Содержание
Астрофизик собрал версии того, что происходит внутри черной дыры
Срочная новость
Опубликован шорт-лист Всероссийской премии «За верность науке-2022»
Опубликован шорт-лист Всероссийской премии «За верность науке-2022»
«Самое страшное в черных дырах — то, что на самом деле мы не знаем, что там внутри».
Пол Саттер, астрофизик, ведущий научно-популярных программ и автор книги «Как умереть в космосе», рассказал о разных версиях происходящего внутри черной дыры.
Сингулярность в центре черной дыры — это абсолютная нейтральная зона: место, где материя сжимается до бесконечно крошечной точки, а все представления о времени и пространстве полностью рушатся. Что-то должно заменить сингулярность, и ученые предлагают различные версии этого, рассказал Пол Саттер в статье на Live Science.
Планковская звезда
Когда материя сжимается под огромным гравитационным весом коллапсирующей звезды, она встречает сопротивление.
Дискретность пространства-времени не позволяет материи достичь размера менее длины Планка (около 1,68 x 10-35 м). Весь материал, который когда-либо попадал в черную дыру, сжимается в шар не намного больше этого. Совершенно микроскопический, но определенно не бесконечно маленький.
Это сопротивление продолжающемуся сжатию в конечном итоге заставляет материал взорваться, делая черные дыры лишь временными объектами. Но из-за экстремальных эффектов замедления времени вокруг черных дыр, с нашей точки зрения, во внешней Вселенной требуются миллиарды, даже триллионы лет, прежде чем они взорвутся.
Гравастар
Еще одна попытка искоренить сингулярность, не опирающаяся на теорию квантовой гравитации, известна как гравастар. Разница между черной дырой и гравастаром в том, что вместо сингулярности гравастар заполнен темной энергией. Темная энергия пронизывает пространство-время, заставляя его расширяться с ускорением.
Когда материя падает на гравастар, она не может фактически проникнуть за горизонт событий (из-за темной энергии внутри) и поэтому просто висит на поверхности.
Но за пределами этой поверхности гравастары выглядят и действуют как обычные черные дыры.
Вращение
Идея единой точки бесконечной плотности исходит из нашей концепции неподвижных черных дыр. Настоящие черные дыры — гораздо более интересные персонажи, особенно когда они вращаются.
Вращение вращающейся черной дыры вытягивает сингулярность в кольцо. И согласно общей теории относительности Эйнштейна, как только вы проходите через сингулярность кольца, вы входите в червоточину и вылетаете через белую дыру (полярная противоположность черной дыры, куда ничего не может войти и материя устремляется со скоростью света) в совершенно новый и захватывающий участок Вселенной.
Ранее астрофизики ответили на шесть занимательных вопросов о черных дырах.
На сайте могут быть использованы материалы интернет-ресурсов Facebook и Instagram, владельцем которых является компания Meta Platforms Inc., запрещённая на территории Российской Федерации
Расскажите друзьям
Shutterstock
Ученые рассказали, как сварить идеальный кофе
Семья клеща Валеры и жизнь мини-роботов: названы лучшие работы конкурса «Снимай науку!»
NASA, ESA, CSA, STScI; Joseph DePasquale (STScI), Anton M.
Koekemoer (STScI), Alyssa Pagan (STScI)«Джеймс Уэбб» сфотографировал Столпы Творения
Shutterstock
Геном белого медведя возрастом 100 000 лет показал древнее скрещивание с бурыми медведями
franz12 / Shutterstock.com
У мертвого Стива Джобса взяли интервью
Koekemoer (STScI), Alyssa Pagan (STScI)Хотите быть в курсе последних событий в науке?
Оставьте ваш email и подпишитесь на нашу рассылку
Ваш e-mail
Нажимая на кнопку «Подписаться», вы соглашаетесь на обработку персональных данных
И все-таки они существуют
Нобелевский комитет в этом году дал премию по физике за работы, посвященные черным дырам. Половина премии ушла современному классику общей теории относительности Роджеру Пенроузу (Roger Penrose) с формулировкой «за открытие, что образование черных дыр является строгим следствием общей теории относительности».
Вторую половину премии поделили между собой астрофизики Райнхард Генцель (Reinhard Genzel) и Андреа Гэз (Andrea Ghez) — «за открытие сверхмассивного компактного объекта в центре Галактики».
Фактически, Нобелевский комитет поделил премию между теоретическим описанием черных дыр (строгое математическое доказательство существования сингулярности в центре дыр и исследование процесса их образования) и экспериментальным подтверждением существования такого объекта в центре Млечного Пути.
Черные дыры
Изначально черная дыра — чисто теоретическая концепция, существовавшая исключительно в рамках общей теории относительности. Это область пространства-времени, которую ни материя ни свет не могут покинуть из-за слишком сильного гравитационного притяжения. То, что подобные объекты возможны, стало ясно сразу же после того, как в 1915 году были сформулированы уравнения Эйнштейна.
Уже в январе 1916 года Карл Шварцшильд предложил точное решение уравнений, которое описывает кривизну пространства-времени вокруг невращающегося сферически-симметричного массивного объекта.
Это решение допускает возможность существования черных дыр и фактически вводит понятие горизонта событий — поверхности, расположенной на определенном расстоянии (которое называют радиусом Шварцшильда) от центра объекта и разделяющей две области пространства-времени. Снаружи от горизонта любые две точки пространства-времени можно соединить светоподобными линиями (то есть два события можно связать друг с другом лучом света), а вот с точкой под горизонтом событий никакую точку за его пределами так связать нельзя. Это фактически и означает, что свет или вещество, попавшие внутрь черной дыры (то есть преодолев горизонт событий), уже не могут ее покинуть.
По этой же причине любая информация о том, что происходит со светом или веществом внутри черной дыры, недоступна для наблюдателя: информационные сигналы из черной дыры просто не могут вырваться наружу. Единственный способ «общения» черной дыры с абстрактным наблюдателем — с помощью гравитационного поля и искривления пространства-времени.
Сингулярности внутри
В 1939 году Роберт Оппенгеймер и Хартланд Снайдер предположили, что в геометрии Шварцшильда в результате гравитационного коллапса сферического пылевого облака должны возникать сингулярности — точки, где кривизна пространства и плотность становятся бесконечными. Гравитационные и квантовые эффекты при приближении к центру объекта искривляют пространство-время и разрушают изначальную геометрию. Пенроуз расширил рассмотрение подобных объектов на общий случай и в 1965 году опубликовал работу, за которую сейчас фактически и получил Нобелевскую премию.
Ученый сформулировал теорему о сингулярностях. Он рассмотрел эволюцию объектов с горизонтом событий (то есть фактически черных дыр) и показал, что внутри таких объектов возникновение сингулярностей неизбежно. При этом плотность материи в момент формирования горизонта событий еще может быть и не слишком большой — не больше плотности Земли или Солнца. Фактически эта работа — строгое математическое доказательство с помощью метода конформного преобразования, что ничто в черной дыре не может предотвратить гравитационный коллапс и появление сингулярности.
«Сформулировать теорему Пенроуза можно так, — объясняет академик РАН Валерий Рубаков. — Если у вас получилась поверхность типа горизонта событий (то есть область, из которой световые лучи не могут выйти наружу), то в будущем обязательно сформируется сингулярность — область с бесконечной плотностью энергии и бесконечной кривизной пространства. А значит, в любой черной дыре обязательно образуется сингулярность. Пенроуз доказал, что это не просто свойство конкретного решения, а общая ситуация».
К решению Нобелевского комитета Рубаков относится неоднозначно: «Решение дать премию Пенроузу мне кажется странноватым, потому что сингулярность никто не видел, и никто ее не увидит. Поэтому прав он или нет — это неизвестно, экспериментально это не доказано, и не будет доказано. А обычно премию давали за нечто, что доказано в эксперименте».
Несколькими годами позже Пенроуз вместе со Стивеном Хокингом показали, что аналогичные результаты верны не только для сингулярности внутри черной дыры, но и для космологической сингулярности — аналогичного состояния пространства-времени на определенном этапе развития Вселенной.
В более поздних исследованиях Пенроуз поставил вопрос невозможности наблюдения сингулярности внутри черной дыры. В 1969 году он сформулировал принцип космической цензуры, который постулирует, что сингулярность может проявляться только в тех областях пространства-времени, которые недоступны для наблюдателя (в том числе под горизонтом событий черной дыры). После Пенроуза физики-теоретики опровергали эту гипотезу и оправдывали ее вновь, но так или иначе, она все равно не решает проблемы существования точек сингулярности с бесконечной кривизной и бесконечной плотностью, что и вызывает определенный скепсис некоторых ученых.
Например, профессор Сколтеха Анатолий Дымарский также не очень понимает решение Нобелевского комитета:
«Это очень странное, необычное решение. Результат Пенроуза важен, но важен наравне с сотнями — не с десятками, а с сотнями! — других настолько же важных работ. Нобелевскую премию ему дали за математический результат, за доказательство существования решения общей теории относительности, которое приводит к [гравитационному] коллапсу и формированию черной дыры.
Вообще говоря, удивительно: эта работа очень теоретическая, можно даже сказать математическая, где теория относительности выступает как некий раздел римановой геометрии. Я не могу припомнить ни одного другого случая, когда за чисто теоретический результат, тем более математический, давали бы Нобелевскую премию по физике».
«Если бы работа Пенроуза предсказывала существование массивных черных дыр в центре Галактики, это был бы другой вопрос, — продолжает Дымарский. — Но работа Пенроуза не предсказывала, она говорила о принципиальной возможности существования таких объектов. Есть разница между принципиальной возможностью и предсказанием существования таких объектов, скажем, в центре нашей Галактики».
Эргосфера
Помимо вопросов, связанных с сингулярностями, Роджер Пенроуз занимался и другими особенностями структуры пространства-времени вблизи вращающейся черной дыры. Например, он исследовал эргосферу — область вокруг черной дыры, находясь в которой объекты вращаются вместе с дырой и не могут противостоять этому вращению.
Пенроуз показал, что эргосферу можно использовать в качестве источника энергии. Так, если в эргосферу попадает объект с определенной энергией, то он может расколоться пополам: одна половина останется в эргосфере вращаться вокруг черной дыры, а вторая — может покинуть область вращения с энергией большей, чем у начального объекта, то есть фактически украв часть энергии у черной дыры.
Математические модели, которые предложил Пенроуз для описания черной дыры, затем активно использовались другими учеными: например, для исследования термодинамики черных дыр или их излучения. А на сформулированные Пенроузом принципы и закономерности физики ориентируются при разработке теории квантовой гравитации, которая должна согласовать общую теорию относительности с квантовой механикой.
Млечный Путь
Вторую половину Нобелевской премии по физике в 2020 году получили астрофизики за значительно менее абстрактное исследование. Поскольку черная дыра не выпускает из себя ни свет, ни материю, то все возможные способы черной дыры как-то проявиться — косвенные, по ее гравитационному влиянию на другие объекты.
За обнаружение и наблюдение одного из таких доказательств премию и получили Райнхард Генцель и Андреа Гэз.
Райнхард Генцель во второй половине 1990-х годов возглавлял группу в Институте внеземной физики Общества Макса Планка, и проводил наблюдения на телескопах Европейской южной обсерватории в Чили (в частности на телескопе VLT — Very Large Telescope). В то же самое время Андреа Гэз руководила лабораторией Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. Ее группа проводила наблюдения на телескопах Обсерватории Кека на Гавайях. Обе группы проводили наблюдения в районе радиоисточника Стрелец A* (Sgr A*) в центре Млечного Пути.
Астрономы наблюдали за траекториями нескольких звезд как можно ближе к радиоисточнику, чтобы показать, что эти траектории сформировались в результате гравитационного воздействия сверхмассивного объекта в центре Млечного Пути (фактически, черной дыры). Основная сложность этих наблюдений — необходимость выделения нужного сигнала с достаточным пространственным разрешением в присутствии большого количества источников шума: атмосферы Земли, межзвездной пыли, сигналов от соседних источников.
Фактически ученым приходилось измерять очень короткие сигналы длительностью менее одной секунды. Для этого измерения проводились в ближнем инфракрасном диапазоне (с длиной волны около 2,2 мкм) с очень короткой выдержкой (около одной десятой секунды). Чтобы подавить искажения сигнала в земной атмосфере, ученые использовали адаптивную оптику и спекл-интерферометрию — статистический анализ случайных интерференционных картин. В первую очередь, достижение обеих групп состоит в отработке техники измерений траекторий звезд вблизи черных дыр.
Ученым удалось измерить параметры нескольких эллиптических орбит, которые вращаются вокруг радиосточника Sgr A* и фактически подтверждают существование сверхмассивной черной дыры с массой около 4 миллионов масс Солнца центре галактики. При этом результаты двух групп, полученные независимо на двух различных телескопах, сошлись с очень хорошей точностью.
Пока полученные данные не дают возможность исследовать объекты, находящиеся ближе нескольких сот радиусов Шварцшильда от сверхмассивного компактного объекта, хотя отдельные короткие вспышки в непосредственной близи к объекту ученым удавалось поймать в инфракрасной части спектра.
На решение присудить Нобелевскую премию Генцелю и Гэз ученые тоже отреагировали неоднозначно. Например, ведущий научный сотрудник Государственного астрономического института имени П. К. Штернберга Сергей Попов говорит:
«Возникает впечатление, что в оргкомитете Нобелевской премии по каким-то причинам сформировалось решение, что пора дать за черные дыры и начался мучительный поиск тех, кто подходит под эти критерии: какая у нас самая достоверная черная дыра? В центре Галактики. И кто больше всех сделал измерений? Группы Генцеля и Гэз. Это скорее количественный результат».
При этом значение этого результата, по словам Сергея Попова, носит скорее «инструментальный» характер:
«Самая большая черная дыра в Галактике — это для нас прототип сверхмассивной черной дыры вообще и полигон для проверки теории гравитации. Что это дает фундаментальной физике? Астрофизики постоянно ищут и измеряют эффекты — в основном, эффекты общей теории относительности в чем-нибудь, движущемся вокруг Sgr A*.
Работы Генцеля и Гез позволили откалибровать этот инструмент, мы получили такую огромную естественную лабораторию».
Несмотря на несколько скептическое отношение научного сообщества к решению Нобелевского комитета, понять это решение, конечно, можно. Те аргументы, которые высказываются против него, в каком-то смысле работают и в обратную сторону. Во-первых, до этого года Нобелевские премия за исследования черных дыр не присуждались, а по своей важности для современной физики они вполне могут поспорить, например, с гравитационными волнами.
Конечно, основные достижения Пенроуза носят скорее абстрактный математический характер, но не зря агентство Thomson Reuters еще в 2008 году назвало его одним из кандидатов на получение премии. Без его работ и идей общую теорию относительности сейчас представить невозможно. Ценность этих идей для разработки теории квантовой гравитации оценить сложнее, но важные предпосылки для нее, конечно, были созданы в том числе и работами Пенроуза.
Логично и разделение премии между ученым-теоретиком и астрономами-экспериментаторами.
Да, работы Генцеля и Гэз — лишь одни из многих. Но именно их вклад, если выбирать среди остальных астрономов, можно назвать наиболее существенным. Их работа — решение нетривиальной технической задачи, которое привело к экспериментальному подверждению существования сверхмассивного объекта в центре нашей галактики.
В прошлом году Нобелевскую премию
присудили
по похожей схеме: половина досталась физику-теоретику Джеймсу Пиблсу, который исследовал свойства реликтового излучения (при этом не открыл и не предсказал его), а вторая половина досталась экспериментаторам Мишелю Майору и Дидье Кело, открывшим первую экзопланету на орбите солнцеподобной звезды. Конечно, важное отличие состоит в том, что теорему Пенроуза, в отличие от спектра реликтового излучения, в принципе невозможно проверить экспериментально.
Александр Дубов
За пределами сингулярности черной дыры
Художественное изображение черной дыры. Нижняя половина изображения изображает черную дыру, которая, согласно общей теории относительности, захватывает все, включая свет.
Эффекты, основанные на петлевой квантовой гравитации, теории, которая расширяет общую теорию относительности Эйнштейна с использованием квантовой механики, преодолевают это огромное притяжение и освобождают все (верхняя половина изображения), тем самым обеспечивая конкретный путь для восстановления информации, которая ранее считалась потерянной в черной дыре. необычность. Авторы и права: А. Коричи и Дж. П. Руис
Наши первые проблески физики, существующие вблизи центра черной дыры, стали возможными благодаря «петлевой квантовой гравитации» — теории, которая использует квантовую механику для расширения гравитационной физики за пределы общей теории относительности Эйнштейна. Петлевая квантовая гравитация, возникшая в Университете штата Пенсильвания и впоследствии развитая большим числом ученых по всему миру, открывает новую парадигму в современной физике. Теория стала ведущим кандидатом для анализа экстремальных космологических и астрофизических явлений в частях Вселенной, таких как черные дыры, где уравнения общей теории относительности перестают быть полезными.
Предыдущая работа в области петлевой квантовой гравитации, которая оказала большое влияние на эту область, анализировала квантовую природу Большого взрыва, а теперь две новые статьи Абхая Аштекара и Хавьера Ольмедо в штате Пенсильвания и Парамприта Сингха в штате Луизиана Университет распространил эти результаты на внутренности черных дыр. Статьи появляются как «Предложения редакции» в журналах Physical Review Letters и Physical Review 10 декабря 2018 г., а также были отмечены в статье Viewpoint в журнале 9.0005 Физика .
«Лучшая теория гравитации, которая у нас есть сегодня, — это общая теория относительности, но у нее есть ограничения», — сказал Аштекар, профессор физики Эвана Пью, заведующий кафедрой физики семьи Эберли и директор Пенсильванского государственного института гравитации и гравитации. Космос. «Например, общая теория относительности предсказывает, что во Вселенной есть места, где гравитация становится бесконечной, а пространство-время просто заканчивается.
Мы называем эти места «сингулярностями». Но даже Эйнштейн согласился с тем, что это ограничение общей теории относительности следует из того факта, что она игнорирует квантовую механику».
В центре черной дыры гравитация настолько сильна, что, согласно общей теории относительности, пространство-время становится настолько искривленным, что в конечном итоге кривизна становится бесконечной. Это приводит к тому, что пространство-время имеет неровный край, за которым физика больше не существует — сингулярность. Другой пример сингулярности — Большой взрыв. Спрашивать, что было до Большого Взрыва, бессмысленно в общей теории относительности, потому что пространство-время кончается, а до него нет. Но модификации уравнений Эйнштейна, которые включали квантовую механику через петлевую квантовую гравитацию, позволили исследователям расширить физику за пределы Большого взрыва и сделать новые предсказания. В двух недавних работах было сделано то же самое для сингулярности черной дыры.
«Основой петлевой квантовой гравитации является открытие Эйнштейна о том, что геометрия пространства-времени — это не просто сцена, на которой разыгрываются космологические события, но сама по себе физическая сущность, которую можно сгибать», — сказал Аштекар.
«Как физическая сущность геометрия пространства-времени состоит из некоторых фундаментальных единиц, так же как материя состоит из атомов. Эти единицы геометрии, называемые «квантовыми возбуждениями», на несколько порядков меньше, чем мы можем обнаружить с помощью современных технологий, но у нас есть точные квантовые уравнения, которые предсказывают их поведение, и одно из лучших мест для поиска их эффектов — в центре. черной дыры».
Согласно общей теории относительности, в центре черной дыры гравитация становится бесконечной, поэтому все, что попадает внутрь, включая информацию, необходимую для физических расчетов, теряется. Это приводит к знаменитому «информационному парадоксу», с которым физики-теоретики борются уже более 40 лет. Однако квантовые поправки петлевой квантовой гравитации учитывают силу отталкивания, которая может подавить даже самое сильное притяжение классической гравитации, и поэтому физика может продолжать существовать. Это открывает путь, чтобы показать в деталях, что в центре черной дыры нет потери информации, над чем сейчас работают исследователи.
Интересно, что даже несмотря на то, что петлевая квантовая гравитация продолжает работать там, где общая теория относительности не работает — сингулярности черных дыр, Большой взрыв — ее предсказания вполне точно совпадают с предсказаниями общей теории относительности при менее экстремальных обстоятельствах вдали от сингулярности. «Достичь и того, и другого очень нетривиально», — сказал Сингх, доцент физики в штате Луизиана. «Действительно, за последнее десятилетие ряд исследователей исследовали квантовую природу сингулярности черной дыры, но либо сингулярность преобладала, либо механизмы, которые ее разрешили, вызвали неестественные эффекты. Наша новая работа свободна от всех подобных ограничений».
Исследование было поддержано Национальным научным фондом США, Фондом Урании Стотт Питтсбургского фонда, Научным колледжем Эберли штата Пенсильвания и Министерством экономики и конкурентоспособности (MINECO) Испании.
КОНТАКТЫ
Абхай Аштекар: ashtekar@gravity.
psu.edu
Сэм Шолтис: [email protected], 814-865-1390
Ядра черных дыр не могут быть бесконечно плотными
(ISNS) Черные дыры могут содержать не точки бесконечной плотности, как считается в настоящее время, а порталы в другие места Вселенной, говорят физики-теоретики.
Черная дыра обладает настолько сильным гравитационным полем, что даже свет не может покинуть ее. Черная дыра обычно образуется после того, как звезда умирает в результате колоссального взрыва, известного как сверхновая, который раздавливает оставшееся ядро на плотные куски.
Сводящая с ума загадка, называемая сингулярностью — область бесконечной плотности — лежит в основе каждой черной дыры, согласно общей теории относительности, современной теории гравитации. Бесконечная природа сингулярностей означает, что пространство и время, какими мы их знаем, перестают там существовать.
Ученые долго искали способы избежать полного нарушения всех известных законов физики, вызванного сингулярностями.
Теперь исследователи предполагают, что центры черных дыр могут вообще не иметь сингулярностей.
Эти новые открытия основаны на петлевой квантовой гравитации, одной из ведущих теорий, пытающихся объединить квантовую механику и общую теорию относительности в единую теорию, которая может объяснить все силы Вселенной. В петлевой квантовой гравитации четыре измерения пространства-времени состоят из сетей пересекающихся петель — пульсаций гравитационного поля.
Исследователи применили теорию петлевой квантовой гравитации к простейшей модели черной дыры — сферическому, незаряженному, невращающемуся телу, известному как черная дыра Шварцшильда.
«В течение нескольких лет мы изучали различные аспекты сферических моделей, — сказал исследователь Хорхе Пуллин, физик-теоретик из Университета штата Луизиана в Батон-Руж. «Нам они нравятся, потому что они находятся на границе того, что возможно сегодня в петлевой квантовой гравитации — немного сложнее, чем космологии, которые изучались в последнее десятилетие, но не настолько сложны, чтобы стать неразрешимыми.
Момент «ага» Именно тогда мы поняли, что можем осуществить важное упрощение уравнений модели».
Вместо сингулярности они обнаружили, что центр этой черной дыры содержит только область сильно искривленного пространства-времени.
«Это чистая трактовка того, что происходит внутри черной дыры, с использованием квантовой теории гравитации», — сказал физик-теоретик Карло Ровелли из Экс-Марсельского университета в Марселе, Франция, который не принимал участия в этом исследовании. «Давно ожидалось, что сингулярности в центрах черных дыр излечиваются квантовой гравитацией, и это вывод, который подтверждает эта работа».
Физики-теоретики ранее показали, что с помощью петлевой квантовой гравитации они могут устранить сингулярность, существовавшую при Большом взрыве. Вместо того, чтобы появиться из точки бесконечной плотности, в их работе предполагалось, что космос родился в результате «Большого скачка», расширяющегося наружу после коллапса предыдущей Вселенной.
«Возможно, в будущем можно будет показать, что теория устраняет все сингулярности», — сказал Пуллин.
Точно так же, как петлевая квантовая гравитация заменила сингулярность при Большом взрыве мостом в другую вселенную, эти новые открытия заменяют каждую сингулярность в черных дырах «мостом в другую область в будущем нашей Вселенной», — сказал Пуллин. Хотя предыдущие исследования также предполагали, что в черных дырах есть такие мосты, исследователи полагали, что сингулярности в черных дырах не позволяют пересечь эти мосты.
«Я думаю, что это показывает, что петлевая квантовая гравитация очень жизненная и бурно развивающаяся, и продолжает давать захватывающие новые результаты и новые идеи», — сказал Ровелли.
Пуллин подчеркнул, что в этом исследовании они использовали очень простую модель, состоящую только из сильно искривленного пространства-времени без представления реальной материи, находящейся внутри настоящих черных дыр. Модели для исследования также были точно сферически симметричными, в отличие от многих черных дыр, которые вращаются и, таким образом, различаются по своим поверхностям.