Каждый человек, знакомящийся с астрономией, рано или поздно испытывает сильное любопытство по поводу самых загадочных объектов Вселенной - черных дыр. Это настоящие властелины мрака, способные «проглотить» любой проходящий поблизости атом и не дать ускользнуть даже свету, - настолько мощно их притяжение. Эти объекты представляют настоящую проблему для физиков и астрономов. Первые пока еще не могут понять, что же происходит с упавшим внутрь черной дыры веществом, а вторые хоть и объясняют самые энергозатратные явления космоса существованием черных дыр, никогда не имели возможности наблюдать ни одну из них непосредственно. Мы расскажем об этих интереснейших небесных объектах, выясним, что уже было открыто и что еще предстоит узнать, чтобы приподнять завесу тайны.

Что такое черная дыра?

Название «черная дыра» (по-английски - black hole) было предложено в 1967 году американским физиком-теоретиком Джоном Арчибальдом Уилером (см. фото слева). Оно служило для обозначения небесного тела, притяжение которого настолько сильно, что не отпускает от себя даже свет. Потому она и «черная», что не испускает света.

Косвенные наблюдения

В этом кроется причина такой таинственности: поскольку черные дыры не светятся, мы не можем увидеть их непосредственно и вынуждены искать и изучать их, используя лишь косвенные свидетельства, которые их существование оставляет в окружающем пространстве. Иными словами, если черная дыра поглощает звезду, мы не видим черную дыру, но можем наблюдать разрушительные последствия воздействия ее мощного гравитационного поля.

Интуиция Лапласа

Несмотря на то, что выражение «черная дыра» для обозначения гипотетической финальной стадии эволюции звезды, сколлапсировавшей в себя под воздействием силы тяжести, появилось сравнительно недавно, идея о возможности существования таких тел возникла более двух веков назад. Англичанин Джон Мичелл и француз Пьер-Симон де Лаплас независимо друг от друга выдвинули гипотезу о существовании «невидимых звезд»; при этом они основывались на обычных законах динамики и законе всемирного тяготения Ньютона. Сегодня черные дыры получили свое правильное описание на основе общей теории относительности Эйнштейна.

В своем труде «Изложение системы мира» (1796) Лаплас писал: «Яркая звезда той же плотности, что и Земля, диаметром, в 250 раз превосходящим диаметр Солнца, благодаря своему гравитационному притяжению не позволила бы световым лучам добраться до нас. Следовательно, возможно, что самые крупные и самые яркие небесные тела по этой причине являются невидимыми».

Непобедимое тяготение

В основе идеи Лапласа лежало понятие скорости убегания (второй космической скорости). Черная дыра является настолько плотным объектом, что ее притяжение способно задержать даже свет, развивающий наибольшую в природе скорость (почти 300000 км/с). На практике, для того чтобы убежать из черной дыры, требуется скорость выше скорости света, но это невозможно!

Это означает, что звезда такого рода будет невидимой, поскольку даже свету не удастся преодолеть ее мощную гравитацию. Эйнштейн объяснял этот факт через явление отклонения света под воздействием гравитационного поля. В реальности вблизи черной дыры пространство-время настолько искривлено, что траектории световых лучей также замыкаются на самих себе. Для того чтобы превратить Солнце в черную дыру, мы должны будем сосредоточить всю его массу в шаре радиусом 3 км, а Земля должна будет превратиться в шарик радиусом 9 мм!

Виды черных дыр

Еще около десяти лет назад наблюдения позволяли предположить существование двух видов черных дыр: звездных, масса которых сравнима с массой Солнца или ненамного превышает ее, и сверхмассивных, масса которых - от нескольких сотен тысяч до многих миллионов масс Солнца. Однако относительно недавно рентгеновские изображения и спектры высокого разрешения, полученные с искусственных спутников типа «Чандра» и «ХММ-Ньютон», вывели на авансцену третий тип черной дыры -с массой средней величины, превосходящей массу Солнца в тысячи раз.

Звездные черные дыры

Звездные черные дыры стали известны раньше других. Они формируются тогда, когда звезда большой массы в конце своего эволюционного пути исчерпывает запасы ядерного горючего и коллапсирует сама в себя из-за собственной гравитации. Потрясающий звезду взрыв (это явление известно под названием «взрыва сверхновой») имеет катастрофические последствия: если ядро звезды превосходит массу Солнца более чем в 10 раз, никакая ядерная сила не способна противостоять гравитационному коллапсу, результатом которого будет появление черной дыры.

Сверхмассивные черные дыры

Иное происхождение имеют сверхмассивные черные дыры, впервые отмеченные в ядрах некоторых активных галактик. Относительно их рождения есть несколько гипотез: звездная черная дыра, которая в течение миллионов лет пожирает все окружающие ее звезды; слившееся воедино скопление черных дыр; колоссальное газовое облако, коллапсирующее непосредственно в черную дыру. Эти черные дыры являются одними из самых насыщенных энергией объектов космоса. Они расположены в центрах очень многих галактик, если не всех. Наша Галактика тоже имеет такую черную дыру. Иногда благодаря наличию такой черной дыры ядра этих галактик становятся очень яркими. Галактики с черными дырами в центре, окруженными большим количеством падающего вещества и, следовательно, способными произвести колоссальное количество энергии, называются «активными», а их ядра -«активными ядрами галактик» (AGN). Например, квазары (самые удаленные от нас космические объекты, доступные нашему наблюдению) являются активными галактиками, у которых мы видим только очень яркое ядро.

Средние и «мини»

Еще одной тайной остаются черные дыры средней массы, которые, согласно недавним исследованиям, могут оказаться в центре некоторых шаровых скоплений, таких, например, как М13 и NCC 6388. Многие астрономы высказываются об этих объектах скептически, но некоторые новейшие исследования позволяют предположить наличие черных дыр средних размеров даже недалеко от центра нашей Галактики. Английский физик Стивен Хокинг выдвинул также теоретическое предположение о существовании четвертого вида черной дыры - «мини-дыры» с массой лишь в миллиард тонн (что примерно равно массе большой горы). Речь идет о первичных объектах, то есть появившихся в первые мгновения жизни Вселенной, когда давление было еще очень высоким. Впрочем, пока не обнаружено ни одного следа их существования.

Как найти черную дыру

Всего несколько лет назад над черными дырами «зажегся свет». Благодаря постоянно совершенствуемым приборам и технологиям (как наземным, так и космическим) эти объекты становятся все менее загадочными; точнее, менее загадочным становится окружающее их пространство. В самом деле, коль скоро сама черная дыра невидима, мы можем распознать ее только в том случае, если она окружена достаточным количеством вещества (звезд и горячего газа), обращающегося вокруг нее на небольшом удалении.

Наблюдая за двойными системами

Некоторые звездные черные дыры были обнаружены в процессе наблюдения орбитального движения звезды вокруг невидимого компаньона по двойной системе. Тесные двойные системы (то есть состоящие из двух очень близких друг к другу звезд), один из компаньонов в которых невидим, - излюбленный объект наблюдений астрофизиков, ищущих черные дыры.

Указанием на наличие черной дыры (или нейтронной звезды) служит сильная эмиссия рентгеновских лучей, вызванная сложным механизмом, который можно схематически описать следующим образом. Благодаря своей мощной гравитации черная дыра может вырывать вещество из звезды-компаньона; этот газ распределяется в форме плоского диска и падает по спирали в черную дыру. Трение, возникающее в результате столкновений частичек падающего газа, нагревает внутренние слои диска до нескольких миллионов градусов, что вызывает мощное излучение рентгеновских лучей.

Наблюдения в рентгеновских лучах

Проводящиеся уже несколько десятилетий наблюдения в рентгеновских лучах объектов нашей Галактики и соседних галактик позволили обнаружить компактные двойные источники, примерно десяток из которых представляет собой системы, содержащие кандидатов в черные дыры. Основной проблемой является определение массы невидимого небесного тела. Значение массы (пусть и не очень точное) можно найти, изучая движение компаньона или, что намного труднее, измеряя интенсивность рентгеновского излучения падающего вещества. Эта интенсивность связана уравнением с массой тела, на которое падает это вещество.

Нобелевский лауреат

Нечто подобное можно сказать и в отношении сверхмассивных черных дыр, наблюдаемых в ядрах многих галактик, массы которых оцениваются через измерение орбитальных скоростей газа, проваливающегося в черную дыру. В этом случае вызванный мощным гравитационным полем очень крупного объекта быстрый рост скорости газовых облаков, обращающихся по орбите в центре галактик, выявляется наблюдениями в радиодиапазоне, а также в оптических лучах. Наблюдения в рентгеновском диапазоне могут подтвердить повышенное выделение энергии, вызванное падением вещества внутрь черной дыры. Исследования в рентгеновских лучах в начале 1960-х годов начал работавший в США итальянец Риккардо Джаккони. Присужденная ему в 2002 году Нобелевская премия стала признанием его «новаторского вклада в астрофизику, что привело к открытию в космосе источников рентгеновского излучения».

Лебедь X-1: первый кандидат

Наша Галактика не застрахована от наличия объектов-кандидатов в черные дыры. К счастью, ни один из этих объектов не находится настолько близко к нам, чтобы представлять опасность для существования Земли или Солнечной системы. Несмотря на большое количество отмеченных компактных источников рентгеновского излучения (а это наиболее вероятные кандидаты для нахождения там черных дыр), у нас нет уверенности в том, что они на самом деле содержат черные дыры. Единственным среди этих источников, не имеющим альтернативной версии, является тесная двойная система Лебедь X-1, то есть наиболее яркий источник рентгеновского излучения, в созвездии Лебедь.

Массивные звезды

Эта система, орбитальный период которой составляет 5,6 суток, состоит из очень яркой голубой звезды большого размера (ее диаметре 20 раз превосходит солнечный, а масса - примерно в 30 раз), легко различимой даже в ваш телескоп, и невидимой второй звезды, масса которой оценивается в несколько солнечных масс (до 10). Расположенная на расстоянии 6500 световых лет от нас вторая звезда была бы отлично видна, если бы она была обычной звездой. Ее невидимость, производимое системой мощное рентгеновское излучение и, наконец, оценка массы заставляют большинство астрономов думать о том, что это - первый подтвержденный случай обнаружения звездной черной дыры.

Сомнения

Впрочем,есть и скептики. Среди них один из крупнейших исследователей черных дыр физик Стивен Хокинг. Он даже заключил пари с американским коллегой Килом Торном - ярым сторонником классификации объекта Лебедь X-1 как черной дыры.

Спор о сущности объекта Лебедь X-1 - не единственное пари Хокинга. Посвятив несколько девятилетий теоретическим исследованиям черных дыр, он убедился в ошибочности своих прежних представлений об этих загадочных объектах.. В частности, Хокинг предполагал, что вещество после падения в черную дыру исчезает навсегда, а с ним исчезает и весь его информационный багаж. Он был настолько в этом уверен, что заключил на эту тему в 1997 году пари с американским коллегой Джоном Прескйллом.

Признание ошибки

21 июля 2004 года в своем выступлении на конгрессе по теории относительности в Дублине Хокинг признал правоту Прескилла. Черные дыры не приводят к полному исчезновению вещества. Более того, они обладают определенного рода «памятью». Внутри них вполне могут храниться следы того, что они поглотили. Таким образом, «испаряясь» (то есть медленно испуская излучение вследствие квантового эффекта), они могут возвращать эту информацию нашей Вселенной.

Черные дыры в Галактике

Астрономы еще питают множество сомнений относительно наличия в нашей Галактике звездных черных дыр (подобных той, что принадлежит двойной системе Лебедь X-1); но в отношении сверхмассивных черных дыр сомнений гораздо меньше.

В центре

В нашей Галактике имеется минимум одна сверхмассивная черная дыра. Ее источник, известный под именем Стрелец А*, точно локализован в центре плоскости Млечного Пути. Его название объясняется тем, что это самый мощный радиоисточник в созвездии Стрелец. Именно в этом направлении расположены как геометрический, так и физический центры нашей галактической системы. Находящаяся на расстоянии около 26000 световых лет от нас сверхмассивная черная дыра, связанная с источником радиоволн Стрелец А*, обладает массой, которая оценивается примерно в 4 млн солнечных масс, заключенных в пространстве, объем которого сравним с объемом Солнечной системы. Ее относительная близость к нам (эта сверхмассивная черная дыра, без сомнения, ближайшая к Земле) стала причиной того, что в последние годы объект подвергся особенно глубокому исследованию при помощи космической обсерватории «Чандра». Выяснилось, в частности, что он также представляет собой мощный источник рентгеновского излучения (но не столь мощный, как источники в активных ядрах галактик). Стрелец А*, возможно, является «спящим» остатком того, что миллионы или миллиарды лет назад было активным ядром нашей Галактики.

Вторая черная дыра?

Впрочем, некоторые астрономы считают, что в нашей Галактике имеется еще один сюрприз. Речь идет а второй черной дыре средней массы, удерживающей вместе скопление молодых звезд и не позволяющей им упасть в сверхмассивную черную дыру, расположенную в центре самой Галактики. Как же может быть, чтобы на расстоянии меньше одного светового года от нее могло находиться звездное скопление возраста, едва достигшего 10 млн лет, то есть, по астрономическим меркам, очень молодое? По мнению исследователей, ответ заключается в том, что скопление родилось не там (среда вокруг центральной черной дыры слишком враждебна для звездообразования), но было «притянуто» туда благодаря существованию внутри него второй черной дыры, которая и обладает массой средних значений.

Доктор философии (в области физики) К. ЗЛОСЧАСТЬЕВ, Кафедра гравитации и теории поля, Институт Ядерных Исследований, Национальный Автономный Университет Мексики.

О сингулярности, информации, энтропии, космологии и многомерной Единой теории взаимодействий в свете современной теории черных дыр

Наука и жизнь // Иллюстрации

Илл. 1. Вблизи коллапсирующей звезды траектория светового луча искривляется ее гравитационным полем.

Черные дыры, заснятые космическим телескопом "Хаббл" в центрах шести галактик. Они втягивают окружающую материю, которая образует спиральные рукава и падает на черную дыру, навсегда скрываясь за горизонтом событий.

Илл. 2. Световой конус.

В наше время трудно найти человека, который не слышал бы о черных дырах. Вместе с тем, пожалуй, не менее трудно отыскать того, кто смог бы объяснить, что это такое. Впрочем, для специалистов черные дыры уже перестали быть фантастикой - астрономические наблюдения давно доказали существование как "малых" черных дыр (с массой порядка солнечной), которые образовались в результате гравитационного сжатия звезд, так и сверхмассивных (до 10 9 масс Солнца), которые породил коллапс целых звездных скоплений в центрах многих галактик, включая нашу. В настоящее время микроскопические черные дыры ищут в потоках космических лучей сверхвысоких энергий (международная лаборатория Pierre Auger, Аргентина) и даже предполагают "наладить их производство" на Большом адронном коллайдере (LHC), который планируют запустить в 2007 году в ЦЕРНе. Однако подлинная роль черных дыр, их "предназначение" для Вселенной, находится далеко за рамками астрономии и физики элементарных частиц. При их изучении исследователи глубоко продвинулись в научном понимании прежде сугубо философских вопросов - что есть пространство и время, существуют ли границы познания Природы, какова связь между материей и информацией. Попытаемся осветить все наиболее важное по этой теме.

1. Темные звезды Митчелла - Лапласа

Термин "черная дыра" был предложен Дж. Уилером в 1967 году, однако первые предсказания существования тел столь массивных, что даже свет не может их покинуть, датируются XVIII веком и принадлежат Дж. Митчеллу и П. Лапласу. Их расчеты основывались на теории тяготения Ньютона и корпускулярной природе света. В современном варианте эта задача выглядит так: каковы должны быть радиус R s и масса M звезды, чтобы ее вторая космическая скорость (минимальная скорость, которую необходимо сообщить телу на поверхности звезды, чтобы оно вышло из сферы ее гравитационного действия) равнялась скорости света c? Применяя закон сохранения энергии, получаем величину

R s = 2GM/c 2 , (1)

которая известна как радиус Шварцшильда, или радиус сферической черной дыры (G - гравитационная постоянная). Несмотря на то что теория Ньютона заведомо неприменима к реальным черным дырам, формула (1) сама по себе верна, что и подтвердил немецкий астроном К. Шварцшильд в рамках общей теории относительности (ОТО) Эйнштейна, созданной в 1915 году! В этой теории формула определяет, до какого размера должно сжаться тело, чтобы получилась черная дыра. Если для тела радиуса R и массы M выполняется неравенство R/M > 2G/c 2 , то тело гравитационно устойчиво, в противном случае оно коллапсирует (схлопывается) в черную дыру.

2. Черные дыры от Эйнштейна до Хокинга

По-настоящему последовательная и непротиворечивая теория черных дыр, или коллапса ров, невозможна без учета искривляемости пространства-времени. Поэтому неудивительно, что они естественным образом появляются как частные решения уравнений ОТО. Согласно им, черная дыра - это объект, искривляющий пространство-время в своей окрестности настолько, что никакой сигнал не может быть передан с ее поверхности или изнутри даже по световому лучу. Иными словами, поверхность черной дыры служит границей пространства-времени, доступного нашим наблюдениям. Вплоть до начала 70-х годов это было утверждением, к которому невозможно добавить что-либо существенное: черные дыры казались "вещью в себе" - загадочными объектами Вселенной, внутренняя структура которых непостижима в принципе.

Энтропия черных дыр. В 1972 году Я. Бекенштейн высказал гипотезу, что черная дыра обладает энтропией, пропорциональной площади ее поверхности A (для сферической дыры A = 4pR s 2):

S ЧД = C A/4, (2)

где C=kc 3 /Gћ - комбинация фундаментальных констант (k - постоянная Больцмана и ћ - постоянная Планка). Кстати, теоретики предпочитают работать в планковской системе единиц, в этом случае C = 1. Более того, Бекенштейн предположил, что для суммы энтропий черной дыры и обычной материи, S tot = S вещество + S ЧД, имеет место обобщенный второй закон термодинамики:

D S tot є (S tot) конечн - (S tot) начальн? 0, (3)

то есть суммарная энтропия системы не может уменьшаться. Последняя формула полезна также тем, что из нее можно вывести ограничение на энтропию обычной материи. Рассмотрим так называемый процесс Сасскинда: имеется сферически-симметричное тело "субкритической" массы, то есть такой, которая еще удовлетворяет условию гравитационной устойчивости, однако достаточно добавить немного энергии-массы DE, чтобы тело сколлапсировало в черную дыру. Тело окружено сферической оболочкой (чья суммарная энергия как раз равна DE), которая падает на тело. Энтропия системы до падения оболочки:

(S tot) начальн = S вещество + S оболочка,

(S tot) конечн = S ЧД = A/4.

Из (3) и неотрицательности энтропии получаем знаменитое ограничение сверху на энтропию вещества:

S вещество? A/4. (4)

Формулы (2) и (3), несмотря на их простоту, породили загадку, оказавшую огромное влияние на развитие фундаментальной науки. Из стандартного курса статистической физики известно, что энтропия системы является не первичным понятием, а функцией от степеней свободы микроскопических составляющих системы - например, энтропия газа определяется как логарифм числа возможных микросостояний его молекул. Таким образом, если черная дыра имеет энтропию, то она должна обладать внутренней структурой! Только в последние годы наметился подлинно большой прогресс в понимании этой структуры , а тогда идеи Бекенштейна были вообще скептически восприняты физиками. Стивен Хокинг, по его собственному признанию, решил опровергнуть Бекенштейна его же оружием - термодинамикой.

Излучение Хокинга. Коль скоро (2) и (3) наделены физическим смыслом, первый закон термодинамики диктует, что черная дыра должна иметь температуру T. Но позвольте, какая может быть у нее температура?! Ведь в таком случае дыра должна излучать, что противоречит ее главному свойству! Действительно, классическая черная дыра температуры, отличной от абсолютного нуля, иметь не может. Однако если предположить, что микросостояния черной дыры подчиняются законам квантовой механики, что, вообще говоря, практически очевидно, то противоречие легко устранимо. Согласно квантовой механике, а точнее, ее обобщению - квантовой теории поля, может происходить спонтанное рождение частиц из вакуума. При отсутствии внешних полей пара частица-античастица, рожденная таким образом, аннигилирует обратно в вакуумное состояние. Однако если поблизости есть черная дыра, ее поле притянет ближайшую частицу. Тогда, по закону сохранения энергии-импульса, другая частица уйдет на бoльшее расстояние от черной дыры, унося с собой "приданое" - часть энергии-массы коллапсара (иногда говорят, что "черная дыра потратила часть энергии на рождение пары", что не совсем корректно, ибо выживает не вся пара, а только одна частица).

Как бы то ни было, в результате удаленный наблюдатель обнаружит поток всевозможных частиц, излучаемых черной дырой, которая будет расходовать свою массу на рождение пар, пока полностью не испарится, превратившись в облако излучения . Температура черной дыры обратно пропорциональна ее массе, таким образом, более массивные испаряются медленнее, ибо время их жизни пропорционально кубу массы (в четырехмерном пространстве-времени). Например, время жизни черной дыры с массой M порядка солнечной превосходит возраст Вселенной, тогда как микродыра с M = 1 тераэлектронвольт (10 12 эВ, примерно 2. 10 -30 кг) живет около 10 -27 секунд.

3. Черные дыры и сингулярности

В научно-фантастической литературе и фильмах черная дыра обычно представляется этаким космическим Гаргантюа, безжалостно пожирающим пролетающие корабли с отважными блондинками и даже целые планеты. Увы, если бы фантасты знали о современной физике чуть больше, они бы не были столь несправедливы к черным дырам. Дело в том, что коллапсары фактически защищают Вселенную от гораздо более грозных монстров...

Сингулярностью называется точка пространства, в которой его кривизна неограниченно стремится к бесконечности, - пространство-время как бы рвется в этой точке. Современная теория говорит о существовании сингулярностей как о неизбежном факте - с математической точки зрения, решения уравнений, описывающие сингулярности, также равноправны, как и все прочие решения, описывающие более привычные объекты Вселенной, которые мы наблюдаем.

Есть тут, однако, очень серьезная проблема. Дело в том, что для описания физических явлений необходимо не только иметь соответствующие уравнения, но нужно также задать граничные и начальные условия. Так вот, в сингулярных точках эти самые условия задать нельзя в принципе, что делает предсказательное описание последующей динамики невозможным. А теперь представим, что на раннем этапе существования Вселенной (когда она была достаточно малой и плотной) образуется множество сингулярностей. Тогда в областях, которые находятся внутри световых конусов этих сингулярностей (иными словами, причинно-зависимых от них) никакое детерминистское описание невозможно. Мы имеем абсолютный и бесструктурный хаос, без намека на какую-либо причинность. Далее, эти области хаоса расширяются со временем по мере эволюции Вселенной. В результате к настоящему времени подавляющая часть Вселенной была бы совершенно стохастичной (случайной) и ни о каких "законах природы" не могло бы быть и речи. Не говоря уже о блондинках, планетах и прочих неоднородностях вроде нас с вами.

К счастью, ситуацию спасают наши ненасытные обжоры. Математическая структура уравнений фундаментальной теории и их решений указывает на то, что в реальных ситуациях пространственные сингулярности должны появляться не сами по себе, а исключительно внутри черных дыр. Как тут не вспомнить мифологических титанов, пытавшихся воцарить Хаос на Земле, но низвергнутых Зевсом и К о в Тартар и благополучно заключенных там навеки…

Таким образом, черные дыры отделяют сингулярности от остальной Вселенной и не позволяют им влиять на ее причинно-следственные связи. Этот принцип запрета существования "голых" (англ. naked) сингулярностей, то есть не окруженных горизонтом событий, предложенный Р. Пенроузом в 1969 году, получил название гипотезы космической цензуры. Как это часто бывает с фундаментальными принципами, полностью он не доказан, но принципиальных нарушений пока замечено не было - Космический цензор на пенсию пока не собирается.

4. "Информационоемкость" материи и теория великого объединения

Локальная квантовая теория прекрасно зарекомендовала себя при описании всех известных элементарных взаимодействий, кроме гравитационного. Стало быть, фундаментальная квантовая теория с учетом ОТО также принадлежит к этому типу? Если принять эту гипотезу, нетрудно показать, что максимальное количество информации S, которое можно запасти в куске вещества объема V, равно V, измеренному в планковских единицах объема V P ~10 -99 см 3 с точностью до множителя, зависящего от конкретной теории:

S вещество ~ V. (5)

Однако эта формула вступает в противоречие с (4), так как в планковских единицах A намного меньше V для известных физических систем (соотношение A/V составляет порядка 10 -20 для протона и 10 -41 для Земли). Так какая же из формул верна: (4), базирующаяся на ОТО и свойствах черных дыр в квазиклассическом приближении, или (5), основанная на экстраполяции обычной квантовой теории поля до планковских масштабов? В настоящее время имеются весьма сильные аргументы в пользу того, что "мертва" скорее формула (5), чем (4).

Это, в свою очередь, может означать, что подлинно фундаментальная теория материи не просто очередная модификация квантовой теории поля, сформулированной "по объему", а некая теория, "живущая" на определенной поверхности, ограничивающей этот объем. Гипотеза получила название голографического принципа, по аналогии с оптической голограммой, которая, будучи плоской, тем не менее дает объемное изображение. Принцип сразу же вызвал большой интерес, ибо теория "на поверхности" - это нечто принципиально новое, вдобавок сулящее упрощение математического описания: ввиду понижения пространственной размерности на единицу, поверхности имеют меньшее число геометрических степеней свободы. В полной мере голографическая гипотеза пока не доказана, но уже существуют два общепризнанных подтверждения - ковариантное ограничение на энтропию вещества и AdS/CFT-соответствие.

Первое дает рецепт вычисления статистической энтропии (4) для общего случая материального тела, как определенной величины, вычисляемой на светоподобных мировых поверхностях, ортогональных поверхности тела (да простит меня неискушенный читатель за эту фразу). Общая идея состоит в следующем. Что принять за меру энтропии в искривленном пространстве-времени, то есть как ее посчитать правильно? Например, в случае распределения шара по ящикам (см. "Подробности для любознательных") мерой энтропии фактически является число ящиков, в случае обычного газа - его объем, отнесенный к усредненному объему молекулы. Но в четырехмерном пространстве-времени объем чего бы то ни было величина не абсолютная (помните лоренцево сокращение длин?). Ну а понятие "ящика", сами понимаете, несколько выходит за рамки элементарных понятий фундаментальной науки. В общем, необходимо определить меру энтропии через элементарные понятия дифференциальной геометрии, которые были бы ковариантными, то есть значения которых менялись бы в зависимости от положения наблюдателя четко определенным образом.

Пусть N - светоподобная гиперповерхность (обобщенный световой конус) некоторой совокупности пространственных точек S. Грубо говоря, N - это множество фотографий S, сделанных через бесконечно малые промежутки времени. Возьмем два пространственных среза N, сделанных в различные моменты времени (две "фотографии"), назовем их S 1 и S 2 . Тогда принцип ковариантного ограничения на энтропию вещества, находящегося в S, гласит, что поток энтропии через гиперповерхность N между срезами S 1 и S 2 меньше модуля разности их площадей, деленного на четыре (с точностью до размерного коэффициента, равного 1 в планковской системе единиц), или равен ему. Легко видеть, что по сути это та же формула (4), только сформулированная более корректно с точки зрения геометрии.

Второе - так называемое соответствие между пространством анти-де Ситтера (adS) и Конформной теорией поля (CFT) - это реализация голографии для некоего частного случая пространств постоянной отрицательной кривизны, тесно связанная с теорией струн. Соответствие гласит, что Конформная теория поля, определенная на границе пространства-времени анти-де Ситтера (то есть на пространстве с размерностью на единицу меньше размерности самого adS), эквивалентна квантовой гравитации внутри самого анти-де Ситтера. Фактически это доказанное соответствие между высокоэнергетическими квантовыми состояниями в CFT и квантовыми возмущениями гравитационного поля в пространстве-времени постоянной отрицательной кривизны. Не забудьте, что теория струн - один из частных случаев двухмерной конформной теории поля, так что напрашиваются далеко идущие приложения. На первый взгляд, AdS/CFT-соответствие не интересно с точки зрения физики: если предположить, что глобально наша Вселенная есть четырехмерное пространство анти-де Ситтера (adS 4), то она не может расширяться, в полном несогласии с астрономическими наблюдениями, восходящими еще к Хабблу. Однако есть надежда, что AdS/CFT-соответствие и само по себе все же сможет найти физические приложения. Если предположить, что наша четырехмерная Вселенная (необязательно анти-деситтеровского типа) вложена в, скажем, пятимерное пространство отрицательной кривизны (AdS 5), то получаются так называемые космологические модели "(мем)бранных миров" (англ. brane-world). Тогда убиваем сразу двух зайцев: (а) пространство многомерно, как и предсказывает теория струн, (б) AdS/CFT-соответствие работает, то есть с его помощью можно что-нибудь посчитать. Последнее означает, что некоторые свойства Вселенной (экспериментально проверяемые) могут быть предсказаны посредством прямых вычислений, а пункты (а) и (б) можно будет подтвердить или опровергнуть экспериментально.

5. Черные дыры и предел делимости материи

На заре прошлого века вождь мирового пролетариата, вероятно, находясь под впечатлением открытий Резерфорда и Милликена, рождает знаменитое "электрон так же неисчерпаем, как и атом". Этот лозунг висел в кабинетах физики почти всех школ Союза. Увы, слоган Ильича так же неверен, как и некоторые его политэкономические воззрения. Действительно, "неисчерпаемость" подразумевает наличие бесконечного количества информации в любом сколь угодно малом объеме вещества V. Однако максимум информации, которую может вместить V, согласно (4) ограничен сверху.

Каким же образом существование этого предела "информационной емкости" должно проявляться на физическом уровне? Начнем немного издалека. Что такое современные коллайдеры, то есть ускорители элементарных частиц? По сути, это очень большие микроскопы, задача которых - увеличение разрешения по длинам Dx. А как можно улучшить разрешение? Из соотношения неопределенностей Гейзенберга DxDp = const следует, что, если хочешь уменьшить Dx, нужно увеличить импульс p и, как следствие, энергию E частиц. И вот представим, что некто получил в свое распоряжение коллайдер неограниченной мощности. Сможет ли он, открывая все новые и новые частицы, бесконечно извлекать информацию?

Увы, нет: непрерывно увеличивая энергию сталкивающихся частиц, он рано или поздно достигнет стадии, когда расстояние между какими-нибудь частицами из них в области столкновения станет сравнимо с соответствующим радиусом Шварцшильда, что немедленно повлечет рождение черной дыры. Начиная с этого момента вся энергия будет ею поглощаться, и, сколько ни увеличивай мощность, новой информации уже не получишь. Сама же черная дыра при этом станет интенсивно испаряться, возвращая энергию в окружающее пространство в виде потоков субатомных частиц. Таким образом, законы черных дыр, вкупе с законами квантовой механики, неизбежно означают существование экспериментального предела дробления материи.

В этом смысле достижение "чернодырного" порога на коллайдерах будущего будет неизбежно означать конец старой доброй физики элементарных частиц - по крайней мере, в том виде, как она понимается сейчас (то есть как непрерывное пополнение музея элементарных частиц новыми экспонатами). Но вместо этого откроются новые перспективы. Ускорители будут служить нам уже как инструмент исследования квантовой гравитации и "географии" дополнительных измерений Вселенной (против существования которых на данный момент пока не выдвинуто каких-либо убедительных аргументов).

6. Фабрики черных дыр на Земле?

Итак, мы выяснили, что ускорители элементарных частиц в принципе способны производить микроскопические черные дыры. Вопрос: какую они должны развивать энергию, чтобы получать хотя бы одно такое событие в месяц? До недавнего времени считалось, что эта энергия чрезвычайно велика, порядка 10 16 тераэлектронвольт (для сравнения: LHC сможет дать не больше 15 ТэВ). Однако если окажется, что на малых масштабах (менее 1 мм) наше пространство-время имеет число измерений больше четырех, порог необходимой энергии значительно уменьшается и может быть достигнут уже на LHC. Причина заключается в усилении гравитационного взаимодействия, когда вступят в игру предполагаемые дополнительные пространственные измерения, не наблюдаемые при нормальных условиях. Так, если обычная сила гравитационного притяжения между массивными телами в четырехмерном пространстве-времени обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними, то при наличии n дополнительных компактных измерений она модифицируется в F грав ~ 1/r (2 + n) при r ? r n , где r n - максимальный размер этих измерений. Тогда с уменьшением r F грав растет гораздо быстрее, чем по закону обратных квадратов, и уже на расстояниях порядка 10 (-17+32/n) сантиметров компенсирует силу электростатического отталкивания. А ведь именно она была причиной высокой пороговой энергии: чтобы преодолеть кулоновские силы и приблизить сталкивающиеся частицы на необходимое расстояние r = R s , приходилось сообщать частицам пучка бoльшую кинетическую энергию. В случае же существования дополнительных измерений ускоренный рост F грав экономит значительную часть необходимой энергии.

Все вышесказанное никоим образом не означает, что мини-дыры будут получены уже на мощностях LHC - это произойдет лишь при самом благоприятном варианте теории, которую "выберет" Природа. Кстати, не следует преувеличивать их опасность в случае получения - по законам физики они быстро испарятся. Иначе Солнечная система давно прекратила бы свое существование: в течение миллиардов лет планеты бомбардируются космическими частицами с энергией на много порядков выше достигаемых на земных ускорителях.

7. Черные дыры и космологическая структура Вселенной

Теория струн и большинство динамических моделей Вселенной предсказывают существование особого типа фундаментального взаимодействия - глобального скалярного поля (ГСП). В масштабах планеты и Солнечной системы его эффекты крайне малы и труднообнаружимы, однако в космологических масштабах влияние ГСП возрастает неизмеримо, так как его удельная доля в средней плотности энергии во Вселенной может превышать 72 процента! Например, от него зависит, будет ли наша Вселенная расширяться вечно или в конце концов сожмется в точку. Глобальное скалярное поле - один из вероятнейших кандидатов на роль "темной энергии", о которой так много пишут в последнее время.

Черные дыры появляются в этой связи весьма неожиданным образом. Можно показать, что необходимость их сосуществования с глобальным скалярным полем накладывает взаимные ограничения на свойства черных дыр. В частности, наличие черных дыр накладывает ограничение на верхний предел эффективной космологической постоянной (параметра ГСП, ответственного за расширение Вселенной), тогда как ГСП ограничивает нижний предел их масс (а значит, энтропии и обратной температуры T -1) некой положительной величиной. Иными словами, черные дыры, будучи "локальными" и, по меркам Вселенной, крошечными объектами, тем не менее самим фактом своего существования влияют на ее динамику и другие глобальные характеристики опосредованно, через глобальное скалярное поле.

Эпилог

Эйнштейн однажды сказал, что человеческий разум, однажды "расширенный" гениальной идеей, уже никогда не сможет сжаться до первоначального состояния . Это прозвучит немного парадоксально, но исследование предельно сжатого состояния материи было, есть и долгое время будет одним из главных путей и стимулов расширения границ человеческого интеллекта и познания фундаментальных законов мироздания.

ПОДРОБНОСТИ ДЛЯ ЛЮБОЗНАТЕЛЬНЫХ

Понятие энтропии

Согласно одной легенде, когда Клод Шеннон (Claude Shannon), гигант мысли и отец теории информации, терзался вопросом, как ему назвать только что изобретенное понятие, он попросил совета у другого гиганта, Джона фон Неймана (John von Neumann). Ответом было: "Назовите это энтропией - тогда в дискуссиях вы получите солидное преимущество - ибо никто не знает, что такое энтропия в принципе". Так родилось понятие "энтропии по Шеннону" (англ. Shannon entropy), ныне широко используемое в теории информации.

Ну что ж, уровни незнания могут быть разными - от полного невежества до глубокого понимания всей сложности проблемы. Попытаемся несколько улучшить наш уровень незнания энтропии.

Статистическая энтропия, введенная Людвигом Больцманом (Ludwig Boltzmann) в 1877 году, - это, грубо говоря, мера количества возможных состояний системы. Предположим, мы имеем две системы, состоящие из ящиков и одного шарика в каждой из них. Первая система "ящики плюс шарик" имеет только 1 ящик, вторая - 100 ящиков. Вопрос - в каком ящике находится шарик в каждой системе? Ясно, что в первой системе он может быть только в одном ящике. Помните формулу "Энтропия есть логарифм числа возможных состояний"? Тогда энтропия первой системы равна log1, то есть нулю, что отражает факт полной определенности (кстати, это одна из причин, почему в определении энтропии был использован логарифм). Что касается второй системы, то здесь мы имеем неопределенность: шарик может находиться в любом из 100 ящиков. В этом случае энтропия равна log100, то есть не равна нулю. Ясно, что, чем больше ящиков в системе, тем больше ее энтропия. Поэтому и говорят часто об энтропии как о мере неопределенности, ибо наши шансы "зафиксировать" шарик в конкретном ящике уменьшаются по мере увеличения их числа.

Заметьте, что в этом вопросе нас не интересуют физические свойства ни ящиков, ни шарика (цвет, форма, масса, и прочее), то есть энтропия представляет собой понятие реляционного типа * , универсальное по своей сути и иногда (но не всегда) наделенное конкретным физическим смыслом. Мы могли бы заменить шарики электронами, а ящики - вакансиями в твердом теле (или даже какими-то абстрактными категориями, как, например, в теории информации), а понятие энтропии по-прежнему было бы применимо и полезно.

Термодинамическая же энтропия, предложенная в 1865 году Рудольфом Клаузиусом (Rudolf Clausius) и, как мы знаем со школы, заданная формулой dS = dQ/T, где dQ - подвод теплоты к элементу вещества, T - темпеpатypа, пpи котоpой он находится, - это частный случай статистической энтропии, справедливый, например, для тепловых машин. Ранее считалось, что термодинамическая энтропия не может быть применима к черным дырам, но Бекенштейн и Хокинг показали, что это не так, при должном определении понятий T и S (см. гл. 2).

"Парадоксы" черных дыр

В Интернете я нашел любопытное утверждение. Его автор, Андрей, обратил внимание на несколько парадоксальных, по его мнению, аспектов физики ЧД: "Во всех книгах про черные дыры […] сказано, что время падения кого-либо (чего-либо) в черную дыру бесконечно в системе отсчета, связанной с удаленным наблюдателем. А время испарения черной дыры в этой же системе отсчета конечно, то есть тот, кто будет туда падать, не успеет этого сделать, потому что черная дыра уже испарится. […] Если тела падают в черную дыру бесконечное время, то тело, близкое по своей массе к черной дыре, будет сжиматься до черной дыры тоже бесконечное время, то есть все черные дыры […] расположены только в будущем по отношению к удаленному наблюдателю и их коллапс (сжатие) завершится только по прошествии бесконечного количества времени. […] Из этого утверждения следует, что никакого информационного парадокса нет - информация просто потеряется по прошествии бесконечно большого времени, но это не должно нас волновать, потому что этого принципиально нельзя дождаться…".

Это прекрасная иллюстрация главной дилеммы научно-популярной литературы - пытаясь упростить изложение, авторы книг вынуждены поступаться уровнем математической строгости. Поэтому фраза, на которой Андрей базирует свои умозаключения, "время падения кого-либо (чего-либо) в черную дыру бесконечно в системе отсчета, связанной с удаленным наблюдателем", вообще говоря, неверна.

На самом деле физически корректная формулировка выглядит так: "время падения кого-либо (чего-либо) в статическую черную дыру бесконечно в системе отсчета, связанной с удаленным статическим наблюдателем". Иными словами, ее применимость ограничена идеализированным случаем, когда характеристики дыры неизменны во времени (то есть заведомо не тогда, когда она растет или испаряется), а любое падающее тело предполагается пробным, достаточно малым, чтобы пренебречь изменениями дыры, вызванными его падением.

В тех же физических ситуациях, о которых говорит Андрей, как сама дыра, так и пространство -время в ее окрестности не могут считаться статическими. Вследствие этого статических (по отношению к дыре) наблюдателей как таковых просто не существует. Все наблюдатели движутся и все равноправны, а "время падения кого-либо (чего-либо) в черную дыру", измеренное по их часам, либо конечно в их системах отсчета, либо не определено (например, когда наблюдатель находится вне светового конуса падающего на дыру тела).

Вот таков краткий вариант ответа. Чтобы понять такие вещи на более глубоком уровне, необходим серьезный математический аппарат (изложенный, например, в книге Хокинга и Эллиса): диаграммы Картера-Пенроуза, конформные отображения, топология многообразий и многое другое.

Системы единиц

В системах единиц физических измерений часть единиц принимаются за основные, а все остальные становятся производными от них. Так, например, в СИ основные единицы механики - метр, килограмм и секунда. А единица силы, ньютон, имеющая размерность кг. м/с 2 , - производная от них. Размер основных единиц выбирается произвольно; их выбор определяет величину коэффициентов в уравнениях.

Во многих областях физики удобнее пользоваться так называемыми естественными системами единиц. В них за основные единицы приняты фундаментальные постоянные - скорость света в вакууме c, гравитационная постоянная G, постоянная Планка ћ, постоянная Больцмана k и другие.

В естественной системе единиц Планка принято считать c = ћ = G = k = 1. Система названа в честь немецкого физика Макса Планка, предложившего ее в 1899 году. Она используется в космологии и особенно удобна для описания процессов, в которых одновременно наблюдаются и квантовые, и гравитационные эффекты, например в теории черных дыр и теории ранней Вселенной.

Световой конус

Когда тело движется в пространстве из точки с координатами (x = 0, y = 0) с постоянной скоростью v, график зависимости его координаты от времени (мировая линия) имеет вид прямой, определяемой уравнением x = vt. Поскольку скорость тела не может быть больше световой, эта прямая располагается не выше прямой x = ct (будущее) и не ниже прямой x = _ ct (прошлое). При движении тела в плоскости (x, y) со скоростью v его мировая линия запишется как x 2 + y 2 = (vt) 2 , а это есть уравнение конуса. Поэтому и говорят, что тело находится в пределах светового конуса, или светоподобной гиперповерхности. * Кстати, именно поэтому вопрос "Так где же находится энтропия - в шарике или в ящиках?" лишен смысла.

Черные дыры, темная материя, темное вещество… Это, несомненно, самые странные и загадочные объекты в космосе. Их причудливые свойства могут бросить вызов законам физики Вселенной и даже природе существующей действительности. Чтобы понять, что же такое черные дыры, ученые предлагают “сменить ориентиры”, научиться думать нестандартно и применить немного фантазии. Черные дыры образуются из ядер супер массивных звёзд, которые можно охарактеризовать как область пространства, где огромная масса сосредоточенна в пустоте, и ничего, даже свет не может там избежать гравитационного притяжения. Это та область, где вторая космическая скорость превышает скорость света: И чем более массивен объект движения, тем быстрее он должен двигаться для того, чтобы избавиться от силы своей тяжести. Это известно как вторая космическая скорость.

Энциклопедия Кольера называет черными дырами область в пространстве, возникшую в результате полного гравитационного коллапса вещества, в которой гравитационное притяжение так велико, что ни вещество, ни свет, ни другие носители информации не могут ее покинуть. Поэтому внутренняя часть черной дыры причинно не связана с остальной Вселенной; происходящие внутри черной дыры физические процессы не могут влиять на процессы вне ее. Черная дыра окружена поверхностью со свойством однонаправленной мембраны: вещество и излучение свободно падает сквозь нее в черную дыру, но оттуда ничто не может выйти. Эту поверхность называют “горизонтом событий”.

История открытия

Черные дыры, предсказанные общей теорией относительности (теорией гравитации, предложенной Эйнштейном в 1915) и другими, более современными теориями тяготения, были математически обоснованы Р.Оппенгеймером и Х. Снайдером в 1939. Но свойства пространства и времени в окрестности этих объектов оказались столь необычными, что астрономы и физики в течение 25 лет не относились к ним серьезно. Однако астрономические открытия в середине 1960-х годов заставили взглянуть на черные дыры как на возможную физическую реальность. Новые открытия и изучение может принципиально изменить наши представления о пространстве и времени, проливая свет на миллиарды космических тайн.

Образование черных дыр

Пока в недрах звезды происходят термоядерные реакции, они поддерживают высокую температуру и давление, препятствуя сжатию звезды под действием собственной гравитации. Однако со временем ядерное топливо истощается, и звезда начинает сжиматься. Расчеты показывают, что если масса звезды не превосходит трех масс Солнца, то она выиграет “битву с гравитацией”: ее гравитационный коллапс будет остановлен давлением “вырожденного” вещества, и звезда навсегда превратится в белый карлик или нейтронную звезду. Но если масса звезды более трех солнечных, то уже ничто не сможет остановить ее катастрофического коллапса и она быстро уйдет под горизонт событий, став черной дырой.

Черная дыра - дырка от бублика?

То, что не излучает свет, заметить непросто. Одним из способов поиска черной дыры является поиск областей в открытом космосе, которые обладают большой массой и находятся в темном пространстве. При поиске подобных типов объектов астрономы обнаружили их в двух основных областях: в центрах галактик и в двойных звездных системах нашей Галактики. Всего же, как предполагают учёные, существует десятки миллионов таких объектов.

В настоящее время единственный достоверный способ отличить чёрную дыру от объекта другого типа состоит в том, чтобы измерить массу и размеры объекта и сравнить его радиус с

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

Понятие чёрной дыры известно всем — от школьника до людей преклонного возраста, оно используется в научной и фантастической литературе, в желтых СМИ и на научных конференциях. Но что конкретно представляют собой такие дыры, известно далеко не всем.

Из истории чёрных дыр

1783 г. Первая гипотеза существования такого явления, как чёрная дыра, была выдвинута в 1783 году английским учёным Джоном Мичеллом. В своей теории он объединил два творению Ньютона — оптику и механику. Идея Мичелла была такова: если свет — это поток мельчайших частиц, то, как и все другие тела, частицы должны испытывать притяжение гравитационного поля. Получается, чем массивнее звезда, тем сложнее свету противиться её притяжению. Через 13 лет после Мичелла, французский астроном и математик Лаплас выдвинул (скорее всего, независимо от британского коллеги) схожую теорию.

1915 г. Однако, все их труды оставались невостребованными вплоть до начала XX века. В 1915 году Альберт Эйнштейн опубликовал Общую теорию относительности и показал, что гравитация есть искривление пространства-времени, вызванное материей, а спустя несколько месяцев немецкий астроном и физик-теоретик Карл Шварцшильд использовал её для решения конкретной астрономической задачи. Он исследовал структуру искривленного пространства-времени вокруг Солнца и заново открыл феномен чёрных дыр.

(Джон Уилер ввел в научный обиход термин "Чёрные дыры")

1967 г. Американский физик Джон Уилер обрисовал пространство, которое можно скомкать, подобно листику бумаги, в бесконечно малую точку и обозначил термином "Чёрная дыра".

1974 г. Британский физик Стивен Хокинг доказал, что чёрные дыры, хоть и поглащают метерию без возврата, могут испускать излучение и в конце концов испаряться. Такое явление получило название "излучение Хокинга".

2013 г. Новейшие исследования пульсаров и квазаров, а также открытие реликтового излучения, наконец сделали возможным описать само понятие чёрных дыр. В 2013 году газовое облако G2 приблизилось на очень близкое расстояние к чёрной дыре и скорее всего будет поглощено ей, наблюдения за уникальным процессом даёт огромные возможности для новых открытий особенностей чёрных дыр.

(Массивный объект Стрелец А*, его масса больше Солнца в 4 млн раз, где подразумевается скопление звезд и образование чёрной дыры )

2017 г . Группа ученых из коллоборации нескольких стран Event Horizon Telescope, связав восемь телескопов с разных точек континентов Земли, проводили наблюдения за чёрной дырой, которая является сверхмассивным объектом и находится в галактике М87, созвездие Дева. Масса объекта 6,5 млрд (!) солнечных масс, в гигантские разы больше массивного объекта Стрелец А*, для сравнения диаметром чуть менее расстояния от Солнца до Плутона.

Наблюдения проводились в несколько этапов, начиная с весны 2017 года и в течении периодов 2018 года. Объём информации исчислялся петабайтами, которые затем следовало расшифровать и получить подлинный снимок сверхдалекого объекта. Поэтому потребовалось ещё целых два года для досканальной обработки всех данных и соединения их в одно целое.

2019 г. Данные были успешно расшифрованы и приведены в вид, получив первое в истории изображение чёрной дыры.

(Первый в истории снимок чёрной дыры в галактики М87 в созвездии Дева )

Разрешение изображения позволяет увидеть тень точки невозврата в центре объекта. Изображение получено в результате интерферометрических наблюдений со сверхдлинной базой. Это, так называемые, синхронные наблюдения одного объекта с нескольких радиотелескопов, соединенных между собой сетью и находящихся в разных частях земного шара, направленных в одну сторону.

Чем на самом деле являются чёрные дыры

Лаконичное объяснение феномена звучит так.

Чёрная дыра — это пространственно-временная область, чье гравитационное притяжение настолько велико, что её не может покинуть ни один объект, в том числе световые кванты.

Когда-то чёрная дыра была массивной звёздой. Пока термоядерные реакции поддерживают в её недрах высокое давление, всё остаётся в норме. Но со временем запас энергии истощается и небесное тело, под действием собственной гравитации, начинает сжиматься. Завершающий этап этого процесса — схлопывание звездного ядра и образование чёрной дыры.

1. Выбрасывание черной дырой струи на высокой скорости

2. Диск материи перерастает в чёрную дыру

3. Чёрная дыра

4. Детальная схема региона чёрной дыры

5. Размер найденных новых наблюдений

Самая распространённая теория гласит, что подобные феномены есть в каждой галактике, в том числе и в центре нашего Млечного пути. Огромная сила притяжения дыры способна удерживать вокруг себя несколько галактик, не давая им удаляться друг от друга. «Площадь покрытия» может быть разной, всё зависит от массы звёзды, которая превратилась в чёрную дыру, и может составлять тысячи световых лет.

Радиус Шварцшильда

Главное свойство чёрной дыры — любое вещество, которое в неё попало, никогда не сможет вернуться. Это же касается и света. По своей сути дыры — это тела, которые полностью поглощают весь попадающий на них свет и не испускающие собственного. Такие объекты визуально могут казаться сгустками абсолютной темноты.

1. Движущаяся материя в половину скорости света

2. Фотонное кольцо

3. Внутреннее фотонное кольцо

4. Горизонт событий в чёрной дыре

Отталкиваясь от Общей теории относительности Эйнштейна, если тело приблизилось на критическое расстояние к центру дыры, оно уже не сможет вернуться. Это расстояние называют радиусом Шварцшильда. Что именно происходит внутри этого радиуса доподлинно неизвестно, но есть наиболее распространенная теория. Считается, что всё вещество чёрной дыры концентрируется в бесконечно малой точке, а в её центре находится объект с бесконечной плотностью, который ученые именуют сингулярным возмущением.

Как происходит падение в чёрную дыру

(На картинке чёрная дыра Стрельца А* выглядит крайне ярким скоплением света)

Не так давно, в 2011 году, ученые обнаружили газовое облако, дав ему несложное название G2, которое испускает необычные свет. Такое свечение может давать трение в газе и пыли, вызываемое действием чёрной дыры Стрельца А* и которые вращаются вокруг нее в виде аккреционного диска. Таким образом, мы становимся наблюдателями удивительного явления поглощения сверхмассивной чёрной дырой газового облака.

По последним исследованиям наибольшее сближение с черной дырой произойдет в марте 2014 года. Мы можем воссоздать картину того, как будет происходит это захватывающее зрелище.

1. При первом появлении в данных газовое облако напоминает огромный шар из газа и пыли.

2. Сейчас по состоянию на июнь 2013 года облако находится в десятках миллиардов километров от чёрной дыры. Оно падает в неё со скоростью 2500 км/с.

3. Ожидается, что облако пройдет мимо чёрной дыры, но приливные силы, вызванные различием в притяжении, действующем на передний и задний край облака, заставят его принимать всё более вытянутую форму.

4. После того, как облако будет разорвано, большая его часть, скорее всего, вольется в аккреционный диск вокруг Стрельца А*, порождая в нём ударные волны. Температура при этом подскочит до нескольких миллионов градусов.

5. Часть облака упадёт прямо в чёрную дыру. Никто не знает в точности, что случится потом с этим веществом, но ожидается, что в процессе падения оно будет испускать мощные потоки рентгеновских лучей, и больше его никто не увидит.

Видео: чёрная дыра поглощает газовое облако

(Компьютерное моделирование того, как большая часть газового облака G2 будет разрушено и поглощено чёрной дырой Стрельцом А*)

Что там внутри чёрной дыры

Есть теория, которая утверждает, что чёрная дыра внутри практически пуста, а вся её масса сосредоточена в невероятно маленькой точке, находящейся в самом её центре - сингулярности.

Согласно другой теории, существующей на протяжении полувека, всё, что попадает в чёрную дыру, переходит в другую вселенную, находящуюся в самой чёрной дыре. Сейчас это теория не является основной.

И есть третья, самая современная и живучая теория, по которой всё, что попадает в чёрную дыру, растворяется в колебаниях струн на её поверхности, которую обозначают, как горизонт событий.

Так что же такое - горизонт событий? Внутрь чёрной дыры заглянуть нельзя даже сверхмощным телескопом, так как даже свет, попадая внутрь гигантской космической воронки, не имеет шансов вынырнуть назад. Всё, что можно хоть как-то рассмотреть, находится в её ближайших окрестностях.

Горизонт событий - это условная линия поверхности, из под которой ничто (ни газ, ни пыль, ни звезды, ни свет) выйти уже не сможет. И вот это и есть та самая таинственная точка невозврата в чёрных дырах Вселенной.