7 фактов о самых тяжелых объектах во Вселенной

FAQ: Черные дыры

Черные дыры всегда оставались одной из самых больших загадок современной космологии. Насколько продвинулись в практическом и теоретическом изучении этой научной гипотизы исследователи рассказывает физик Эмиль Ахмедов.

В физике черных дыр есть две составляющие: экспериментальная и теоретическая. Коснемся в первую очередь теоретической составляющей. Как исторически возник вопрос о черных дырах? Если бросить камень с высоты параллельно поверхности Земли, то он полетит по параболе. При увеличении начальной скорости камня парабола будет удлиняться. Наконец, при некоторой, достаточно большой, начальной скорости камень просто начнет летать вокруг Земли. Другими словами, он будет свободно падать, но при этом собственно падения происходить не будет. Точнее, если камень находится в атмосфере, то он будет тереться о воздух и, теряя скорость, вскоре упадет. Но если бросить его достаточно высоко за пределами атмосферы, то там трение о воздух отсутствует, и вращение будет вечным.
Скорость, с которой нужно бросить камень, чтобы он летал вокруг Земли, называется «первая космическая». Именно с такой скоростью летают спутники вокруг Земли. Вторая космическая скорость – это такая скорость, с которой камень улетит с Земли на бесконечность.
Мизнер Ч., Торн К. и Уиллер Дж. «Гравитация» // Мир, – 1977
Хриплович И.Б. Общая теория относительности» // НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», – 140 С.

Первая и вторая космическая скорости зависят от размеров того тела, с которого нужно улететь, и от его массы. Лаплас задался таким вопросом: каковы должны быть размеры тела при данной массе, чтобы вторая космическая скорость была равна скорости света. Существует формула, связывающая радиус этого тела и массу, при которой вторая космическая скорость превышает скорость света. Оказывается, например, что, если сохранить неизменной массу Земли, и сжать ее до нескольких миллиметров, то вот как раз вторая космическая скорость достигнет скорости света. То есть если какая-то сила сожмет Землю до этих размеров, то она станет таким объектом, с поверхности которого даже свет вылететь не может. Именно так впервые возник вопрос о черных дырах еще во времена, когда люди не знали ничего про общую теорию относительности

После открытия общей теории относительности в начале XX века, Шварцшильдом было найдено решение уравнений общей теории относительности. Он нашел такое решение, которое описывало, как ведет себя гравитационное поле снаружи массивного тела, имеющего идеальную форму шара. Существенной составляющей этого решения было то, что, если размер этого тела меньше чем как раз тот размер, который был найден Лапласом, то с него свет улететь не может. Это решение стали называть «Шварцшильдовской черной дырой». Исходно про такие объекты многое не было понятно, но потихонечку люди стали разбираться с их свойствами. В конце 60-х годов, в первую очередь Пенроузом и Хокингом, были разработаны разные математические методы, при помощи которых исследовались свойства геометрии пространства-времени, то есть гравитационное поле, в присутствии черных дыр. Л.Д.Ландау и Е.М.Лифшиц, Теория поля// Теоретическая физика, ФИЗМАТЛИТ,1988. – 531 C.

С использованием методов Пенроуза и Хокинга в начале 70-х годов XX века было сделано наблюдение, что черной дыре можно приписать энтропию. Но не было понятно, почему у черной дыры при наличии энтропии отсутствует температура. Однако, в середине 70-х годов XX века Хокинг теоретически показал, что если рассмотреть квантовые поля на фоне геометрии Шварцшильда, то, оказывается, что черная дыра излучает, так будто она имеет температуру. Вроде бы это два противоречивых утверждения. С одной стороны, имеет место быть тезис о том, что из черной дыры ничего вылететь не может. С другой стороны, что при этом она излучает. Однако никакого противоречия в подобном утверждении нет. Ничего не может вылететь из-под горизонта черной дыры. Однако, оказалось, что процесс формирования черной дыры, так называемый «коллапс», происходит так, что резко меняются свойства, так называемых «нулевых колебаний» квантовых полей на фоне черной дыры. А именно, происходит перестройка вакуума. В результате она начинает рождать излучение, которое на самом деле формируется с наружи горизонта черной дыры. При этом дыра теряет массу (энергию покоя) и уменьшается

В реальность существования черных дыр сейчас верит все больше и больше физиков, потому что есть объекты, которые наблюдаются на звездном небе, и свойства которых мы не можем интерпретировать иначе как то, что они ведут себя подобно черным дырам. Так в нашей галактике найдено порядка 50-ти объектов такого сорта. Их массы, как правило, составляют более трех масс Солнца. Помимо этого, существует представление, подтвержденное наблюдаемыми данными, что в активных ядрах галактик находятся гигантские черные дыры. Это такие объекта, масса которых уже достигает сотен тысяч или даже миллионов масс Солнца.

На самом деле эффект Хокинга очень слабый, и он не подтвержден экспериментально, а предсказан только теоретически. К сожалению, эффект Хокинга настолько слаб, что даже для такого сорта объектов, которые наблюдаются на звездном небе, мы не сможем его увидеть. Но понимание этого эффекта может послужить первым шагом в открытии свойств квантовой гравитации. E.Poisson, «A Relativist's Toolkit (The Mathematics of Black-Hole Mechanics)» Derek Raine and Edwin Thomas, «Black Holes» (Imperial Collage Press, 2009)

Много вопросов, связанных с черными дырами, остаются все еще открытыми. Среди них: как на микроскопическом уровне происходит рождение излучения Хокинга в поле черных дыр. Кроме того, несмотря на то, что все меньше и меньше людей сомневаются в существовании этого эффекта, он не подтвержден экспериментально. В связи с этим возникает вопрос о реальности его существования. Также пока нет ответа на то, как происходит отклик в эффекте Хокинга? То есть как происходит уменьшение массы черной дыры при рождении соответствующего излучения, и что является его результатом? Что происходит на конечной стадии испарения, и, если дыра не полностью испаряется то, что остается в результате?