Открытие черных дыр: Черные и белые дыры – Статьи на сайте Четыре глаза

Черные дыры: открытия, свойства, интересные факты

История открытия

Черные дыры – пожалуй, самые таинственные и загадочные астрономические объекты в нашей Вселенной, с момента своего открытия привлекают внимание ученых мужей и будоражат фантазию писателей-фантастов. Что же такое черные дыры и что они из себя представляют? Черные дыры – это погаснувшие звезды, в силу своих физических особенностей, обладающие настолько высокой плотностью и настолько мощной гравитацией, что даже свету не удается вырваться за их пределы.

История открытия

Впервые теоретическое существование черных дыр, еще задолго до их фактического открытия предположил некто Д. Мичел (английский священник из графства Йоркшир, на досуге увлекающийся астрономией) в далеком 1783 году. По его расчетам, если наше Солнце взять и сжать (говоря современным компьютерным языком – заархивировать) до радиуса в 3 км., образуется настолько большая (просто огромная) сила гравитации, что даже свет не сможет ее покинуть. Так и появилось понятие «черная дыра», хотя на самом деле она вовсе не черная, на наш взгляд более подходящим был бы термин «темная дыра», ведь имеет место именно отсутствие света.

Позже, в 1918 году о вопросе черных дыр в контексте теории относительности писал великий ученый Альберт Эйнштейн. Но только в 1967 году стараниями американского астрофизика Джона Уиллера понятие черных дыр окончательно завоевало место в академических кругах.

Как бы там ни было, и Д. Мичел, и Альберт Эйнштейн, и Джон Уиллер в своих работах предполагали только теоретическое существование этих загадочных небесных объектов в космическом пространстве, однако подлинное открытие черных дыр состоялось в 1971 году, именно тогда они впервые были замечены в телескоп.

Так выглядит черная дыра.

Образование

Как мы знаем из астрофизики, все звезды (в том числе и наше Солнце) имеют некоторый ограниченный запас топлива. И хотя жизнь звезды может длиться миллиарды лет, рано или поздно этот условный запас топлива подходит к концу, и звезда «гаснет». Процесс «угасания» звезды сопровождается интенсивными термодинамическими реакциями, в ходе которых звезда проходит значительную трансформацию и в зависимости от своего размера может превратиться в белого карлика, нейтронную звезду или же черную дыру. Причем в черную дыру, обычно, превращаются самые крупные звезды, обладающие невероятно внушительными размерами – за счет сжимание этих самых невероятных размеров происходит многократное увеличение массы и силы гравитации новообразованной черной дыры, которая превращается в своеобразный галактический пылесос – поглощает все и вся вокруг себя.

Черная дыра поглощает звезду.

Маленькая ремарка – наше Солнце по галактическим меркам вовсе не является крупной звездой и после угасания, которое произойдет примерно через несколько миллиардов лет, в черную дыру, скорее всего, не превратиться.

Но будем с вами откровенны – на сегодняшний день, ученые пока еще не знают всех тонкостей образования черной дыры, несомненно, это чрезвычайно сложный астрофизический процесс, который сам по себе может длиться миллионы лет. Хотя возможно продвинуться в этом направлении могло бы обнаружение и последующее изучение так званых промежуточных черных дыр, то есть звезд, находящихся в состоянии угасания, у которых как раз происходит активный процесс формирования черной дыры. К слову, подобная звезда была обнаружена астрономами в 2014 году в рукаве спиральной галактики.

Количество во Вселенной

Согласно теориям современных ученых в нашей галактике Млечного пути может находиться до сотни миллионов черных дыр. Не меньшее их количество может быть и в соседней с нами галактике Андромеда, до которой от нашего Млечного пути лететь всего нечего – 2,5 миллиона световых лет.

Теория черных дыр

Не смотря на огромную массу (которая в сотни тысяч раз превосходит массу нашего Солнца) и невероятной силы гравитацию увидеть черные дыры в телескоп было не просто, ведь они совсем не излучают света. Ученым удалось заметить черную дыру только в момент ее «трапезы» – поглощения другой звезды, в этот момент появляется характерное излучение, которое уже можно наблюдать. Таким образом, теория черной дыры нашла фактическое подтверждение.

Свойства

Основное свойство черно дыры – это ее невероятные гравитационные поля, не позволяющие окружающему пространству и времени оставаться в своем привычном состоянии. Да, вы не ослышались, время внутри черной дыры протекает в разы медленнее чем обычно, и окажись вы там, то вернувшись обратно (если б вам так повезло, разумеется) с удивлением бы заметили, что на Земле прошли века, а вы даже состариться не успели. Хотя будем правдивы, окажись внутри черной дыры вы вряд ли бы выжили, так как сила гравитации там такая, что любой материальный объект просто разорвала бы даже не на части, на атомы.

А вот окажись вы даже поблизости черной дыры, в пределах действия ее гравитационного поля, то вам тоже пришлось бы не сладко, так как, чем сильнее вы бы сопротивлялись ее гравитации, пытаясь улететь подальше, тем быстрее бы упали в нее. Причинной этому казалось бы парадоксу является гравитационное вихревое поле, которым обладают все черные дыры.

Что если человек попадет в черную дыру

Испарение

Английский астроном С. Хокинг открыл интересный факт: черные дыры также, оказывается, выделяют испарение. Правда это касается только дыр сравнительно небольшой массы. Мощная гравитация около них рождает пары частиц и античастиц, один из пары втягивается дырой внутрь, а второй исторгается наружу. Таким образом, черная дыра излучает жесткие античастицы и гамма-кванты. Это испарение или излучение черной дыры было названо на честь ученого, открывшего его – «излучение Хокинга».

Самая большая черная дыра

Согласно теории черных дыр в центре почти всех галактик находятся огромные черные дыры с массами от нескольких миллионов до нескольких миллиардом солнечных масс. И сравнительно недавно учеными были открыты две самые большие черные дыры, известные на сегодняшний момент, они находятся в двух близлежащих галактиках: NGC 3842 и NGC 4849.

NGC 3842 – самая яркая галактика в созвездии Льва, от нас находится на расстоянии 320 миллионов световых лет. В центре нее иметься огромная черная дыра массой в 9,7 миллиарда солнечных масс.

NGC 4849 – галактика в скопление Кома, на расстоянии 335 миллионов световых лет от нас может похвалится не менее внушительной черной дырой.

Зоны действия гравитационного поля этих гигантских черных дыр, или говоря академическим языком, их горизонт событий, примерно в 5 раз больше дистанции от Солнца до Плутона! Такая черна дыра скушала бы нашу солнечную систему и даже не поперхнулась бы.

Самая маленькая черная дыра

Но есть в обширном семействе черных дыр и совсем маленькие представители. Так самая карликовая черная дыра, открытая учеными на настоящий момент по своей массе всего лишь в 3 раза превосходит массу нашего Солнца. По сути это теоретический минимум, необходимый для образования черной дыры, будь та звезда чуть меньше, дыра бы не образовалась.

Черные дыры – каннибалы

Да, есть такое явление, как мы писали выше, черные дыры являются своего рода «галактическими пылесосами», поглощающими все вокруг себя, и в том числе и… другие черные дыры. Недавно астрономами было обнаружено поедание черной дыры из одной галактике еще большой черной обжорой из другой галактики.

Интересные факты

• Согласно гипотезам некоторых ученых черные дыры являются не только галактическими пылесосами, всасывающими все в себя, но при определенных обстоятельствах могут и сами порождать новые вселенные.
• Черные дыры могут испаряться со временем. Выше мы писали, что английским ученым Стивеном Хокингом было открыто, что черные дыры имеют свойство излучение и через какой-то очень большой отрезок времени, когда поглощать вокруг будет уже нечего, черная дыра начнет больше испарять, пока со временем не отдаст всю свой массу в окружающий космос. Хотя это только предположение, гипотеза.
• Черные дыры замедляют время и искривляют пространство. О замедлении времени мы уже писали, но и пространство в условиях черной дыры будет совершенно искривлено.
• Черные дыры ограничивают количество звезд во Вселенной. А именно их гравитационные поля препятствуют остыванию газовых облаков в космосе, из которых, как известно, рождаются новые звезды.

Видео

И в завершение предлагаем вам интересный научно-документальный фильм о черных дырах от канала Discovery

Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала Познавайка

При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту [email protected] или в Фейсбук, с уважением автор.

Страница про автора

Эта статья доступна на английском языке – Black Holes in Space: the Most Interesting Facts.

Схожі записи:

История открытия черных дыр | Справочная информация

Краткая история черных дыр

ИЗ ОКТЯБРЬСКОГО НОМЕРА 2016 ГОДА

Открытие в 1964 году Лебедя X-1 дополнило недостающую часть головоломки Эйнштейна и расширило наше понимание Вселенной.

От
Джереми Шнитман |
Опубликовано: Четверг, 29 августа 2019 г.

ПОХОЖИЕ ТЕМЫ:
ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ

На изображении Лебедя X-1, сделанном художником, черная дыра звездной массы удаляет газ с поверхности своей звезды-компаньона, когда они вращаются вокруг друг друга. С 1970-х годов, с тех пор он стал самым сильным кандидатом в черные дыры, и ученые почти уверены, что это один из них. Первоначально обнаруженный в рентгеновских лучах, он с тех пор изучался в различных других спектрах.

Адольф Шаллер для Астрономия

Основа наших знаний о черных дырах появилась во время Великой войны. Представьте себе сцену: декабрь 1915 года. Европа и мир борются под мрачной тучей Первой мировой войны. Где-то на восточном фронте пожилой лейтенант немецкой артиллерии ютится в шинели, борясь за то, чтобы согреться и высохнуть на дне траншеи. .

Онемевшими и дрожащими пальцами открывает последние депеши из дома. Его внимание привлекает один особенно громоздкий пакет. Той ночью, отбросив осторожность на ветер, он рискует использовать электрический свет, чтобы прочитать длинный и подробный отчет. Мало ли он знает, что это окажется, возможно, самой важной работой творческого гения 20-го века.

Автором этого ключевого документа был физик-теоретик по имени Альберт Эйнштейн. Получателем был его коллега Карл Шварцшильд, директор Астрофизической обсерватории в Потсдаме и опытный теоретик и математик. Несмотря на свою астрономическую карьеру, Шварцшильд, которому тогда было за 40, присоединился к военным.

Всего за несколько недель до этого Эйнштейн завершил 10 долгих лет самоотверженной работы, успешно расширив свою специальную теорию относительности, включив в нее гравитационные силы, электричество и магнетизм. В четырех знаковых статьях, опубликованных в Proceedings of the Prussian Academy of Sciences, Эйнштейн изложил математические основы общей теории относительности, до сих пор считающейся одной из самых красивых и элегантных научных теорий всех времен.

Альберт Эйнштейн разработал свою теорию гравитации, известную как общая теория относительности, в 1915. 

Архивы Альберта Эйнштейна

Вершина этого выдающегося произведения была опубликована 25 ноября 1915 года под кратким названием «Полевые уравнения гравитации». Уравнения поля, возможно, немного неясны для тех, кто не имеет четкого представления о тензорном исчислении, но их можно аккуратно резюмировать словами великого физика Джона Уилера: «Пространство-время указывает материи, как двигаться; материя сообщает пространству-времени, как искривляться».

Подобно знаменитой картине М. К. Эшера, на которой две руки рисуют друг друга, круговые рассуждения в уравнениях поля Эйнштейна делают их элегантными, но, как известно, трудными для решения. В основе этой трудности лежит гораздо более известное уравнение Эйнштейна E=mc2, в котором утверждается, что энергия и материя взаимозаменяемы. Поскольку гравитация — это форма энергии, она может вести себя как материя, создавая еще большую гравитацию. С математической точки зрения общая теория относительности представляет собой нелинейную систему. А нелинейные системы действительно сложно решить.

Легко представить себе шок Эйнштейна, когда в разгар ужасной войны Шварцшильд ответил в течение нескольких дней, описав первое известное решение уравнений поля Эйнштейна. Шварцшильд скромно пишет: «Как видите, война обошлась со мной достаточно благосклонно, несмотря на сильный обстрел, чтобы позволить мне уйти от всего этого и совершить эту прогулку по стране ваших идей». Эйнштейн отвечает: «Я прочитал вашу статью с огромным интересом. Я не ожидал, что можно так просто сформулировать точное решение задачи. Мне очень понравилась ваша математическая трактовка предмета.

К сожалению, менее чем через год Шварцшильд скончался от кожной болезни, заразившейся на фронте, присоединившись к миллионам жертв Первой мировой войны из-за болезней. Он оставил после себя решение, полностью описывающее искривление пространства-времени вне сферического объекта, такого как планета или звезда. Одна из особенностей этого математического решения заключается в том, что очень компактным звездам с высокой плотностью становится намного труднее выйти из гравитационного поля звезды. В конце концов наступает момент, когда каждая частица, даже свет, оказывается в гравитационной ловушке. Эта точка неотвратимости называется горизонтом событий. По мере приближения к горизонту событий время замедляется до полной остановки.

Карл Шварцшильд разработал идею черных дыр из уравнений теории относительности в 1916 году, всего через год после того, как Эйнштейн опубликовал свою теорию.

Архив Эмилио Сегре

По этой причине первые физики, изучавшие эти причудливые объекты, часто называли их «замороженными звездами». Сегодня мы знаем их по названию, впервые использованному Уилером в 1967 году: черные дыры. Несмотря на то, что горизонт событий играл неотъемлемую роль в решении Шварцшильда, прошло много лет, прежде чем черные дыры стали восприниматься как нечто иное, чем математическое любопытство. Большинство ведущих мировых специалистов по общей теории относительности в первой половине 20 века были абсолютно убеждены в том, что черные дыры никогда не могли образовываться в реальности. Артур Эддингтон настаивал: «Должен существовать закон природы, чтобы звезды не вели себя таким абсурдным образом».

Проблема усложнялась параллельным развитием квантовой механики, новой области, почти полностью характеризующейся случаями абсурдного поведения природы. Физики, работающие на стыке квантовой механики и общей теории относительности, начали понимать, насколько важны обе эти области для понимания очень массивных и плотных звезд. Но причудливая природа этих новых разделов физики напрягала даже самую одаренную интуицию, так что даже спустя 50 лет после знаменательной работы Шварцшильда все еще не было единого мнения о существовании черных дыр.

Найти невидимое

Одно было ясно: если черные дыры действительно существовали, они, скорее всего, образовались в результате коллапса массивных звезд, неспособных выдержать собственный вес после исчерпания ядерного топлива. Вопрос, на котором сосредоточилось большинство астрономов, заключался в следующем: «Как мы их найдем?» В конце концов, черные дыры не излучают собственного света. Астрономии нужен свет, а для его создания обычно нужна материя — чем горячее и ярче, тем лучше.

К счастью, в конце 1960-е годы ознаменовали рассвет рентгеновской астрономии серией зондирующих ракет и спутников, которые могли подняться над земной атмосферой, которая в противном случае блокировала бы все космические рентгеновские лучи.

Во время короткого полета ракеты в 1964 году астрономы обнаружили один из самых ярких источников рентгеновского излучения на небе, в созвездии Лебедя, получивший название Лебедь X-1 (сокращенно Лебедь X-1). Однако он не совпадал с каким-либо особенно ярким оптическим или радиоисточником, поэтому его физическое происхождение оставалось загадкой. Когда в 1919 году был запущен спутник NASA Uhuru X-ray Explorer.70 стали возможны более подробные наблюдения, что сузило неопределенность его местоположения. Одним из первых замечательных открытий была быстрая изменчивость Лебедя X-1 во временных масштабах короче секунды. Это убедительно свидетельствовало о том, что физический размер области, излучающей рентгеновское излучение, был довольно компактным, намного меньшим, чем у типичной звезды. Что могло вместить столько энергии в такую ​​маленькую площадь?

Лебедь X-1 (более яркая из звезд, указанная стрелкой) лежит в богатом поле вблизи плоскости Млечного Пути, и в видимом диапазоне волн выглядит не очень.

NOAO/AURA/NSF

В течение года был идентифицирован звездный аналог Лебедя X-1, что позволило астрономам подтвердить, что это двойная система, и оценить массу компаньона путем измерения доплеровского сдвига спектра вращающейся звезды. . Ответ был в 15 раз больше массы Солнца, что намного превышает любой теоретический предел для белых карликов или нейтронных звезд. В целом быстрая изменчивость во времени, большая рентгеновская светимость и высокая оценка массы в совокупности делают Cyg X-1 отличным кандидатом на роль первой черной дыры звездной массы. (Веские доказательства существования сверхмассивных черных дыр также накапливались в течение многих лет, во многом благодаря изучению квазаров Маартеном Шмидтом. Их огромная яркость и большие расстояния в совокупности дают веские основания для аккреции черных дыр, единственного вообразимого источника энергии, способного к такой невероятной светимости. .)

По мере того как в последующие годы были запущены более чувствительные рентгеновские телескопы, дело только усиливалось. Теперь мы наблюдаем переменность рентгеновского излучения от Cyg X-1 в масштабе времени всего лишь миллисекунды, ограничивая область излучения протяженностью в сотни километров, что всего в несколько раз превышает размер горизонта событий. Наблюдая рентгеновское излучение черных дыр, мы можем напрямую исследовать свойства пространства-времени, предсказанные общей теорией относительности.

Лебедь X-1 впервые был замечен, когда астрономы обнаружили, что он является интенсивным источником рентгеновского излучения. На этом изображении из рентгеновской обсерватории Чандра высокоэнергетическое излучение окрашено в синий цвет.

NASA/CXC/CFA

Вглядываясь в горизонт событий

Хотя черные дыры звездной массы являются одними из самых ярких источников рентгеновского излучения в небе, они также являются одними из самых непостоянных. За 40 с лишним лет после открытия того, что Cyg X-1, вероятно, является черной дырой, было идентифицировано всего несколько десятков кандидатов в черные дыры. Большинство из них можно было обнаружить только во время коротких непредсказуемых вспышек, длящихся месяц или около того, прежде чем они снова исчезли на десятилетия. Сравните это с их сверхмассивными аналогами: только Sloan Digital Sky Survey идентифицировал более 100 000 квазаров (энергетические центры молодых далеких галактик), каждый из которых питается от аккрецирующей сверхмассивной черной дыры.

В дополнение к этому наиболее распространенному «спокойному» поведению астрономы определили три других основных состояния, проявляемых черными дырами звездной массы: твердое, мягкое и промежуточное. Эти названия описывают наблюдаемые свойства рентгеновских спектров в каждом состоянии. Мы еще не совсем уверены, какие физические механизмы управляют этим различным поведением, но они, вероятно, связаны с двумя вещами: сколько газа аккрецирует черная дыра и насколько сильны магнитные поля, встроенные в газ.

На астрономическом жаргоне «жесткий» спектр означает, что мы видим больше высокоэнергетического рентгеновского излучения, чем низкоэнергетического, а «мягкий» — наоборот. Конечно, даже «низкоэнергетический» — понятие относительное, поскольку эти фотоны исходят из аккреционного диска, имеющего температуру в миллионы градусов, по сравнению с короной, температура которой превышает 1 миллиард градусов!

Промежуточное состояние свидетельствует о тонком холодном аккреционном диске, окруженном горячей диффузной короной, похожей на поверхность нашего Солнца. В этом состоянии высокоэнергетическое рентгеновское излучение, исходящее из короны, светит на диск. Некоторые из этих рентгеновских лучей поглощаются следовыми количествами железа, смешанного с газами диска. Затем железо светится так же, как флуоресцентный газ в неоновом свете, испуская больше рентгеновских лучей на очень специфических длинах волн. Поскольку газ в диске вращается вокруг черной дыры почти со скоростью света, рентгеновские лучи, исходящие от диска, испытывают экстремальные доплеровские сдвиги, показывая удаленному наблюдателю более короткие волны, когда газ движется к наблюдателю, и более длинные волны. при удалении. Тщательно измерив длины волн рентгеновского излучения от аккрецирующей черной дыры, мы можем измерить скорость, с которой весь газ обращается вокруг нее.

Первоначальный спин

Учитывая, что первое решение уравнений поля Эйнштейна было получено Шварцшильдом менее чем за неделю, ожидание почти полувека, должно быть, казалось вечностью, прежде чем новозеландец Рой Керр обнаружил следующее решение для черной дыры. 1963 г. (Другое решение, черная дыра Рейснера-Нордстрема, было опубликовано почти сразу после решения Шварцшильда, но также ограничено сферически-симметричными системами и математически почти идентично.) Керр сделал свою формулировку, когда работал в Техасском университете в Остине.

В отличие от черных дыр Шварцшильда, черные дыры Керра вращаются; они сохраняют угловой момент от предсверхновой звезды, от которой они родились. Это чрезвычайно важно с астрофизической точки зрения, поскольку мы знаем, что вращается почти каждый небесный объект, от лун до планет и галактик. Поэтому естественно ожидать, что черные дыры тоже вращаются.

Свидетельство этого вращения проявляется в том, как черная дыра притягивает все вокруг горизонта, по существу закручивая само пространство-время в закручивающийся вихрь. Это позволяет газу двигаться все быстрее по спирали все ближе и ближе к горизонту, что приводит к более экстремальным доплеровским сдвигам и, следовательно, к большим смещениям в рентгеновских спектрах. Всего за последние несколько лет после запуска рентгеновского телескопа НАСА NuSTAR мы смогли использовать эти спектры для измерения вращения нескольких черных дыр с беспрецедентной точностью. Способность NuSTAR видеть рентгеновские лучи, охватывающие гораздо более широкий диапазон энергий по сравнению с предыдущими миссиями, также позволяет нам исключить другие альтернативные модели, такие как поглощение рентгеновских лучей межзвездными газовыми облаками, которые были предложены для объяснения формы спектра.

Измерение вращения черных дыр не только учит нас общей теории относительности, но также дает важные сведения о том, как массивные звезды эволюционируют и коллапсируют в сверхновые. Поскольку многие из этих бинарных систем довольно молоды (по крайней мере, по космическим меркам — Лебедю X-1 «всего» несколько миллионов лет), какой бы спин мы ни измеряли сегодня, это, по сути, тот же самый спин, который исходил от первоначальной формации. С этой точки зрения они действительно являются «замороженными звездами», сохраняющими почти идеальную память о своем насильственном рождении.

Возмутительное наследие

Общая теория относительности — одна из немногих областей современной физики, где теория почти целое столетие двигала эксперименты. Эйнштейн обладал уникальным талантом не только предлагать блестящие и плодотворные мысленные эксперименты, но и настоящие эксперименты, которые могли проверить его теории. Возможно, его самым известным предсказанием было то, как гравитация Солнца будет отклонять свет от далеких звезд, эффект, подтвержденный с впечатляющим успехом в 1919 во время солнечного затмения, сделавшего Эйнштейна международной знаменитостью. Еще более впечатляющим было 40 с лишним лет между (непреднамеренным) предсказанием Шварцшильдом черных дыр и открытием Cyg X-1.

Если позаимствовать фразу физика-теоретика Кипа Торна, пожалуй, самым возмутительным в наследии Эйнштейна было его предсказание гравитационных волн, сделанное столетие назад и триумфально подтвержденное только в этом году Лазерным интерферометром Гравитационно-волновой обсерватории (LIGO). В дополнение к подтверждению основной идеи о том, что «ткань» пространства-времени — это не просто метафора, а осязаемая субстанция, открытие LIGO также предоставило новую проверку общей теории относительности в самых экстремальных условиях — сразу за пределами черной дыры. Были в запасе и некоторые сюрпризы: открытие черных дыр звездной массы, в 30 раз превышающих массу Солнца, что вдвое больше, чем когда-либо ранее. Вишенкой на торте стало то, что LIGO даже смог измерить вращение последней черной дыры на уровне 70 процентов от максимального предела Керра, что, возможно, является самым точным и точным измерением вращения на сегодняшний день.

Эта симуляция дает реалистичное изображение черного аккреционного диска, включая эффекты искривления света 
относительности.

NASA/Jeremy Schnittman

Опираясь на этот беспрецедентный послужной список успеха, большинство астрофизиков полностью уверены, что описание природы черных дыр в общей теории относительности является правильным. Затянувшиеся вопросы пытаются использовать наши знания о черных дырах, чтобы улучшить наше понимание того, как газ, магнитные поля и рентгеновские лучи ведут себя в присутствии такой огромной гравитационной силы. Это грязная часть исследования черных дыр — королевский астроном Мартин Риз назвал ее «борьбой с грязью» — и в ней наблюдение на протяжении десятилетий намного опережало теорию.

Первая загадка возникла сразу после первого обнаружения Cyg X-1. В 1973 году Игорь Новиков и Кип Торн, опираясь на самые основные законы сохранения энергии и углового момента, вывели блестящее и элегантное описание того, как газ медленно движется по спирали к черной дыре, высвобождая свою гравитационную потенциальную энергию в виде тепла и излучения при температурах миллионы градусов.

У модели Новикова-Торна есть только две проблемы: она не работает в теории и не работает на практике. Теоретически это не работает, потому что не объясняет, как именно газ теряет угловой момент. На практике это не работает, потому что не согласуется с наблюдениями высокоэнергетического рентгеновского излучения, исходящего от газа с температурой в миллиарды градусов.

Горячий ионизированный газ почти не испытывает трения или вязкости, поэтому он должен просто вечно вращаться по идеально круговым орбитам, никогда не приближаясь к горизонту событий. Новиков и Торн полностью осознавали эту проблему и включили ее в свою теорию с помощью простого фактора выдумки, оставив детали для последующей работы. В конце концов, на поиск ответа ушло почти 20 лет. В 1991 году Стив Бальбус и Джон Хоули обнаружили мощную нестабильность, возникающую из-за скручивания и притяжения силовых линий магнитного поля, встроенных в аккреционный диск. Ионизированный газ является отличным проводником электричества, что означает, что он также может генерировать мощные магнитные поля. Эти поля, в свою очередь, могут притягивать газ, замедляя его и позволяя ему двигаться по спирали к черной дыре.

К 2001 году суперкомпьютеры стали достаточно мощными, чтобы адекватно моделировать нестабильность Бальбуса-Хоули в аккреционных дисках вокруг реальных черных дыр, полностью подтверждая их предсказания. Потребовалось еще одно десятилетие, прежде чем моделирование стало достаточно сложным, чтобы включить эффекты радиации и изучить взаимодействие между диском и короной. При этом мы, наконец, подошли к тому моменту, когда, исходя из самых фундаментальных законов природы, мы можем объяснить, как высокоэнергетическое рентгеновское излучение, впервые наблюдаемое в 1971, на самом деле генерируются вокруг настоящих черных дыр.

Ровно за 100 лет черные дыры превратились из математической диковинки в предмет чисто теоретической физики и в центральную область астрономических исследований, где теория и компьютерное моделирование ежедневно сталкиваются с экспериментами и наблюдениями. С недавним открытием гравитационно-волнового окна во Вселенной в ближайшие годы мы надеемся узнать еще больше о рождении, жизни и смерти этих замечательных объектов. Одно можно сказать наверняка: нас и дальше будет удивлять экзотическая фантазия природы!

Открытие черной дыры помогает объяснить квантовую природу космоса

Откуда возникла Вселенная? Куда оно направляется? Ответ на эти вопросы требует, чтобы мы понимали физику в двух совершенно разных масштабах: космологическом, относящемся к царству сверхскоплений галактик и космоса в целом, и квантовом — контринтуитивном мире атомов и ядер.

Для большей части того, что мы хотели бы знать о Вселенной, достаточно классической космологии. Это поле управляется гравитацией, как это продиктовано общей теорией относительности Эйнштейна, которая не касается атомов и ядер. Но в жизни нашей Вселенной есть особые моменты — например, в период ее младенчества, когда весь космос был размером с атом, — когда это пренебрежение физикой малых масштабов нас не подводит. Чтобы понять эти эпохи, нам нужна квантовая теория гравитации, которая может описать как электрон, вращающийся вокруг атома, так и Землю, движущуюся вокруг Солнца. Цель квантовой космологии — разработать и применить квантовую теорию гравитации ко всей вселенной.

Квантовая космология не для слабонервных. Это Дикий Запад теоретической физики, с немногим более чем горсткой наблюдаемых фактов и подсказок, чтобы вести нас. Его размах и сложность взывают к молодым и амбициозным физикам, как мифологические сирены, только для того, чтобы заставить их утонуть. Но есть ощутимое ощущение, что на этот раз все по-другому и что недавние прорывы в физике черных дыр, которые также потребовали понимания режима, в котором квантовая механика и гравитация одинаково важны, могут помочь нам найти некоторые ответы в квантовой космологии. Свежий оптимизм проявился на недавней конференции по виртуальной физике, которую я посетил, на которой была посвящена дискуссия о пересечении двух областей. Я ожидал, что это мероприятие будет малопосещаемым, но вместо этого там было много светил физики, полных идей и готовых приступить к работе.

Горизонты событий

Первым признаком того, что существует какая-либо связь между черными дырами и нашей Вселенной в целом, является то, что обе они проявляют «горизонты событий» — точки невозврата, за которыми два человека, по-видимому, навсегда теряют контакт. Черная дыра притягивается так сильно, что в какой-то момент даже свет — самая быстрая вещь во Вселенной — не может избежать ее притяжения. Таким образом, граница, где свет попадает в ловушку, представляет собой сферический горизонт событий вокруг центра черной дыры.

Кредит: Джен Кристиансен

Наша Вселенная тоже имеет горизонт событий — факт, подтвержденный ошеломляющим и неожиданным открытием в 1998 году, что не только пространство расширяется, но и расширяется с ускорением . То, что вызывает это ускорение, было названо темной энергией. Ускорение захватывает свет точно так же, как это делают черные дыры: по мере расширения космоса области пространства отталкиваются друг от друга настолько сильно, что в какой-то момент даже свет не может преодолеть это разделение. Эта внутренняя ситуация приводит к сферическому космологическому горизонту событий, который окружает нас, оставляя все за пределами определенного расстояния во тьме. Однако существует принципиальное различие между космологическим горизонтом событий и горизонтом событий черной дыры. В черной дыре пространство-время сжимается в одну точку — сингулярность. Во Вселенной в целом все пространство равномерно растет, подобно поверхности надуваемого воздушного шара. Это означает, что существа в далеких галактиках будут иметь свои собственные отчетливые сферические горизонты событий, которые будут окружать их, а не нас. Наш текущий космологический горизонт событий находится на расстоянии около 16 миллиардов световых лет. Пока продолжается это ускорение, любой излучаемый сегодня свет, находящийся за пределами этого расстояния, никогда не достигнет нас. (Космологи также говорят о горизонте частиц, который по ошибке часто также называют космологическим горизонтом. Это относится к расстоянию, за которым свет, излучаемый в ранней Вселенной, еще не успел достичь нас здесь, на Земле. В нашей сказке мы будет касаться только космологического горизонта событий, который мы часто называем просто космологическим горизонтом.Они уникальны для вселенных, которые ускоряются, как наша.)

Фото: Джен Кристиансен

Сходство между черными дырами и нашей Вселенной на этом не заканчивается. В 1974 году Стивен Хокинг показал, что черные дыры не совсем черные: из-за квантовой механики они имеют температуру и, следовательно, излучают материю и излучение, как и все тепловые тела. Это излучение, называемое излучением Хокинга, заставляет черные дыры в конечном итоге испаряться. Оказывается, космологические горизонты тоже имеют температуру и излучают материю и излучение из-за очень похожего эффекта. Но поскольку нас окружают космологические горизонты и излучение падает внутрь, они поглощают собственные излучения и поэтому не испаряются, как черные дыры.

Открытие Хокинга поставило серьезную проблему: если черные дыры могут исчезнуть, то может и содержащаяся в них информация, что противоречит правилам квантовой механики. Это известно как информационный парадокс черной дыры, и это глубокая загадка, усложняющая поиски объединения квантовой механики и гравитации. Но в 2019 году ученые добились значительного прогресса. Физики утверждали, что благодаря слиянию концептуальных и технических достижений информация внутри черной дыры может быть фактически получена из излучения Хокинга, которое покидает черную дыру. (Подробнее о том, как ученые это выяснили, см. в статье «Как внутри черной дыры скрывается снаружи»).

Это открытие воодушевило тех из нас, кто изучает квантовую космологию. Из-за математического сходства между черными дырами и космологическими горизонтами многие из нас долгое время считали, что мы не можем понять последние, не поняв первых. Выяснение черных дыр стало проблемой для разогрева — одной из самых сложных за все время. Мы еще не полностью решили нашу проблему разогрева, но теперь у нас есть новый набор технических инструментов, которые дают прекрасное представление о взаимодействии гравитации и квантовой механики в присутствии горизонтов событий черных дыр.

Энтропия и голографический принцип

Часть недавнего прогресса в изучении информационного парадокса черной дыры выросла из идеи, называемой голографическим принципом, выдвинутой в 1990-х годах Герардом ‘т Хофтом из Утрехтского университета в Нидерландах и Леонардом Сасскиндом из Стэндфордский Университет. Голографический принцип гласит, что теория квантовой гравитации, которая может описывать черные дыры, должна быть сформулирована не в обычных трех пространственных измерениях, которые используются во всех других физических теориях, а в двух измерениях пространства, подобно плоскому листу бумаги. Основной аргумент в пользу этого подхода довольно прост: у черной дыры есть энтропия — мера того, сколько вещества вы можете поместить внутрь нее, — которая пропорциональна двумерной площади ее горизонта событий.

Фото: Джен Кристиансен

Сравните это с энтропией более традиционной системы — скажем, газа в коробке. В этом случае энтропия пропорциональна трехмерному объему ящика, а не площади. Это естественно: в каждую точку пространства внутри коробки можно что-то воткнуть, так что если объем растет, то растет и энтропия. Но из-за искривления пространства внутри черных дыр вы действительно можете увеличить объем, не затрагивая площадь горизонта, и это не повлияет на энтропию! Хотя наивно кажется, что у вас есть три пространственных измерения, в которые можно вставлять вещи, формула энтропии черной дыры говорит вам, что у вас есть только два пространственных измерения, ценность площади. Таким образом, голографический принцип гласит, что из-за присутствия черных дыр квантовая гравитация должна быть сформулирована как более прозаическая негравитационная квантовая система в меньшем количестве измерений. По крайней мере, тогда энтропии совпадут.

Идея о том, что пространство не может быть по-настоящему трехмерным, с философской точки зрения довольно убедительна. По крайней мере, одно его измерение может быть эмерджентным феноменом, возникающим из его более глубокой природы, а не явно зашитым в фундаментальные законы. Физики, изучающие космос, теперь понимают, что оно может возникнуть из большого набора простых составляющих, подобно другим эмерджентным явлениям, таким как сознание, которое, по-видимому, возникает из основных нейронов и других биологических систем.

Один из самых захватывающих аспектов прогресса в информационном парадоксе черной дыры заключается в том, что он указывает на более общее понимание голографического принципа, который ранее уточнялся только в ситуациях, сильно отличающихся от нашей реальной вселенной. Однако в расчетах 2019 года способ кодирования информации внутри черной дыры в излучении Хокинга математически аналогичен тому, как гравитационная система кодируется в низкоразмерной негравитационной системе в соответствии с голографическим принципом. И эти методы можно использовать в ситуациях, более похожих на нашу вселенную, что дает потенциальную возможность для понимания голографического принципа в реальном мире. Замечательным фактом о космологических горизонтах является то, что у них также есть энтропия, определяемая точно такой же формулой, которую мы используем для черных дыр. Физическая интерпретация этой энтропии гораздо менее ясна, и многие из нас надеются, что применение новых методов к нашей Вселенной прольет свет на эту загадку. Если энтропия измеряет, сколько вещества вы можете оставить за горизонтом, как в случае с черными дырами, тогда у нас будет четкая граница того, сколько вещества может быть в нашей Вселенной.

Внешние наблюдатели

Недавний прогресс в отношении информационного парадокса черной дыры предполагает, что если мы соберем все излучение черной дыры по мере ее испарения, мы сможем получить доступ к информации, которая попала внутрь черной дыры. Один из наиболее важных концептуальных вопросов космологии заключается в том, возможно ли то же самое с космологическими горизонтами событий. Мы думаем, что они излучают как черные дыры, так можем ли мы получить доступ к тому, что находится за пределами нашего космологического горизонта событий, собирая его излучение? Или есть другой способ достичь горизонта? Если нет, то большая часть нашей обширной и богатой Вселенной в конечном итоге будет потеряна навсегда. Это мрачная картина нашего будущего — мы останемся во тьме.

Почти все попытки разобраться в этом вопросе требовали от физиков искусственного выхода из ускоряющейся Вселенной и представления о том, что они смотрят на нее извне. Это важное упрощающее предположение, и оно более точно имитирует черную дыру, где мы можем четко отделить наблюдателя от системы, просто поместив наблюдателя подальше. Но, похоже, от нашего космологического горизонта никуда не деться; оно окружает нас и движется, если мы движемся, что значительно усложняет эту проблему. Тем не менее, если мы хотим применить наши новые инструменты из изучения черных дыр к проблемам космологии, мы должны найти способ взглянуть на космический горизонт извне.

Существуют разные способы построения внешнего вида. Один из самых простых — рассмотреть гипотетическую вспомогательную вселенную, которая квантово-механически запутана с нашей собственной, и выяснить, может ли наблюдатель во вспомогательной вселенной получить доступ к информации в нашем космосе, который находится за горизонтом наблюдателя. В работе, которую я проводил с Томасом Хартманом и Икуном Цзяном из Корнельского университета, мы построили примеры вспомогательных вселенных и других сценариев и показали, что наблюдатель может получить доступ к информации за космологическим горизонтом так же, как мы можем получить доступ к информации за пределами черной дыры. горизонт. (Дополнительная статья Йиминга Чена из Принстонского университета, Виктора Горбенко из EPFL в Швейцарии и Хуана Малдасены из Института перспективных исследований [IAS] в Принстоне, штат Нью-Джерси, показала аналогичные результаты.)

Но все эти анализы имеют один серьезный недостаток: когда мы исследовали «нашу» вселенную, мы использовали модельную вселенную, которая сжимается , а не расширяется. Такие вселенные гораздо проще описать в контексте квантовой космологии. Мы не совсем понимаем, почему, но это связано с тем фактом, что мы можем думать о внутренней части черной дыры как о сжимающейся вселенной, где все сжимается вместе. Таким образом, наше новообретенное понимание черных дыр может легко помочь нам в изучении этого типа вселенной 9. 0003

Даже в этих упрощенных ситуациях мы ломаем голову над некоторыми запутанными вопросами. Одна из проблем заключается в том, что легко создать несколько одновременных представлений посторонних, чтобы каждый посторонний мог получить доступ к информации в договаривающейся вселенной. Но это означает, что несколько человек могут получить доступ к одной и той же части информации и манипулировать ею независимо друг от друга. Квантовая механика, однако, требовательна: она не только запрещает уничтожение информации, но и запрещает копирование информации. Эта идея известна как теорема о запрете клонирования, и многочисленные аутсайдеры, похоже, нарушают ее. В черной дыре это не проблема, потому что, хотя посторонних может быть много, оказывается, что никакие двое из них не могут независимо получить доступ к одной и той же части информации внутри. Этот предел связан с тем, что существует только одна черная дыра и, следовательно, только один горизонт событий. Но в расширяющемся пространстве-времени разные наблюдатели имеют разные горизонты. Однако недавняя работа, которую мы с Адамом Левином из Массачусетского технологического института проделали вместе, предполагает, что те же самые технические инструменты из контекста черной дыры также помогают избежать этого несоответствия.

На пути к более истинной теории

Несмотря на впечатляющий прогресс, до сих пор мы не могли напрямую применить то, что мы узнали о горизонтах черных дыр, к космологическому горизонту в нашей Вселенной из-за различий между этими двумя типами горизонтов.

Конечная цель? Никакого взгляда со стороны, никакой сжимающейся Вселенной, никаких обходных путей: нам нужна полная квантовая теория нашей расширяющейся Вселенной, описанная с нашей точки зрения внутри чрева зверя. Многие физики считают, что лучше всего придумать голографическое описание, то есть такое, которое использует меньше трех измерений пространства, чем обычно. Есть два способа сделать это. Первый заключается в использовании инструментов теории струн, которая рассматривает элементарные частицы природы как вибрирующие струны. Когда мы правильно настроим эту теорию, мы сможем дать голографическое описание определенных горизонтов черных дыр. Мы надеемся сделать то же самое для космологического горизонта. Многие физики вложили много сил в этот подход, но он еще не дал полной модели расширяющейся Вселенной, подобной нашей.

Другой способ угадать голографическое описание — искать подсказки в свойствах, которыми должно обладать такое описание. Этот подход является частью стандартной научной практики — использовать данные для построения теории, которая воспроизводит данные, и надеяться, что она также сделает новые предсказания. Однако в этом случае сами данные также являются теоретическими. Это вещи, которые мы можем надежно рассчитать даже без полного понимания всей теории, точно так же, как мы можем рассчитать траекторию бейсбольного мяча, не используя квантовую механику. Идея работает следующим образом: мы вычисляем различные вещи в классической космологии, возможно, с небольшим добавлением квантовой механики, но стараемся избегать ситуаций, когда квантовая механика и гравитация одинаково важны. Это формирует наши теоретические данные. Например, излучение Хокинга — это часть теоретических данных. И что должно быть правдой, так это то, что полная и точная теория квантовой космологии должна быть в состоянии воспроизвести эти теоретические данные в соответствующем режиме, точно так же, как квантовая механика может воспроизвести траекторию бейсбольного мяча (хотя и гораздо более сложным способом, чем классическая механика). ).

Возглавляет сбор этих теоретических данных могущественный физик со сверхъестественным вниманием к проблемам квантовой космологии: Дионисий Аннинос из Королевского колледжа Лондона работает над этим вопросом уже более десяти лет и дал много ключей к голографической теории. описание. Другие люди со всего мира также присоединились к усилиям, в том числе Эдвард Виттен из IAS, фигура, которая десятилетиями возвышалась над квантовой гравитацией и теорией струн, но старается избегать Дикого Запада квантовой космологии. Вместе со своими коллегами Венкатесой Чандрасекараном из IAS, Роберто Лонго из Римского университета Тор Вергата и Джеффри Пенингтоном из Калифорнийского университета в Беркли он исследует, как неразрывная связь между наблюдателем и космологическим горизонтом влияет на математическое описание квантовой космологии.

Иногда мы амбициозны и пытаемся рассчитать теоретические данные, когда квантовая механика и гравитация одинаково важны. Мы неизбежно должны наложить какое-то правило или догадаться о поведении полной точной теории в таких случаях. Многие из нас считают, что одним из наиболее важных элементов теоретических данных является количество и характер запутанности между составляющими теории квантовой космологии. Сасскинд и я сформулировали отдельные предложения о том, как вычислять эти данные, и в сотнях электронных писем, которыми мы обменивались во время пандемии, мы постоянно спорили о том, что было более разумным. Более ранняя работа Евы Сильверстайн из Стэнфорда, еще одного блестящего физика с большим послужным списком в области квантовой космологии, и ее сотрудников содержит еще одно предложение для вычисления этих теоретических данных.

Природа запутанности в квантовой космологии находится в стадии разработки, но кажется очевидным, что ее определение станет важным шагом на пути к голографическому описанию.