Откуда берутся черные дыры в космосе: откуда они взялись и почему ученые так ими интересуются

Черные дыры не только пожирают звезды, они могут зажигать их заново

  • Николай Воронин
  • Корреспондент по вопросам науки и технологий, Би-би-си

Подпишитесь на нашу рассылку ”Контекст”: она поможет вам разобраться в событиях.

Автор фото, Getty Images

О том, что черные дыры могут разрывать звезды на части и пожирать их останки, ученым известно давно. Однако лишь сейчас выяснилось, что черные дыры обладают и другой способностью — заново «оживить» умирающую звезду.

Во всяком случае, именно такой вывод следует из математической модели команды астрофизиков Чарлстонского колледжа.

Новое исследование, запланированное к публикации в следующем номере журнала Astrophysical Journal, может разрешить одну из главных загадок, окружающих черные дыры.

«Лебединая песня»

Обычно, если звезда подходит слишком близко к черной дыре, можно считать, что ее дни сочтены.

  • Что с вами произойдет внутри черной дыры?

Гравитация приливных сил — наподобие тех, что вызывают на Земле приливы и отливы, только в миллионы раз сильнее, — сплющивает звезду и разрывает ее на куски, а затем черная дыра окончательно пожирает то, что от нее осталось.

Но если звезда относится к типу белых карликов (в такой рано или поздно, как полагают, превратится и наше Солнце), то её смерть может оказаться весьма эффектной. Примерно как на этой картинке.

Автор фото, College of Charleston

Перед поглощением термоядерные реакции внутри белого карлика окончательно затухают. Но, как показывают новые расчеты, когда приливные силы начинают одновременно сжимать и растягивать звезду в разных направлениях, колоссальное давление может заново — пусть и ненадолго — запустить в звездном ядре термоядерный процесс.

Умирающая звезда вспыхивает в последний раз — перед тем как погибнуть навсегда.

  • Астрономы увидели, как черная дыра поглощает звезду
  • Таинственные радиоимпульсы из глубин космоса – что это?
  • Черная дыра съедает самую яркую из известных галактик

Тут, впрочем, и кроется главная загадка: для оживления звезды требуется черная дыра средней массы. А таких во Вселенной учёные пока не нашли ни одной.

Неуловимая загадка

Во Вселенной известны два типа черных дыр. Первые образуются в результате гравитационного коллапса умирающей звезды — их называют черными дырами звездных масс и они всего лишь примерно в 100 раз тяжелее Солнца.

Именно от столкновения двух подобных объектов по Вселенной разошлись гравитационные волны, впервые зафиксированные учеными в 2015 году. Уже в 2017-м за это открытие была присуждена Нобелевская премия по физике.

Кроме того, есть супермассивные черные дыры — они тяжелее нашего Солнца в сотни тысяч, миллионы и даже миллиарды раз. Например, в центре нашей галактики Млечный путь находится черная дыра под названием Стрелец A*, масса которой превышает солнечную примерно в 4 млн раз.

Автор фото, NASA

Подпись к фото,

Так выглядит черная дыра в центре галактики в представлении художника

Теоретически должен существовать и третий тип — где-то посередине между этими двумя — но таких черных дыр астрономы пока не обнаружили. Первый перспективный кандидат появился лишь в этом году — но его статус ещё нужно будет подтвердить.

Новое открытие может помочь ученым отыскать другие черные дыры средней массы, отслеживая «предсмертные вспышки» звёзд.

«Очень важно знать, сколько их существует — таких черных дыр средней массы, — поскольку это поможет ответить на вопрос, откуда берутся сверхмассивные дыры», — объясняет руководитель исследования, профессор астрофизики Чарлстонского колледжа Крис Фраджайл.

«Если нам удастся отыскать такие объекты с помощью этого механизма, это будет невероятным достижением», — уверен он.

Что едят чёрные дыры и почему они «отъедаются» » Искусственный интеллект, искусственный разум, системы искусственного интеллекта

 Интерес к «черным дырам» вновь вспыхнул после того как 10 апреля 2019 года ученые обнародовали первый в истории снимок такого объекта. Так что это за космический феномен? Как они образуются и чего от них ждать?

Эйнштейн остался «неверующим»

Черными дырами принято называть объекты космоса, имеющие мощнейшую гравитацию.  Настолько сильную, что дыра притягивает находящиеся в ее поле объекты, даже если они движутся со скоростью света. Поскольку и сами световые кванты становятся ее «жертвами», то дыра остается невидимой. Вычислить ее можно лишь по таким признакам как уровень радиации и электромагнитных волн, а также по искажению пространства вокруг таких объектов.  

Своим обозначением этот феномен обязан Арчибальду Уилеру. Именно этот американский физик-теоретик ввел в обиход термин «черная дыра» в 1967 году.

Гипотезы о вероятности их существования были известны еще в XVIII веке. Позже они окрепли на фоне общей теории относительности. Парадоксально, но сам автор этой теории, Альберт Эйнштейн, до конца дней не верил в возможность подобного космического явления.

Попала в объектив

Даже в наши дни скептиков оставалось немало. Даже в научном мире то, что не получается «пощупать» физическими приборами, а лучше — увидеть глазом, нередко подвергается сомнению.

Тем значительнее прорыв, совершенный в апреле 2019-го астрофизиками, осуществлявшими проект Event Horizon Telescope. Восемь радиотелескопов, раскиданных по всей планете, тщательно сканировали Вселенную. Им удалось, казалось бы, невозможное: поймать в объективы, зафиксировать в снимках черную дыру.

Фото опубликовано Национальным научным фондом Соединенных Штатов.  На нем — черная дыра как центральный массив галактики Messier 87. Она отстоит от нашей планеты на расстояние в 54 миллиона световых лет. На снимке видна и сама «дыра», и аккреционный диск вокруг нее. Диск состоит из светящейся материи, которая неотвратимо затягивается в «эпицентр событий».

Откуда они берутся?

Вопрос о происхождении этих загадочных объектов еще более «темен», чем они сами. Гипотезы есть. Но и только. Их несколько, но больше других в ходу две-три самых популярных. Они же — наиболее достоверные.

В зависимости от теории возникновения они подразделяются на два основных вида. В финале своего существования, гласит одна версия, массивные звезды превращаются в черные дыры. Процесс эволюции существенно меняет их химический состав и форматы протекания реакций. Эти «качели» разрушают былые балансы гравитации и давления газов, разогретых до фантастических температур. В итоге звезда «схлопывается», сжимается.

Становится маленькой по объему, зато очень плотной. «Среднестатистические» черные дыры всего лишь 30-километровые в диаметре. Зато плотность вещества у них колоссальная: свыше 200 млн тонн на кубический сантиметр. Чтобы представить наглядно: для превращения Земли в такой объект, ее надо «сплющить» до состояния, когда диаметр станет равен 18 миллиметрам.

Другая разновидность черных дыр — это ядра большинства галактик. Они огромны по массе: в миллиард раз тяжелее звездных «сестер». Как они образовались, — вопрос без ответа. Возможно, изначально они принадлежали к первой категории, а потом просто разрастались, поглощая все больше разной материи, в том числе, принимая «на десерт» другие звезды.  

Хотя существует и гипотеза о первичных черных дырах, возникших на заре создания Вселенной, в сам момент Большого взрыва или чуть позже.

Что будет с нашей галактикой?

Если у этих «прожорливых» объектов столь завидный «аппетит», не поглотит ли когда-нибудь и нашу галактику собственная «домашняя» черная дыра? Такая у Млечного Пути есть: называется Стрелец А*.

Масса нашей «дырки от Млечного бублика» больше солнечной в четыре миллиона раз. Диаметр кратен 18 солнечным. Не «закусит» ли этот Стрелец* когда-нибудь своими соседями?

Ученые считают, что нет. Во всяком случае, в ближайшее по космическим меркам время. И если не случится каких-нибудь вселенских катаклизмов. Притяжение нашей черной дыры не угрожает большинству объектов галактики. Они просто «хитро» устроились подальше от «агрессивной соседки». Строго говоря, наш Стрелец* и не так «голоден», как многие его собратья. Особенности его «притягательных» сил таковы, что он остается, скорее, гравитационным якорем, удерживая объекты в своем «поле зрения». Но не втягивает их в свое чрево. В общем, крупно повезло нам с ним…

И все-таки, гипотетически, что, если…

Но другие черные дыры вовсе не так «толерантны», как наша. Или «наша» просто еще не успела «проголодаться»? Она остается еще более загадочной, чем другие, поведение которых более предсказуемо.

Чтобы вырваться из поля притяжения такого объекта, надо разогнаться до скорости, выше световой. Мы пока не умеем. Значит, если некий земной объект или тело иного происхождения попадет в такое поле «традиционной» черной дыры, ему уже не вырваться. Он будет втягиваться в ее орбиту, вытягиваясь по пути. Астрофизики не без юмора назвали этот процесс спагеттификацией. То есть, превращением «в макаронину».

Не забываем, что свет в этой части космоса тоже «съедается», поэтому толком разглядеть процесс поглощения другого тела не получится. Максимум, что увидит наблюдатель, вооруженный современными средствами оптики, это трансформацию «обеда для дыры». Объект замедлится, остановится, его силуэт будет все более тускнеть и терять форму. Потом он покраснеет, тоже довольно размыто. И незаметно, как дуновение ветерка, исчезнет.

А если это портал?

Напоследок нельзя пройти мимо «теории космического заговора». У нее есть-таки некоторые вполне научные обоснования. Многие ученые едины во мнении, что внутри черной дыры законы физики не работают. Имея в виду наши земные и те, что действуют в ближайшем космическом окружении.

Там все иначе. Возможно, гласит одна из красивых гипотез, это «иное» состояние может делать черные дыры «кротовыми норами», порталами в другие вселенные. А то и в иные пространственно-временные измерения.

Если у вас есть статья, заметка или обзор, которыми вы хотите поделиться с аудиторией нашего сайта, присылайте информацию на: [email protected].

Комментариев нет. Стань первым!

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.