Симуляция внешнего вида чёрной дыры и окружающего её аккреционного диска, выполненная в 1979 году Ж.-П. Люмине
Идею о существовании в космосе настолько массивного тела, что даже свет не может его покинуть, вкратце изложил английский астроном и священник Джон Мичелл в письме, опубликованном в ноябре 1784 года. Упрощённые расчёты Мичелла предполагали, что у такого тела может быть плотность, сравнимая с солнечной, после чего он сделал вывод, что оно образуется, когда диаметр звезды превышает диаметр Солнца в 500 раз, а скорость убегания с её поверхности превышает скорость света в вакууме. Мичелл назвал эти тела тёмными звёздами. Он правильно отметил, что такие сверхмассивные, но не излучающие тела можно будет обнаружить по их гравитационному воздействию на близлежащие видимые тела. Первоначально учёные того времени были воодушевлены предложением о том, что гигантские, но невидимые «тёмные звёзды» могут скрываться на виду, но энтузиазм поутих, когда в начале XIX века стала очевидной волновая природа света, поскольку если бы свет был волной, а не частицей, то было бы непонятно, как гравитация влияет на убегающие световые волны.
В 1915 г. Альберт Эйнштейн разработал общую теорию относительности, ещё до этого продемонстрировав, что гравитация действительно влияет на движение света. А уже всего через несколько месяцев Карл Шварцшильд нашёл решение уравнений поля Эйнштейна, описывающее гравитационное поле точечной массы и сферической массы. Через несколько месяцев после Шварцшильда Иоганн Дросте, ученик Хендрика Лоренца, независимо дал такое же решение для точечной массы и более подробно описал его свойства. Это решение демонстрировало особенное поведение в области, которую сейчас называют радиусом Шварцшильда, где оно уходило в сингулярность — то есть некоторые члены в уравнениях Эйнштейна становились бесконечными. Природа этой поверхности в то время была не совсем понятна.
В 1924 г. Артур Эддингтон показал, что сингулярность исчезает после изменения системы координат, хотя только в 1933 г. Жорж Леметр понял, что это означает, что сингулярность на радиусе Шварцшильда является нефизической координатной сингулярностью. Однако Артур Эддингтон в своей книге 1926 года высказался о возможности существования звезды с массой, сжатой до радиуса Шварцшильда, отметив, что теория Эйнштейна позволяет исключить слишком большую плотность видимых звёзд, таких как Бетельгейзе. Он писал: «звезда радиусом 250 млн км не может иметь такую высокую плотность, как Солнце. Во-первых, сила тяготения была бы настолько велика, что свет не смог от неё уйти, и лучи падали обратно на звезду, как камень на землю. Во-вторых, красное смещение спектральных линий было бы настолько велико, что спектр оказался бы вытесненным. В-третьих, масса привела бы к такому искривлению метрики пространства-времени, что пространство замкнулось бы вокруг звезды, оставив нас снаружи (т.е. нигде)».
Это приводит нас к одной из наиболее поразительных концепций Вселенной: гравитация не обусловлена существованием некоей невидимой силы, как считал Ньютон, а возникает благодаря тому, что материя и энергия во Вселенной искажают саму ткань пространства. Материя и энергия говорят пространству, как изогнуться, и это изогнутое пространство образует путь, по которому движутся и материя, и энергия. Расстояние между двумя точками — это не прямая линия, а кривая, определяемая самой тканью пространства.
Куда же отправиться в поисках области пространства, обладающей наибольшей кривизной? Очевидно, стоит выбрать те места, где наибольшая масса сосредоточена в наименьшем объёме: чёрные дыры. Но не все чёрные дыры одинаковы. На первый взгляд это кажется парадоксальным, но именно самые маленькие чёрные дыры с наименьшей массой создают наиболее сильно искривлённое пространство из всех существующих.
Когда мы смотрим на Вселенную, особенно в больших космических масштабах, она ведёт себя так, как будто пространство практически неотличимо от плоского. Массы искривляют пространство, и это искривлённое пространство отклоняет свет, но величина отклонения ничтожно мала даже для самых концентрированных из известных нам масс.
Солнечное затмение 1919 года, когда свет от далёких звёзд отклонялся Солнцем, привело к тому, что путь света искривился менее чем на тысячную долю градуса. Это было первое наблюдательное подтверждение общей теории относительности, вызванное самой большой массой, доступной нам в нашей Солнечной системе.
Гравитационное линзирование выходит за эти рамки, когда очень большая масса (например, квазар или скопление галактик) искривляет пространство настолько сильно, что фоновый свет искажается, увеличивается и растягивается на несколько изображений. Однако даже триллионы солнечных масс вызывают эффекты в масштабах крошечных долей градуса.
Гравитационное линзирование
Но ни близость к массе, ни общее количество массы по отдельности не определяют, насколько сильно искривлено пространство. Скорее роль играет общее количество массы, присутствующей в данном объёме пространства. Лучше всего это представить на примере нашего Солнца: объект массой в 1 Солнце и радиусом около 700 000 км. На самом краю Солнца, в 700 000 км от его центра, свет отклоняется примерно на 0,0005 градуса.
Если бы Солнце можно было сжать до размеров Земли (тогда оно стало бы походить на белого карлика) до радиуса около 6 400 км, то свет, падающий на лимб этого объекта, отклонился бы уже на величину примерно в 100 раз большую — на 0,05 градуса. Если сжать Солнце до радиуса ~35 км (и тогда оно приблизилось бы по свойствам к нейтронной звезде). Тогда свет, падающий на его лимб, отклонился бы намного сильнее: примерно на десяток градусов. А вот если сжать Солнце настолько, что оно превратится в чёрную дыру радиусом около 3 км, тогда свет, падающий на её лимб, будет полностью поглощён дырой; свет же, находящийся за её пределами, может отклониться на 180° или даже ещё сильнее.
Однако во всех этих сценариях есть нечто важное. Общее количество массы — будь то звезда, похожая на Солнце, белый карлик, нейтронная звезда или чёрная дыра, — одинаково в каждой задаче. Причина более сильного искривления пространства заключается в том, что масса более сконцентрирована, и вы можете приблизиться к ней гораздо ближе.
Если бы вы находились на одинаковом расстоянии от центра масс в каждом сценарии — 700 000 км от объекта массой в 1 Солнце, независимо от того, насколько он компактен, — вы бы увидели точно такое же отклонение: около 0,0005 градуса. Только потому, что мы можем подойти очень близко к самым компактным объектам, т.е. к чёрным дырам, свет отклоняется на такую большую величину, когда он касается их лимба. Это универсальное свойство всех чёрных дыр. Когда свет едва «задевает» внешнюю сторону горизонта событий, он находится на границе поглощения и максимально отклоняется в сторону окраины чёрной дыры.
Но не все чёрные дыры созданы одинаковыми. Конечно, есть некоторые параметры, по которым все чёрные дыры выглядят одинаково, и они важны. У каждой чёрной дыры есть горизонт событий, который определяется границей в пространстве, на которой скорость, с которой нужно двигаться, чтобы вырваться из-под её гравитационного притяжения, превышает скорость света. Извне горизонта свет всё ещё может добраться до мест во внешней Вселенной; внутри горизонта этот свет (или любая частица) поглощается чёрной дырой.
Но чем массивнее чёрная дыра, тем больше радиус её горизонта событий. Удвоение массы приводит к удвоению радиуса горизонта событий. Конечно, многие вещи будут масштабироваться таким же образом:
- скорость убегания у горизонта по-прежнему остаётся равной скорости света;
- величина отклонения света подчиняется той же зависимости массы от радиуса;
- если бы мы могли получить прямое изображение таких объектов, все они имели бы ту же самую форму пончика, которую мы видели на первом снимке телескопа «Горизонт событий» (EHT).
Первое изображение с телескопа Event Horizon Telescope (EHT)
Но есть ряд свойств, которые не сопоставимы для чёрных дыр разных масс. Например, приливные силы — это тот случай, когда различия огромны. Если бы вы упали к горизонту событий чёрной дыры, то встретились бы с силами, которые пытались разорвать вас на части, растягивая в направлении центра чёрной дыры и одновременно сжимая в перпендикулярном направлении: это то, что называют спагеттизацией.
Если бы вы упали в чёрную дыру в центре галактики M87 (ту самую, которую запечатлел телескоп EHT), то разница между силой, действующей на вашу голову, и силой, действующей на пальцы ног, была бы ничтожной — менее 0,1% от силы земного притяжения. Но если бы вы упали в чёрную дыру с массой Солнца, сила была во много квинтиллионов раз больше: её было бы достаточно, чтобы разорвать ваши атомы на части.
Однако, пожалуй, самое поразительное различие между чёрными дырами разной массы обусловлено явлением, которое мы никогда не наблюдали: излучением Хокинга. Где бы ни находилась чёрная дыра, из неё исходит очень небольшое количество низкоэнергетического излучения.
Хотя мы придумали несколько очень красивых визуализаций причин этого явления — обычно мы говорим о спонтанном создании пар частица-античастица, где одна падает в чёрную дыру, а другая вылетает из неё, — на самом деле всё происходит не так. Верно, что из чёрной дыры уходит излучение, и верно также, что энергия этого излучения должна исходить из массы самой чёрной дыры. Но эта наивная картина, когда пары частица-античастица возникают, а один из членов исчезает в чёрной дыре, сильно упрощена.
На самом деле всё несколько сложнее, но гораздо интереснее. Там, где есть само пространство, есть и законы физики, существующие в нашей Вселенной, которые включают в себя все квантовые поля, лежащие в основе реальности. Все эти поля существуют в своём низкоэнергетическом состоянии, когда они пронизывают пустое пространство — это состояние известно как «квантовый вакуум».
Квантовый вакуум одинаков для всех, пока они находятся в пустом, не искривлённом пространстве. Но это состояние с наименьшей энергией отличается в местах, где пространственная кривизна различна, и именно здесь возникает излучение Хокинга: из физики квантовой теории поля в искривлённом пространстве. На достаточном расстоянии от чего-либо, даже от чёрной дыры, квантовый вакуум выглядит так же, как и в плоском пространстве. Но квантовый вакуум в искривлённом пространстве ведёт себя совершенно по-другому — причём отличается тем более, чем более искривлено пространство.
Это означает, что если мы хотим, чтобы от нашей чёрной дыры исходило самое яркое, самое светлое, самое энергичное излучение Хокинга, то мы должны обращаться к самым маломассивным чёрным дырам, которые мы можем найти: к тем, у которых пространственная кривизна на горизонте событий наиболее сильна. Если сравнить чёрную дыру, подобную той, что находится в центре M87, с воображаемой чёрной дырой, которую мы могли бы получить, если бы Солнце превратилось в чёрную дыру, то мы обнаружим, что:
- температура более массивной чёрной дыры в миллиарды раз ниже;
- светимость на ~20 порядков меньше;
- и испаряться она будет на ~30 порядков дольше.
Это означает, что именно чёрные дыры с наименьшей массой являются местами, где пространство наиболее сильно искривлено из всех мест во Вселенной, и во многих отношениях представляют собой наиболее чувствительную природную лабораторию для проверки пределов общей теории относительности Эйнштейна.
Может показаться нелогичным, что самые маломассивные чёрные дыры во Вселенной искривляют пространство сильнее, чем сверхмассивные гиганты, населяющие центры галактик, но это действительно так. Искривление пространства связано не только с количеством массы в одном месте, поскольку возможности наблюдения ограничены наличием горизонта событий. Самые маленькие горизонты событий находятся вокруг чёрных дыр с наименьшей массой. Для таких показателей, как приливные силы или распад чёрной дыры, близость к центральной сингулярности даже более важна, чем общая масса.
Это означает, что лучшие лаборатории для проверки многих аспектов общей теории относительности и для поиска первых тонких эффектов квантовой гравитации будут находиться вокруг самых маленьких чёрных дыр. Самые маломассивные из известных нам чёрных дыр возникают из нейтронных звёзд, которые сливаются и образуют чёрные дыры, масса которых всего в 2,5-3 раза больше массы Солнца. Самые маленькие чёрные дыры находятся там, где пространство изгибается сильнее всего, и, возможно, в них кроется ключ к следующему большому прорыву в нашем понимании Вселенной.
Telegram-канал с розыгрышами призов, новостями IT и постами о ретроиграх 🕹️
