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
Как только объект попадает в черную дыру, покинуть ее он уже не может. Неважно, сколько энергии у вас есть, вы никогда не сможете двигаться быстрее скорости …
Сегодня научная картина мира складывается таким образом, что нашей Вселенной управляет два набора законов — общая теория относительности, которая объясняет п…
Общая теория относительности Эйнштейна, в которой гравитация рождается вследствие искривления пространства-времени, замечательна. Она была подтверждена с нев…
Черные дыры: откуда они взялись и почему ученые так ими интересуются
Во Вселенной существуют триллионы различных объектов, природу большинства из них современная наука до сих пор не понимает до конца. В число этих объектов входят и черные дыры — одни из самых странных явлений в космосе, существование которых даже не могли предположить научные фантасты. «Хайтек» подробно рассказывает, как открывали черные дыры и сможет ли человечество в дальнейшем как-то использовать их.
Читайте «Хайтек» в
Что такое черная дыра
Черной дырой в классическом понимании называют область пространства-времени, гравитационное притяжение которой настолько сильно, что ее не могут покинуть никакие объекты, движущиеся со скоростью света. Даже кванты самого света.
Граница черной дыры называется горизонтом событий, а ее размер — гравитационным радиусом. Черные дыры притягивают к себе материю, которая образовывает вокруг них аккреционный диск — гигантскую структуру вокруг черной дыры, которая быстро вращается. Именно из-за материи, светящейся во время вращения, ученым и удалось обнаружить существование черных дыр. При этом внутрь черной дыры попадает лишь небольшое количество этой материи, остальное отправляется обратно в космос в виде струи плазмы или джета, траектория которой совпадает с линиями магнитного поля. У некоторых черных дыр скорость движения этой плазмы достигает 99% от скорости света.
Сейчас в астрофизике существует четыре основных сценария образования черных дыр.
— Гравитационный коллапс очень массивной звезды. Согласно этой гипотезе, в конце своей жизни практически любая звезда с массой более трех солнечных, которая уже израсходовала все термоядерные реакции, может превратиться именно в такой тип сверхплотной материи — в нейтронную звезду, которая необходима для возникновения подобного искривленного участка Вселенной. По сути, это звезда, которая схлопывается под собственной тяжестью, увлекает за собой пространственно-временной континуум, находящийся вокруг нее. Гравитационное поле этого объекта становится настолько сильным, что из него не может вырваться даже свет. Поэтому эта область называется черной дырой.
— Коллапс центральной части галактики или области протогалактического газа. По сути, процесс появления черных дыр в этой гипотезе очень похож на первый вариант, только коллапсирует под собственным весом часть галактики, а не отдельная звезда. Эта гипотеза основана на наблюдении ученых, что практически каждая галактика имеет черную дыру в своем центре. Это не сходится с версией о появлении черных дыр из коллапсирующих звезд.
— Появление черных дыр в момент начального расширения Вселенной, так называемые первичные черные дыры. Согласно этой гипотезе, сразу же после Большого взрыва давление и температура в космосе были сверхвысокими. В таких условиях простые колебания плотности материи, например, начало расширения Вселенной, были достаточно значительными, чтобы появились территории с такой гравитацией. При этом большинство областей с высокой плотностью удалилось друг от друга из-за расширения Вселенной. Также космологами высказано предположение, что первичные черные дыры с массами в диапазоне от 10 14 до 10 23 кг могут составлять темную материю. Это наиболее тяжелые кандидаты на частицы темной материи.
— Возникновение черных дыр в ядерных реакциях высоких энергий. Подобные реакции используют для изучения частиц в адронных коллайдерах.
Кроме того, черными дырами ученые часто называют объекты, не полностью соответствующие их точному определению, а лишь приближающиеся по своим свойствам к ним. В эту же категорию входят коллапсирующие звезды на поздних стадиях коллапса.
При этом пока неизвестно, что становится с черными дырами после их смерти. Ученые считают, что Вселенная еще слишком молода для разрушения первых из них. Согласно математическим расчетам Стивена Хокинга, черные дыры должны постепенно просто испаряться, отдавая свою энергию в окружающую среду.
Открытие черных дыр
Концепция существования массивного тела, гравитационное притяжение которого настолько велико, что скорость, которая необходима для его преодоления, превышает скорость движения света (а значит физически не может существовать во Вселенной), была впервые выдвинута английским ученым Джоном Мичеллом в 1784 году.
В своем письме в Королевское общество он рассказал, что в космосе может существовать множество таких недоступных наблюдению объектов радиусом в 500 солнечных, но с плотностью Солнца, гравитация которых не позволит свету выйти наружу.
Однако эта гипотеза вскоре была забыта, поскольку в рамках классической физики скорость света не имеет фундаментального значения. И только после того, как в 1905 году Альберт Эйнштейн в своей специальной теории относительности (СТО) использовал разработки электродинамики Лоренца, скорость света оказалась предельной, которую может развивать физическое тело. Это радикально изменило значение черных дыр в теоретической физике.
Следующий большой вклад в их изучение внес индийский нобелевский лауреат Субраманьян Чандрасекар, который создал фундаментальную для этого направления монографию — «Математическая теория черных дыр». Он изучал строение массивных звезд и возможное их превращение в нейтронные звезды либо черные дыры. Кроме того, он первым выдвинул теорию «об отсутствии волос» — о том, что у стационарной черной дыры нет внешних характеристик, помимо массы, момента импульса и определенных зарядов (специфических для различных материальных полей).
Фактически существование черных дыр было доказано только в 2015 году, а первый снимок их тени был сделан в апреле 2019 года — многие научные эксперты признали это открытие главным научным прорывом последнего десятилетия.
Существует несколько типов черных дыр:
Сколько черных дыр во Вселенной?
Никто не знает, поскольку наблюдать их достаточно сложно, и человечество пока находится только в самом начале изучения этих космических объектов. Точно известно, что в Млечном пути ученые обнаружили около десятка, однако в нашей галактике до 400 млрд звезд, из которых каждая тысячная имеет достаточно массы, чтобы образовать в конце своего существования черную дыру.
Сияние тьмы: астрономы впервые зарегистрировали свет от столкновения черных дыр
На прошлой неделе исследователи из 17 научных учреждений сообщили о важном открытии. Впервые в истории астрономы наблюдали вспышку света, вызванную столкновением двух черных дыр. Этот результат может стать новым окном в природу этих экзотических и плохо поддающихся наблюдению объектов — если, конечно, сенсация подтвердится, в чем у некоторых экспертов есть серьезные сомнения.
Как мы видим черные дыры
Черные дыры потому и называются черными, что не испускают света (как и других электромагнитных волн). Поэтому обнаружить черную дыру — отдельная проблема для наблюдателей.
Хорошо заметны лишь черные дыры, окруженные облаком газа. Мощная гравитация небесного тела заставляет окружающее вещество падать на него плотным потоком. При этом материя раскаляется и ярко сияет в разных диапазонах, от радиоволн до рентгеновских лучей. Излучение испускается до того, как вещество упадет за горизонт событий (границу, из-за которой не может вырваться даже свет), поэтому оно и достигает земных телескопов. Именно благодаря такой иллюминации ученые знают, что в центре практически любой галактики присутствует сверхмассивная черная дыра массой от сотен тысяч до миллиардов солнечных.
Гораздо более неуловимы черные дыры массой в десятки солнц, которые образуются при взрывах сверхновых. Обычно поблизости от них просто нет запасов вещества, которое они могли бы интенсивно поглощать, обеспечивая себе подсветку. Именно поэтому наблюдатели пока насчитали в Галактике лишь несколько десятков черных дыр звездной массы. Наблюдения последних лет обещают расширить этот список до сотен, но и это капля в море: по теоретическим оценкам, в Млечном Пути их должны быть сотни миллионов. Стоит ли говорить, что при такой скудности наблюдательных данных изучать эти небесные тела крайне трудно.
Гравитационное зрение
Новый способ изучать черные дыры появился благодаря детекторам гравитационных волн.
Теоретически гравитационную волну вызывает любое тело, обладающее массой и движущееся с ускорением, даже упавшая на стол шариковая ручка. Такая волна должна раскачивать все предметы, которых она достигает, однако практически эти волны так слабы, что их невозможно заметить. Только такие масштабные катаклизмы, как столкновения черных дыр и нейтронных звезд, вызывают волны, которые по крайне мере можно обнаружить, и то на пределе технических возможностей человечества.
Детекторы гравитационных волн представляют собой настоящее чудо инженерного искусства. Они фиксируют смещение чувствительных элементов на величину, которая меньше радиуса протона, и столь слабый сигнал не только обнаруживается, но и анализируется. По нему можно определить, например, массы столкнувшихся черных дыр. Это большое подспорье для астрономов: ведь столкновение невидимых в телескопы объектов тоже невидимо.
Увидеть невидимое
Гравитационный всплеск GW190521g был зафиксирован 21 мая 2019 года обоими действующими детекторами LIGO и VIRGO. На первый взгляд он ничем не выделялся из ряда подобных событий. Две черные дыры массой в несколько десятков солнц каждая столкнулись и слились в одну черную дыру массой порядка ста солнц.
Необычным было место столкновения (его координаты можно определить, сравнивая сигнал с разных детекторов, хотя и не очень точно). Дело в том, что именно в этой области неба находится квазар J1249+3449.
Квазар — это сверхмассивная черная дыра, окруженная особенно плотным облаком падающего на нее газа. Этот поток падающей материи превращает квазары в практически самые мощные источники излучения во Вселенной (как бы это ни было парадоксально для черной дыры).
Что если столкновение двух черных дыр звездной массы произошло прямо в облаке газа, окружающем сверхмассивный центральный объект? Тогда это вещество могло бы обеспечить заметную в телескопы вспышку. Ведь столкновение черных дыр в облаке газа может нагреть его до свечения. Ещё до открытия теоретики предложили целый ряд сценариев того, как это может произойти.
И вспышка действительно была. Ее обнаружили благодаря оптическому телескопу ZTF, который и предназначен для регистрации разного рода вспышек (для этого он регулярно фотографирует большую область неба).
Квазар J1249+3449 и без того виден в оптические телескопы. Но через несколько дней после гравитационного всплеска GW190521g он внезапно увеличил яркость. Она постепенно возвращалась к норме в течение целого месяца.
Что это было?
Авторы новой статьи предполагают следующий сценарий. В облаке вещества, окружающем сверхмассивную черную дыру, находилась пара черных дыр звездной массы. Отметим, что в этом нет ничего необычного. Огромная гравитация сверхмассивного объекта должна собирать вокруг него целый рой этих небесных тел.
В какой-то момент члены этой пары столкнулись и слились (это событие и породило гравитационные волны). Образовавшаяся при этом новая черная дыра в момент рождения получила мощный толчок. Он заставил ее буквально пробить окружающее облако газа насквозь и вылететь из него.
Объект, пролетевший сквозь облако вещества, вызвал в нем ударную волну. Энергия этой ударной волны и нагрела материю, заставив ее светиться. Такой нагрев должен был произойти не сразу, а через несколько дней после самого столкновения, что и наблюдалось.
Конечно, исследователи не сбрасывают со счетов и альтернативные объяснения. Наблюдавшаяся вспышка могла иметь другую природу и случайно совпасть с GW190521g во времени и пространстве.
Так, квазары не являются абсолютно стабильными источниками света. Их яркость слегка колеблется, в том числе и в виде вспышек. Не исключено, что именно такое событие и зафиксировал телескоп. Кроме того, сверхмассивная черная дыра могла разорвать и поглотить неудачно подвернувшуюся звезду (подобный процесс тоже сопровождается вспышкой). Есть и другие возможности.
Однако авторы статьи рассчитали вероятность подобных совпадений и заключили, что она крайне мала (менее 0,1%).
Если открытая вспышка действительно вызвана столкновением черных дыр звездной массы, то наблюдения в оптические телескопы могут стать новым методом исследования таких катаклизмов (правда, лишь тех, которые происходят в облаках вещества). А значит, астрономы получат больше возможностей для изучения этих экзотических объектов.
Тем не менее у некоторых специалистов есть серьезные сомнения в том, что такой сценарий реалистичен. «Предложенная авторами модель выглядит несколько сомнительно, — утверждает доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник Физического института РАН и приглашенный научный сотрудник факультета прикладной математики и теоретической физики Кембриджского университета Павел Иванов. — Дело в том, что заявленная мощность вспышки на несколько порядков больше, чем мог бы дать какой бы то ни было газодинамический процесс, связанный с черной дырой массой порядка ста масс Солнца».
Другими словами, никакие движения газа, вызванные родившейся в результате столкновения черной дырой, не могли породить настолько мощной вспышки. Значит, она имела иную природу, а совпадение с гравитационным всплеском — случайность, каким бы маловероятным ни считали такой сценарий авторы исследования.
Кто прав в этом споре, покажет только время. Разумеется, публикация в самом престижном в мире физическом журнале Physical Review Letters — это очень веская причина отнестись к выводам авторов всерьез. Но даже в самых авторитетных журналах иногда публикуются статьи с ошибочными результатами. Говорить об открытии как о свершившемся факте можно будет, только если его признает мировое экспертное сообщество. А для этого, вполне возможно, понадобятся новые наблюдательные данные.
Возможно, их не придется долго ждать. По расчетам исследователей (если их модель все-таки верна), через несколько лет такая вспышка должна произойти еще раз. Это случится, когда вылетевшая из облака черная дыра вернется в него под действием гравитации сверхмассивного центрального объекта. Если в этот раз астрономы наведут на квазар крупные телескопы, они смогут изучить явление подробнее и окончательно установить его природу.
