[Перевод] Спросите Итана: как излучение Хокинга и релятивистские струи убегают от притяжения чёрной дыры?

Концептуальное изображение аккреционного диска и струй сверхмассивной чёрной дыры

Самая важная особенность чёрной дыры – горизонт событий. Это регион пространства, внутри которого гравитационное поле настолько сильно, что ничто, даже свет, не может оттуда вырваться. Как же объяснить предсказанное нами убегание материи и излучения от чёрных дыр? Это хочет выяснить наш читатель:

Везде, где читаешь информацию о чёрных дырах, написано, что «ничто, даже свет, не может оттуда вырваться». А затем встречаешь информацию об излучении Хокинга, «излучение чёрного тела, которое, как предсказано учёными, испускают чёрные дыры». А ещё есть релятивистские струи, которые «чёрные дыры выстреливают со скоростью, близкой к световой». Очевидно, что-то всё же убегает из чёрных дыр, так ведь?

Материя и излучение, находившиеся вблизи чёрных дыр, действительно могут приходить к нам. Но значит ли это, что что-то убегает из чёрной дыры? Давайте разбираться.


Удалённые галактики, в которых находятся квазары и активные ядра, часто лучше наблюдать в видимом или инфракрасном свете, но сами струи и сопутствующие выбросы лучше всего видно в рентгеновском и радиодиапазоне – как показано на фото галактики Геркулес А. Такую активность может развернуть только чёрная дыра, но это не значит, что вся наблюдаемая материя и излучение приходят к нам изнутри горизонта событий.

Рассказывая о ЧД, важно понимать, что мы имеем в виду. Если собрать в достаточно небольшом регионе пространства достаточное количество массы, кривизна пространства-времени возрастёт настолько, что появившийся там луч света, вне зависимости от направления распространения, всё равно прибудет обратно к центральной сингулярности. Скорость убегания – скорость, с которой необходимо двигаться, чтобы преодолеть гравитационное притяжение ЧД – превышает скорость света. Следствием этого является горизонт событий – критический регион, пересекая границу которого, уже невозможно выбраться. И всё, что находится внутри горизонта событий, всегда оказывается в сингулярности; всё, что находится снаружи, может либо избежать его, либо упасть внутрь, в зависимости от имеющихся свойств.

Прорывы в технологии изготовления оптических устройств и получения изображений позволяют нам всё лучше зондировать и понимать физику и свойства удалённых квазаров – включая и свойства центральных ЧД

Однако существуют настоящие частицы и излучения, как теоретические, так и наблюдаемые, источником которых служат ЧД. Блестящим примером является аккреционный диск. Представьте себе, что вы – частица, находящаяся вне горизонта событий ЧД, но гравитационно связанная с ней. Сильное гравитационное притяжение приведёт к тому, что вы будете двигаться по эллиптической орбите, и самая высокая скорость при движении по ней будет соответствовать самому сильному приближению к ЧД. И пока вы не пересекаете горизонт, вы не должны упасть внутрь. Если на орбите оказывается достаточно частиц, вы можете взаимодействовать с другими, испытывая неэластичные столкновения и трение. Вы будете разогреваться, двигаться по всё более круговой орбите и, в конце концов, начнёте излучать.

Это излучение происходит не изнутри ЧД, а от материи, движущейся по орбите вокруг неё, снаружи горизонта событий.

Иллюстрация активной чёрной дыры, осуществляющей аккрецию материи и ускоряющей частью её, выстреливая наружу две струи, перпендикулярные диску. Можно соответствовать ЧД, находящейся в центре нашей Галактики, и вообще все наиболее активные ЧД

Конечно, часть материи в итоге потеряет достаточно энергии для того, чтобы пересечь горизонт событий и попасть в сингулярность, увеличив массу ЧД. Но вблизи ЧД много чего происходит. Там есть заряженные частицы с противоположными знаками и количеством заряда, довольно быстро перемещающиеся в пространстве: со скоростью, близкой к световой. Заряженные объекты при движении создают магнитные поля, что заставляет многие ионизированные частицы ускоряться по спирали, прочь от плоскости аккреционного диска. Эти ускоряющиеся частицы и порождают релятивистские струи, выбрасывая в избытке частиц и излучения во время столкновений с материей, расположенной дальше от ЧД.

Галактика Центавр A, показанная в композитном изображении на основе видимого света, инфракрасного света и рентгеновских лучей

Релятивистские струи – зрелище примечательное, и, в некоторых случаях, настолько яркое, что их даже бывает видно в видимом свете. У галактики Центавр А есть две струи, направленные в разные стороны, которые превращаются в большое рассеянное пятно; у галактики Messier 87 есть одна коллимированная струя, простирающаяся более чем на 5000 световых лет. Все эти струи порождаются активными сверхмассивными ЧД, во много раз превышающими даже того монстра массой в четыре миллиона солнечных, что притаился в центре Млечного Пути.

Вторая в списке крупнейших ЧД, наблюдаемых с Земли, расположенная в центре галактики M87, примерно в 1000 раз превышает массу ЧД в центре Млечного Пути, но расположена в 2000 раз дальше от нас. Исходящие из центра релятивистские струи – одни из крупнейших и коллимированных струй, когда-либо наблюдавшихся человеком.

В случае аккреционных дисков и релятивистских струй все наблюдаемые явления происходят вблизи ЧД, но при этом ничто не убегает изнутри ЧД наружу. В случае излучения Хокинга всё становится более запутанным. В теории можно представить себе ЧД, расположенную в вакууме, не имеющую вблизи ни материи, ни излучения. И если бы этой ЧД там не было, вы бы наблюдали только вакуум плоского, неискривлённого пространства, управляемый фундаментальными законами Вселенной. Но если разместить там ЧД, вы получите искривлённое пространство, горизонт событий и законы физики. В результате будет возникать направленное во все стороны излучение со спектром чёрного тела: излучение Хокинга.

Горизонт событий ЧД – сферический или сфероидный регион, из которого не может убежать ничто, даже свет. Но снаружи горизонта событий предсказано наличие излучения ЧД.

Проблема с осмыслением излучения Хокинга состоит в следующем: всё излучение происходит извне горизонта событий, но энергию оно получает только от массы ЧД. Для каждого кванта энергии (Е), испускаемого в виде излучения Хокинга, масса ЧД (m) должна уменьшиться на эквивалентное значение. И на сколько именно? Ровно на столько, как диктует самое знаменитое уравнение Эйнштейна, E = mc². Но каким образом излучение снаружи ЧД может быть вызвано массой ЧД, находящейся внутри её, в особенности, если ничто не может убежать из-за горизонта событий?

Визуализация того, как выглядела бы ЧД на фоне Млечного Пути

Самое распространённое объяснение, данное самим Хокингом, одновременно и самое неправильное. Один из способов представить себе энергию вакуума, присущую самому пространству – это пары частица-античастица. Пустое пространство, обладающее положительной нулевой энергией, нельзя представлять себе как полностью пустое; его что-то должно занимать. Комбинируя этот факт с принципом неопределённости Гейзенберга, вы приходите к представлению, в котором пары частица-античастица возникают на короткое время, а затем аннигилируют обратно в пустоту пространства. Когда один член пары оказывается вне горизонта событий, а другой попадает внутрь, то внешний может убежать, унося энергию, а внутренний, переносящий отрицательную энергию, уменьшает массу чёрной дыры.

Пары частица-античастица постоянно появляются и исчезают, как внутри, так и снаружи горизонта событий ЧД

Но, во-первых, это представление работает не для реальных частиц, а виртуальных. Это просто методы ведения расчётов, а не какие-то физически наблюдаемые сущности. Во-вторых, излучение Хокинга, покидающее ЧД, по большей части представляет собой фотоны, а не частицы материи или антиматерии. В-третьих, большая часть этого излучения появляется не на горизонте событий, а в довольно большом регионе, окружающем чёрную дыру. Если уж пользоваться объяснением на основе пар частица-античастица, то лучше попытаться представить их в виде набора из четырёх типов пар:

• Снаружи-снаружи,
• Снаружи-внутри,
• Внутри-снаружи,
• Внутри-внутри.

Среди них пары снаружи-внутри и внутри-снаружи виртуально взаимодействуют, порождают фотоны, уносящие энергию, а недостающая энергия происходит из кривизны пространства, в результате чего и уменьшается масса ЧД.

Излучение Хокинга неизбежно следует из предсказаний квантовой физики в искривлённом пространстве-времени, окружающем горизонт событий ЧД. Излучение порождает энергия снаружи горизонта событий, поэтому ЧД должна терять массу для компенсации

Но истинное объяснение не очень легко представить, что и запутывает многих. На самом деле необходимо подсчитать, как квантовая теория пустого пространства ведёт себя в сильно искривлённом регионе, окружающем ЧД. Не обязательно прямо на горизонте событий, а в большом сферическом регионе снаружи. Если провести вычисления квантовой теории поля в искривлённом пространстве, то найдётся неожиданное решение: тепловое излучение чёрного тела испускается пространством, окружающем горизонт событий ЧД. И чем меньше горизонт событий, тем больше кривизна пространства рядом с ним, и тем больше скорость излучения Хокинга.

С уменьшением массы и радиуса ЧД излучение Хокинга становится всё больше по температуре и мощности

Но ни при каких условиях нельзя будет заключить, чтобы что-либо пересекало горизонт событий, двигаясь изнутри наружу. Излучение Хокинга появляется в пространстве, окружающем горизонт событий, и распространяется прочь от ЧД. Потеря энергии уменьшает массу ЧД, в результате чего она испаряется. Излучение Хокинга – процесс невероятно медленный, и у ЧД массой с Солнце на испарение должно уйти порядка 10⁶⁷ лет. А у ЧД в центре Млечного Пути на это уйдёт 10⁸⁷ лет, а у самых массивных ЧД во Вселенной это может занять даже 10¹⁰⁰ лет! И последнее, что вы увидите в процессе уменьшения ЧД – это яркая, энергичная вспышка излучения и высокоэнергетических частиц.

На вроде бы вечном фоне непрерывной черноты появится единственная вспышка света: это будет испарение последней ЧД во Вселенной

Эти последние этапы распада, которые случатся спустя много времени после того, как сгорит последняя звезда, будут последними вспышками энергии, которые выдаст Вселенная. Это будет последняя попытка Вселенной создать дисбаланс энергии и возможность создать сложные структуры. Испарение последней ЧД будет последней попыткой Вселенной сказать то же самое, что она сказала в начале горячего Большого взрыва: «Да будет свет!»