Содержание
Наука: Наука и техника: Lenta.ru
Nature: в ранней Вселенной обнаружили звездный ветер рекордной скорости
Фото: Roscosmos / Globallookpress.com
Международная группа астрономов обнаружила, что в ранней Вселенной сверхмассивные черные дыры в составе квазаров порождали очень мощные звездные ветры рекордной скорости, которые не наблюдаются у более современных галактик. Результаты исследования, опубликованные в журнале Nature, позволяют решить загадку, почему сверхмассивные черные дыры в какой-то момент прекращали фазу необычно быстрого роста и начинали наращивать массу постепенно.
Хотя точно не установлен механизм возникновения сверхмассивных черных дыр, которые были уже в первый миллиард лет существования Вселенной, известно, что эти объекты проходили через фазу быстрого роста, чем и объясняется их огромная по тем временам масса. В какой-то момент этот рост подавлялся и приходил в соответствие с темпами роста родительских галактик. Механизм такого подавления до сих пор хорошо не изучен, однако предполагалось, что движущей силой является влияние самой черной дыры на галактическую среду.
Материалы по теме:
Астрономы провели наблюдения за 30 квазарами с помощью «Очень большого телескопа» (Very Large Telescope, VLT) в Чили. Красное смещение квазаров лежало в диапазоне от 5,8 до 6,6, что соответствует времени путешествия света от них, равному 12,6-12,8 миллиарда лет, или сопутствующему расстоянию (учитывает закон Хаббла в расширяющейся Вселенной) в 27-28 миллиарда световых лет.
Квазары представляют собой активные и очень яркие ядра древних галактик, питаемые энергией сверхмассивной черной дыры, поглощающей окружающее вещество. Самые старые квазары наблюдались на расстояниях, соответствующих эпохе реионизации, то есть возрасту Вселенной 0,5-1 миллиард лет.
Исследователи заметили, что в спектрах примерно половины изученных квазаров имеются признаки мощных звездных ветров, чья скорость достигала рекордных 17 процентов скорости света. Такие ветры характерны для более далеких (а значит, более ранних) квазаров, чье красное смещение превышает 5,8. Это значит, что более 12,6 миллиарда лет назад квазары рассеивали огромное количество кинетической энергии в межзвездную среду и подавляли аккрецию вещества, отталкивая его от черной дыры..png)
Согласно расчетам, эта энергия в 20 раз превышала значения для более поздних квазаров с красным смещением 2-3 (возраст Вселенной около четырех миллиардов лет). В результате рост сверхмассивной черной дыры тормозился.
Мощные звездные ветры объясняются тем, что примерно в это же время родительские галактики начинают быстро расти, и скорость звездообразования достигает тысячи солнечных масс в год. Межзвездная среда становилась более плотной, аккреция росла и в какой-то момент превышала предел Эддингтона, то есть давление излучения поглощаемой материи становилось столь высоким, что расталкивало вещество из аккреционного диска. С того времени рост черной дыры переставал доминировать над ростом родительской галактики, и оба процесса становились симбиотическими, то есть начиналась фаза общей эволюции.
Дыры в картине мира: откуда берутся самые странные объекты Вселенной | Naked Science
Черные дыры будоражат воображение. Идеальные ловушки, из которых не может вырваться даже свет.
Монстры, способные разорвать звезду и перекроить судьбу галактики. Ночной кошмар интуиции, вытворяющий головоломные трюки с пространством и временем. Naked Science объясняет, откуда берутся эти загадочные объекты и как астрономы их обнаруживают.
Дыры в картине мира: откуда берутся самые странные объекты Вселенной
Этот мир создан гравитацией. Она же стремится его разрушить. Та же сила, что вылепила галактики, планеты и звезды, превращает все в черные дыры, если только ей позволить. Чтобы понять суть этого парадокса, поговорим подробнее сначала о творении, потом — о разрушении.
Каша с комочками
Представим себе, что вся материя в видимой Вселенной, включая даже и темную, состоит из водорода. В отношении обычного (не темного) вещества это, кстати, недалеко от истины: оно состоит из водорода на 77%. Равномерно распределим эту материю по пространству. Сколько же получится? Ответ потрясает: шесть атомов на кубический метр. Ни одна лаборатория в мире не может создать настолько глубокий вакуум.
По большому счету Вселенная — это великая пустота (в этом месте буддисты хихикают в кулачок).
Сразу после Большого взрыва материя и была размазана по пространству почти равномерно. Существовали лишь небольшие случайные неоднородности. Но в игру вступило всемирное тяготение. Там, где плотность вещества оказалось хоть чуть-чуть больше фоновой, возникли центры притяжения (вспомним, что сила тяготения зависит от массы). Эта гравитация привлекала все новые порции материи. Комок вещества набирал массу, а значит, становился еще более мощным центром тяготения, и круг замыкался. В конце концов материя собралась в галактики, а внутри галактик — в звезды и планеты.
Процесс комкования Вселенной зашел не слишком далеко. В конце концов 80 процентов массы обычного (не темного) вещества до сих пор приходится на межгалактический газ, а половина оставшихся 20 процентов — на межзвездный. И все же именно благодаря всемирному тяготению в мире существует хоть что-то кроме пустынной бездны, в которой изредка встречаются одинокие атомы.
Но гравитация не умеет останавливаться добровольно. Чем ближе две частицы вещества, тем сильнее притяжение между ними. Влекомые этим притяжением, они станут еще ближе, если только никакая другая сила не помешает этому. И тогда тяготение опять возрастет. Гравитация — ненасытный монстр, который стремится сжать любой объект… во что? Старая, добрая теория Ньютона отвечает: в точку. Общая теория относительности Эйнштейна уточняет: в черную дыру.
Это, по существу, и есть ответ на вопрос, откуда берутся черные дыры. Они возникают, когда гравитация оказывается сильнее любой силы, препятствующей сжатию вещества. Но с какими именно объектами происходит подобная неприятность, чтобы не сказать — трагедия?
Когда умирают звезды
Чем массивнее небесное тело, тем больше взаимное притяжение составляющих его частиц вещества и тем труднее противостоять сжатию. Планета или коричневый карлик справляется с этим просто за счет давления сжимаемого вещества. Со звездами этот номер уже не проходит.
Зародыш звезды сжимается под действием гравитации, пока его недра не становятся достаточно плотными и горячими, чтобы в них вспыхнули термоядерные реакции. С этого момента к давлению вещества присоединяется давление излучения. Это то самое давление света, открытое великим русским физиком П. Н. Лебедевым. Только на Земле ему понадобились чувствительные приборы, а вот в недрах звезды именно излучение, а вовсе не вещество, вносит в давление решающий вклад. От превращения в черную дыру, этот оплот вечной тьмы, звезду удерживают в буквальном смысле силы света.
Но термоядерное топливо рано или поздно заканчивается. Правда, к этому времени звезда уже рассеивает в пространстве значительную часть своей массы. Но на ее месте остается плотное и все еще достаточно массивное ядро — звездный остаток. И гравитация, которой уже не противостоит давление излучения, стремительно сжимает его. Сжатие продолжается до тих пор, пока…
Пока что? Это зависит от массы остатка, который, понятное дело, определяется массой исходной звезды.
Допустим, это было светило умеренной массы (до десяти солнц). Тогда процесс останавливается, когда электроны в звездном остатке переходят в особое состояние: становятся вырожденным электронным газом. Он куда яростнее сопротивляется сжатию, чем обычное вещество. Звездный остаток, остановившейся на этой стадии, называется белым карликом. Кубический сантиметр его вещества может весить тонну, а то и тысячу тонн! В связи с такой огромной плотностью белый карлик солнечной массы размерами напоминает… Землю.
Думаете, это и есть аттракцион невиданной плотности? Как бы не так. Если исходная звезда массивнее десяти солнц, гравитация в звездном остатке еще сильнее. Тогда вырожденный электронный газ уже не может остановить сжатие. В результате электроны сливаются с протонами, образуя нейтроны. Получается нейтронная звезда. Ее радиус при солнечной массе измеряется уже считанными километрами. Кубический сантиметр этой субстанции весит сотни миллионов тонн.
Ну а если звезда при жизни была массивнее тридцати солнц, даже давление нейтронного вещества не в силах остановить сжатие.
Тогда и происходит «переход на темную сторону» — превращение в черную дыру. К слову, за теоретическое описание этой метаморфозы Р. Пенроуз получил Нобелевскую премию по физике 2020 года (разделив ее с Р. Генцелем и А. Гез, с которыми мы еще встретимся).
По расчетам теоретиков, нижний предел массы «звездной» черной дыры — около трех солнечных. Верхний предел, если говорить о звездах нашей галактики — около 20 солнц. В галактиках с несколько иным химическим составом он может быть и больше.
Говорить о размере и плотности черной дыры — дело неблагодарное, ведь у нее нет поверхности в привычном смысле. Обычно за условную поверхность черной дыры принимают горизонт событий — ту самую роковую границу, после пересечения которой назад не может вернуться ничто, даже свет. Для «невидимки» массой в три Солнца радиус горизонта событий составляет всего девять километров.
Черная дыра, находящаяся слишком близко к звезде, поглощает вещество своей соседки./(с) NASA/CXC/M.Weiss.
Каннибалы и столкновения
Откуда мы знаем, что черные дыры звездных масс существуют в реальности, а не только в выкладках теоретиков? Прежде всего мы наблюдаем гравитационные волны от их столкновений.
За открытие этих волн, кстати, была присуждена Нобелевская премия по физике 2017 года. Это решающее доказательство, официальный бланк с подписью и печатью. Ни один другой процесс не может породить гравитационный сигнал такой же структуры. Число зафиксированных космических ДТП приближается уже к сотне.
Кроме того, бывает, что черная дыра образует тесную пару с нормальной звездой. Близость с хищницей не сулит светилу ничего хорошего. Своей мощной гравитацией та высасывает из партнера вещество, занимаясь самым настоящим каннибализмом. Вокруг черной дыры закручивается облако постепенно падающей на нее материи — аккреционный диск. Струи газа в этом диске раскаляются трением до такой степени, что ярко сияют в рентгеновском диапазоне. Наблюдателям известно несколько десятков ярких рентгеновских объектов, которые слишком массивны для нейтронных звезд. Ученые, обязанные быть дотошными до занудства, называют их кандидатами в черные дыры. Но вообще-то почти нет сомнений, что это именно черные дыры и есть.
Бывает, что черная дыра образует пару с нормальной звездой, но не настолько тесную, чтобы отношения дошли до каннибализма. В этом случае «сгусток тьмы» можно обнаружить, заметив, что светило обращается вокруг невидимого патрона. Наблюдатели исходят из принципа «судя по орбите звезды-спутника, эта штука слишком массивная для нейтронной звезды, а будь это нормальное светило, мы бы его увидели». Это простая идея, но только недавно наблюдения достигли нужной точности. Так что количество открытых таким образом черных дыр измеряется пока единицами.
Вообще-то все это капля в море. В одном только Млечном Пути должны быть сотни миллионов черных дыр звездной массы. Но что же делать: они действительно черные, и обнаруживать их очень непросто.
Размер имеет значение
Следующий класс черных дыр, с которым наблюдатели хорошо знакомы — сверхмассивные. Они имеют массы от миллионов до десятков миллиардов солнц, и, конечно, ни о каком «звездном» их происхождении и речи быть не может.
Сверхмассивные черные дыры образуются в центрах галактик. Это неудивительно, ведь именно там плотность вещества особенно велика. Материя стекается в центр, привлеченная суммарной гравитацией всей галактики. В какой-то момент это облако пыли и газа становится таким плотным, что под действием собственной гравитации сжимается в черную дыру.
У исследователей до сих пор нет ясности, как именно это происходит, вернее, почему это происходит так быстро. Наблюдения самых далеких галактик показывают, что сверхмассивные черные дыры уже существовали, когда возраст Вселенной составлял всего 5% от нынешнего. Столь стремительное возникновение этих монстров — загадка, которую только предстоит разгадать.
Кстати, о наблюдениях. Сверхмассивные черные дыры часто имеют очень впечатляющие аккреционные диски, ведь вещества в центре галактики более чем достаточно. Парадокс: сами черные дыры не излучают ничего, но облако падающего на них вещества превращает их в самые яркие во Вселенной источники излучения.
Наблюдателям известны сотни тысяч таких объектов.
Уверены ли астрономы, что это именно черные дыры, а не что-либо другое? Да. Во-первых, в 2008 г. Р. Генцель и А. Гез довольно точно измерили массу и радиус центрального объекта Млечного Пути. Оказалось, что тело, сравнимое по размеру с Солнечной системой, имеет массу в четыре миллиона солнц (что вы знаете об эффективной упаковке!). Такой объект может быть только черной дырой.
Во-вторых, в 2019 г. астрономы впервые получили изображение «тени» черной дыры в галактике М87, которое точно совпало с предсказаниями теории. Конечно, о сотнях тысяч других сверхмассивных черных дыр такой подробной информации нет, но прецедент создан.
Представители среднего класса
Есть во Вселенной и черные дыры, слишком массивные для «звездных», но не дотягивающие до почетного звания сверхмассивных. Они называются черными дырами средней, или промежуточной, массы.
Этот слишком широкий класс явно был сформулирован по принципу «а вот здесь у нас на карте белое пятно».
Ясно, что сто солнц и сто тысяч солнц — это очень разные массы, и за ними должны стоять столь же разные механизмы образования. Но как о тех, так и о других известно совсем мало.
Детекторы гравитационных волн однажды зафиксировали столкновение двух необычно крупных черных дыр. Масса первой составляла 71-106 солнечных, а масса второй — 48-83 солнечных. При их столкновении образовался объект массой 126-170 солнц, который уж точно относится к «среднему классу». Но и «участницы ДТП» великоваты для звездных остатков. Возможно, они сами — плод столкновения и слияния черных дыр звездных масс.
С другой стороны пропасти находятся черные дыры массой в сотни тысяч солнц. Они могли образоваться так же, как сверхмассивные. Просто их родительские галактики невелики, поэтому и черные дыры получаются, так сказать, недокормленными. В центрах некоторых карликовых галактик рентгеновские телескопы действительно обнаруживают нечто, похожее на «недосверхмассивную» черную дыру. Количество таких объектов перевалило уже за сотню.
А недавно «хищницу» массой около 90 тысяч солнц нашли в ядре карликовой системы, некогда проглоченной галактикой Андромеды.
Реликтовые звери
Осталось рассказать о первичных черных дырах — первом крике новорожденной Вселенной. Они обязательно должны существовать, вот только обнаружить их никак не удается.
Мы упоминали о том, что вещество в новорожденном космосе было распределено почти однородно. Это важное «почти», ведь первичные неоднородности стали точками роста, из которых в итоге образовались галактики. Но в некоторых исключительно редких точках плотность вещества с самого начала была настолько высока, что они сразу же превратились в черные дыры. Это произошло в первые доли секунды после Большого взрыва. До образования атомных ядер оставались минуты, а до появления первых атомов — сотни тысяч лет. Эти черные дыры называют первичными.
Космологи убеждены, что первичные черные дыры существуют. Нет способа избежать их возникновения, не сломав при этом всю теорию ранней Вселенной.
Но наблюдатели разводят руками: ни одной черной дыры, которую уверенно можно было бы отнести к первичным, пока не обнаружено. Все данные о количестве таких объектов — это ограничения сверху. Другими словами, «их точно не больше, чем столько-то, потому что будь их больше, мы бы их уже заметили».
Как вообще можно обнаружить и опознать это космическое ископаемое? Прежде всего, по массе. В момент рождения реликтовые черные дыры имели самую разную массу, от пылинки до сотен тысяч солнц. И это единственный известный механизм образования черных дыр с массой существенно меньше солнечной. Если мы когда-нибудь обнаружим такую крошку, станет ясно: вот он, реликтовый зверь.
Впрочем, самые маленькие из первичных черных дыр давно сошли на нет из-за излучения Хокинга. Чтобы дожить до наших дней, такому объекту нужно иметь массу как минимум с крупный астероид (а размером он при этом будет… с протон).
Кстати, об излучении Хокинга. Оно расходует массу черной дыры. Но чем меньше масса, тем сильнее излучение, так что процесс идет с самоускорением.
Когда черная дыра становится легче ядра маленькой кометы, она исчезает в яркой вспышке гамма-лучей. Это выглядит буквально как взрыв. Теоретически некоторые из первичных черных дыр взрываются прямо сейчас, в эту самую секунду. Наблюдатели не оставляют надежды разглядеть в гамма-телескопы если не отдельное такое событие, то хотя бы фон от множества далеких взрывов. Есть и другие способы искать первичные черные дыры, но пока ни один из них не дал результата. Если и когда это наконец случится, это открытие, безусловно, будет достойно еще одной Нобелевской премии.
Источник: Naked Science
Куда ведут черные дыры?
Куда ведут черные дыры?
(Изображение предоставлено журналом All About Space)
Итак, вы вот-вот прыгнете в черную дыру. Что может вас ждать, если вы, несмотря ни на что, каким-то образом выживете? Где бы вы оказались и какими дразнящими историями вы бы смогли насладиться, если бы вам удалось вернуться обратно?
Простой ответ на все эти вопросы, как объясняет профессор Ричард Мэсси, звучит так: «Кто знает?» Как научный сотрудник Королевского общества в Институте вычислительной космологии Даремского университета, Мэсси полностью осознает, что тайны черных дыр очень глубоки.
«Падение за горизонт событий — это буквально выход за пределы завесы — как только кто-то упадет за него, никто не сможет отправить сообщение в ответ», — сказал он. «Они были бы разорваны на куски огромной гравитацией, так что я сомневаюсь, что кто-то, кто провалился бы, смог бы куда-нибудь добраться».
Связанный: Викторина о черной дыре: насколько хорошо вы знаете самые странные творения природы?
Если это звучит как разочаровывающий — и болезненный — ответ, то этого следовало ожидать. С тех пор, как считалось, что общая теория относительности Альберта Эйнштейна предсказала черные дыры, связав пространство-время с действием гравитации, было известно, что черные дыры возникают в результате смерти массивной звезды, оставляющей после себя небольшой плотный остаток ядра. Если предположить, что масса этого ядра более чем в три раза превышает массу Солнца, гравитация превзойдет его до такой степени, что оно упадет само на себя в единую точку или сингулярность, понимаемую как бесконечно плотное ядро черной дыры.
Получившаяся в результате непригодная для жизни черная дыра будет иметь такое сильное гравитационное притяжение, что даже свет не сможет избежать ее. Итак, если вы окажетесь на горизонте событий — точке, в которой свет и материя могут проходить только внутрь, как предложил немецкий астроном Карл Шварцшильд, — спасения нет. По словам Мэсси, приливные силы разрежут ваше тело на нити атомов (или «спагеттификация», как это также известно), и объект в конечном итоге окажется раздавленным в сингулярности. Идея о том, что вы можете выскочить где-нибудь — возможно, на другой стороне — кажется совершенно фантастической.
А червоточины?
Черные дыры — это странные области, где гравитация достаточно сильна, чтобы искривлять свет, искривлять пространство и искажать время. (Изображение предоставлено Карлом Тейтом, автором SPACE.com)
На протяжении многих лет ученые изучали возможность того, что черные дыры могут быть червоточинами для других галактик.
Они могут быть даже, как предполагают некоторые, путем в другую вселенную.
Такая идея витала в воздухе в течение некоторого времени: Эйнштейн объединился с Натаном Розеном, чтобы теоретизировать мосты, соединяющие две разные точки пространства-времени в 1935. Но в 1980-х годах она получила новое развитие, когда физик Кип Торн — один из ведущих мировых экспертов по астрофизическим последствиям общей теории относительности Эйнштейна — поднял дискуссию о том, могут ли объекты физически проходить сквозь них.
«Прочитав популярную книгу Кипа Торна о червоточинах, я в детстве увлекся физикой, — сказал Мэсси. Но маловероятно, что червоточины существуют.
Действительно, Торн, давший экспертный совет съемочной группе голливудского фильма «Интерстеллар», писал: «Мы не видим в нашей Вселенной объектов, которые могли бы превратиться в червоточины с возрастом» в своей книге «Наука межзвездного» (The Science of Interstellar). В. В. Нортон и компания, 2014 г.). Торн сказал Space.
com, что путешествия через эти теоретические туннели, скорее всего, останутся научной фантастикой, и, конечно же, нет убедительных доказательств того, что черная дыра может позволить такой проход.
Похожие: Самые странные черные дыры во Вселенной
Но проблема в том, что мы не можем подойти поближе, чтобы увидеть это своими глазами. Да ведь мы даже не можем сфотографировать что-либо, что происходит внутри черной дыры — если свет не может вырваться из-под их огромной гравитации, то камера ничего не может заснять. В нынешнем виде теория предполагает, что все, что выходит за горизонт событий, просто добавляется к черной дыре, и, более того, поскольку время искажается вблизи этой границы, кажется, что это происходит невероятно медленно, поэтому ответы не будут быстрыми. предстоящий.
«Я думаю, что стандартная история состоит в том, что они ведут к концу времен», — сказал Дуглас Финкбейнер, профессор астрономии и физики Гарвардского университета. «Наблюдатель издалека не увидит, как его друг-космонавт падает в черную дыру.
Они будут становиться все краснее и слабее по мере приближения к горизонту событий [в результате гравитационного красного смещения]. место за пределами «навсегда». Что бы это ни значило».
Художественная концепция червоточины. Если червоточины существуют, они могут вести в другую вселенную. Но нет никаких доказательств того, что червоточины реальны или что черная дыра может действовать как таковая. (Изображение предоставлено Shutterstock)
Может быть, черная дыра ведет к белой
Конечно, если черные дыры ведут в другую часть галактики или в другую вселенную, должно быть что-то напротив них на другой стороне . Могла ли это быть белая дыра — теорию, выдвинутую русским космологом Игорем Новиковым в 1964 году? Новиков предположил, что черная дыра связана с белой дырой, существовавшей в прошлом. В отличие от черной дыры, белая дыра позволит свету и материи уйти, но свет и материя не смогут войти.
Ученые продолжают исследовать возможную связь между черными и белыми дырами.
В своем исследовании 2014 года, опубликованном в журнале Physical Review D , физики Карло Ровелли и Хэл М. Хаггард заявили, что «существует классическая метрика, удовлетворяющая уравнениям Эйнштейна вне конечной области пространства-времени, где материя коллапсирует в черная дыра, а затем появляется из временной дыры». Другими словами, весь материал, проглоченный черными дырами, может быть выброшен наружу, и черные дыры могут стать белыми дырами, когда умрут.
Истории по теме
Коллапс черной дыры не только не уничтожит поглощаемую ею информацию, но и остановит ее. Вместо этого он испытает квантовый отскок, позволяющий информации ускользнуть. Если это так, то это пролило бы некоторый свет на предложение бывшего космолога и физика-теоретика Кембриджского университета Стивена Хокинга, который в 1970-х исследовал возможность того, что черные дыры испускают частицы и излучение — тепловое тепло — в результате квантовых флуктуаций. .
— Хокинг сказал, что черная дыра не вечна, — сказал Финкбейнер. Хокинг подсчитал, что излучение заставит черную дыру терять энергию, сжиматься и исчезать, как описано в его статье 1976 года, опубликованной в Physical Review D. Учитывая его заявления о том, что испускаемое излучение будет случайным и не будет содержать никакой информации. о том, что упало, черная дыра после взрыва сотрет массу информации.
Это означало, что идея Хокинга противоречила квантовой теории, согласно которой информацию невозможно уничтожить. Физики утверждают, что информацию становится труднее найти, потому что, если она потеряется, становится невозможно узнать прошлое или будущее. Идея Хокинга привела к «информационному парадоксу черной дыры», который долгое время озадачивал ученых. Некоторые говорят, что Хокинг просто ошибался, а сам человек даже заявил, что допустил ошибку во время научной конференции в Дублине в 2004 г.
Итак, вернемся ли мы к концепции черных дыр, излучающих сохраненную информацию и выбрасывающих ее обратно через белую дыру? Может быть. В своем исследовании 2013 года, опубликованном в Physical Review Letters , Хорхе Пуллин из Университета штата Луизиана и Родольфо Гамбини из Университета Республики в Монтевидео, Уругвай, применили петлевую квантовую гравитацию к черной дыре и обнаружили, что гравитация увеличивается в направлении ядро, но уменьшало и отбрасывало все, что входило в другую область вселенной. Результаты придали дополнительную достоверность идее о том, что черные дыры служат порталами. В этом исследовании сингулярности не существует, и поэтому она не образует непреодолимого барьера, который в конечном итоге сокрушает все, что встречает на своем пути. Это также означает, что информация не исчезает.
Возможно, черные дыры никуда не делись
Тем не менее, физики Ахмед Альмхейри, Дональд Марольф, Джозеф Полчински и Джеймс Салли все еще верили, что Хокинг что-то уловил. Они работали над теорией, которая стала известна как брандмауэр AMPS или гипотеза брандмауэра черной дыры. По их расчетам, квантовая механика могла реально превратить горизонт событий в гигантскую стену огня, и все, что соприкоснется с ней, сгорит в одно мгновение. В этом смысле черные дыры никуда не ведут, потому что ничто не может проникнуть внутрь.
Это, однако, нарушает общую теорию относительности Эйнштейна. Тот, кто пересекает горизонт событий, на самом деле не должен чувствовать каких-либо больших трудностей, потому что объект будет находиться в свободном падении и, исходя из принципа эквивалентности, этот объект — или человек — не будет испытывать экстремальных эффектов гравитации. Это могло бы следовать законам физики, присутствующим в других частях Вселенной, но даже если бы это не противоречило принципу Эйнштейна, это подорвало бы квантовую теорию поля или предположило бы, что информация может быть потеряна.
Представление художника о приливном разрушении, которое происходит, когда звезда проходит слишком близко к сверхмассивной черной дыре. (Изображение предоставлено журналом All About Space)
Черная дыра неопределенности
Шаг вперед Хокинг еще раз. В 2014 году он опубликовал исследование , в котором отказался от существования горизонта событий — то есть там нечему гореть — заявив, что вместо этого гравитационный коллапс создаст «видимый горизонт».
Этот горизонт будет приостанавливать световые лучи, пытающиеся удалиться от ядра черной дыры, и будет существовать в течение «периода времени». В его переосмыслении кажущиеся горизонты временно сохраняют материю и энергию, прежде чем растворяться и высвобождаться позже. Это объяснение лучше всего согласуется с квантовой теорией, которая утверждает, что информацию нельзя уничтожить, и, если это когда-либо будет доказано, оно предполагает, что из черной дыры может вырваться что угодно.
Хокинг дошел до того, что сказал, что черные дыры могут даже не существовать. «Черные дыры следует переопределить как метастабильные связанные состояния гравитационного поля», — писал он. Не было бы сингулярности, и хотя видимое поле двигалось бы внутрь из-за гравитации, оно никогда не достигало бы центра и не объединялось бы в плотной массе.
(Изображение предоставлено: Karl Tate, SPACE.com Contributor)
(открывается в новой вкладке)
И все же все, что излучается, не будет в форме проглоченной информации. Было бы невозможно понять, что вошло, глядя на то, что выходит, что само по себе вызывает проблемы — не в последнюю очередь, скажем, для человека, оказавшегося в таком тревожном положении. Они больше никогда не будут чувствовать себя так, как раньше!
Одно можно сказать наверняка, эта конкретная загадка поглотит еще много научных часов в течение долгого времени. Ровелли и Франческа Видотто недавно предположили, что компонент темной материи может быть образован остатками испарившихся черных дыр, а статья Хокинга о черных дырах и «мягких волосах» была выпущена в 2018 году и описывает, как нулевая энергия частицы остаются вокруг точки невозврата, горизонта событий — идея, которая предполагает, что информация не теряется, а захватывается.
Это противоречит теореме об отсутствии волос, сформулированной физиком Джоном Арчибальдом Уилером и основанной на том, что две черные дыры будут неразличимы для наблюдателя, потому что ни один из специальных псевдозарядов физики элементарных частиц не сохранится. Это идея, которая заставила ученых говорить, но есть некоторый путь, прежде чем она станет ответом на вопрос, куда ведут черные дыры. Если бы мы только могли найти способ прыгнуть в один из них.
Дополнительные ресурсы
Вы можете узнать больше о черных дырах из подробной статьи НАСА и узнать, как было получено первое изображение черной дыры. Если вы ищете контент для детей, у ESA есть несколько отличных ресурсов (открывается в новой вкладке) для обучения малышей всему, что касается черных дыр и Вселенной.
Библиография
- За пределами Эйнштейна: от Большого взрыва до черных дыр (открывается в новой вкладке)
- Червоточины: типы и создание (открывается в новой вкладке)
(Изображение предоставлено журналом All About Space)
(открывается в новой вкладке)
Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: community@space. com.
Дэвид Крукс (David Crookes) — британский журналист, работающий в области науки и технологий, профессионально пишет уже более двух десятилетий. Получив образование в Университете Дарема в Англии, он писал статьи для десятков газет, журналов и веб-сайтов, включая The Independent, The i Paper, London Evening Standard, BBC Earth, How It Works и LiveScience. С 2014 года он регулярно публикуется в дочернем издании Space.com, журнале All About Space.0003
Куда ведут черные дыры?
Куда ведут черные дыры?
(Изображение предоставлено журналом All About Space)
Итак, вы вот-вот прыгнете в черную дыру. Что может вас ждать, если вы, несмотря ни на что, каким-то образом выживете? Где бы вы оказались и какими дразнящими историями вы бы смогли насладиться, если бы вам удалось вернуться обратно?
Простой ответ на все эти вопросы, как объясняет профессор Ричард Мэсси, звучит так: «Кто знает?» Как научный сотрудник Королевского общества в Институте вычислительной космологии Даремского университета, Мэсси полностью осознает, что тайны черных дыр очень глубоки.
«Падение за горизонт событий — это буквально выход за пределы завесы — как только кто-то упадет за него, никто не сможет отправить сообщение в ответ», — сказал он. «Они были бы разорваны на куски огромной гравитацией, так что я сомневаюсь, что кто-то, кто провалился бы, смог бы куда-нибудь добраться».
Связанный: Викторина о черной дыре: насколько хорошо вы знаете самые странные творения природы?
Если это звучит как разочаровывающий — и болезненный — ответ, то этого следовало ожидать. С тех пор, как считалось, что общая теория относительности Альберта Эйнштейна предсказала черные дыры, связав пространство-время с действием гравитации, было известно, что черные дыры возникают в результате смерти массивной звезды, оставляющей после себя небольшой плотный остаток ядра. Если предположить, что масса этого ядра более чем в три раза превышает массу Солнца, гравитация превзойдет его до такой степени, что оно упадет само на себя в единую точку или сингулярность, понимаемую как бесконечно плотное ядро черной дыры.
Получившаяся в результате непригодная для жизни черная дыра будет иметь такое сильное гравитационное притяжение, что даже свет не сможет избежать ее. Итак, если вы окажетесь на горизонте событий — точке, в которой свет и материя могут проходить только внутрь, как предложил немецкий астроном Карл Шварцшильд, — спасения нет. По словам Мэсси, приливные силы разрежут ваше тело на нити атомов (или «спагеттификация», как это также известно), и объект в конечном итоге окажется раздавленным в сингулярности. Идея о том, что вы можете выскочить где-нибудь — возможно, на другой стороне — кажется совершенно фантастической.
А червоточины?
Черные дыры — это странные области, где гравитация достаточно сильна, чтобы искривлять свет, искривлять пространство и искажать время. (Изображение предоставлено Карлом Тейтом, автором SPACE.com)
На протяжении многих лет ученые изучали возможность того, что черные дыры могут быть червоточинами для других галактик. Они могут быть даже, как предполагают некоторые, путем в другую вселенную.
Такая идея витала в воздухе в течение некоторого времени: Эйнштейн объединился с Натаном Розеном, чтобы теоретизировать мосты, соединяющие две разные точки пространства-времени в 1935. Но в 1980-х годах она получила новое развитие, когда физик Кип Торн — один из ведущих мировых экспертов по астрофизическим последствиям общей теории относительности Эйнштейна — поднял дискуссию о том, могут ли объекты физически проходить сквозь них.
«Прочитав популярную книгу Кипа Торна о червоточинах, я в детстве увлекся физикой, — сказал Мэсси. Но маловероятно, что червоточины существуют.
Действительно, Торн, давший экспертный совет съемочной группе голливудского фильма «Интерстеллар», писал: «Мы не видим в нашей Вселенной объектов, которые могли бы превратиться в червоточины с возрастом» в своей книге «Наука межзвездного» (The Science of Interstellar). В. В. Нортон и компания, 2014 г.). Торн сказал Space. com, что путешествия через эти теоретические туннели, скорее всего, останутся научной фантастикой, и, конечно же, нет убедительных доказательств того, что черная дыра может позволить такой проход.
Похожие: Самые странные черные дыры во Вселенной
Но проблема в том, что мы не можем подойти поближе, чтобы увидеть это своими глазами. Да ведь мы даже не можем сфотографировать что-либо, что происходит внутри черной дыры — если свет не может вырваться из-под их огромной гравитации, то камера ничего не может заснять. В нынешнем виде теория предполагает, что все, что выходит за горизонт событий, просто добавляется к черной дыре, и, более того, поскольку время искажается вблизи этой границы, кажется, что это происходит невероятно медленно, поэтому ответы не будут быстрыми. предстоящий.
«Я думаю, что стандартная история состоит в том, что они ведут к концу времен», — сказал Дуглас Финкбейнер, профессор астрономии и физики Гарвардского университета. «Наблюдатель издалека не увидит, как его друг-космонавт падает в черную дыру. Они будут становиться все краснее и слабее по мере приближения к горизонту событий [в результате гравитационного красного смещения]. место за пределами «навсегда». Что бы это ни значило».
Художественная концепция червоточины. Если червоточины существуют, они могут вести в другую вселенную. Но нет никаких доказательств того, что червоточины реальны или что черная дыра может действовать как таковая. (Изображение предоставлено Shutterstock)
Может быть, черная дыра ведет к белой
Конечно, если черные дыры ведут в другую часть галактики или в другую вселенную, должно быть что-то напротив них на другой стороне . Могла ли это быть белая дыра — теорию, выдвинутую русским космологом Игорем Новиковым в 1964 году? Новиков предположил, что черная дыра связана с белой дырой, существовавшей в прошлом. В отличие от черной дыры, белая дыра позволит свету и материи уйти, но свет и материя не смогут войти.
Ученые продолжают исследовать возможную связь между черными и белыми дырами. В своем исследовании 2014 года, опубликованном в журнале Physical Review D , физики Карло Ровелли и Хэл М. Хаггард заявили, что «существует классическая метрика, удовлетворяющая уравнениям Эйнштейна вне конечной области пространства-времени, где материя коллапсирует в черная дыра, а затем появляется из временной дыры». Другими словами, весь материал, проглоченный черными дырами, может быть выброшен наружу, и черные дыры могут стать белыми дырами, когда умрут.
Истории по теме
Коллапс черной дыры не только не уничтожит поглощаемую ею информацию, но и остановит ее. Вместо этого он испытает квантовый отскок, позволяющий информации ускользнуть. Если это так, то это пролило бы некоторый свет на предложение бывшего космолога и физика-теоретика Кембриджского университета Стивена Хокинга, который в 1970-х исследовал возможность того, что черные дыры испускают частицы и излучение — тепловое тепло — в результате квантовых флуктуаций. .
— Хокинг сказал, что черная дыра не вечна, — сказал Финкбейнер. Хокинг подсчитал, что излучение заставит черную дыру терять энергию, сжиматься и исчезать, как описано в его статье 1976 года, опубликованной в Physical Review D. Учитывая его заявления о том, что испускаемое излучение будет случайным и не будет содержать никакой информации. о том, что упало, черная дыра после взрыва сотрет массу информации.
Это означало, что идея Хокинга противоречила квантовой теории, согласно которой информацию невозможно уничтожить. Физики утверждают, что информацию становится труднее найти, потому что, если она потеряется, становится невозможно узнать прошлое или будущее. Идея Хокинга привела к «информационному парадоксу черной дыры», который долгое время озадачивал ученых. Некоторые говорят, что Хокинг просто ошибался, а сам человек даже заявил, что допустил ошибку во время научной конференции в Дублине в 2004 г.
Итак, вернемся ли мы к концепции черных дыр, излучающих сохраненную информацию и выбрасывающих ее обратно через белую дыру? Может быть. В своем исследовании 2013 года, опубликованном в Physical Review Letters , Хорхе Пуллин из Университета штата Луизиана и Родольфо Гамбини из Университета Республики в Монтевидео, Уругвай, применили петлевую квантовую гравитацию к черной дыре и обнаружили, что гравитация увеличивается в направлении ядро, но уменьшало и отбрасывало все, что входило в другую область вселенной. Результаты придали дополнительную достоверность идее о том, что черные дыры служат порталами. В этом исследовании сингулярности не существует, и поэтому она не образует непреодолимого барьера, который в конечном итоге сокрушает все, что встречает на своем пути. Это также означает, что информация не исчезает.
Возможно, черные дыры никуда не делись
Тем не менее, физики Ахмед Альмхейри, Дональд Марольф, Джозеф Полчински и Джеймс Салли все еще верили, что Хокинг что-то уловил. Они работали над теорией, которая стала известна как брандмауэр AMPS или гипотеза брандмауэра черной дыры. По их расчетам, квантовая механика могла реально превратить горизонт событий в гигантскую стену огня, и все, что соприкоснется с ней, сгорит в одно мгновение. В этом смысле черные дыры никуда не ведут, потому что ничто не может проникнуть внутрь.
Это, однако, нарушает общую теорию относительности Эйнштейна. Тот, кто пересекает горизонт событий, на самом деле не должен чувствовать каких-либо больших трудностей, потому что объект будет находиться в свободном падении и, исходя из принципа эквивалентности, этот объект — или человек — не будет испытывать экстремальных эффектов гравитации. Это могло бы следовать законам физики, присутствующим в других частях Вселенной, но даже если бы это не противоречило принципу Эйнштейна, это подорвало бы квантовую теорию поля или предположило бы, что информация может быть потеряна.
Представление художника о приливном разрушении, которое происходит, когда звезда проходит слишком близко к сверхмассивной черной дыре. (Изображение предоставлено журналом All About Space)
Черная дыра неопределенности
Шаг вперед Хокинг еще раз. В 2014 году он опубликовал исследование , в котором отказался от существования горизонта событий — то есть там нечему гореть — заявив, что вместо этого гравитационный коллапс создаст «видимый горизонт».
Этот горизонт будет приостанавливать световые лучи, пытающиеся удалиться от ядра черной дыры, и будет существовать в течение «периода времени». В его переосмыслении кажущиеся горизонты временно сохраняют материю и энергию, прежде чем растворяться и высвобождаться позже. Это объяснение лучше всего согласуется с квантовой теорией, которая утверждает, что информацию нельзя уничтожить, и, если это когда-либо будет доказано, оно предполагает, что из черной дыры может вырваться что угодно.
Хокинг дошел до того, что сказал, что черные дыры могут даже не существовать. «Черные дыры следует переопределить как метастабильные связанные состояния гравитационного поля», — писал он. Не было бы сингулярности, и хотя видимое поле двигалось бы внутрь из-за гравитации, оно никогда не достигало бы центра и не объединялось бы в плотной массе.
(Изображение предоставлено: Karl Tate, SPACE.com Contributor)
(открывается в новой вкладке)
И все же все, что излучается, не будет в форме проглоченной информации. Было бы невозможно понять, что вошло, глядя на то, что выходит, что само по себе вызывает проблемы — не в последнюю очередь, скажем, для человека, оказавшегося в таком тревожном положении. Они больше никогда не будут чувствовать себя так, как раньше!
Одно можно сказать наверняка, эта конкретная загадка поглотит еще много научных часов в течение долгого времени. Ровелли и Франческа Видотто недавно предположили, что компонент темной материи может быть образован остатками испарившихся черных дыр, а статья Хокинга о черных дырах и «мягких волосах» была выпущена в 2018 году и описывает, как нулевая энергия частицы остаются вокруг точки невозврата, горизонта событий — идея, которая предполагает, что информация не теряется, а захватывается.
Это противоречит теореме об отсутствии волос, сформулированной физиком Джоном Арчибальдом Уилером и основанной на том, что две черные дыры будут неразличимы для наблюдателя, потому что ни один из специальных псевдозарядов физики элементарных частиц не сохранится. Это идея, которая заставила ученых говорить, но есть некоторый путь, прежде чем она станет ответом на вопрос, куда ведут черные дыры. Если бы мы только могли найти способ прыгнуть в один из них.
Дополнительные ресурсы
Вы можете узнать больше о черных дырах из подробной статьи НАСА и узнать, как было получено первое изображение черной дыры. Если вы ищете контент для детей, у ESA есть несколько отличных ресурсов (открывается в новой вкладке) для обучения малышей всему, что касается черных дыр и Вселенной.
Библиография
- За пределами Эйнштейна: от Большого взрыва до черных дыр (открывается в новой вкладке)
- Червоточины: типы и создание (открывается в новой вкладке)
(Изображение предоставлено журналом All About Space)
(открывается в новой вкладке)
Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: community@space.