Содержание
Почему черная дыра так выглядит / Хабр
Млечный Путь и расположение его центральной черной дыры на фоне Актакамской большой антенной решетки (ALMA)
Мы все полюбовались на фото тени черной дыры в центре нашей галактики, но ученые могли видеть близкое изображение сверхмассивный объектов на своих компьютерах еще с 70-х годов при помощи математических моделей.
Почему мы предсказали именно такое изображение и на сколько предсказание сбылось? Обсудим визуальную анатомию черных дыр!
Из чего состоит черная дыра?
Сингулярность
Когда физики рисуют каой-то объект то любят указать на рисунке и центр его масс. А в случае когда масса переваливает за определённый порог (примерно три солнечные массы) она со временем сожмется в точку.
Рисовать сингулярность, таким образом, очень удобно — центр масс это весь объект.
Все что происходит вокруг сингулярности — отличный природный эксперимент, все аспекты которого были точнейшим образом предсказаны теорией относительности.
Легко объяснить какой-то опыт из прошлого, а вот предсказать результат эксперимента будущего — вот настоящее величие физики!
Однако, сама точка в которой находится вся масса сколлапсировавщей звезды не подчиняется законам относительности. Для нее нужна квантовая теория гравитации, которая пока не завершена. Так что мы не знаем, как бы она выглядела если бы можно было ее как-то рассмотреть.
Горизонт событий
Если бы сингулярности не было в природе, физикам стоило бы ее создать! Но, как и большинство самых интересных мест вселенной, сингулярность надежно скрыта горизонтом событий.
В проекции на фоне неба горизонт событий должен иметь вид идеально круглого черного диска, если черная дыра статична или слегка искаженного, если она вращается.
Из-за сильного гравитационного линзирования голые черные дыры могли бы оставлять заметные отпечатки на поле зрения телескопов: черные точки с искажениями по краям.
Однако, размеры горизонтов событий слишком малы по сравнению с расстояниями между космическими объектами, поэтому рассмотреть одинокую черную дыру без газа вокруг невозможно для современных методов.
Аккреционный диск
На расстоянии примерно в 2,6 раза больше горизонта событий начинается стабильная орбита яркого горящего газа. Аккреционный диск позволяет увидеть эффекты черной дыры на снимках.
Область внутри стабильной орбиты неизбежно захватит материю и та упадет в дыру не успев испустить свет. Именно эту область называют «тенью черной дыры».
Если мы смотрим на диск фронтально, то логично увидим круг. А вот в Интерстелларе мы смотрели на Гаргантюа под углом к плоскости аккреции.
При таком ракурсе мы должны видеть яркое кольцо, как вокруг Сатурна, только вокруг черной тени.
Моделирование 1989 года — аккреционный диск черной дыры с разных ракурсов
Свет от задней части аккреционного диска, которая скрыта от нас горизонтом событий летит по криволинейной траектории и у него так же как у материи есть своя стабильная орбита, ниже которой шансы достичь удаленного наблюдателя не высоки.
Свет огибает черную дыру и доходит до нас со стороны, которая должна быть не видна.
В результате, вокруг черного круга мы видим как первичное изображение (самого аккреционного диска) так и вторичное — заднюю часть диска мы видим одновременно сверху и снизу в виде светящегося кольца.
Вообще, между стабильными орбитами материи и света излучение, испущенное газовым диском, может совершать множество витков вокруг горизонта событий, как спутники вращающиеся вокруг планет. Если бы удалось попасть туда, мы бы увидели бесчисленное множество вторичных изображений аккреционного диска со всех возможных ракурсов и из разного времени. Возможно, это самое поразительное зрелище во вселенной.
Черная дыра, окруженная ярким диском наблюдается с большого расстояния под углом 10° к плоскости диска
Интенсивность излучения диска зависит только от его температуры, а последняя зависит только от расстояния до черной дыры. Поэтому собственная яркость диска не может быть однородной. Максимальная светимость исходит от внутренних областей, близких к горизонту событий, потому что именно там газ самый горячий.
Кроме того, изображение воспринимаемое отдаленным наблюдателем будет сдвинуто по частоте и интенсивности за счет двух эффектов:
— Эйнштейна, при котором гравитационное поле снижает частоту и интенсивность;
— Доплера, при котором свет движущегося на нас газа будет ярче и более синим, а отдаляющегося темнее и более красным.
Симуляция эффектов Доплела и Эйнштейна для быстро вращающейся черной дыры; белые линии разделяют области синего и красного смещения
Предполагается, что внутренние частицы аккреционного диска двигаются с субсветовыми скоростями, что делает эффект Доплела существенным. В результате мы должны увидеть явно ассиметричное изображение, что является главным признаком именно черной дыры на снимке. Большая, но не сингулярная масса темной материи не должна заставлять газ вращаться на околосветовой скорости.
Жан-Пьер Люмине в 1979 году посчитал эффекты Доплела и Эйнштейна для каждой точки изображения аккреционного диска черной дыры, но графической программы не было на тот момент; Жан-Пьер нанес каждую точку изображения на лист бумаги тушью вручную и взял негатив фотографии бумажного листа
Ручная симуляция Люмине поразительно похожа на модель Кипа Торна для интерстеллара, но не очень похожа на реальную фотографию Стрельца А*.
Слева — модель 1979 года Жана-Пьера Люмине, справа — модель 2014 года Кипа Торна
Дело в том, что модели показывают излучение широкого спектра волн. Наверное, так будет выглядеть черная дыра вблизи для путешественника галактического масштаба. Однако мы — очень далёкий наблюдатель и для получения фото взяли только небольшой фрагмент спектра — миллиметровые радиоволны. До размера миллиметров вытянулись длины волн большей части спектра излучения аккреционного диска за счет эффектов Доплела и Эйнштейна.
Слева — модель 2017 года, по центру — фото Стрельца А*, справа — фото М87 улучшенное программно
Убрав лишние спектры из воспринимаемого нами излучения в 2017 году была получена модель в виде полумесяца, которая уже очень близка к реальной фотографии.
Увидим ли мы то же самое вживую?
Коротко — нет. Взгляд на видимую область вокруг черной дыры подобен взгляду на солнце — без фильтров и коронографов ничего не увидеть.
Цвета использованные в фотографии и симуляциях показывают физические эффекты, но не реалистичное видимое изображение.
Облако газа недостаточно оптически прозрачно чтобы наш глаз напрямую мог рассмотреть что-то кроме яркого пятна.
Да и условия для человека рядом с таким объектом не самые благоприятные.
В общем, хорошо что мы можем прикоснуться к величественному и опасному лишь силой своего разума.
Для более полного опыта таких прикосновений есть, например студенческий проект Эндрю Гамильтона из института Колорадо. На сайте выкладываются актуальные реалистичные симуляции путешествия в черную дыру: https://jila.colorado.edu/~ajsh/insidebh/intro.html
Приятного просмотра!
Источником для этой статьи послужила чудесная научная статься Жана-Пьера Люмине: https://arxiv.org/pdf/1902.11196.pdf
секрет самого загадочного явления во Вселенной
Черные дыры — одни из самых удивительных и таинственных объектов в известной нам Вселенной. Современные технологии уже позволили получить их фото, но как на самом деле устроена черная дыра?
Роман Фишман
Впервые предсказанные еще в конце XVIII века, описанные Теорией относительности в начале ХХ века черные дыры чересчур малы или слишком далеки для того, чтобы их можно было различить с помощью обычных телескопов.
Но с совершенствованием науки и техники у нас появились и более продвинутые телескопы, которые способны фиксировать сигналы в различных диапазонах длин волн. Это и сделало возможным наблюдение черных дыр.
Черная дыра в центре Млечного Пути
Сверхмассивная черная дыра Стрелец А* в центре нашей Галактики насчитывает около 4 миллионов масс Солнца, упакованных в пространстве радиусом меньше орбиты Меркурия. Для наблюдения за ней несколько лет назад был запущен громадный радиоинтерферометр EHT – «телескоп горизонта событий» размером с Землю. При помощи этого инструмента ученые хотели выяснить, как устроена черная дыра в центре нашей галактики.
Но первой добычей нового инструмента оказалась сверхмассивная черная дыра галактики M87. Она расположена в тысячи раз дальше Стрельца А*, зато и в тысячи раз крупнее него. Обработка полученных еще в 2017 году данных заняла около двух лет, однако дело того стоило: «Это как заглянуть во врата ада, за пределы пространства и времени», – описал свои впечатления один из авторов этой грандиозной работы.
Давайте полюбопытствуем вместе.
Галактика M87, одна из крупнейших в Местном сверхскоплении галактик, расположена на расстоянии около 54 млн световых лет. Сверхмассивная черная дыра M87* в ее центре насчитывает 6,5 млрд масс Солнца и ежедневно поглощает 90 масс Земли (одну массу Солнца примерно за 10 лет).
Из чего состоит черная дыра?
Каким бы простым не казалось устройство этого «звездного водостока», на самом деле у черной дыры есть несколько частей — некоторые мы можем видеть напрямую, другие — лишь предсказать теоретически. Итак, взглянем на состав типичной черной дыры.
Горизонт событий – воображаемая линия, оказавшись за которой ничто не может вернуться обратно. Горизонт событий черной дыры имеет характерный размер – гравитационный радиус. Пересекая его, все объекты уходят за пределы наблюдаемой Вселенной, исчезая в сингулярности. Гравитационный радиус черной дыры M87* составляет 0,019 светового года, более чем в сто раз превышая орбиту Земли.
Аккреционный диск материи, падающей в черную дыру: ускоряясь и раскаляясь, вещество активно излучает в широком диапазоне волн, позволяя увидеть если не саму дыру, то ее ближайшие окрестности. Аккреционный диск сверхмассивной черной дыры M87* тянется на 0,4 светового года – в тысячи раз дальше орбиты Плутона.
Релятивистские струи появляются при взаимодействии аккрецирующей плазмы с магнитными полями. Часть вещества на околосветовой скорости выбрасывается из полюсов диска двумя узкими противоположно направленными потоками. Сверхмассивная черная дыра M87* выбрасывает джеты длиной до 5000 световых лет. Один из них направлен в нашу сторону и виден в оптическом диапазоне.
Фотонная сфера образуется светом, оказавшимся на круговой орбите вокруг черной дыры. Положение попавших сюда частиц неустойчиво, и, совершив один или несколько оборотов, они неизбежно падают в недра дыры или уходят по спирали в космическое пространство.
Изображение черной дыры
На изображении черная дыра тоже не похожа на затягивающий в себя звездное вещество слив раковины, как ее иногда рисуют. На самом деле даже на фотографии черной дыры можно различить несколько ее основных частей, исследование которых может дать много информации об это загадочном объекте.
Тень дыры возникает из-за искривления траектории фотонов, пролетающих невысоко над сферой горизонта событий. Ее размеры примерно в 2,6 раза больше гравитационного радиуса черной дыры.
Обратная сторона аккреционного диска видна из-за мощного гравитационного линзирования. Некоторые фотоны с противоположной стороны черной дыры огибают сферу горизонта событий, и становятся видны дальние стороны аккреционного диска – верхняя и нижняя.
Кстати, у «TechInsider» появился новый раздел «Блоги компаний». Если ваша организация хочет рассказать о том, чем занимается — напишите нам
черных дыр
Почти в каждой галактике есть один
Что такое черные дыры?
Черная дыра — это область пространства, заполненная таким количеством материи, что ее собственная гравитация не позволяет чему-либо вырваться — даже лучу света.
Хотя мы не можем видеть черную дыру, материал вокруг нее виден. Материал, падающий в черную дыру, образует диск, похожий на водоворот в сливе ванны. Вещество, вращающееся вокруг черной дыры, нагревается и испускает излучение, которое можно обнаружить. Вокруг звездной черной дыры эта материя состоит из газа. Вокруг сверхмассивной черной дыры в центре галактики вращающийся диск состоит не только из газа, но и из звезд.
Звездные черные дыры
Звездные черные дыры образуются, когда центр очень массивной умирающей звезды коллапсирует сам на себя. Этот коллапс может также вызвать сверхновую или взорвавшуюся звезду, которая выбросит внешние части звезды в космос. Если ядро, оставшееся после сверхновой, очень массивное, гравитация полностью схлопывает ядро в черную дыру с бесконечной плотностью. Черные дыры, созданные сверхновыми, могут иметь массу от пяти до пятидесяти масс Солнца.
Только звезды с очень большими массами могут стать черными дырами.
Наше Солнце, например, недостаточно массивно, чтобы стать черной дырой. Через пять миллиардов лет, когда у Солнца закончится доступное ядерное топливо в его ядре, оно закончит свою жизнь как белый карлик.
Ультрафиолетовые приборы Хаббла обнаруживают ветры частиц, исходящие от аккреционных дисков черных дыр звездной массы. Когда свет от диска проходит через ветер, часть его поглощается ветром. Дисковые ветры включаются, когда черная дыра поглощает материал почти так быстро, как только может. Эти переедания обычно происходят в течение нескольких месяцев, в отличие от сверхмассивных черных дыр, у которых прием пищи занимает гораздо больше времени, чем человеческая жизнь. Уникальные ультрафиолетовые возможности Хаббла делают его идеальным инструментом для понимания того, как материя падает в черную дыру.
Сверхмассивные черные дыры
На этом изображении художника изображена двойная система, содержащая черную дыру звездной массы под названием IGR J17091-3624.
Сильная гравитация черной дыры слева оттягивает газ от звезды-компаньона справа. Этот газ образует диск горячего газа вокруг черной дыры, и ветер отгоняется от этого диска. Фото: NASA/CXC/M.Weiss
Звездные черные дыры ничтожны по сравнению с чудовищами, которые, по мнению астрономов, обитают в центрах большинства галактик. Эти черные дыры сверхмассивны — в миллионы или миллиарды раз больше массы нашего Солнца.
До появления Хаббла у астрономов не было убедительных доказательств существования во Вселенной сверхмассивных черных дыр. Благодаря Хабблу и другим обсерваториям мы теперь знаем, что сверхмассивные черные дыры неразрывно связаны с эволюцией галактик, в которых они находятся. Эти черные дыры образовались в то же время, что и их родительские галактики. Считается, что они выросли из семян самых ранних массивных звезд.
Впечатляющие джеты питаются от гравитационной энергии сверхмассивной черной дыры в ядре эллиптической галактики Геркулес А. Джеты проносятся сквозь космос на миллионы триллионов миль.
Авторы и права: НАСА, ЕКА, С. Баум и К. О’Ди (RIT), Р. Перли и В. Коттон (NRAO/AUI/NSF) и группа «Наследие Хаббла» (STScI/AURA). ВЫПУСК НОВОСТЕЙ: 2012–47. >
Когда астрономы впервые направили радиотелескопы на небо, они отследили источники радиоволн до некоторых типичных космических объектов, включая остатки сверхновых, далекие галактики и мощные области рождения звезд. Один конкретный тип объекта выглядел как не более чем точка света, возможно, звезда. Дальнейшие наблюдения показали, что эти объекты находились очень далеко, то есть могли находиться только в очень далеких галактиках. Объекты, называемые квазарами, считались невероятно яркими центрами этих далеких галактик.
Теперь мы знаем, что квазары — это маленькие, но ярко светящиеся двунаправленные маяки света, создаваемые и питаемые сверхмассивными черными дырами в центрах галактик. Галактический материал, такой как газ, пыль и даже звезды, если он находится слишком близко к черной дыре, поддастся ее безжалостному притяжению и будет втянут внутрь.
Когда это происходит, падающий материал растягивается, нагревается и ускоряется, создавая огромные силы вблизи горизонта событий, точки невозврата от притяжения черной дыры. Эти силы создают мощные закрученные магнитные поля, которые запускают струи материала со скоростью, близкой к скорости света, и простираются на тысячи или даже миллионы световых лет в поперечнике. Интенсивные силы создают сильное излучение по всему спектру, от гамма-лучей до радиоволн.
Расстояние до квазаров настолько велико, а их реальный размер настолько мал — размером с нашу Солнечную систему, — что сам факт того, что мы можем видеть их в телескоп, делает квазары самыми яркими объектами, обнаруженными нами во Вселенной. На самом деле, одним из вкладов Хаббла в тайну квазара было доказательство с его высоким разрешением, что действительно была галактика, скрытая за бликом. Наблюдения Хаббла также помогли определить, что эти блестящие галактические центры питаются от сверхмассивных черных дыр.
Хаббл обнаружил квазары в центрах галактик, сталкивающихся или сталкивающихся друг с другом, а также в эллиптических галактиках, которые, как считается, образовались в результате множественных галактических слияний.
Эти взаимодействия могут помочь «накормить» сверхмассивную черную дыру и осветить квазар.
Как Хаббл находит черные дыры?
Многие из первых наблюдений Хаббла показали влияние сверхмассивных черных дыр на их непосредственное галактическое окружение. В 1990, вскоре после запуска, Хаббл сфотографировал джет длиной 30 000 световых лет, исходящий из галактики, которая, как известно, является потрясающим источником радиоизлучения. Благодаря наблюдениям Хаббла у астрономов были данные, необходимые им для определения того, что эти джеты исходят из очень маленьких областей в центрах галактик и, вероятно, питаются сверхмассивными черными дырами.
Высокое разрешение Хаббла — способность видеть мельчайшие детали — помогло еще больше продвинуть теорию о сверхмассивных черных дырах в 1994 году, когда астрономы получили спектры газа в центре эллиптической галактики M87. Спектры, или разложение света на составляющие цвета, могут дать астрономам большой объем информации о газе, в том числе о его скорости.
Астрономы заметили, что в M87 центральный газ вращался по диску с очень высокой скоростью вокруг небольшого, но массивного объекта. Единственный тип объекта, который может быть таким массивным и при этом очень маленьким по размеру, — это черная дыра. Эти наблюдения Хаббла помогли подтвердить почти два столетия теорий и догадок о существовании черных дыр.
Спектрограф изображений космического телескопа (STIS), прибор, установленный на Хаббле в феврале 1997 года, является основным «охотником за черными дырами» космического телескопа. В спектрографе используются призмы или дифракционные решетки, чтобы разделить входящий свет на радужный узор. Каждый элемент взаимодействует со светом в уникальной радужной подписи. Положение и сила этих сигнатур в спектре дает ученым ценную информацию, например, о том, как быстро движутся звезды и газ. STIS может охватывать множество мест одновременно в центре галактики. С помощью этой информации можно рассчитать центральную массу, вокруг которой вращаются звезды.
Чем быстрее движутся звезды, тем массивнее должен быть центральный объект.
Сверхмассивная черная дыра создает струю частиц, летящих почти со скоростью света из центра галактики M87. Яркий узел в джете (HST-1) вырывается из диска вещества, вращающегося вокруг черной дыры. Авторы и права: НАСА и группа наследия Хаббла (STScI/AURA) СООБЩЕНИЕ ДЛЯ НОВОСТЕЙ: 2000-20 >
Как сверхмассивная черная дыра влияет на галактику-хозяин?
Из множества данных Хаббла астрономы теперь понимают, что черные дыры могут оказывать глубокое влияние на галактику в целом. Например, струи сверхмассивных черных дыр могут выбрасывать огромное количество газа и пыли в межгалактическое пространство, тем самым избавляя галактику от столь необходимого топлива для продолжающегося звездообразования. Или в случае результата 2015 года, основанного на наблюдениях Хаббла за большими эллиптическими галактиками, джеты сверхмассивных черных дыр могут регулировать звездообразование таким образом, чтобы оно продолжалось, хотя и с меньшей скоростью.
Возможно, самым удивительным результатом наблюдений Хаббла является то, что сверхмассивные черные дыры должны находиться в большинстве или даже во всех галактиках. Сверхмассивные черные дыры, которые когда-то были предметом крайних спекуляций, теперь считаются неотъемлемыми компонентами галактик и имеют решающее значение для изучения эволюции галактик с течением времени.
Об этой статье
Последнее обновление:
01 июня 2019 г.
Что такое черная дыра?
Черные дыры, безусловно, являются одним из самых странных объектов, которые можно найти в нашей Вселенной. Несмотря на то, что термин «черная дыра», вероятно, так же распространен, как, например, планета, не совсем просто сказать, что такое черная дыра на самом деле, в краткой, понятной и точной форме. Очень часто используемое определение рисует черную дыру как объем пространства, где гравитация настолько сильна, что ничто, даже свет, не может выйти из него.
Это, безусловно, верно, но это еще не все, и в дальнейшем мы попытаемся указать на некоторые интересные особенности, которые не так часто объясняются.
Самая первая идея об объекте, который не пропускал бы свет, впервые пришла от Джона Мичелла, английского деревенского пастора, в 1783 году. Если у нас есть гравитационное космическое тело, скажем, Земля, мы можем задаться вопросом, как быстро мы должны бросить небольшой предмет в направлении вверх, чтобы предмет улетел в бесконечность (или, по крайней мере, очень далеко) и не вернулся. Это классическое школьное упражнение по нахождению скорости убегания объекта массой M и радиусом R, равной v=√(2GM/R). В случае Земли мы восстанавливаем известное значение 11,2 км/с. Теперь из простой формулы для скорости убегания мы видим, что для тела, которое либо достаточно тяжелое, либо имеет достаточно малый радиус, результирующая скорость может быть больше скорости света. Природа говорит нам, что ничто не может двигаться быстрее света, поэтому такой объект не только не может быть замечен, но и ничто другое не может ускользнуть от него из-за его сильной гравитационной силы.
Оставался вопрос, существовали ли подобные объекты на самом деле. Взяв, к примеру, наше Солнце, оно должно быть более чем в 500 раз больше, при той же средней плотности, чтобы скорость убегания с его поверхности превышала скорость света. Эта концепция произвела лишь небольшое впечатление во времена Мичелла, но вернулась в 1919 г.16, когда Альберт Эйнштейн сформулировал принципы общей теории относительности, а Карл Шварцшильд нашел первое решение уравнений Эйнштейна.
Эйнштейн показал нам, как думать о пространстве и времени. Обычно мы делаем это раздельно: для нас пространство — это одно, а время — другое, существующее независимо от пространства и от того, что в нем происходит. Такое представление вполне соответствует нашему повседневному опыту. Но, согласно теории относительности Эйнштейна, мы можем так думать только на низком пределе скорости. Как только вещи станут более экстремальными, мы заметим, что наши обычные законы физики не будут выполняться, и для того, чтобы сохранить законы в той же форме, мы вынуждены связать пространство и время в одну и единую концепцию, которая с тех пор называется пространством-временем.
. Кроме того, на это пространство-время влияет присутствие материи, и действие взаимно. Материя деформирует пространство-время, а деформированное пространство-время подсказывает материи, как в нем двигаться. Ньютоновская концепция гравитационной силы становится ненужной.
В водовороте скорость потока постепенно и непрерывно увеличивается к его центру. На некотором удалении от центра скорость потока превышает максимальную скорость лодки, и избежать неприятного сползания вниз она не сможет. Это расстояние и есть личный «горизонт событий» лодочника для водоворота, а эта модель — грубый аналог черной дыры. Пространство-время вблизи черной дыры настолько деформировано ее массой, что позволяет двигаться только в одном направлении — в сингулярность. При событии хориона пространство втягивается внутрь с той же скоростью, с которой свет распространяется наружу. 1 кредит0060
Теперь сосредоточимся на черных дырах. Когда астрономы говорят о них, у них часто невольно создается впечатление, что это какие-то твердые объекты.
Они не. Черная дыра — это пространственно-временная сингулярность, окруженная горизонтом событий. Обе вещи довольно странные, но ни одна из них не является чем-то солидным. Горизонт событий — это то, что мы обычно называем поверхностью черной дыры. На самом деле это просто особое место в совершенно пустом пространстве, где пространство-время настолько сильно деформировано накопленной массой, что допускает только одно направление движения — вниз, в сингулярность. Все, что достигает этой точки, вынуждено двигаться дальше вниз, ближе к сингулярности, скрытой в центре сферы горизонта событий. Сингулярность, наверное, тоже ничего цельного. Мы говорим вероятно, потому что никто не знает. У нас нет хорошей теории, чтобы описать это, мы не можем исследовать это, и даже если бы нам удалось отправить робота к черной дыре, его сигналы не смогли бы проникнуть внутрь горизонта событий и достичь нас. Поэтому астрономов не волнует ни сингулярность, ни то, что находится внутри сферы горизонта событий.
Мы позволим этим заботам теоретикам струн помечтать. Астрономов волнует только то, что находится за пределами горизонта событий, что они могут наблюдать.
Еще раз подчеркнем, что черные дыры не похожи на классические объекты. Нигде нет поверхности. Именно качество пространства и времени, которые оба ведут себя своеобразным образом, близким к сильной концентрации энергии в сингулярности, которую мы называем черной дырой.
Черные дыры также являются одним из самых простых объектов во вселенной, которую мы знаем. Представьте Солнце. Точно описать это просто невозможно. Он содержит около 10 57 частиц. Для каждого из них нам нужно было бы записать его положение, скорость, квантовое состояние и так далее. Тогда имеется примерно столько же фотонов с разными энергиями и импульсами. Все движется, взаимодействует и развивается. Не существует компьютера, способного хранить такое количество информации. Черная дыра, с другой стороны, подобна одиночной элементарной частице.
Вся сложность ее родительской звезды была стерта в процессе гравитационного коллапса, и остался объект, который можно целиком и полностью охарактеризовать только тремя числами. Это масса, вращение и электрический заряд. В астрономии принято забывать об электрическом заряде, потому что мы видим, что в среднем все во Вселенной электрически нейтрально, и мы считаем, что также черные дыры приобретают столько же положительных зарядов, сколько и отрицательных, и их чистый электрический заряд очень мал, если вообще есть. . Следовательно, у нас остаются только масса и вращение.
Масса — менее интересная величина из двух. Масса — это просто коэффициент масштабирования, и он говорит вам, больше черная дыра или меньше, но без чего-либо еще вокруг вы не смогли бы распознать разницу в искажении пространства-времени, находясь в два раза дальше от вдвое более тяжелой черной дыры. Однако это играет роль, если вокруг черной дыры есть масса.
Вращение более особенное. Во-первых, может показаться странным говорить о вращении в случае чего-то, что является лишь некоторым искажением пространства-времени, а не реальным объектом. Но черная дыра была создана из чего-то. Если это была звезда, то она наверняка вращалась до того, как превратилась в черную дыру. Но со школы мы помним, что в природе существуют некие универсальные законы сохранения. Самые основные из них, связанные с фундаментальными симметриями пространства и времени, — это сохранение энергии и сохранение углового момента. Если исходная звезда вращалась, ее угловой момент не мог просто исчезнуть, он должен был сохраниться. Действительно, он находится в сингулярности, мы не можем до него добраться, но знаем о нем, потому что он влияет на окружающую пространственно-временную структуру. Астрономы часто идут на сокращение и говорят, что черная дыра быстро вращается. Под этим утверждением они подразумевают, что в сингулярности, скрытой под горизонтом событий, имеется большой угловой момент, который сильно влияет на пространство-время снаружи.
Удивительно, но существует максимальный предел углового момента, который может иметь черная дыра. Чем больше угловой момент, тем меньше сфера горизонта событий. Если угловой момент, хранящийся внутри черной дыры, достигнет определенного значения, горизонт событий исчезнет, обнажив сингулярность, которая станет открытой для слова. Такая ситуация называется голой сингулярностью, и, поскольку она вызвала бы много неприятностей, мы думаем, что природа препятствует этому. Мы называем этот принцип космической цензурой. На самом деле аргумент более сложен, чем просто постулировать, что этого не может произойти, потому что это неудобно, например, потребуется бесконечное количество времени, чтобы раскрутить черную дыру и достичь максимального значения. Для нас важно существование максимального значения содержащегося момента импульса. Астрономы обычно используют это значение в качестве коэффициента масштабирования и измеряют угловой момент черных дыр в единицах их соответствующего максимального значения (он зависит от массы).
Такая мера тогда называется спином и может иметь значение от нуля (для невращающейся черной дыры) до единицы (спин больше единицы принадлежит голым сингулярностям).
Недалеко от горизонта происходит много интересного. Одна вещь, которую вы могли бы заметить, это то, что евклидова геометрия неприменима. Если вы измерите окружность двух ближайших круговых орбит и разделите оба измерения на 2π, чтобы восстановить их соответствующие радиусы, вы обнаружите, что разница в двух радиусах, измеренных таким образом, меньше, чем разница в радиальных расстояниях, которые измерены непосредственно, например. используя световой сигнал, посылаемый между двумя орбитами. Аналогичная особенность применима к измерениям временных интервалов. Интервалы времени, измеренные на меньших радиусах (орбиты ближе к черной дыре), по-видимому, длятся дольше, чем интервалы, измеренные тем же методом на более дальнем расстоянии. Оба эффекта являются следствием искажения как пространства, так и времени из-за сильной гравитации.