мы привычно воспринимаем как силу земного притяжения в нашей повседневной жизни, также есть ни что иное, как изменение геометрии пространства-времени, а не сила в ньютоновском понимании. На сегодня более удачного объяснения природы гравитации, чем дает нам общая теория относительности, не придумано.

А теперь представьте, что произойдет, если мы будем — в рамках предложенной картины — увеличивать и увеличивать массу тяжелого шара, не увеличивая при этом его физических размеров? Будучи абсолютно эластичной, воронка будет углубляться до тех пор, пока ее верхние края не сойдутся где-то высоко над совсем потяжелевшим шаром, и тогда он просто перестанет существовать при взгляде с поверхности. В реальной Вселенной, накопив достаточную массу и плотность материи, объект захлопывает вокруг себя пространственно-временную ловушку, ткань пространства-времени смыкается, и он теряет связь с остальной Вселенной, становясь невидимым для нее. Так возникает черная дыра.

Шварцшильд и его современники полагали, что столь странные космические объекты в природе не существуют. Сам Эйнштейн не только придерживался этой точки зрения, но и ошибочно считал, что ему удалось обосновать свое мнение математически.

В 1930-е годы молодой индийский астрофизик Чандрасекар доказал, что истратившая ядерное топливо звезда сбрасывает оболочку и превращается в медленно остывающий белый карлик лишь в том случае, если ее масса меньше 1,4 масс Солнца. Вскоре американец Фриц Цвикки догадался, что при взрывах сверхновых возникают чрезвычайно плотные тела из нейтронной материи; позднее к этому же выводу пришел и Лев Ландау. После работ Чандрасекара было очевидно, что подобную эволюцию могут претерпеть только звезды с массой больше 1,4 масс Солнца. Поэтому возник естественный вопрос — существует ли верхний предел массы для сверхновых, которые оставляют после себя нейтронные звезды?

В конце 30-х годов будущий отец американской атомной бомбы Роберт Оппенгеймер установил, что такой предел действительно имеется и не превышает нескольких солнечных масс. Дать более точную оценку тогда не было возможности; теперь известно, что массы нейтронных звезд обязаны находиться в интервале 1,5-3 Ms. Но даже из приблизительных вычислений Оппенгеймера и его аспиранта Джорджа Волкова следовало, что самые массивные потомки сверхновых не становятся нейтронными звездами, а переходят в какое-то другое состояние. В 1939 году Оппенгеймер и Хартланд Снайдер на идеализированной модели доказали, что массивная коллапсирующая звезда стягивается к своему гравитационному радиусу. Из их формул фактически следует, что звезда на этом не останавливается, однако соавторы воздержались от столь радикального вывода.

09.07.1911 - 13.04.2008

Окончательный ответ был найден во второй половине XX века усилиями целой плеяды блестящих физиков-теоретиков, в том числе и советских. Оказалось, что подобный коллапс всегда сжимает звезду «до упора», полностью разрушая ее вещество. В результате возникает сингулярность, «суперконцентрат» гравитационного поля, замкнутый в бесконечно малом объеме. У неподвижной дыры это точка, у вращающейся — кольцо. Кривизна пространства-времени и, следовательно, сила тяготения вблизи сингулярности стремятся к бесконечности. В конце 1967 года американский физик Джон Арчибальд Уилер первым назвал такой финал звездного коллапса черной дырой. Новый термин полюбился физикам и привел в восторг журналистов, которые разнесли его по всему миру (хотя французам он сначала не понравился, поскольку выражение trou noir наводило на сомнительные ассоциации).

Важнейшее свойство черной дыры — что бы в нее ни попало, обратно оно не вернется. Это касается даже света, вот почему черные дыры и получили свое название: тело, поглощающее весь свет, падающий на него, и не испускающее собственного кажется абсолютно черным. Согласно общей теории относительности, если объект приближается к центру черной дыры на критическое расстояние — это расстояние называется радиусом Шварцшильда, — он уже никогда не сможет вернуться назад. (Немецкий астроном Карл Шварцшильд (Karl Schwarzschild, 1873-1916) в последние годы своей жизни, используя уравнения общей теории относительности Эйнштейна, рассчитал гравитационное поле вокруг массы нулевого объема.) Для массы Солнца радиус Шварцшильда составляет 3 км, то есть, чтобы превратить наше Солнце в черную дыру, нужно уплотнить всю его массу до размера небольшого городка!

Внутри радиуса Шварцшильда теория предсказывает явления еще более странные: всё вещество черной дыры собирается в бесконечно малую точку бесконечной плотности в самом ее центре — математики называют такой объект сингулярным возмущением. При бесконечной плотности любая конечная масса материи, математически говоря, занимает нулевой пространственный объем. Происходит ли это явление реально внутри черной дыры, мы, естественно, экспериментально проверить не можем, поскольку всё попавшее внутрь радиуса Шварцшильда обратно не возвращается.

Не имея, таким образом, возможности «рассмотреть» черную дыру в традиционном смысле слова «смотреть», мы, тем не менее, можем обнаружить ее присутствие по косвенным признакам влияния ее сверхмощного и совершенно необычного гравитационного поля на материю вокруг нее.

Сверхмассивные черные дыры

В центре нашего Млечного Пути и других галактик располагается невероятно массивная черная дыра в миллионы раз тяжелее Солнца. Эти сверхмассивные черные дыры (такое название они получили) были обнаружены по наблюдениям за характером движения межзвездного газа вблизи центров галактик. Газы, судя по наблюдениям, вращаются на близком удалении от сверхмассивного объекта, и простые расчеты с использованием законов механики Ньютона показывают, что объект, притягивающий их, при мизерном диаметре обладает чудовищной массой. Так закрутить межзвездный газ в центре галактики может только черная дыра. Фактически астрофизики нашли уже десятки таких массивных черных дыр в центрах соседних с нашей галактик, и сильно подозревают, что центр любой галактики — суть черная дыра.

Черные дыры со звездной массой

Согласно нашим нынешним представлениям об эволюции звезд, когда звезда с массой, превышающей примерно 30 масс Солнца, гибнет со вспышкой сверхновой, внешняя ее оболочка разлетается, а внутренние слои стремительно обрушиваются к центру и образуют черную дыру на месте израсходовавшей запасы топлива звезды. Изолированную в межзвездном пространстве черную дыру такого происхождения выявить практически невозможно, поскольку она находится в разреженном вакууме и никак не проявляет себя в плане гравитационных взаимодействий. Однако, если такая дыра входила в состав двойной звездной системы (две горячих звезды, обращающихся по орбите вокруг их центра масс), черная дыра будет по-прежнему оказывать гравитационное воздействие на парную ей звезду. Астрономы сегодня имеют более десятка кандидатов на роль звездных систем такого рода, хотя строгих доказательств не получено в отношении ни одной из них.

В двойной системе с черной дырой в ее составе вещество «живой» звезды будет неизбежно «перетекать» в направлении черной дыры. И закручиваться высасываемое черной дырой вещество при падении в черную дыру будет по спирали, исчезая при пересечении радиуса Шварцшильда. При подходе к роковой границе, однако, засасываемое в воронку черной дыры вещество будет неизбежно уплотняться и разогреваться в силу учащения соударений между поглощаемыми дырой частицами, пока не разогреется до энергий излучения волн в рентгеновском диапазоне спектра электромагнитного излучения. Астрономы могут измерить периодичность изменения интенсивности рентгеновского излучения такого рода и вычислить, сопоставив ее с другими доступными данными, примерную массу объекта, «перетягивающего» на себя материю. Если масса объекта превышает предел Чандрасекара (1,4 массы Солнца), этот объект не может являться белым карликом, в которого суждено выродиться нашему светилу. В большинстве выявленных случаев наблюдения подобных двойных рентгеновских звезд массивным объектом является нейтронная звезда. Однако насчитано уже более десятка случаев, когда единственным разумным объяснением является присутствие в двойной звездной системе черной дыры.

Все другие типы черных дыр куда более спекулятивны и основаны исключительно на теоретических изысканиях — экспериментальных подтверждений их существования не имеется вовсе. Во-первых, это черные мини-дыры с массой, сопоставимой с массой горы и сжатой до радиуса протона. Идею об их зарождении на начальной стадии формирования Вселенной непосредственно после Большого взрыва высказал английский космолог Стивен Хокинг (см. Скрытый принцип необратимости времени). Хокинг предположил, что взрывами мини-дыр можно объяснить действительно загадочный феномен точеных вспышек гамма-излучения во Вселенной. Во-вторых, некоторые теории элементарных частиц предсказывают существование во Вселенной — на микро-уровне — настоящего решета из черных дыр, представляющих собой своего рода пену из отбросов мироздания. Диаметр таких микро-дыр предположительно составляет около 10-33 см — они в миллиарды раз мельче протона. На данный момент у нас нет каких-либо надежд на экспериментальную проверку даже самого факта существования таких черных дыр-частиц, не говоря уже о том, чтобы хоть как-то исследовать их свойства.

А что произойдет с наблюдателем, если он вдруг окажется по ту сторону гравитационного радиуса, иначе именуемого горизонтом событий. Здесь начинается самое удивительное свойство черных дыр. Не зря, говоря о черных дырах, мы всегда упоминали время, точнее пространство-время. По теории относительности Эйнштейна, чем быстрее движется тело, тем больше становится его масса, но тем медленнее начинает идти время! На малых скоростях в нормальных условиях этот эффект незаметен, но если тело (космический корабль) движется со скоростью близкой к скорости света, то масса его увеличивается, а время замедляется! При скорости тела равной скорости света, масса обращается в бесконечность, а время останавливается! Об этом говорят строгие математические формулы. Вернемся к черной дыре. Представим себе фантастическую ситуацию, когда звездолет с космонавтами на борту приближается к гравитационному радиусу или горизонту событий. Понятно, что горизонт событий назван так потому, что мы может наблюдать какие-либо события (вообще что-то наблюдать) только до этой границы. Что за этой границей мы наблюдать не в состоянии. Тем не менее, находясь внутри корабля, приближающегося к черной дыре, космонавты будут чувствовать себя, как и раньше, т.к. по их часам время будет идти «нормально». Космический корабль спокойно пересечет горизонт событий, и будет двигаться дальше. Но поскольку скорость его будет близка к скорости света, то до центра черной дыры космический корабль достигнет, буквально, за миг.

А для внешнего наблюдателя космический корабль просто остановится на горизонте событий, и будет находиться там практически вечно! Таков парадокс колоссального тяготения черных дыр. Закономерен вопрос, а останутся ли живы космонавты, уходящие в бесконечность по часам внешнего наблюдателя. Нет. И дело вовсе не в громадном тяготении, а в приливных силах, которые у столь малого и массивного тела сильно меняются на малых расстояниях. При росте космонавта 1 м 70 см приливные силы у его головы будут гораздо меньше, чем у ног и его просто разорвет уже на горизонте событий. Итак, мы в общих чертах выяснили, что такое черные дыры, но речь пока шла о черных дырах звездной массы. В настоящее время астрономам удалось обнаружить сверхмассивные черные дыры, масса которых может составлять миллиард солнц! Сверхмассивные черные дыры по свойствам не отличаются от своих меньших собратьев. Они лишь гораздо массивнее и, как правило, находятся в центрах галактик - звездных островов Вселенной. В центре Нашей Галактики (Млечный Путь) тоже имеется сверхмассивная черная дыра. Колоссальная масса таких черных дыр позволят вести их поиск не только в Нашей Галактике, но и в центрах далеких галактик, находящихся на расстоянии миллионы и миллиарды световых лет от Земли и Солнца. Европейские и американские ученые провели глобальный поиск сверхмассивных черных дыр, которые, согласно современным теоретическим выкладкам, должны находиться в центре каждой галактики.

Современные технологии позволяют выявить наличие этих коллапсаров в соседних галактиках, но обнаружить их удалось совсем немного. Значит, либо черные дыры просто скрываются в плотных газопылевых облаках в центральной части галактик, либо они находятся в более отдаленных уголках Вселенной. Итак, черные дыры можно обнаружить по рентгеновскому излучению, испускаемому во время аккреции вещества на них, и чтобы произвести перепись подобных источников, в околоземное комическое пространство были запущены спутники с рентгеновскими телескопами на борту. Занимаясь поиском источников Х-лучей, космические обсерватории «Чандра» (Chandra) и «Росси» (Rossi) обнаружили, что небо заполнено фоновым рентгеновским излучением, и является в миллионы раз более ярким, чем в видимых лучах. Значительная часть этого фонового рентгеновского излучения неба должна исходить от черных дыр. Обычно в астрономии говорят о трех типах черных дыр. Первый — черные дыры звездных масс (примерно 10 масс Солнца). Они образуются из массивных звезд, когда в тех заканчивается термоядерное горючее. Второй — сверхмассивные черные дыры в центрах галактик (массы от миллиона до миллиардов солнечных). И наконец, первичные черные дыры, образовавшиеся в начале жизни Вселенной, массы которых невелики (порядка массы крупного астероида). Таким образом, большой диапазон возможных масс черных дыр остается незаполненным. Но где эти дыры? Заполняя пространство рентгеновскими лучами, они, тем не менее, не желают показывать свое истинное «лицо». Но чтобы построить четкую теорию связи фонового рентгеновского излучения с черными дырами, необходимо знать их количество. На данный момент космическим телескопам удалось обнаружить лишь небольшое количество сверхмассивных черных дыр, существование которых можно считать доказанным. Косвенные признаки позволяют довести количество наблюдаемых черных дыр, ответственных за фоновое излучение, до 15%. Приходится предполагать, что остальные сверхмассивные черные дыры просто прячутся за толстым слоем пылевых облаков, которые пропускают только рентгеновские лучи высокой энергии или же находятся слишком далеко для обнаружения современными средствами наблюдений.

Сверхмассивная черная дыра (окрестности) в центре галактики M87 (рентгеновское изображение). Виден выброс (джет) от горизонта событий. Изображение с сайта www.college.ru/astronomy

Поиск скрытых черных дыр — одна из главных задач современной рентгеновской астрономии. Последние прорывы в этой области, связанные с исследованиями при помощи телескопов «Чандра» и «Росси», тем не менее охватывают лишь низкоэнергетический диапазон рентгеновского излучения — приблизительно 2000-20 000 электрон-вольт (для сравнения, энергия оптического излучения — около 2 электрон-вольт). Существенные поправки в эти исследования может внести европейский космический телескоп «Интеграл» (Integral), который способен проникнуть в еще недостаточно изученную область рентгеновского излучения с энергией 20 000-300 000 электрон-вольт. Важность изучения этого типа рентгеновских лучей состоит в том, что хотя рентгеновский фон неба имеет низкую энергетику, но на этом фоне проявляются множественные пики (точки) излучения с энергией около 30 000 электрон-вольт. Ученые еще только приоткрывают завесу тайны того, что порождает эти пики, а «Интеграл» — первый достаточно чувствительный телескоп, способный найти подобные источники рентгеновских лучей. По предположению астрономов, лучи высокой энергии порождают так называемые Комптон-объекты (Compton-thick), то есть сверхмассивные черные дыры, окутанные пылевой оболочкой. Именно Комптон-объекты ответственны за пики рентгеновского излучения в 30 000 электрон-вольт на поле фонового излучения.

Но, продолжая исследования, ученые пришли к выводу, что Комптон-объекты составляют лишь 10% от того числа черных дыр, которые должны создавать пики высоких энергий. Это — серьезное препятствие для дальнейшего развития теории. Значит, недостающие рентгеновские лучи поставляют не Compton-thick, а обычные сверхмассивные черные дыры? Тогда как быть с пылевыми завесами для рентгеновских лучей низкой энергии.? Ответ, похоже, кроется в том, что многие черные дыры (Комптон-объекты) имели достаточно времени, чтобы поглотить весь газ и пыль, которые окутывали их, но до этого имели возможность заявить о себе рентгеновским излучением высокой энергии. После поглощения всего вещества такие черные дыры уже оказались неспособными генерировать рентгеновское излучение на горизонте событий. Становится понятно, почему эти черные дыры нельзя обнаружить, и появляется возможность отнести недостающие источники фонового излучения на их счет, так как хотя черная дыра уже не излучает, но ранее созданное ей излучение продолжает путешествие по Вселенной. Тем не менее, вполне возможно, что недостающие черные дыры более скрыты, чем предполагают астрономы, то есть то, что мы не их видим, вовсе не значит, что их нет. Просто пока у нас не хватает мощности средств наблюдений, чтобы увидеть их. Тем временем ученые из NASA планируют расширить диапазон поиска скрытых черных дыр еще дальше во Вселенную. Именно там находится подводная часть айсберга, считают они. В течение нескольких месяцев исследования будут проводиться в рамках миссии «Свифт» (Swift). Проникновение в глубокую Вселенную позволит обнаружить прячущиеся черные дыры, найти недостающее звено для фонового излучения и пролить свет на их активность в раннюю эпоху Вселенной.

Некоторые черные дыры считаются более активными, чем их спокойные соседи. Активные черные дыры поглощают окружающее вещество, а если в полет тяготения попадет «зазевавшаяся» звезда, пролетающая мимо, то она непременно будет «съедена» самым варварским способом (разорванная в клочья). Поглощаемое вещество, падая на черную дыру, нагревается до огромных температур, и испытывает вспышку в гамма, рентгеновском и ультрафиолетовом диапазоне. В центре Млечного Пути так же находится сверхмассивная черная дыра, но ее труднее изучать, чем дыры в соседних или даже далеких галактиках. Это связано с плотной стеной газа и пыли, встающей на пути центру Нашей Галактики, ведь Солнечная система находится почти на краю галактического диска. Поэтому наблюдения активности черных дыр гораздо эффективней у тех галактик, ядро которых хорошо просматривается. При наблюдении одной из далеких галактик, расположенной в созвездии Волопаса на расстоянии 4-х миллиардов световых лет, астрономам впервые удалось отследить от начала и почти до конца процесс поглощения звезды супермассивной черной дырой. В течение тысяч лет этот гигантский коллапсар тихо-мирно покоился в центре безымянной эллиптической галактики, пока одна из звезд не осмелилась приблизиться к ней достаточно близко.

Мощная гравитация черной дыры разорвала звезду на части. Сгустки вещества начали падать на черную дыру и при достижении горизонта событий, ярко вспыхивать в ультрафиолетовом диапазоне. Эти вспышки и зафиксировал новый космический телескоп NASA Galaxy Evolution Explorer, изучающий небо в ультрафиолете. Телескоп и сегодня продолжает наблюдать за поведением отличившегося объекта, т.к. трапеза черной дыры еще не закончилась, а остатки звезды продолжают падать в бездну времени и пространства. Наблюдения таких процессов, в конце концов, помогут лучше понять, как черные дыры развиваются вместе с их родительскими галактиками (или, наоборот, галактики развиваются с родительской черной дырой). Более ранние наблюдения показывают, что подобные эксцессы не редкость во Вселенной. Ученые подсчитали, что в среднем звезда поглощается сверхмассивной черной дырой типичной галактики один раз в 10000 лет, но поскольку галактик большое количество, то наблюдать поглощения звезд можно гораздо чаще.

источник

Правообладатель иллюстрации Thinkstock

Возможно, вы думаете, что человека, попавшего в черную дыру, ждет мгновенная смерть. В действительности же его судьба может оказаться намного более удивительной, рассказывает корреспондент .

Что произойдет с вами, если вы попадете внутрь черной дыры? Может быть, вы думаете, что вас раздавит - или, наоборот, разорвет на клочки? Но в действительности все гораздо страннее.

В тот момент, когда вы попадете в черную дыру, реальность разделится надвое. В одной реальности вас мгновенно испепелит, в другой же - вы нырнете вглубь черной дыры живым и невредимым.

Внутри черной дыры не действуют привычные нам законы физики. Согласно Альберту Эйнштейну, гравитация искривляет пространство. Таким образом, при наличии объекта достаточной плотности пространственно-временной континуум вокруг него может деформироваться настолько, что в самой реальности образуется прореха.

Массивная звезда, израсходовавшая все топливо, может превратиться именно в тот тип сверхплотной материи, который необходим для возникновения подобного искривленного участка Вселенной. Звезда, схлопывающаяся под собственной тяжестью, увлекает за собой пространственно-временной континуум вокруг нее. Гравитационное поле становится настолько сильным, что даже свет больше не может из него вырваться. В результате область, в которой ранее находилась звезда, становится абсолютно черной - это и есть черная дыра.

Правообладатель иллюстрации Thinkstock Image caption Никто точно не знает, что происходит внутри черной дыры

Внешняя поверхность черной дыры называется горизонтом событий. Это сферическая граница, на которой достигается баланс между силой гравитационного поля и усилиями света, пытающегося покинуть черную дыру. Если пересечь горизонт событий, вырваться будет уже невозможно.

Горизонт событий лучится энергией. Благодаря квантовым эффектам, на нем возникают потоки горячих частиц, излучаемых во Вселенную. Это явление называется излучением Хокинга - в честь описавшего его британского физика-теоретика Стивена Хокинга. Несмотря на то, что материя не может вырваться за пределы горизонта событий, черная дыра, тем не менее, "испаряется" - со временем она окончательно потеряет свою массу и исчезнет.

По мере продвижения вглубь черной дыры пространство-время продолжает искривляться и в центре становится бесконечно искривленным. Эта точка известна как гравитационная сингулярность. Пространство и время в ней перестают иметь какое-либо значение, а все известные нам законы физики, для описания которых необходимы эти два понятия, больше не действуют.

Никто не знает, что именно ждет человека, попавшего в центр черной дыры. Иная вселенная? Забвение? Задняя стенка книжного шкафа, как в американском научно-фантастическом фильме "Интерстеллар"? Это загадка.

Давайте порассуждаем - на вашем примере - о том, что произойдет, если случайно попасть в черную дыру. Компанию в этом эксперименте вам составит внешний наблюдатель - назовем его Анной. Итак, Анна, находящаяся на безопасном расстоянии, в ужасе наблюдает за тем, как вы приближаетесь к границе черной дыры. С ее точки зрения события будут развиваться весьма странным образом.

По мере вашего приближения к горизонту событий Анна будет видеть, как вы вытягиваетесь в длину и сужаетесь в ширину, будто она рассматривает вас в гигантскую лупу. Кроме того, чем ближе вы будете подлетать к горизонту событий, тем больше Анне будет казаться, что ваша скорость падает.

Правообладатель иллюстрации Thinkstock Image caption В центре черной дыры пространство бесконечно искривлено

Вы не сможете докричаться до Анны (поскольку в безвоздушном пространстве звук не передается), но можете попытаться подать ей знак азбукой Морзе при помощи фонарика в вашем iPhone. Однако ваши сигналы будут достигать ее со все возрастающими интервалами, а частота света, испускаемого фонариком, будет смещаться в сторону красного (длинноволнового) участка спектра. Вот как это будет выглядеть: "Порядок, п о р я д о к, п о р я…".

Когда вы достигнете горизонта событий, то, с точки зрения Анны, замрете на месте, как если бы кто-то поставил воспроизведение на паузу. Вы останетесь в неподвижности, растянутым по поверхности горизонта событий, и вас начнет охватывать все возрастающий жар.

С точки зрения Анны, вас будут медленно убивать растяжение пространства, остановка времени и жар излучения Хокинга. Прежде чем вы пересечете горизонт событий и углубитесь в недра черной дыры, от вас останется один пепел.

Но не спешите заказывать панихиду - давайте на время забудем об Анне и посмотрим на эту ужасную сцену с вашей точки зрения. А с вашей точки зрения будет происходить нечто еще более странное, то есть ровным счетом ничего особенного.

Вы летите прямиком в одну из самых зловещих точек Вселенной, не испытывая при этом ни малейшей тряски - не говоря уже о растяжении пространства, замедлении времени или жаре излучения. Все потому, что вы находитесь в состоянии свободного падения и поэтому не чувствуете своего веса - именно это Эйнштейн назвал "самой удачной идеей" своей жизни.

Действительно, горизонт событий - это не кирпичная стена в космосе, а явление, обусловленное точкой зрения наблюдающего. Наблюдатель, остающийся снаружи черной дыры, не может заглянуть внутрь сквозь горизонт событий, но это его проблема, а не ваша. С вашей точки зрения никакого горизонта не существует.

Если бы размеры нашей черной дыры были меньше, вы и правда столкнулись бы с проблемой - гравитация действовала бы на ваше тело неравномерно, и вас вытянуло бы в макаронину. Но, по счастью для вас, данная черная дыра велика - она в миллионы раз массивнее Солнца, так что гравитационная сила достаточно слаба, чтобы можно было ею пренебречь.

Правообладатель иллюстрации Thinkstock Image caption Вы не можете вернуться и выбраться из черной дыры - точно так же, как никто из нас не способен на путешествие в прошлое

Внутри достаточно крупной черной дыры вы даже сможете вполне нормально прожить остаток жизни, пока не умрете в гравитационной сингулярности.

Вы можете спросить, насколько нормальной может быть жизнь человека, помимо воли увлекаемого к дыре в пространственно-временном континууме без шанса на то, чтобы когда-нибудь выбраться наружу?

Но если вдуматься, нам всем знакомо это ощущение - только применительно ко времени, а не к пространству. Время идет только вперед и никогда вспять, и оно действительно влечет нас за собою помимо нашей воли, не оставляя нам шанса на возвращение в прошлое.

Это не просто аналогия. Черные дыры искривляют пространственно-временной континуум до такой степени, что внутри горизонта событий время и пространство меняются местами. В каком-то смысле вас влечет к сингулярности не пространство, а время. Вы не можете вернуться назад и выбраться из черной дыры - точно так же, как никто из нас не способен на путешествие в прошлое.

Возможно, теперь вы задаетесь вопросом, что же не так с Анной. Вы летите себе в пустом пространстве черной дыры и с вами все в порядке, а она оплакивает вашу гибель, утверждая, что вас испепелило излучение Хокинга с внешней стороны горизонта событий. Уж не галлюцинирует ли она?

В действительности утверждение Анны совершенно справедливо. С ее точки зрения, вас действительно поджарило на горизонте событий. И это не иллюзия. Анна может даже собрать ваш пепел и отослать его вашим родным.

Правообладатель иллюстрации Thinkstock Image caption Горизонт событий - не кирпичная стена, он проницаем

Дело в том, что, в соответствии с законами квантовой физики, с точки зрения Анны вы не можете пересечь горизонт событий и должны остаться с внешней стороны черной дыры, поскольку информация никогда не теряется безвозвратно. Каждый бит информации, отвечающий за ваше существование, обязан оставаться на внешней поверхности горизонта событий - иначе с точки зрения Анны, будут нарушены законы физики.

С другой стороны, законы физики также требуют, чтобы вы пролетели сквозь горизонт событий живыми и невредимыми, не повстречав на своем пути ни горячих частиц, ни каких-либо иных необычных явлений. В противном случае будет нарушена общая теория относительности.

Итак, законы физики хотят, чтобы вы одновременно находились снаружи черной дыры (в виде горстки пепла) и внутри нее (в целости и сохранности). И еще один немаловажный момент: согласно общим принципам квантовой механики, информацию нельзя клонировать. Вам нужно находиться в двух местах одновременно, но при этом лишь в одном экземпляре.

Такое парадоксальное явление физики называют термином "исчезновение информации в черной дыре". По счастью, в 1990-х гг. ученым удалось этот парадокс разрешить.

Американский физик Леонард Зюсскинд понял, что никакого парадокса на самом деле нет, поскольку никто не увидит вашего клонирования. Анна будет наблюдать за одним вашим экземпляром, а вы - за другим. Вы с Анной никогда больше не встретитесь и не сможете сравнить наблюдения. А третьего наблюдателя, который мог бы наблюдать за вами как снаружи, так и изнутри черной дыры одновременно, не существует. Таким образом, законы физики не нарушаются.

Разве что вы захотите узнать, какой из ваших экземпляров реален, а какой нет. Живы вы в действительности или умерли?

Правообладатель иллюстрации Thinkstock Image caption Пролетит ли человек сквозь горизонт событий целым и невредимым или врежется в огненную стену?

Дело в том, что никакого "в действительности" нет. Реальность зависит от наблюдателя. Существует "в действительности" с точки зрения Анны и "в действительности" с вашей точки зрения. Вот и всё.

Почти всё. Летом 2012 г. физики Ахмед Альмхеири, Дональд Маролф, Джо Полчински и Джеймс Салли, коллективно известные под английской аббревиатурой из первых букв своих фамилий как AMPS, предложили мысленный эксперимент, который грозил перевернуть наше представление о черных дырах.

По словам ученых, разрешение противоречия, предложенное Зюсскиндом, основывается на том, что разногласие в оценке происходящего между вами и Анной опосредовано горизонтом событий. Неважно, действительно ли Анна видела, как один из двух ваших экземпляров погиб в огне излучения Хокинга, поскольку горизонт событий не давал ей увидеть ваш второй экземпляр, улетающей вглубь черной дыры.

Но что, если бы у Анны имелся способ узнать, что происходит по ту сторону горизонта событий, не пересекая его?

Общая теория относительности говорит нам, что это невозможно, но квантовая механика слегка размывает жесткие правила. Анна могла бы одним глазком заглянуть за горизонт событий при помощи того, что Эйнштейн называл "жутким дальнодействием".

Речь идет о квантовой запутанности - явлении, при котором квантовые состояния двух или более частиц, разделенных пространством, загадочным образом оказываются взаимозависимыми. Эти частицы теперь формируют единое и неделимое целое, а информация, необходимая для описания этого целого, заключена не в той или иной частице, а во взаимосвязи между ними.

Идея, выдвинутая AMPS, звучит следующим образом. Предположим, Анна берет частицу поблизости от горизонта событий - назовем ее частицей A.

Если ее версия произошедшего с вами соответствует действительности, то есть вас убило излучение Хокинга с внешней стороны черной дыры, значит, частица A должна быть взаимосвязана с другой частицей - B, которая также должна находиться с внешней стороны горизонта событий.

Правообладатель иллюстрации Thinkstock Image caption Черные дыры могут притягивать к себе материю близлежащих звезд

Если действительности соответствует ваше видение событий, и вы живы-здоровы с внутренней стороны, тогда частица A должна быть взаимосвязана с частицей C, находящейся где-то внутри черной дыры.

Прелесть этой теории заключается в том, что каждая из частиц может быть взаимосвязана только с одной другой частицей. Это значит, что частица A связана или с частицей B, или с частицей C, но не с обеими одновременно.

Итак, Анна берет свою частицу A и пропускает ее через имеющуюся у нее машинку для расшифровки запутанности, которая дает ответ - связана ли эта частица с частицей B или с частицей C.

Если ответ - C, ваша точка зрения восторжествовала в нарушение законов квантовой механики. Если частица A связана с частицей C, находящейся в недрах черной дыры, то информация, описывающая их взаимозависимость, оказывается навсегда утерянной для Анны, что противоречит квантовому закону, согласно которому информация никогда не теряется.

Если же ответ - B, то, вопреки принципам общей теории относительности, права Анна. Если частица A связана с частицей B, вас действительно испепелило излучение Хокинга. Вместо того, чтобы пролететь сквозь горизонт событий, как того требует теория относительности, вы врезались в стену огня.

Итак, мы вернулись к вопросу, с которого начинали - что произойдет с человеком, попавшим внутрь черной дыры? Пролетит ли он сквозь горизонт событий целым и невредимым благодаря реальности, которая удивительным образом зависит от наблюдателя, или врежется в огненную стену (black holes firewall , не путать с компьютерным термином firewall , "брандмауэр", программным обеспечением, защищающим ваш компьютер в сети от несанкционированного вторжения – Ред .)?

Никто не знает ответа на этот вопрос, один из самых спорных вопросов теоретической физики.

Уже свыше 100 лет ученые пытаются примирить принципы общей теории относительности и квантовой физики в надежде на то, что в конце концов та или другая возобладает. Разрешение парадокса "огненной стены" должно ответить на вопрос, какие из принципов взяли верх, и помочь физикам создать всеобъемлющую теорию.

Правообладатель иллюстрации Thinkstock Image caption А может, в следующий раз отправить в черную дыру Анну?

Решение парадокса исчезновения информации может крыться в дешифровальной машинке Анны. Определить, с какой именно другой частицей взаимосвязана частица A, чрезвычайно трудно. Физики Дэниэл Харлоу из Принстонского университета в Нью-Джерси и Патрик Хайден, который сейчас работает в калифорнийском Стэнфордском университете в Калифорнии, задались вопросом, сколько на это потребуется времени.

В 2013 г. они подсчитали, что даже при помощи наибыстрейшего компьютера, который возможно создать в соответствии с физическими законами, Анне потребовалось бы чрезвычайно много времени на то, чтобы расшифровать взаимосвязь между частицами - настолько много, что к тому моменту, как она получит ответ, черная дыра давным-давно испарится.

Если это так, вероятно, Анне просто не суждено когда-либо узнать, чья точка зрения соответствует действительности. В этом случае обе истории останутся одновременно правдивыми, реальность - зависящей от наблюдателя, и ни один из законов физики не будет нарушен.

Кроме того, связь между сверхсложными вычислениями (на которые наш наблюдатель, по всей видимости, не способен) и пространственно-временным континуумом может натолкнуть физиков на какие-то новые теоретические размышления.

Таким образом, черные дыры - не просто опасные объекты на пути межзвездных экспедиций, но и теоретические лаборатории, в которых малейшие вариации в физических законах вырастают до таких размеров, что ими уже невозможно пренебречь.

Если где-то и таится истинная природа реальности, искать ее лучше всего в черных дырах. Но пока у нас нет четкого понимания того, насколько безопасен для человека горизонт событий, наблюдать за поисками безопаснее все же снаружи. В крайнем случае можно в следующий раз отправить в черную дыру Анну - теперь ее очередь.

Вы когда-нибудь видели, как пылесосят пол? Если так, замечали ли вы, как пылесос всасывает пыль и всякий мелкий мусор вроде обрывков бумаги? Конечно, замечали. Чёрные дыры делают примерно то же самое, что и пылесос, но вместо пыли они предпочитают затягивать в себя объекты покрупнее: звёзды и планеты. Впрочем, и космической пылью они не побрезгуют.

Как появляются чёрные дыры?

Чтобы понять, откуда берутся чёрные дыры, неплохо бы знать, что такое давление света. Оказывается, свет, падая на предметы, давит на них. Например, если мы в тёмной комнате зажжём лампочку, то на все освещённые предметы начнёт действовать дополнительная сила давления света. Эта сила очень мала, и в повседневной жизни мы, конечно, никогда не сможем её почувствовать. Причина в том, что лампочка – очень слабый источник света. (В лабораторных условиях давление света лампочки всё-таки можно измерить, впервые это удалось сделать русскому физику П. Н. Лебедеву) Со звёздами дело обстоит иначе. Пока звезда молодая и ярко светит, внутри неё борются три силы. С одной стороны, сила гравитации, которая стремится сжать звезду в точку, тянет внутрь к ядру внешние слои. С другой стороны – сила светового давления и сила давления раскалённого газа, стремящиеся звезду раздуть. Свет, рождённый в ядре звезды, настолько интенсивный, что отталкивает внешние слои звезды и уравновешивает силу гравитации, тянущую их к центру. Когда звезда стареет, её ядро рождает всё меньше и меньше света. Это происходит потому, что за время жизни звезды выгорает весь запас её водорода, мы уже писали об этом. Если звезда очень большая, раз в 20 тяжелее Солнца, то и внешние оболочки у неё очень велики по массе. Поэтому у тяжёлой звезды внешние слои начинают всё сильнее и сильнее приближаться к ядру, вся звезда начинает сжиматься. При этом сила гравитации на поверхности сжимающейся звезды растёт. Чем сильнее сжимается звезда, тем сильнее она начинает притягивать к себе окружающее её вещество. В конце концов, притяжение звезды становится настолько чудовищно сильным, что даже испускаемый ею свет не может от неё улететь. В этот момент звезда и становится чёрной дырой. Она уже ничего не излучает, а лишь поглощает всё, что окажется рядом, в том числе и свет. Ни единого лучика света не исходит от неё, поэтому никто не может её увидеть и поэтому её и называют чёрной дырой: туда всё затягивается, а обратно уже никогда не возвращается.

Как выглядит чёрная дыра?

Если бы мы с вами оказались рядом с чёрной дырой, то увидели бы довольно большой светящийся диск, вращающийся вокруг небольшой, абсолютно чёрной области пространства. Эта чёрная область и есть чёрная дыра. А светящийся диск вокруг неё – это вещество, падающее на чёрную дыру. Такой диск называется аккреционным. Притяжение чёрной дыры очень сильно, поэтому материя, засасываемая внутрь, движется с очень большим ускорением и из-за этого сама начинает излучать. Изучая свет, исходящий из такого диска, астрономы могут многое узнать и о самой чёрной дыре. Ещё одним косвенным признаком существования чёрной дыры является необычное движение звёзд вокруг некой области пространства. Притяжение дыры заставляет близлежащие звёзды двигаться по эллиптическим орбитам. Такие перемещения звёзд тоже регистрируются астрономами.
Сейчас внимание учёных приковано к чёрной дыре, находящейся в центре нашей галактики. Дело в том, что к чёрной дыре приближается облако водорода, массой примерно в 3 раза больше Земной. Это облако уже начало менять свою форму из-за гравитации чёрной дыры, в ближайшие годы оно вытянется ещё больше и будет затянуто внутрь чёрной дыры.

Процессы, происходящие внутри чёрной дыры, мы никогда не сможем увидеть, поэтому остаётся довольствоваться наблюдениями за диском вокруг чёрной дыры. Но и здесь нас ждёт очень много интересного. Пожалуй, самое интересное явление - образование сверхбыстрых струй вещества, вылетающих из центра этого диска. Механизм этого явления ещё предстоит выяснить, и, вполне возможно, теорию образования таких струй создаст кто-нибудь из вас. А пока что мы можем лишь регистрировать рентгеновские вспышки, сопровождающие такие «выстрелы».

На этом видео показано, как чёрная дыра постепенно захватывает вещество находящейся рядом звезды. При этом вокруг чёрной дыры образуется аккреционный диск, и часть его вещества выбрасывается в космос с огромными скоростями. При этом генерируется большое количество рентгеновского излучения, которое улавливает спутник, движущийся вокруг Земли.

Как устроена чёрная дыра?

Чёрную дыру можно разделить на три основных части. Внешнюю часть, находясь в которой ещё можно избежать падения на чёрную дыру, если двигаться с очень большой скоростью. Глубже внешней части идёт горизонт событий – это воображаемая граница, перейдя которую, тело теряет всякую надежду на возвращение из чёрной дыры. Всё, что находится за горизонтом событий, нельзя увидеть снаружи, потому что из-за сильной гравитации даже свет, двигаясь изнутри, не сможет вылететь за его пределы. Считается, что в самом центре чёрной дыры находится сингулярность - область пространства крошечного объёма, в которой сосредоточена огромная масса – сердце чёрной дыры.

Можно ли подлететь к чёрной дыре?

На большом расстоянии притяжение чёрной дыры точно такое же, как и притяжение самой обыкновенной звезды с той же массой, что и масса чёрной дыры. По мере приближения к горизонту событий притяжение будет возрастать всё сильнее и сильнее. Поэтому подлететь к чёрной дыре можно, но лучше всё-таки держаться от неё подальше, чтобы можно было вернуться обратно. Астрономам приходилось наблюдать, как чёрная дыра засасывала внутрь оказавшуюся рядом звезду. Как это выглядело можно посмотреть на этом видео:

Превратится ли наше Солнце в чёрную дыру?

Нет, не превратится. Масса Солнца слишком мала для этого. Расчёты показывают, что для того чтобы стать чёрной дырой, звезда должна быть массивнее Солнца хотя бы в 4 раза. Вместо этого Солнце превратится в красного гиганта и раздуется примерно до размеров орбиты Земли, а затем сбросит внешнюю оболочку и станет белым карликом. Об эволюции Солнца мы ещё обязательно расскажем.

Для того, чтобы образовалась черная дыра, нужно сжать тело до некоторой критической плотности так, чтобы радиус сжатого тела оказался равным его гравитационному радиусу. Величина этой критической плотности обратно пропорциональна квадрату массы черной дыры.

Для типичной черной дыры звездной массы (M =10M sun) гравитационный радиус равен 30 км, а критическая плотность 2·10 14 г/см 3 , то есть двести миллионов тонн в кубическом сантиметре. Эта плотность очень велика по сравнению со средней плотностью Земли (5,5 г/см 3), она равна плотности вещества атомного ядра.

Для черной дыры в ядре галактики (M =10 10 M sun) гравитационный радиус равен 3·10 15 см = 200 а.е., что в пять раз больше расстояния от Солнца до Плутона (1 астрономическая единица - среднее расстояние от Земли до Солнца - равна 150 млн. км или 1,5·10 13 см). Критическая плотность при этом равна 0,2·10 –3 г/см 3 , что в несколько раз меньше плотности воздуха, равной 1,3·10 –3 г/см 3 (!).

Для Земли (M =3·10 –6 M sun) гравитационный радиус близок к 9 мм, а соответствующая критическая плотность чудовищно велика: ρ кр = 2·10 27 г/см 3 , что на 13 порядков выше плотности атомного ядра.

Если мы возьмем некий воображаемый сферический пресс и будем сжимать Землю, сохраняя ее массу, то когда мы уменьшим радиус Земли (6370 км) в четыре раза, ее вторая космическая скорость возрастет вдвое и станет равной 22,4 км/c. Если же мы сожмем Землю так, что ее радиус станет равным примерно 9 мм, то вторая космическая скорость примет значение, равное скорости света c = 300000 км/с.

Дальше пресс не понадобится - сжатая до таких размеров Земля уже сама будет сжиматься. В конце концов, на месте Земли образуется черная дыра, радиус горизонта событий которой будет близок к 9 мм (если пренебречь вращением образовавшейся черной дыры). В реальных условиях, разумеется, никакого сверхмощного пресса нет - «работает» гравитация. Именно поэтому черные дыры могут образовываться лишь при коллапсе внутренних частей весьма массивных звезд, у которых гравитация достаточно сильна, чтобы сжать вещество до критической плотности.

Эволюция звезд

Черные дыры образуются на конечных стадиях эволюции массивных звезд. В недрах обычных звезд идут термоядерные реакции, выделяется огромная энергия и поддерживается высокая температура (десятки и сотни миллионов градусов). Силы гравитации стремятся сжать звезду, а силы давления горячего газа и излучения противостоят этому сжатию. Поэтому звезда находится в гидростатическом равновесии.

Кроме того, в звезде может существовать тепловое равновесие, когда энерговыделение, обусловленное термоядерными реакциями в ее центре, в точности равно мощности, излучаемой звездой с поверхности. При сжатии и расширении звезды тепловое равновесие нарушается. Если звезда стационарна, то ее равновесие устанавливается так, что отрицательная потенциальная энергия звезды (энергия гравитационного сжатия) по абсолютной величине всегда вдвое больше тепловой энергии. Из-за этого звезда обладает удивительным свойством - отрицательной теплоемкостью. Обычные тела имеют положительную теплоемкость: нагретый кусок железа, остывая, то есть, теряя энергию, понижает свою температуру. У звезды же все наоборот: чем больше она теряет энергии в виде излучения, тем выше становится температура в ее центре.

Эта странная, на первый взгляд, особенность находит простое объяснение: звезда, излучая, медленно сжимается. При сжатии потенциальная энергия превращается в кинетическую энергию падения слоев звезды, и ее недра разогреваются. Причем тепловая энергия, приобретаемая звездой в результате сжатия, вдвое больше энергии, которая теряется в виде излучения. В итоге температура недр звезды растет, и осуществляется непрерывный термоядерный синтез химических элементов. Например, реакция преобразования водорода в гелий в нынешнем Солнце идет при температуре 15 миллионов градусов. Когда, через 4 миллиарда лет, в центре Солнца водород весь превратится в гелий, для дальнейшего синтеза атомов углерода из атомов гелия потребуется значительно более высокая температура, около 100 миллионов градусов (электрический заряд ядер гелия вдвое больше, чем ядер водорода, и чтобы сблизить ядра гелия на расстояние 10 –13 см требуется гораздо большая температура). Именно такая температура будет обеспечена благодаря отрицательной теплоемкости Солнца к моменту зажигания в его недрах термоядерной реакции превращения гелия в углерод.

Белые карлики

Если масса звезды невелика, так что масса ее ядра, затронутого термоядерными превращениями, менее 1,4M sun , термоядерный синтез химических элементов может прекратиться из-за так называемого вырождения электронного газа в ядре звезды. В частности, давление вырожденного газа зависит от плотности, но не зависит от температуры, поскольку энергия квантовых движений электронов много больше энергии их теплового движения.

Высокое давление вырожденного электронного газа эффективно противодействует силам гравитационного сжатия. Поскольку давление не зависит от температуры, потеря энергии звездой в виде излучения не приводит к сжатию ее ядра. Следовательно, гравитационная энергия не выделяется в виде добавочного тепла. Поэтому температура в эволюционирующем вырожденном ядре не растет, что приводит к прерыванию цепочки термоядерных реакций.

Внешняя водородная оболочка, не затронутая термоядерными реакциями, отделяется от ядра звезды и образует планетарную туманность, светящуюся в линиях излучения водорода, гелия и других элементов. Центральное компактное и сравнительно горячее ядро проэволюционировавшей звезды небольшой массы представляет собой белый карлик - объект с радиусом порядка радиуса Земли (~10 4 км), массой менее 1,4M sun и средней плотностью порядка тонны в кубическом сантиметре. Белые карлики наблюдаются в большом количестве. Их полное число в Галактике достигает 10 10 , то есть около 10% от всей массы наблюдаемого вещества Галактики.

Термоядерное горение в вырожденном белом карлике может быть неустойчивым и приводить к ядерному взрыву достаточно массивного белого карлика с массой, близкой к так называемому чандрасекаровскому пределу (1,4M sun). Такие взрывы выглядят, как вспышки сверхновых I типа, у которых в спектре нет линий водорода, а только линии гелия, углерода, кислорода и других тяжелых элементов.

Нейтронные звезды

Если ядро звезды вырождено, то при приближении его массы к пределу 1,4M sun обычное вырождение электронного газа в ядре сменяется так называемым релятивистским вырождением.

Квантовые движения вырожденных электронов становятся такими быстрыми, что их скорости приближаются к скорости света. При этом упругость газа падает, его способность противодействовать силам гравитации уменьшается, и звезда испытывает гравитационный коллапс. Во время коллапса электроны захватываются протонами, и происходит нейтронизация вещества. Это ведет к формированию из массивного вырожденного ядра нейтронной звезды.

Если исходная масса ядра звезды превышает 1,4M sun , то в ядре достигается высокая температура, и вырождение электронов не происходит на протяжении всей ее эволюции. В этом случае работает отрицательная теплоемкость: по мере потери энергии звездой в виде излучения температура в ее недрах растет, и идет непрерывная цепочка термоядерных реакций превращения водорода в гелий, гелия в углерод, углерода в кислород и так далее, вплоть до элементов группы железа. Реакция термоядерного синтеза ядер элементов, более тяжелых, чем железо, идет уже не с выделением, а с поглощением энергии. Поэтому, если масса ядра звезды, состоящего в основном из элементов группы железа, превышает чандрасекаровский предел 1,4M sun , но меньше так называемого предела Оппенгеймера–Волкова ~3M sun , то в конце ядерной эволюции звезды происходит гравитационный коллапс ядра, в результате которого внешняя водородная оболочка звезды сбрасывается, что наблюдается как вспышка сверхновой звезды II типа, в спектре которой наблюдаются мощные линии водорода.

Коллапс железного ядра приводит к формированию нейтронной звезды.

При сжатии массивного ядра звезды, достигшей поздней стадии эволюции, температура поднимается до гигантских значений порядка миллиарда градусов, когда ядра атомов начинают разваливаться на нейтроны и протоны. Протоны поглощают электроны, превращаются в нейтроны, испуская при этом нейтрино. Нейтроны же, согласно квантово–механическому принципу Паули, при сильном сжатии начинают эффективно отталкиваться друг от друга.

Когда масса коллапсирующего ядра меньше 3M sun , скорости нейтронов значительно меньше скорости света и упругость вещества, обусловленная эффективным отталкиванием нейтронов, может уравновесить силы гравитации и привести к образованию устойчивой нейтронной звезды.

Впервые возможность существования нейтронных звезд была предсказана в 1932 году выдающимся советским физиком Ландау сразу после открытия нейтрона в лабораторных экспериментах. Радиус нейтронной звезды близок к 10 км, ее средняя плотность составляет сотни миллионов тонн в кубическом сантиметре.

Когда масса коллапсирующего ядра звезды больше 3M sun , то, согласно существующим представлениям, образующаяся нейтронная звезда, остывая, коллапсирует в черную дыру. Коллапсу нейтронной звезды в черную дыру способствует также обратное падение части оболочки звезды, сброшенной при взрыве сверхновой.

Нейтронная звезда, как правило, быстро вращается, поскольку породившая ее обычная звезда может иметь значительный угловой момент. Когда ядро звезды коллапсирует в нейтронную звезду, характерные размеры звезды уменьшаются от R = 10 5 –10 6 км до R ≈ 10 км. С уменьшением размера звезды уменьшается ее момент инерции. Для сохранения момента количества движения должна резко вырасти скорость осевого вращения. Например, если Солнце, вращающееся с периодом около месяца, сжать до размеров нейтронной звезды, то период вращения уменьшится до 10 –3 секунды.

Одиночные нейтронные звезды с сильным магнитным полем проявляют себя как радиопульсары - источники строго периодических импульсов радиоизлучения, возникающих при преобразовании энергии быстрого вращения нейтронной звезды в направленное радиоизлучение. В двойных системах аккрецирующие нейтронные звезды демонстрируют феномен рентгеновского пульсара и рентгеновского барстера 1-го типа.

У черной дыры строго периодических пульсаций излучения ожидать не приходится, поскольку черная дыра не имеет наблюдаемой поверхности и магнитного поля. Как часто выражаются физики, черные дыры не имеют «волос» - все поля и все неоднородности вблизи горизонта событий излучаются при формировании черной дыры из коллапсирующей материи в виде потока гравитационных волн. В итоге, у образовавшейся черной дыры имеются лишь три характеристики: масса, угловой момент и электрический заряд. Все индивидуальные свойства коллапсирующего вещества при образовании черной дыры забываются: например, черные дыры, образовавшиеся из железа и из воды, имеют при прочих равных условиях одинаковые характеристики.

Как предсказывает Общая теория относительности (ОТО), звезды, массы железных ядер которых в конце эволюции превышают 3M sun , испытывают неограниченное сжатие (релятивистский коллапс) с образованием черной дыры. Это объясняется тем, что в ОТО силы гравитации, стремящиеся сжать звезду, определяются плотностью энергии, а при громадных плотностях вещества, достигаемых при сжатии столь массивного ядра звезды, главный вклад в плотность энергии вносит уже не энергия покоя частиц, а энергия их движения и взаимодействия. Получается, что в ОТО давление вещества при очень больших плотностях как бы само «весит»: чем больше давление, тем больше плотность энергии и, следовательно, тем больше силы гравитации, стремящиеся сжать вещество. Кроме того, при сильных гравитационных полях становятся принципиально важными эффекты искривления пространства–времени, что также способствует неограниченному сжатию ядра звезды и превращению его в черную дыру (рис. 3).

В заключение отметим, что черные дыры, образовавшиеся в нашу эпоху (например, черная дыра в системе Лебедь X-1), строго говоря, не являются стопроцентными черными дырами, поскольку из-за релятивистского замедления хода времени для далекого наблюдателя горизонты событий у них еще не сформировались. Поверхности таких коллапсирующих звезд выглядят для земного наблюдателя как застывшие, бесконечно долго приближающиеся к своим горизонтам событий.

Чтобы черные дыры из таких коллапсирующих объектов сформировались окончательно, мы должны прождать все бесконечно большое время существования нашей Вселенной. Следует подчеркнуть, однако, что уже в первые секунды релятивистского коллапса поверхность коллапсирующей звезды для наблюдателя с Земли приближается очень близко к горизонту событий, и все процессы на этой поверхности бесконечно замедляются.