гравитационное поле черной дыры
О чем говорит странная физика черных дыр? Обсуждаем самые невероятные гипотезы
Миром правят идеи. Яблоко, упавшее на голову Исаака Ньютона, навело его на мысль о создании теории гравитации. Коперник, взглянув в телескоп, пришел к выводу, что Земля вращается вокруг Солнца, а не наоборот. Его открытия и идеи послужили началом научной революции. Столетия спустя Альберт Эйнштейн опубликовал теорию относительности, в Стивен Хокинг всю свою жизнь посвятил изучению черных дыр. Труд каждого из них по отдельности, а также идеи и предположения великих ученых о Вселенной, позволили нам с вами наслаждаться фотографиями других «Солнечных систем» и разглядывать горы на Марсе, не выходя из дома. Между тем, Стивен Хокинг размышлял об удивительной физике черных дыр не имея на руках никаких данных, подтверждающих существование этих объектов (как и Эйнштейн). Его идеи, в конечном итоге, нашли научное подтверждение. Так, знаменитый парадокс черных дыр гласит, что мере того, как черная дыра испускает излучение, она испаряется, в конечном итоге полностью исчезая. Но если это так, то что в таком случае происходит с информацией? Недавно физики-теоретики пришли к выводу, что информация, как они теперь с уверенностью говорят, действительно ускользает их черной дыры. Но куда и что происходи с ней потом?
Черная дыра – область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что даже фотоны не света не могут ее покинуть.
От идеи до фото черной дыры
Размышлять о самых таинственных объектах во Вселенной Хокинг начал в 1970-х годах. Представляя мощнейшую гравитацию черных дыр, окруженную горизонтом событий – невидимым пузырем, отмечающим границу невозврата – он понял, что теория Эйнштейна также означала, что горизонт событий черной дыры не может уменьшиться. Черная дыра только набирает массу, поэтому общая площадь поверхности ее горизонта событий только растет.
Это была невероятно смелая идея. Но Хокинг пошел еще дальше и предположил, что черные дыры могут не только «разделяться надвое», но и исчезать, словно мыльные пузыри. В 1973 году, в соавторстве с Джеймсом Бардином (сегодня сотрудник Вашингтонского университета) и Брэндоном Картером (научный сотрудник в Французского национального центра научных исследований), Стивен Хокинг изложил свои идеи.
Британский физик-теоретик Стивен Хокинг. Фото: The New York Times
В работе, в частности, содержалось несколько тревожных звоночков для физики, в том числе «Теорема об отсутствии волос», согласно которой площадь поверхности горизонта событий – это мера всей информации, поглощаемой черной дырой. Иными словами, черной дыре все равно, потребляет она материю или антивещество. Эти объекты обладают всего тремя свойствами: массой, спином и электрическим зарядом. Никакие другие детали или «волосы» не регистрируются.
Но, сюрприз! Не так давно астрономы обнаружили, что у черных дыр есть «волосы», то есть дополнительные параметры, которые зависят от поглощенной материи. Как показали результаты работы, опубликованной в журнале Physical Review D, «экстремальные» черные дыры — те, чей спин или электрический заряд полностью исчерпан — действительно имеют несколько тонких «волосков». Как отмечают авторы исследования, «волосы» черных дыр однажды можно будет уловить с помощью детекторов гравитационных волн (LIGO и VIRGO). Подробнее о Теореме об отсутствии волос я рассказывала в этой статье.
Вернемся к идеям Хокинга. Для начала вспомним знаменитое уравнение Эйнштейна E равно MC в квадрате – энергия равна массе, умноженной на скорость света в квадрате. Энергия и масса – это одно и то же. Они равноценны. Выходит, можно превратить массу в энергию и энергию в массу.
До 2015 года черные дыры являлись гипотетическими объектами.
Вокруг черной дыры, как известно, очень горячий газ и экстремально высокие температуры, сильные магнитные поля, и, возможно, много энергии. И эта энергия может проявляться в виде частиц, массы. А еще энергия всегда создает пары частица/античастица.
Такие частицы физики называют виртуальными частицами. Эти крошечные частички возникают, затем аннигилируют и … вновь становятся энергией. И это происходит вокруг нас постоянно.
Итак, если то же самое происходит вблизи черной дыры, вполне возможно, что одна из этих маленьких частиц попадет в черную дыру, а другая вырывается наружу. Сегодня исследователи считают, что выход частиц наружу возможен благодаря действию самой гравитации — обычной гравитации с одним слоем квантовых эффектов. Между тем, в 1974 году Стивен Хокинг вычислил, что квантовые эффекты приведут к медленной утечке информации и взрыву черной дыры.
Чтобы всегда быть в курсе последних новостей из мира науки и высоких технологий, подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram! Так вы точно не пропустите ничего интересного!
Старый взгляд на черные дыры
Стремление понять, что происходит с информацией в черной дыре, изменило фундаментальную физику. Сегодня на карту поставлено, играют ли эйнштейновская гравитация, которая управляет космосом, и квантовая механика, которая управляет микрокосмом, по одним и тем же правилам.
Все началось с осознания Хокингом того, что общая площадь горизонта черных дыр не может уменьшиться, – отмечают исследователи.
Но без черных дыр, на которых можно было бы экспериментировать, идеи Хокинга нельзя было проверить. Примечательно, что подтверждение его идей было опубликовано этим летом в журнале Physical Review Letters. Команда, возглавляемая Максимилиано Изи, физиком из Массачусетского технологического института, и его коллегами, потратила годы на изучение деталей результатов LIGO (речь об обнаружении гравитационных волн, подробнее здесь) и в июле наконец объявила, что Хокинг был прав, по крайней мере, в отношении этого конкретного столкновения с черной дырой.
Гравитационные волны – рябь пространства времени
Как пишет The New York Times, в 2017 году исследователи смогли заглянуть «внутрь» черных дыр с помощью компьютерной симуляции.
Результаты показали, что когда формируется новая черная дыра, она «вибрирует», генерируя разные тональности. Высокие тональности оказываются невероятно «громкими» в процессе рождения черной дыры. И определяя тональность физики подтвердили Теорему об отсутствии волос, согласно которой, напомню, черную дыру можно описать только тремя характеристиками.
Произведя расчеты, авторы нового исследования пришли к выводу, что черные дыры действительно увеличиваются в размерах – как и предсказывал Хокинг в 1970-х годах.
Новый взгляд на черные дыры
И все же, множество вопросов по-прежнему не имеют ответа. И, честно говоря – как видно из двух описанных выше исследований – современная физика рисует крайне противоречивую картину. Так что даже наше представление горизонта событий тоже может измениться.
Интересно, что именно Стивен Хокинг, вместе с физиком-теоретиком Леонардом Сасскиндом, недавно выдвинули идею о том, что черная дыра не способна уничтожать информацию. При этом предполагается, что черная дыра поглощает все: пространство и время изгибаются в черную дыру, а вырваться оттуда не может ничто, даже кванты самого света.
Это означает, что любая информация о материале, который попал в черную дыру, навсегда исчезла. И единственное, что мы об этом знаем – это то, что по мере того, как черная дыра поглощает материал, она становится все более массивной.
Попав в черную дыру, останетесь ли вы там навеки?
Фактически, каждый поглощенный черной дырой объект добавляет ей массу. И по мере того, как черная дыра эту массу набирает, ее горизонт событий становится больше. По сути, область, где пространство настолько искривлено, начинает расширяться тем больше, чем массивнее черная дыра. Самые массивные черные дыры во Вселенной, о существовании которых мы знаем, во много миллиардов раз превышают массу нашего Солнца.
Так возможно ли тогда – если все попадает в черную дыру и остается там навеки – что пространство и время тоже становятся узниками черной дыры? Что происходит со всей этой информацией, оказавшейся внутри космического монстра? Многие полагают, что чтобы ответить на эти вопросы, необходимо пересмотреть наше понимание черных дыр. Может быть, горизонта событий в истинном смысле не существует? Или существуют особые хитрости, с помощью которых извлечь оттуда информацию все-таки можно?
Не исключено, что существует некая форма энергии, которая со временем плавно покидает черную дыру (как и предсказывал Хокинг). А если учитывать последние открытия в области квантовой механики, и вовсе назревает вопрос – могут ли квантовые эффекты, очень близкие к горизонту событий, действительно разделить нечто, называемое виртуальными частицами, на энергию самого пространства?
Спекулятивные идеи и развитие физики
Итак, если предположить, что масса черной дыры начинает уменьшаться, то со временем частицы начнут испариться. И, возможно, в этих виртуальных частицах есть что-то такое, что содержит некоторую информацию о черной дыре и о том, что в нее попало. Таким образом, горизонт событий может быть чем-то вроде информационной оболочки. Безусловно, это невероятно спекулятивное предположение, однако невероятно интересное.
Попав в черную дыру все объекты останавливаются во времени. И прямо на этой границе горизонта событий может находиться некая двумерная поверхность (представим это так), которая каким-то образом содержит всю информацию о том, что находится внутри черной дыры. Это, в свою очередь, порождает еще больше вопросов – может ли вокруг черной дыры, где пространство и время уничтожены, существовать подобная «информационная оболочка»?
Сегодня астрономы считают, что сверхмассивные черные дыры скрываются в сердце большинства галактик
Все больше современных физиков задаются вопросом об устройстве Вселенной в более крупном масштабе. Кто знает, может быть, черные дыры демонстрируют нам основополагающую природу реальности – что на самом деле существует двумерная поверхность чего-то, что содержит всю информацию обо всей Вселенной. Может быть, в каком-то смысле мы являемся частью этой гигантской информационной системы.
В конечном итоге, сама Вселенная может быть информацией, содержащейся в двумерной структуре, а не в трех измерениях, о которых нам сегодня известно.
Согласна, звучит не только спекулятивно, но и невероятно странно. Как-то и говорить о таком неловко. И все же, сегодня мы наблюдаем за черными дырами, фотографируем их и разглядываем. А подобные идеи могут подсказать физикам, в каком направлении им следует двигаться. В конце концов, изучая микромир, мы погружаемся в невероятно сложные структуры и наблюдаем нелогичное поведение элементарных частиц. Когда же мы смотрим в телескоп, то видим такие же сложные структуры, многие из которых, например черные дыры, на первый взгляд не имеют смысла.
Вселенная – очень странное место.
Со временем, надеюсь, ученые смогут выяснить, как все устроено во Вселенной хотя бы на уровне черных дыр. А так как идеи – движущая сила науки и цивилизации, новый взгляд на этих космических монстров может пролить свет на бесконечную темному как горизонта событий, так и бескрайнего космоса.
Новости, статьи и анонсы публикаций
Свободное общение и обсуждение материалов
Первое, о чем необходимо помнить рассуждая о теории Большого взрыва, является принятие того факта, что это очень сложная для понимания концепция. Мы представ…
Все обсуждения квантовой физики так или иначе сводятся к квантовой теории поля. В ее основе лежит общая идея о том, что квантовые частицы представляют собой …
Если в чистую безлунную ночь отправиться подальше за город и посмотреть на небо, можно увидеть около трех тысяч мерцающих точек. С детства нас учат, что если…
Черные дыры во Вселенной
Светящееся небесное тело, обладающее плотностью, равной плотности Земли, и диаметром, в двести пятьдесят раз превосходящим диаметр Солнца, из-за силы своего притяжения не даст своему свету достигнуть нас. Таким образом, возможно, что самые большие светящиеся тела во Вселенной именно по причине своей величины остаются невидимыми.
Пьер Симон Лаплас.
Изложение системы мира. 1796 год.
В 1783 году английский математик Джон Митчел, а спустя тринадцать лет независимо от него французский астроном и математик Пьер Симон Лаплас провели очень странное исследование. Они рассмотрели условия, при которых свет не сможет покинуть звезду.
Отсюда легко получается радиус тела заданной массы (позднее получивший название «гравитационный радиус rg » ), при котором скорость убегания равна скорости света:
Казалось невероятным, что в природе могут найтись силы, способные сжать звезду до столь ничтожных размеров. Поэтому выводы из работ Митчела и Лапласа более ста лет считались чем-то вроде математического парадокса, не имеющего физического смысла.
Строгое математическое доказательство того, что подобный экзотический объект в космосе возможен, было получено только в 1916 году. Немецкий астроном Карл Шварц-шильд, проведя анализ уравнений общей теории относительности Альберта Эйнштейна, получил интересный результат. Исследовав движение частицы в гравитационном поле массивного тела, он пришел к выводу: уравнение теряет физический смысл ( его решение обращается в бесконечность) при r = 0 и r = rg.
Вначале скорость сжатия звезды невелика, но его темп непрерывно возрастает, поскольку сила притяжения обратно пропорциональна квадрату расстояния. Сжатие становится необратимым, сил, способных противодействовать самогравитации, нет. Такой процесс называется гравитационным коллапсом. Скорость движения оболочки звезды к ее центру увеличивается, приближаясь к скорости света. И здесь начинают играть роль эффекты теории относительности.
Скорость убегания была рассчитана исходя из ньютоновсих представлений о природе света. С точки зрения общей теории относительности явления в окрестностях коллапсирующей звезды происходят несколько по-другому. В ее мощном поле тяготения возникает так называемое гравитационное красное смещение. Это означает, что частота излучения, исходящего от массивного объекта, смещается в сторону низких частот. В пределе, на границе сферы Шварцшильда, частота излучения становится равной нулю. То есть наблюдатель, находящийся за ее пределами, ничего не сможет узнать о том, что происходит внутри. Именно поэтому сферу Шварцшильда и называют горизонтом событий.
РАЗМЕРЫ ЧЕРНЫХ ДЫР
Это опасение вызвало столь сильный резонанс, что правительство США было вынуждено созвать авторитетную комиссию для проверки такой возможности. Комиссия, состоявшая из видных исследователей, дала заключение: энергия ускорителя слишком мала, чтобы черная дыра могла возникнуть (об этом эксперименте рассказано в журнале «Наука и жизнь» № 3, 2000 г.).
КАК УВИДЕТЬ НЕВИДИМОЕ
1. Нужно проследить за обращением звезд в скоплениях вокруг некоего центра гравитации. Если окажется, что в этом центре ничего нет, и звезды крутятся как бы вокруг пустого места, можно достаточно уверенно сказать: в этой «пустоте» находится черная дыра. Именно по этому признаку предположили наличие черной дыры в центре нашей Галактики и оценили ее массу.
И все-таки, хотя у астрономов нет никаких сомнений в существовании черных дыр, категорически утверждать, что в данной точке пространства находится именно одна из них, никто не берется. Научная этика, добросовестность исследователя требуют получить на поставленный вопрос ответ однозначный, не терпящий разночтений. Мало оценить массу невидимого объекта, нужно измерить его радиус и показать, что он не превышает шварцшильдовский. А даже в пределах нашей Галактики эта задача пока не разрешима. Именно поэтому ученые проявляют известную сдержанность в сообщениях об их обнаружении, а научные журналы буквально набиты сообщениями о тео-ретических работах и наблюдениях эффектов, способных пролить свет на их загадку.
Есть, правда, у черных дыр и еще одно свойство, предсказанное теоретически, которое, возможно, позволило бы увидеть их. Но, правда, при одном условии: масса черной дыры должна быть гораздо меньше массы Солнца.
ЧЕРНАЯ ДЫРА МОЖЕТ БЫТЬ И «БЕЛОЙ»
Долгое время черные дыры считались воплощением тьмы, объектами, которые в вакууме, в отсутствии поглощения материи, ничего не излучают. Однако в 1974 году известный английский теоретик Стивен Хокинг показал, что черным дырам можно приписать температуру, и, следовательно, они должны излучать.
Темная загадка
Гравитационные волны, возникающие при столкновении черных дыр, позволяют решить вопрос с постоянной Хаббла
Что мы знаем о черных дырах? С точки зрения математики черные дыры — это решения уравнений Эйнштейна. Как известно еще из теории Ньютона, сила гравитационного притяжения обратно пропорциональна квадрату расстояния. И если массивный объект очень компактный, то вблизи него гравитационное поле столь сильное, что даже свет не может от него улететь. Это и есть черная дыра.
Фото: Sophia Dagnello, NRAO/AUI/NSF
Фото: Sophia Dagnello, NRAO/AUI/NSF
Еще несколько лет назад черные дыры являлись гипотетическими объектами, и некоторые ученые высказывали сомнения в их существовании. Но положение дел сильно изменилось после того, как в 2016 году было объявлено о первом случае прямой регистрации гравитационных волн гравитационно-волновым телескопом-интерферометром LIGO. Произошло это через 100 лет после предсказания существования гравитационных волн Альбертом Эйнштейном. Источниками наблюдавшихся гравитационных волн являлись черные дыры. Сейчас телескопы LIGO и Virgo зарегистрировали уже множество всплесков гравитационных волн, возникших при столкновении двух черных дыр или черной дыры и нейтронной звезды в двойных системах.
Еще один мощный аргумент в пользу существования черных дыр дало наблюдение так называемой тени черной дыры в галактике M87 с помощью «Телескопа горизонта событий» — глобальной сети радиотелескопов, разбросанных по всей Земле и работающих как единое целое.
Что такое тень черной дыры? По сути это то же, что и обычная тень. Если источник света расположен за черной дырой, то она будет поглощать фотоны и мы увидим темное пятно — тень, окруженную светящимся кольцом. Тень черной дыры ненамного больше ее размера, поэтому наблюдение тени подтвердило, что центральный сверхмассивный объект в галактике M87 по своим свойствам действительно соответствует черной дыре. Есть и другие аргументы в пользу существования во Вселенной черных дыр.
Как образуются черные дыры? Часть событий, которые наблюдают LIGO и Virgo, а возможно и все эти события, объясняются черными дырами и нейтронными звездами звездного происхождения. Эти объекты образуются при взрывах массивных звезд. В одной только нашей Галактике таких черных дыр должно быть сотни миллионов. Их массы всего в несколько раз или в несколько десятков раз больше массы Солнца. В центрах галактик, как в уже упомянутой галактике M87, находятся сверхмассивные черные дыры с массами до десятка миллиардов масс Солнца. Например, в центре нашей Галактики находится черная дыра с весьма скромной массой в 4 млн масс Солнца. Сверхмассивные черные дыры могли образовываться иными путями, чем звездные черные дыры. Они могли рождаться при сжатии очень массивных газовых облаков или за счет других процессов.
Выше мы упоминали возможные астрофизические механизмы образования черных дыр. Но ученые выдвинули гипотезы, что черные дыры могли образовываться и на очень ранних стадиях эволюции Вселенной, когда никаких звезд и галактик еще не было. Такие черные дыры сейчас называют первичными черными дырами. Впервые гипотеза о первичных черных дырах была сформулирована в 1966 году советскими учеными Яковом Зельдовичем и Игорем Новиковым. Зельдович и Новиков опубликовали свою работу в советском «Астрономическом журнале».
Несколько лет спустя Стивен Хокинг предложил похожую модель. И сейчас многие зарубежные ученые считают Хокинга первопроходцем в этом вопросе и ссылаются именно на его работу, хотя первыми были Зельдович и Новиков.
Ситуация в некоторой степени похожа на историю изобретения радио: западный мир считает изобретателем радио итальянца Гульельмо Маркони, американцы — Николу Теслу, а в России авторство признают за россиянином Александром Поповым.
Пока неизвестно достоверно, существуют ли первичные черные дыры. Но если они существуют, то они могут объяснять ряд нерешенных проблем в космологии и астрофизике. Например, загадочная темная материя может состоять из первичных черных дыр. Среди гравитационных всплесков, наблюдавшихся LIGO и Virgo, есть такие, которые сгенерированы черными дырами, имевшими малые угловые моменты (скорости вращения). Но при взрывах сверхновых звезд должны возникать черные дыры с большими угловыми моментами. Это противоречие могут разрешить первичные черные дыры, если их слияния и наблюдались LIGO и Virgo, так как у первичных черных дыр угловые моменты малы. Черные дыры в центрах галактик могут поглощать вещество, и при этом генерируется мощное излучение — такие объекты видны на очень больших расстояниях как квазары. Большое расстояние соответствует очень давним временам, так как свету потребовались миллиарды лет, чтобы дойти до нас от квазара. Пока неизвестно, как в столь ранней Вселенной могли появиться сверхмассивные черные дыры. Ответом могут служить первичные черные дыры, которые образовались очень рано. Как видим, первичные черные дыры могли бы многое объяснить, решить ряд проблем. Но надо отметить, что все же пока неизвестно, существуют они или нет.
В современной космологии есть ряд интересных нерешенных проблем. Одна из них — проблема Hubble tension. На русский это можно перевести как «напряженность или несогласованность в измерениях постоянной Хаббла». Постоянная Хаббла — величина, характеризующая скорость, с которой расширяется Вселенная. Она постоянна в том смысле, что одинакова во всех направлениях, и она рассматривалась как константа в математической зависимости скорости удаления галактик от расстояний до них. Но сейчас известно, что постоянная Хаббла не совсем постоянная, она медленно изменяется во времени.
Некоторые группы ученых определяют постоянную Хаббла по эффектам в ранней Вселенной, а другие — по эффектам в поздней Вселенной. И, что удивительно, у них получаются разные величины постоянной Хаббла! В случае ранней Вселенной величину постоянной Хаббла получают из наблюдений флуктуаций реликтового излучения, а в поздней Вселенной — по цефеидам и сверхновым типа Ia (взрывающимся белым карликам — особым типам звезд). Период пульсации звезды-цифеиды связан с яркостью, а наблюдаемая светимость зависит от расстояния, на котором от нас находится звезда. Ученые сначала определяют расстояние до звезды-цифеиды, а потом связывают ее со сверхновыми Ia и таким путем строят шкалу космических расстояний. И с помощью этой шкалы находят постоянную Хаббла. И вот эти два метода дали результаты, которые отличаются на 5%.
Почему имеется расхождение между двумя методами измерений постоянной Хаббла — это загадка. Впервые эту проблему ясно сформулировали академик РАН, главный научный сотрудник Института ядерных исследований РАН Игорь Ткачев и его коллеги Зураб Бережиани (Университет Аквилы, Италия) и Александр Долгов (Новосибирский университет) в работе, которая была опубликована в журнале Physical Review D в 2015 году. Они же предложили и первую теоретическую возможность решения проблемы Hubble tension. В их модели различие в измерениях постоянной Хаббла возникает за счет распада частиц темной материи. Постоянная Хаббла зависит от общей плотности вещества и излучения во Вселенной. Если часть частиц распалась и превратилась в излучение, то постоянная Хаббла уменьшалась со временем быстрее, чем в случае без распадов, так как плотность излучения при расширении Вселенной уменьшается быстрее, чем плотность вещества.
К настоящему времени предложено уже множество возможных решений проблемы Hubble tension, но пока неизвестно, какое из них является правильным и не может ли эта проблема решаться каким-то иным, неизвестным пока путем. В статье старшего научного сотрудника Института ядерных исследований РАН Юрия Ерошенко, опубликованной в международном журнале Physics of the Dark Universe («Физика темной Вселенной»), предложен еще один вариант решения этой проблемы. Гипотеза основана на предположении о существовании первичных черных дыр с малыми массами (от миллионной до тысячной доли массы Земли). Автор предположил, что первично эти черные дыры были собраны в компактные скопления, где они часто сталкивались между собой. При столкновениях несколько процентов массы черных дыр было излучено в гравитационные волны, которые ведут себя во Вселенной как излучение. Плотность энергии гравитационных волн уменьшается быстрее, чем плотность обычного вещества. Масса Вселенной стала меньше примерно на 10% из-за того, что часть массы первичных черных дыр перешла в гравитационные волны. Так же как и в модели с распадающимися частицами, это может объяснить разную величину постоянной Хаббла по измерениям в ранней и в современной Вселенной.
Критерием истины в науке является опыт: эксперимент и наблюдения. Существуют или нет во Вселенной первичные черные дыры и каким путем решается проблема с постоянной Хаббла, покажут будущие высокоточные наблюдения с помощью новых телескопов и детекторов.