Поведение геодезических около фотонной поверхности при q = −0.01

Andrey A. Shoom / Phys. Rev. D

Andrey A. Shoom / Phys. Rev. D

Ранее мы писали о том, как физики-теоретики предложили способ разглядеть внутреннюю топологию черной дыры с помощью гипотетического детектора Унру-ДеВитта.

Дмитрий Трунин

Наличие черной дыры в центре Млечного Пути все еще не доказано

Нобелевскую премию по физике на этот раз присудили исследователям самых загадочных космических объектов. Нобелевский комитет условно разделил награду на теоретическую и практическую части: за теорию наградили математика Роджера Пенроуза, который обосновал наличие горизонтов событий, а за практические достижения – Райнхарда Генцеля и Андреа Гез, описавших сверхмассивный объект в центре Млечного Пути. Ученые допускают, что в скором времени за исследования черных дыр будет вручена еще одна Нобелевская премия, и ее наиболее вероятным лауреатом называют руководителей консорциума Event Horizon Telescope, которые в прошлом году представили первое в истории изображение черной дыры.

О том, что в центре нашей галактики находится черная дыра массой в 4 млн Солнц, написано в школьных учебниках, об этом рассказывают ученые в научно-популярных программах по ТВ. Словом, это общеизвестный факт. Но формулировка Нобелевского комитета данный факт обошла стороной, присудив премию Генцелю и Гез с формулировкой «за открытие сверхмассивного компактного объекта в центре галактики». Почему?

Академик РАН Анатолий Черепащук, возглавляющий кафедру астрофизики и звездной астрономии астрономического отделения физического факультета МГУ, объясняет, что формально Генцель и Гез не доказали, что объект, обозначаемый как Sagittarius A* (Sgr A*), является черной дырой. Чтобы полностью доказать, что в центре нашей галактики находится именно черная дыра, необходимо показать, что у объекта нет наблюдаемой поверхности, а есть только горизонт событий, объяснил Черепащук. «Генцель и Гез сделали следующее, – рассказывает он. – Они изучали движение звезд в объекте Sgr A*. Благодаря этому они первыми представили наиболее надежную оценку объекта в центре галактики. После них уже пошли другие работы, но эти ученые первыми сказали «мяу». И что важно: они применили очень интересную и нетривиальную технологию наблюдений, чтобы увидеть отдельные звездочки. Это очень красивый сам по себе эксперимент. Очевидно, премия присуждена не только за результат, но и за технологию наблюдения».

Измерять скорость движения звезд вблизи центра галактики – сложнейшая задача. Потому что видеть их напрямую не позволяют пылевые облака – нужно использовать инфракрасный диапазон. Генцель и Гез задействовали крупнейший на тот момент телескоп Кека, расположенный на Гавайских островах, и применили адаптивную оптику, поскольку расстояние этих звезд от описанного ими компактного объекта, если мы смотрим с Земли, измеряется десятыми и сотыми долями угловых секунд. Нестационарность земной атмосферы размывает изображение, и поэтому объекты, расположенные так близко, сливаются.

Ученые применили хитрую технику, которая позволяет достичь высокого углового разрешения телескопа – метод спекл-интерферометрии, рассказывает Черепащук: «Благодаря этому они смогли проследить за каждой звездой вблизи объекта, а там их несколько десятков. И смогли определить не только скорость, но и направления движения. А у двух звезд они даже померили орбиты. Получив эти параметры, вы можете определить массу центрального притягивающего объекта. Вот они это и сделали. Но в то же время они не доказали наличие горизонта событий у этого объекта. Поэтому Нобелевский комитет и сформулировал так осторожно: «определение массы компактного объекта». Потому что формально наличие черной дыры в центре Млечного Пути не доказано».

Над окончательным решением вопроса о черной дыре в центре галактики сейчас и трудится команда Event Horizon Telescope (EHT), это глобальная сеть радиотелескопов, разбросанных по всей Земле. Задача EHT – наблюдение за объектом Sagittarius A* и за черной дырой в сверхгигантской эллиптической галактике М 87. В апреле 2019 г. EHT опубликовала первое в истории изображение черной дыры в центре М 87. Ее тень окружала фотонная сфера.

Команда EHT сейчас работает над получением изображения Sagittarius A*. «Когда это случится, тогда будет окончательно доказано, что это не просто массивный и компактный объект, но объект, у которого нет наблюдаемой поверхности, а есть горизонт событий, – говорит Черепащук. – И тогда, я думаю, будет присуждена вторая Нобелевская премия за изучение черных дыр. Уже за получение их изображений».

Что же до теории, то природу черных дыр обосновал своими работами именно математик Роджер Пенроуз. «Он показал, что если в гравитационном поле сжимаются объекты, то обязательно должны присутствовать сингулярности, – объясняет Черепащук. – Никакими вращениями, асимметриями не избежать сингулярности, т. е. формально бесконечно большой плотности. И он показал, что эти сингулярности должны быть покрыты горизонтами событий. Пенроуз таким образом сформулировал принцип «космической цензуры»: если у вас образуется сингулярность, то вокруг нее образуется и некоторая поверхность, которая не позволяет вам заглянуть за нее и увидеть саму эту сингулярность. Сингулярность всегда скрыта от наблюдателя горизонтом событий». Новаторская статья Пенроуза о природе черных дыр, опубликованная в 1965 г., до сих пор считается важнейшим вкладом в общую теорию относительности со времен Эйнштейна, говорится в релизе Нобелевского комитета.

Фотография невидимки – Наука – Коммерсантъ

Первый в истории человечества снимок черной дыры вызвал бурю эмоций не только у ученых и любителей астрономии, но даже у тех, кто не смотрел фильм «Интерстеллар». Теперь точно знаем, что дыры существуют. Но как удалось увидеть невидимое? И почему этот снимок так важен?

История

Трудно поверить, но первые расчеты, показавшие существование в космосе тяжелых невидимых объектов, сделал английский естествоиспытатель Джон Мичелл в 1783 году. Уже тогда человечеству было известно, что такое вторая космическая скорость: ее нужно достичь, чтобы полностью оторваться от какого-нибудь тела и улететь в космос. Величина второй космической скорости зависит от отношения массы и размера тела и, например, для Земли равна всего 11,2 км/сек. А еще именно тогда ученые убедились в конечности скорости света и определили ее величину (около 300 тыс. км/сек.) благодаря тому, что Джеймс Брэдли открыл явление аберрации.

Мичелл первым задумался: могут ли существовать звезды, вторая космическая скорость у которых выше скорости света? И рассчитал параметры такого тела: при той же плотности, что и у Солнца, его радиус будет превышать солнечный в 500 раз! Тогда вторая космическая превысит скорость света, и тело станет полностью невидимым для наблюдателя, ибо свет просто не сможет выйти с его поверхности. Мичелл даже предположил, что в космосе может существовать множество подобных невидимых тел, то есть предвидел черные дыры!

Независимо от него величайший французский математик и астроном Пьер-Симон Лаплас в «Изложении системы мира» в 1795 году выдвинул схожую гипотезу: «Если бы диаметр светящейся звезды с той же плотностью, что и Земля, в 250 раз превосходил диаметр Солнца, то вследствие притяжения звезды ни один из испущенных ею лучей не смог бы дойти до нас; следовательно, не исключено, что самые большие из светящихся тел по этой причине невидимы».

Но этим идеям не удалось завоевать умы. Только после работ Альберта Эйнштейна в 1905 году стало понятно, что скорость света — предел для любых физических тел, а значит, действительно черные дыры — единственные объекты в природе, у которых вторая космическая скорость превышает скорость света.

В 1915 году Эйнштейн построил полноценную теорию гравитации, которая получила название «Общая теория относительности» (ОТО). Карл Шварцшильд применил ее к расчету гравитационных полей звезд и получил первое описание простейшей, сферически-симметричной черной дыры, без заряда и без вращения.

Но и Шварцшильд, и даже Эйнштейн считали черные дыры математической абстракцией, не надеялись обнаружить их во Вселенной.

А предсказание ОТО относительно черных дыр более чем подтвердилось.

Что это такое

Черная дыра — область пространства-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть ее не могут даже объекты, двигающиеся со скоростью света, в том числе и сам свет. То есть она не объект, не вещество, не излучение, а скорее сильно искривленное пространство с сильным гравитационным полем — следствием искривления. Граница этой области называется горизонтом событий, а ее размер — гравитационным радиусом.

Представить себе горизонт событий несложно. Допустим, некто падает в черную дыру и одновременно ведет прямую трансляцию в YouTube. Пока некто остается снаружи горизонта событий, зрители его видят: электромагнитный сигнал может уйти на любое расстояние. Но в момент пересечения горизонта сигнал обязательно прервется — у него не хватит скорости выйти из-под горизонта.

Гравитационный радиус — тот размер, сжавшись до которого, обычный объект непременно станет черной дырой. Скажем, для Земли он составляет около 1 см, а для Солнца — всего 6 км. Представьте себе чудовищную плотность такого объекта!

Еще у черной дыры есть эргосфера, фотонная сфера и другие экзотические элементы. Зато нет ни цвета, ни состава.

Единственный прямой способ отличить черную дыру от другого объекта — определить ее радиус и сравнить с гравитационным радиусом для данной массы. Если радиус тела значительно больше гравитационного — это не черная дыра.

До недавнего времени разрешающая способность телескопов была слишком мала, чтобы различать столь мелкие объекты. Возьмем ближайшую к нам звезду, Солнце: его гравитационный радиус равен 3 км, с расстояния 150 млн км он выглядят как тысячные доли угловой секунды, то есть недоступен даже знаменитому космическому телескопу имени Хаббла. Что говорить про более далекие черные дыры!

Астрономы придумали массу косвенных методов проверки на черную дыру. Например, из третьего закона Кеплера известно о связи между периодами и размерами орбиты вращающихся тел с определенными массами. В центре нашей Галактики мы видим, как звезды и газ вращаются вокруг невидимого объекта. Его относительная близость, всего 26 тыс. световых лет, позволяет точно измерять параметры орбит вращающихся там звезд, что дает довольно точную оценку массы этого скрытого гиганта: 4 млн Солнц. Шила в мешке не утаишь, а звездное скопление такой огромной массы тем более было бы легко наблюдаемо. Но нет! Мы видим в этом месте лишь слабо светящееся крохотное пятнышко.

В центрах других галактик мы тоже наблюдаем вращение звезд и огромных облаков газа вокруг малюсенького центра. Вот только звезды на больших дистанциях уже неразличимы, информацию приходится черпать из спектральных наблюдений ядер галактик. Спектры показывают быстрое движение газа, которое говорит о скрытых массах в десятки и сотни миллионов солнечных масс! А наблюдения в ультрафиолете и в рентгеновских диапазонах выявляют быструю переменность блеска, что говорит о настолько малых размерах излучающей области, что миллионы Солнц в нее либо не поместятся, либо будут двигаться по неустойчивым орбитам, сталкиваясь и разлетаясь. Да и сам по себе спектр очень непохож на звездный — с быстрой переменностью блеска, мощным излучением в рентгене и гораздо более высокими температурами. А если еще учесть, что у некоторых из таких ядер галактик энерговыделение на много порядков больше, чем должны давать просто звезды аналогичной массы, то понятно, что нам следует поискать более экзотический источник этой энергии.

И тут скептики могут предпринять последний шанс спастись от черных дыр: нейтронные звезды! Эти удивительные объекты, как и черные дыры, были предсказаны задолго до их физического открытия, но ученые справедливо полагали, что увидеть их в оптический телескоп не удастся много лет.

Открыты они были совершенно неожиданно — в радиодиапазоне: сигнал от них имел настолько точную повторяемость, что его даже приняли за «маяк» внеземной цивилизации и поначалу называли LGM-1 (Little green man-1). Гипотетическое скопление нейтронных звезд с их малыми размерами — один из очень немногих объектов, который мог бы поместиться в измеренные размеры активных ядер галактик. Но откуда им там взяться? Нейтронные звезды — остатки эволюции массивных звезд, а значит, должны быть и другие следы: планетарные туманности, остатки вспышек сверхновых и характерное излучение пульсаров. Да и непонятно, почему в компактном центре должны быть миллионы нейтронных звезд, а в остальной, гораздо большей части Галактики — тысячи.

Спектры загадочных объектов показывают быстрое движение газа, находящегося глубоко в «гравитационной воронке», но признаков падения на твердую поверхность не наблюдается. То есть газ падает, падает, а потом куда-то «проваливается». Словно в черную дыру!

Последним доказательством стала регистрация гравитационных волн. Первые свидетельства их существования появились еще в 1974 году при исследовании двойных радиопульсаров (нейтронных звезд, излучающих периодические радиоимпульсы). Выявленное уменьшение периода их обращения, связанное с потерей энергии на искривление пространства, было непрямым, но надежным указанием на излучение гравитационных волн — и Нобелевскую премию 1993 года.

Почувствовать гравитационную волну впервые получилось 14 сентября 2015 года у гравитационно-волнового телескопа LIGO. С тех пор детектировано больше десятка гравитационно-волновых событий, и все, кроме одного, объясняются только сталкивающимися черными дырами.

Невидимка в зеркале

Но последний шаг еще не был сделан. Самое главное — изображение черной дыры — оставалось за пределами возможностей человека.

Важность снимка трудно переоценить. Те же гравитационные волны, сильнейшее доказательство существования черных дыр для ученых, мало что значат для широкой публики: они не фотография, а графики. На фотографии все очевидно: вот черный провал — это и есть черная дыра.

Но получить такой снимок непросто, ведь черные дыры — черные! Да еще и очень мелкие, даже самые крупные из них имеют угловой размер в миллионы раз меньше того, что способен разглядеть обычный телескоп: если точно, то это миллионные доли угловой секунды дуги. Задача по сложности сравнима с попыткой разглядеть с Земли яблоко на поверхности Луны.

Решение напрашивается: нужно большое увеличение! Хорошо, а насколько большое? Невооруженным глазом обычный человек может отличить точку с расстояния 30-40 м, а до Луны в среднем 384 тыс. км. Значит, увеличение требуется примерно в 10 млн раз. А максимальное увеличение телескопа — два диаметра объектива в миллиметрах, то есть нужно 5 млн мм, или 5 тыс. км. Но нужно разглядеть еще и какие-то детали, так что лучше взять сразу 10 тыс. км. Это уже сравнимо с диаметром Земли!

Как сделать столь огромное зеркало? Даже если пытаться соорудить десятиметровое зеркало, придется учесть гнутие точной поверхности под действием собственного веса, особенно при поворотах телескопа. Что-то похожее чувствуют киты, когда оказываются на берегу. Выход есть: делать не цельное толстое зеркало, а составленное из отдельных тонких сегментов. Зеркало становится легким, перестает гнуться, остается лишь научиться управлять сегментами, идеально подгоняя их друг к дружке, чтобы составить прецизионную поверхность.

Это удается: вот максимальное увеличение! Но теперь мешает атмосфера — она смазывает картинку. Есть решение: дополнительное адаптивное гибкое зеркало компенсирует атмосферную неоднородность, но требует яркого источника света. Приходится исследовать атмосферу и приделать к телескопу лазер (или телескоп к лазеру?), чтобы создать высоко в атмосфере искусственную яркую «звездочку». И все-таки одиночное зеркало обладает слишком маленькой разрешающей способностью, а цельное зеркало размером с планету построить затруднительно…

Может, построить много отдельных зеркал по всей планете и объединить в систему? Такая технология называется интерферометр, и в межконтинентальном виде ее удалось создать только в радиодиапазоне.

Увидеть невозможное

Самый выдающийся радиотелескоп всех времен — отечественный космический аппарат «Радиоастрон». На нем получен мировой рекорд углового разрешения — восемь миллионных долей угловой секунды (на длине волны 1,3 см)! К сожалению, получить на нем изображение черных дыр не удалось: оказалось, что на длинах волн от одного сантиметра и больше изображение черной дыры невозможно создать из-за летающих там электронов больших энергий.

В миллиметровом диапазоне электроны влияют не так сильно и картинку получить реально. Так родилась идея телескопа горизонта событий — большого количества антенн, работающих на длине волны 1,3 мм с максимальной дистанцией между ними около 10 тыс. км.

Остается свести воедино сигналы со всех приемников. Сделать это крайне трудно: мешают погодные условия, турбулентность атмосферы, малейшие искривления формы зеркал, технические неисправности, помехи и многое-многое другое. К тому же данных, требующихся для получения изображения, нужно гигантское количество: не гигабайты, не терабайты, а полноценные петабайты!

Именно поэтому получить картинку черной дыры стало возможным лишь в XXI веке — с появлением суперкомпьютеров, развитием математических методов обработки информации и созданием высоких технологий, без которых немыслима работа современного телескопа.

Вот она, черная дыра

Французский исследователь Шарль Мессье, впервые заметивший в 1781 году в скромный 100-миллиметровый телескоп в созвездии Девы едва видимое туманное пятнышко, и не подозревал, какие потрясающие открытия таятся в нем.

Стремительное развитие науки и техники в начале ХХ века подарило человечеству громадные телескопы диаметром больше 2 м, снабженные фотокамерами, и сразу посыпались открытия. Уже в 1918 году американский астроном Гебер Дуст Кертис, сразу обративший внимание на полное отсутствие спиральной структуры у М87, разглядел рядом с ней странный тонкий луч. А в 1922 году Эдвин Хаббл в обсерватории Маунт-Вилсон в Калифорнии детально сфотографировал этот луч и охарактеризовал Галактику как «внегалактическую шаровую туманность» и, в общем, был недалек от истины.

Гипотеза, что загадочный луч порожден черной дырой, возникла еще в ХХ веке. Подтвердить ее существование и точно взвесить дыру ученые смогли лишь в начале ХХI века. И она оказалась невероятной! Шесть с половиной миллиардов солнечных масс! Надо отметить, она под стать своей родной Галактике, масса которой в несколько раз превосходит Млечный Путь (Галактика, где находится Земля).

Именно такая, близкая к рекордной, масса черной дыры и позволила ей стать главной целью телескопа горизонта событий. Секрет в том, что у черных дыр масса и размер горизонта событий связаны линейно, то есть чем массивнее дыра, тем проще ее разглядеть. Плюс расстояние до нее по космическим меркам небольшое (всего 53 миллиона световых лет), поэтому угловой размер горизонта событий этой дыры гораздо больше всех остальных и сравним только с черной дырой в центре нашей Галактики.

Стоп, стоп, стоп. Как это, «разглядеть»? Это же черная дыра — она по умолчанию свет только поглощает, а не излучает. Как ее увидеть? Ситуацию можно сравнить с ловлей черной кошки в темной комнате: увидеть что-то трудно, но стоит ей оказаться перед белой стеной — и вот она, красавица, как на ладони. Вокруг черных дыр, особенно сверхмассивных, тоже бывают светлые области — это падающий на них разогретый газ. Когда газа много, он формирует целый диск, что-то вроде колец Сатурна, ученые называют его аккреционный диск (от английского accretion — выпадение).

На первом снимке, полученном телескопом горизонта событий, виден прежде всего аккреционный диск в виде широкого светлого кольца. Внешняя граница его нечеткая, поскольку диск простирается далеко за пределы снимка, постепенно снижая свою яркость. Зато внутренняя граница резкая, поскольку там пролегает последняя устойчивая орбита для вращающегося вокруг черной дыры вещества. Подойдя еще ближе, материя падает в черную дыру по крутой спирали настолько быстро, что эта область остается темной. Единственный свет, который еще может оттуда выходить, это так называемая фотонная сфера, то есть сравнительно тонкое и слабое кольцо, в котором пролетающие мимо фотоны захватываются на круговые орбиты гравитацией черной дыры. Получается, что черный провал внутри яркого кольца на фото — это не только сама черная дыра, а еще и довольно большая, почти несветящаяся область вокруг нее.

Для черной дыры в М87 радиус горизонта событий около 20 млрд км, то есть «диаметр» черной дыры — примерно 40 млрд км, а радиус последней устойчивой орбиты — примерно 120 млрд км. Размер темного провала на снимке близок к 100 млрд км, в тысячу раз больше расстояния от Солнца до Венеры и в три раза больше расстояния от Солнца до Нептуна.

Перспективы

Помимо черной дыры в М87, телескоп горизонта событий провел в апреле 2017 года наблюдение за центральной черной дырой Млечного Пути — ближайшей из всех известных сверхмассивных черных дыр. Аккреционный диск вокруг нее слабее, то есть увидеть ее будет сложно, но это может компенсироваться чуть большим угловым размером, чем у объекта в М87. Обработка данных продолжается.

Подключение новых наземных телескопов и усовершенствование оборудования и методов обработки приведут к тому, что изображения станут более четкими, появятся новые детали, возможно, совершенно неожиданные. Через десятилетия станет возможным вести регулярные наблюдения за несколькими сверхмассивными черными дырами и даже мониторинг некоторых из них. Видео с движением разогретого до миллионов градусов газа в гравитационных ловушках черных дыр станет таким же обычным делом, как видео вспышек на Солнце.

Грандиозный рывок в угловом разрешении произойдет, когда Россия запустит уже строящийся радиотелескоп «Миллиметрон». Работая на одной длине волны с телескопом горизонта событий и находясь на расстоянии 1,5 млн км от Земли, «Миллиметрон» обеспечит изображения на порядок более детальные, чем те, что есть сегодня. Резко расширится и список наблюдаемых объектов, и количество решаемых астрофизических задач. При удачном стечении обстоятельств станет возможным даже наблюдение черных дыр звездных масс в двойных системах сравнительно недалеко от Земли. Остается дождаться запуска: из-за нестабильного финансирования он перенесен на вторую половину 2020-х годов.

Чтобы получить изображение черной дыры, потребовалась согласованная работа радиотелескопов по всему миру

Итоги

Астрофизики считают достижение телескопа горизонта событий достойным Нобелевской премии. У человечества появился инструмент, позволяющий добывать ценнейшие данные: независимо оценивать массы сверхмассивных черных дыр, а значит, и калибровать косвенные методы оценки масс, напрямую исследовать динамику вещества в аккреционных дисках, оценивать энерговыделение и размеры дисков, наблюдать за движением неоднородностей в них и обнаруживать изменение яркости, проверять результаты теорий и расчеты гравитационного линзирования вблизи черных дыр, а бонусом — в тысячный раз подтверждать теорию относительности.

Для широкой публики нашумевший снимок прежде всего наглядное подтверждение самого существования черных дыр. Хотя профессионалы уверены в этом уже давно, но финансирование фундаментальной науки в конечном счете обеспечивается обществом, поэтому наглядная демонстрация результата имеет колоссальное значение.

Сергей Назаров, научный сотрудник Крымской астрофизической обсерватории

Помогите решить / разобраться (Ф)

Не существует такого направления. И я об этом прямо сказал

Цитата:

Подобный захват лучей света коллапсирующей звездой можно описать с помощью воображаемого конуса, показанного на рис. 8.6 и называемого конусом выхода. Навсегда уйти от звезды могут только те лучи, которые покидают ее в пределах конуса выхода. Лучи же, идущие от поверхности звезды вне конуса выхода, отклоняются назад, к ее поверхности…
Непосредственно над границей фотонной сферы конус выхода широко раскрыт. От звезды могут уйти лучи света, испущенные под любыми углами. Но когда звезда подходит к своему горизонту событий, конус выхода становится настолько узким, что все лучи света в конце концов заворачиваются назад, к поверхности звезды…

Нет такой области

круговые орбиты на «фотонной сфере» неустойчивы, так что реальные фотоны двигаться по ним не могут.

Если я не ошибаюсь, на горизонте событий обе скорости равны друг другу (и скорости света)

Увидеть черную дыру — Троицкий вариант — Наука

Возможно, еще никогда размытая и невразумительная на первый взгляд картинка не вызывала такого воодушевления, как 10 апреля 2019 года. Это изображение обошло все уважающие себя СМИ, заполонило социальные сети, стало героем фотошопа, попало на футболки и успело поднадоесть. На картинке — первое в истории изображение реальной черной дыры — сверхмассивной дыры в центре галактики М 87. Изображение плохое, но настоящее.

Сверхмассивная черная дыра в М 87 издавна знаменита своим оптическим (наблюдаемым в видимом свете) джетом — релятивистской струей замагниченной плазмы. Обычно джеты видны лишь в радиодиапазоне, иногда в рентгене; оптические джеты — довольно редкое явление. Снимок на рис. 1 сделан космическим телескопом «Хаббл», но джет виден и в гораздо менее мощные наземные телескопы. Длина джета, точнее его проекции на небе, больше килопарсека. Джет направлен к нам, его отклонение всего 17°, то есть его настоящая длина — несколько килопарсеков. Именно из-за того, что джет направлен почти на нас, мы видим лишь один джет, посколь­ку второй направлен на 163° от нас, притом что оба они релятивистские с сильнейшей релятивистской аберрацией. Исходя из эффекта, который джет оказывает на межзвездную среду, оценивается его мощность: она составляет от 10⁴⁴ до 10⁴⁵ эрг/с. Первое из этих значений совпадает с полной светимостью нашей Галактики. (Здесь используются традиционные в астрофизике единицы системы СГС; для ориентации: светимость Солнца — 4х10³³ эрг/с.)

Зато светимость диска (аккреционный диск — вещество, стягивающееся в черную дыру и разогревающееся до огромных температур) относительно невелика. Среди квазаров есть монстры, чей диск излучает 10⁴⁷ эрг/с. Этот светит не более 10⁴² эрг/с, на порядки уступая джету в мощности. Дело в том, что этот диск очень неэффективно высвечивается: большая часть его энергии прямиком уносится в черную дыру. Такой режим аккреции называется ADAF (Advection dominated accretion flow) — это квазар на голодном пайке. Потока стягивающегося к дыре вещества не хватает, чтобы диск стал плотным и пришел в термодинамическое равновесие. Аккреционный диск получается оптически тонким, зато геометрически толстым из-за больших хаотических скоростей протонов и ядер. В ADAF частицы сталкиваются редко; ионы летают сами по себе с кеплеровскими скоростями, электроны — сами по себе, причем температура электронов в десятки раз ниже, чем у ионов. Светят именно электроны, мы видим их синхротронное излучение. А основная энергия уносится ионами внутрь черной дыры.

Черные дыры, оставшиеся от одиночных звезд, имеют максимальный угловой размер около 10^–15 радиана. Под таким углом видна самая мелкая земная бактерия с Луны. К счастью, размер черной дыры пропорционален массе (а не корню кубическому из нее, как для обычных тел), поэтому гигантские черные дыры, сидящие в центрах галактик и всосавшие массу миллионов и миллиардов звезд, гораздо перспективней. Рекордсмены по угловому размеру — сверхмассивная черная дыра (около 6 млрд солнечных масс) в сравнительно близкой к нам галактике М 87 (55 млн световых лет) и черная дыра в центре нашей Галактики — в тысячу с лишним раз меньше (4 млн солнечных масс), но и в две тысячи раз ближе. Угловой размер этих дыр намного больше — приблизительно 10^–10: под таким углом будет виден шарик для пинг-понга на Луне или человеческий волос в толщину с расстояния 500 км. В астрофизике принято измерять угловой размер в угловых секундах — это 1/3600 градуса, или 0,5х10^–5 радиана. В данном случае более адекватными единицами будут угловые микросекунды. Расстояние до М 87 — 16,4 мегапарсек, или 5х10²⁵ см. Вот ключевые параметры черной дыры (даем основные размеры в угловых микросекундах).

1. Гравитационный радиус черной дыры в М 87 (Rg) приблизительно равен 10¹⁵см (в три с лишним раза больше радиуса орбиты Нептуна). Он определяется через массу М, гравитационную постоянную G и скорость света как Rg = GM/c². Угловой размер — 4 микросекунды.
2. Шварцшильдовский радиус невращающейся черной дыры (радиус горизонта событий, из которого наружу не доходит никакой сигнал), вдвое больше: Rs = 2Rg (8 микросекунд).
3. Последняя стабильная орбита радиуса: Ro = 6Rg (24 микросекунды).
4. Радиус фотонной сферы: Rph = 3Rg. Фотон, пролетающий мимо черной дыры по касательной ближе, чем Rph, попадет в черную дыру; пролетающий дальше — улетит по кривой на бесконечность; летящий точно на расстоянии Rph — будет циркулировать вокруг дыры по круговой орбите.

Радиус тени черной дыры: Ra = 5,2 Rg. Тень — не что иное, как линзированная фотонная сфера (см. рис. 2). Угловой размер — 20 микросекунд.

Что из вышеперечисленного мы можем увидеть? Прежде всего мы должны видеть аккреционный диск. В случае М 87 мы наблюдаем этот диск почти плашмя. Но как при этом проявится сама черная дыра? Она наверняка вращается. Значит, ее горизонт меньше шварцшильдовского и ближе к Rg. Размер слишком мал, и, главное, горизонт ­никак не обозначается фотонами, покинувшими окрестность черной дыры. Те, что родились около него, за ­малым исключением, заглатываются дырой. Последняя стабильная орбита для вращающейся черной дыры приближается к горизонту и сливается с ним для случая предельного вращения. В этом случае практически все фотоны, испущенные с последней стабильной орбиты, попадают в черную дыру, и мы их не видим.

Зато мы можем увидеть контур тени черной дыры — яркое кольцо по ее окружности. Это, конечно, не фотоны, летающие вокруг дыры, — такие орбиты неустойчивы. Яркое кольцо — каустика, нечто вроде светлых полос на дне при небольшом волнении. Траектории многих фотонов, в том числе с обратной стороны аккреционного диска, с точки зрения удаленного наблюдателя, собираются в узкое кольцо (см. рис. 2). А внутри этого кольца должно быть относительно темно. Относительно, потому что внутри фотонной сферы мы можем видеть фотоны, испущенные веществом в сторону от черной дыры, их траектории изгибаются и попадают к наблюдателю. При этом яркость излучения, испущенного внутри фотонной сферы, сильно подавлена. Итак, имеем яркое кольцо с темной областью внутри и плавно спадающей наружу яркостью, поскольку светимость диска падает при удалении от черной дыры.

Существует так называемый дифракционный предел углового разрешения λ/D, где λ — длина волны, D — апертура: диаметр зеркала телескопа или база интерферометра. Для крупнейших оптических телескопов дифракционный предел — около 10 миллисекунд. Для традиционных радиоинтерферометров со ­сверх­длинной базой, работающих на длине волны несколько сантиметров, дифракционный предел — около миллисекунды: ограничение дает диаметр Земли. У «Радиоастрона», одна из антенн которого находится в космосе, разрешение примерно в 30 раз лучше, но большая длина волны не позволяет увидеть происходящее вблизи черной дыры: пространство вокруг нее заполнено электронами больших энергий, поглощающих радиоволны (синхротронное самопоглощение). С помощью «Радиоастрона» провели исследование ядра М 87 и ровно это и увидели: непрозрачную фотосферу, скрывающую черную дыру и внутренние части аккреционного диска. Зато на длине волны около миллиметра синхротронное поглощение падает на порядки величины — электроны излучают, но почти не поглощают.

Проект EHT (Event Horizon Telescope) — интерферометр из нескольких радиотелескопов, находящихся в разных частях земного шара. Они все работают в миллиметровом диапазоне, исследование ядра М 87 велось на длине волны 1,3 мм. Дифракционный предел при такой длине волны и базе размером с диаметр Земли — около 20 угловых микросекунд. Такой же, как радиус тени черной дыры в М 87.

При таком соотношении разрешения и размеров объекта в радиоинтерферометрии удается получать вполне вразумительные изображения. В случае простой геометрии объекта — даже лучше: например, положение точечного объекта фиксируется с точностью в 20–30 раз выше дифракционного предела.

Радиоинтерферометрия со сверхдлинной базой радикально отличается от обычной интерферометрии тем, что она цифровая, а не аналоговая. Грубо говоря, записывается временной профиль сигнала со всех антенн с частотой, равной удвоенной ширине полосы принимаемого сигнала. Это, конечно, много меньше, чем 230 гигагерц, но всё равно очень большая частота, поэтому первичные данные составляют около двух петабайт. Потом ищутся задержки, при которых профили сигналов с разных антенн коррелируют друг с другом. По задержкам, исходя из пространственного положения антенн, определяется направление прихода фронта волны. По совокупности задержек строится карта объекта.

На словах это выглядит просто, но на самом деле задержки между любой парой антенн всё время меняются: причиной тому вращение Земли, тепловая деформация, приливы и т. п. Самое неприятное — непредсказуемая турбулентность атмосферы, из-за которой фаза принимаемого сигнала «гуляет». Все предсказуемые факторы входят в модель задержки, которую легко учесть, но случайные факторы ломают когерентное накопление сигнала менее чем за 20 секунд, после чего надо искать корреляцию по новой и «эмпирически» сшивать фазу. Процедура, конечно, непростая: требуемый объем данных огромен, сам поиск корреляций потребляет огромные вычислительные ресурсы, к тому же восстановление карты по корреляциям — некорректно определенная задача. Тем не менее в большинстве случаев эта задача корректно решается, к тому же карта при большом отношении сигнал/шум получается четче полуширины диаграммы направленности. Все эти сложности увеличиваются с уменьшением длины волны. В частности, на длине волны 6 см время когерентного накопления сигнала составляет не 20 секунд, а 10 минут. Соответственно, на большей длине волны требуется меньшая скорость накопления данных. Именно поэтому интерферометрия на миллиметровой длине волны стала возможной лишь в этом столетии.

Кстати, еще до объединения антенн миллиметрового диапазона в сеть EHT главный узел этой сети — интерферометр ALMA, состоящий из десятков антенн, получил потрясающие снимки протопланетных дисков (см. рис. 3).

Измерения ядра М 87 с помощью EHT проводились четыре ночи: 5, 6, 10 и 11 апреля 2017 года. Результаты представлены в шести объемных статьях, опубликованных в Astrophysical Journal Letters и собранных здесь. Основную картинку, представленную на рис. 4, наверняка все уже видели, приводим отдельные снимки по дням (рис. 5).

Заметны небольшие изменения в распределении яркости вдоль по светлому кольцу. Это естественно: постоянная времени изменений на радиусе фотонного кольца (около световых суток) — дни. Мы видим, как дышат некие неоднородности в аккреционном диске. Бросается в глаза разная яркость верхней и нижней части кольца. Это объясняется тем, что мы наблюдаем аккреционный диск не точно плашмя, а под небольшим наклоном. Диск перпендикулярен джету. В координатах картинки джет направлен вправо. Диск вращается по часовой стрелке, поэтому нижняя часть кольца приближается к нам, а верхняя удаляется. Этого достаточно, чтобы релятивистская аберрация давала заметную разницу в яркости.

Значительная часть опубликованных статей посвящена моделированию аккреции на черную дыру с высвечиванием вещества и прослеживанием испущенных фотонов. Это довольно сложная задача, поскольку требуется трехмерная магнитогидродинамика в релятивистской метрике. Тем не менее — решают и смотрят, похоже на наблюдаемую картину или нет. Пример сравнения модели с реальностью показан на рис. 6. Конечно, не все модели дают результат, похожий на правду. Поэтому удается отбросить некоторые варианты физики аккреционного диска. Например, не проходит предположение об одинаковой температуре ионов и электронов. Не проходит предположение о невращающейся черной дыре, хотя измерить параметр вращения не удается: проходит как значение а = 0,94, так и значение а = 0,5. Удалось исключить неоднозначность в оценке массы черной дыры. До сих пор существовали две противоречащие друг другу оценки: 6 млрд солнечных масс — по разбросу скоростей звезд и 3,5 млрд солнечных масс — по движению газа. Из размера «бублика» и сравнения его с результатами моделирования получается оценка 6,5 млрд солнечных масс, согласующаяся с первой из приведенных выше.

Многие рассматривают основной результат EHT как прямое подтверждение существования черных дыр. Это так, но это не первое и не самое сильное подтверждение. Гравитационные волны от слияния черных дыр — сильней. Но снимок тени черной дыры наглядней и понятней для широких масс. Это очень важно, поскольку деньги на исследования в конечном счете дают именно широкие массы. С моей точки зрения, интересней данные об аккреционном диске. Это совершенно фантастическое явление, гораздо более сложное, чем черная дыра.

То, что сделали, еще не предел. Методику можно вылизывать, набирать статистику. Будут более четкие изображения, будут видны изменения аккреционного диска со временем — там масса интересной астрофизической информации.

И еще одна очень важная перспектива — черная дыра в центре нашей Галактики, ­радиоисточник Стрелец А. Ее угловой размер немного больше; ориентация, по-видимому, другая, менее благоприятная для наблюдения тени, но более интересная с точки зрения эффектов линзирования и физики аккреционного диска.

Наконец, более далекая перспектива — радикальное увеличение базы интерферометра за счет космического миллиметрового телескопа. Именно этой задаче посвящен проект «Миллиметрон», разрабатываемый в Астрокосмическом центре ФИАНа, — наследник «Радиоастрона».

Борис Штерн

Автор благодарит Юрия Ковалева за ряд уточнений

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

См. также:

Магия черных дыр

Черные дыры дают нам новые фундаментальные представления о природе пространства-времени, поэтому их изучению сегодня уделяется так много внимания. Астрофизика, астрономия находятся на переднем крае таких исследований. Об удивительных свойствах черных дыр и о роли астрономии в нашей жизни рассказал известный астрофизик Анатолий Михайлович Черепащук, академик, заслуженный профессор МГУ, научный руководитель Государственного астрономического института им. П.К. Штернберга (ГАИШ).

Анатолий Михайлович, за последние несколько лет мы стали свидетелями беспрецедентного события: три Нобелевские премии по физике, практически подряд — 2017, 2019 и 2020 гг., — были присуждены за открытия в области астрономии. С чем связан подобный интерес к этой науке?

Такой интерес к астрономии был всегда, ведь это фундаментальная и очень познавательная наука: всех волнует, есть ли жизнь вне Земли и как родилась Вселенная, что такое загадочные черные дыры и нейтронные звезды и т.д. В последние годы астрономия действительно расцвела, потому что появились новые технологии и средства наблюдений, такие как крупные телескопы, системы приема излучения от астрономических объектов, системы обработки, в том числе искусственный интеллект, большие базы данных, анализ и пр. Накопилось некоторое новое качество изучаемого материала за счет всех этих событий, и в итоге мы имеем три Нобелевские премии за исследования в области астрономии.

В 2017 г. была получена Нобелевская премия за открытие гравитационных волн, в 2019 г.— за космологию и открытие экзопланет, то есть планет вокруг других звезд, в 2020 г. — за изучение черных дыр. Последнюю Нобелевскую премию получили Роджер Пенроуз, Андреа Гез и Райнхард Генцель. Теоретик Пенроуз предсказал существование сингулярности в черной дыре — неизбежное существование сингулярности в любом случае, не только в сферически симметричном, но при самых произвольных начальных условиях.

Сингулярность — это, формально говоря, та точка, в которую сколлапсировало в собственной системе отсчета вещество, ставшее материалом для образования черной дыры. Здесь плотность материи так велика, что известные нам законы физики уже не работают. Ученые предполагают, что в сингулярности царят законы квантовой гравитации, которая пока не разработана. Именно из-за таких экстремальных и загадочных свойств материи в сингулярности многие ученые, в том числе и великий Альберт Эйнштейн, не верили в существование черных дыр. Считалось, что сингулярность есть некий артефакт общей теории относительности, который появляется в случае строго сферически симметричного коллапса. Поскольку в реальном мире всегда имеют место некоторые отклонения от сферической симметрии, ученые надеялись избежать появления сингулярностей. Однако Роджер Пенроуз в 1965 г. в своей замечательной работе доказал, что ее появление неизбежно при произвольных начальных условиях, в том числе при значительных отклонениях от сферической симметрии при коллапсе.

Роджер Пенроуз также доказал существование так называемого горизонта событий у черных дыр, который закрывает эту сингулярность от постороннего наблюдателя. После его работ проблема черных дыр стала не сугубо математической, а вполне реальной, то есть черная дыра стала рассматриваться как реальный объект. Как уже отмечалось, даже сам Эйнштейн, создатель общей теории относительности, не верил до конца своей жизни в существование черных дыр: уж слишком необычны свойства этих объектов.

Андреа Гез и Райнхард Генцель, в свою очередь, были награждены Нобелевской премией за измерение массы «сверхмассивного компактного объекта в центре нашей Галактики». Имеется в виду черная дыра, но, как видите. Нобелевский комитет был очень осторожен с формулировкой и оставил маленькую лазейку на случай, если объект окажется кротовой норой. Гез и Генцель наблюдали движение отдельных звезд вблизи центра галактики Млечный Путь. Это очень трудная задача, потому что центр Галактики скрыт от нас межзвездной средой, пылью, газом, то есть он практически невидим в оптических лучах, для его изучения можно использовать только инфракрасный диапазон.

Кроме того, чтобы заметить звезды вокруг сверхмассивной черной дыры в центре Галактики, нужно иметь очень высокое угловое разрешение, ведь звезды вращаются весьма близко к сверхмассивной черной дыре, а земная атмосфера при этом все искажает. Чтобы избавиться от этих атмосферных искажений, ученые применили оригинальную технологию наблюдений, что помогло им изучить орбиты звезд вблизи нашей черной дыры. То есть Гез и Генцель смогли буквально увидеть, как вокруг некоторого абсолютно темного объекта крутятся по почти замкнутым орбитам звезды со скоростями в тысячи километров в секунду. Это стало очень наглядным определением массы сверхмассивной черной дыры, потому что, зная период вращения и размеры орбиты, можно по третьему закону Кеплера точно вычислить значение центральной массы. Оказалось, что для нашей черной дыры она составляет 4,3 млн солнечных масс.

А за что конкретно были присуждены премии предыдущих лет, за 2017 и 2019 гг.?

Нобелевская премия 2017 г. за открытие гравитационных волн подвела итог 50 лет исследований. Гравитационные волны очень трудно зарегистрировать, для этого необходимо использовать новейшие технологии. В этом случае использовались даже разные принципы детектирования гравитационных волн.

Вначале гравитационные волны измеряли с помощью алюминиевых болванок. Затем профессор физического факультета МГУ член-корреспондент АН СССР В. Б. Брагинский выдвинул идею лазерной гравитационно-волновой антенны. Она была опубликована в 1962 г. в работах советских ученых М.Е. Герценштейна и В.И. Пустовойта, учеников В.Л. Гинзбурга. То есть основные идеи были заложены, как часто это бывает, в нашей стране. Но экспериментальная реализация проекта, а она очень дорогостоящая (порядка миллиарда долларов), была осуществлена в США. Экспериментаторам пришлось преодолеть огромные трудности, потому что нужно было измерить очень маленькие смещения пробных тел, зеркал с очень высокой точностью, при этом сильно мешали помехи в виде сейсмологической активности, температурных флуктуаций и т.д. И только высочайшие новые технологии позволили наконец осуществить задуманное. Реализация такого проекта — это вершина человеческих технологий.

С помощью американской Лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) были открыты гравитационные волны от слияния черных дыр в двойных системах. Кстати, сотрудники нашего института В.М. Липунов, К.А. Постнов и М.Е. Прохоров еще в 1997 г. предсказали, что гравитационно-волновая антенна LIGO должна открыть слияние не нейтронных звезд, как ожидалось, а черных дыр. Сегодня это новое направление — изучение черных дыр и нейтронных звезд в момент их последнего вздоха, когда они за счет потери энергии при излучении гравитационных волн сближаются и, наконец, сливаются. Это позволяет проверить общую теорию относительности Эйнштейна во всей ее полноте, в динамике.

Нобелевская премия 2019 г. была присуждена за предсказание неоднородности реликтового фона и за открытие экзопланет. Оказалось, что вокруг далеких звезд движутся планеты, подобные нашим. Уже сейчас открыто несколько тысяч планетных систем вокруг звезд, и среди них встречаются системы, схожие с нашей Солнечной. Открыто несколько десятков планет с температурным режимом, который благоприятствует существованию жизни, там есть жидкая вода и другие подходящие для возникновения жизни условия. Это очень важный подход к проблеме поиска внеземной жизни и внеземных цивилизаций.

Вот за эти гигантские достижения и была присуждена Нобелевская премия по физике за 2019 г., и мы надеемся, что астрономия и дальше будет у всех на слуху, потому что сейчас эта наука переживает самые продуктивные свои годы за всю историю. Например, в нашей стране, в Институте космических исследований РАН, полтора года назад была запущена рентгеновская обсерватория «Спектр — РГ» (СРГ), которая уже два раза отсканировала все небо в рентгеновском диапазоне. Ни у кого в мире сегодня таких данных нет. И она осуществит сканирование еще пять раз, чтобы составить самую богатую и надежную карту рентгеновского неба, на которой будут миллионы источников, миллионы объектов. Надеемся, что будет проверена в том числе и модель загадочной темной энергии, обладающей отрицательной гравитацией.

Астрономия была исключена из школьной программы в 1990-е гг., в 2017 г. ее снова вернули. Почему, на ваш взгляд, важно преподавать астрономию в школе?

Астрономия имеет огромное мировоззренческое значение. Убирать ее из школьной программы, я считаю, было грубейшей ошибкой. Спустя несколько лет после этого опросы ВЦИОМ показали, что 33% населения России считают, что не Земля вращается вокруг Солнца, а Солнце вокруг Земли. Причем когда людей спрашивали, почему они так считают, те отвечали, дескать, мы же видим, как Солнце вращается, значит, оно вращается вокруг Земли. Вот до какого средневекового убожества было доведено наше общество из-за того, что астрономия исчезла из школ!

Восстановление преподавания астрономии в школах было важнейшей задачей, и ученые приложили к этому большие усилия. На тот момент министром науки была О.Ю. Васильева, она пошла нам навстречу и дала указание восстановить астрономию в школе. Но поскольку предмет не преподавался в течение 15 лет, то пропали и учителя астрономии! В педагогических вузах прекратилась подготовка учителей астрономии для школы, все учебники устарели. Поэтому нам пришлось создавать учебники заново. Профессора ГАИШа В. Засов, К.А. Постнов, В.Г. Сурдин написали ряд учебников нового поколения для школ и университетов. И только сегодня, несмотря на то что астрономию в школе возродили несколько лет назад, мы можем говорить о том, что ее преподавание достигло должного качества. Мы надеемся, что это приведет к повышению культурного уровня нашего населения, и слова о том, что Солнце вращается вокруг Земли, будут восприниматься лишь как шутка.

В последние годы очень много астрономических данных приходит из самых разных обсерваторий — наземных и космических. Успевают ли теоретики обрабатывать весь этот массив информации, хватает ли сегодня теоретических моделей, чтобы описать получаемые наблюдательные данные?

Это актуальный для нас вопрос. Еще в начале 2000-х гг. нобелевский лауреат Риккардо Джаккони, открывший рентгеновский источник Лебедь Х-1, говорил, что главная проблема сегодняшней астрономии — не получение наблюдательных данных, а их физическая интерпретация; не хватает мозгов, чтобы осмыслить тот огромный объем информации, который приходит от новейших телескопов.

В нашем институте работает система под названием «Мастер». Руководит ею профессор В.М. Липунов. Это восемь двойных телескопов, расположенных в разных частях земного шара, в том числе за границей. Такая система обозревает небо буквально за несколько суток — это миллионы объектов, за которыми нужно следить, сигналы от которых нужно обрабатывать; и только современные мощные компьютеры с возможностью параллельного программирования позволяют справляться с этими наблюдательными данными. Это так называемая наука о больших данных (big data), где используется искусственный интеллект. Сегодня в ГАИШе молодежь занимается именно разработкой программ ИИ, потому что из миллионов астрономических объектов выбрать вручную объекты с искомыми свойствами просто невозможно. Для этого нужно подключать обучающийся компьютер, который по некоторым заданным признакам ищет те или иные пекулярные объекты и параллельно совершенствует методику поиска. Именно благодаря компьютеризации тот гигантский объем информации, который сейчас мы получаем на современных астрономических телескопах, может быть обработан. Тем не менее физическая интерпретация сильно отстает от объема наблюдательных данных. Это дело будущей молодежи.

Сейчас очень много внимания уделяется изучению черных дыр. Известно ли, что находится в центре черной дыры?

Хороший вопрос, ведь именно за эту работу английский астрофизик Роджер Пенроуз получил Нобелевскую премию в прошлом году. Как мы уже отмечали в начале нашего разговора, он теоретически доказал, что когда происходит неограниченное сжатие большой массы вещества, это приводит к сингулярности, то есть к точке, где формально бесконечно большая плотность. На самом деле там не бесконечно большая плотность, а должна уже работать квантовая гравитация, потому что теория, которой пользовался Пенроуз, — это общая теория относительности, а она не квантовая, а классическая: там есть классическое понятие траектории и т.д. Зато в квантовой физике понятия траектории нет, там есть только волновая функция. Поэтому квантовая теория и квантовая механика с общей теорией относительности пока еще не совмещены.

С точки зрения общей теории относительности Роджер Пенроуз доказал, что при произвольных начальных условиях неизбежно должна возникнуть вот эта формально бесконечная плотность, сингулярность, где работают законы квантовой гравитации. И мы пока еще не знаем, что творится в этой сингулярности. Но известно, что, согласно общей теории относительности, при любом достаточно сильном сжатии массивного тела должна образоваться сингулярность, которая покрыта так называемым горизонтом событий, то есть она для нас недоступна. Именно поэтому Пенроуз выдвинул идею космической цензуры: природа должна избегать того, чтобы мы могли напрямую наблюдать «голые» сингулярности. Таким образом, каждая сингулярность должна быть окружена поверхностью, называемой горизонтом событий, благодаря которому мы не можем увидеть сингулярность. Повторюсь: все, что находится под горизонтом событий, недоступно для внешнего наблюдателя. Так что комбинация горизонта событий и сингулярности в центре и есть черная дыра.

Что касается горизонта событий, то сейчас мы уже имеем практические доказательства того, что черная дыра, по крайней мере в центре ядра галактики М87, имеет так называемую фотонную сферу, у которой радиус всего в полтора раза больше радиуса горизонта событий. Это значит, что уже практически доказано, что черные дыры действительно обладают уникальными особенностями, такими как горизонт событий. Это большой прогресс.

Я думаю, следующая Нобелевская премия может быть присуждена после получения изображения тени от черной дыры в центре нашей Галактики, которое станет доказательством того, что не только у сверхмассивной черной дыры в центре галактики MS7, но и у нашей черной дыры в центре Галактики имеется фотонная сфера.

Мы как наблюдатели не способны заглянуть за пределы нашей Вселенной, посмотреть на нее со стороны. Тогда, образно говоря, получается, что с точки зрения внешнего наблюдателя наша Вселенная — это черная дыра? А возможно ли в действительности возникновение жизни в черной дыре?

Согласно современным представлениям, наша Вселенная возникла из первичного сингулярного состояния. Затем началось сильное экспоненциальное расширение, увеличение масштабного фактора пространства. Буквально за 10^-36 с радиус Вселенной возрос в огромное число раз. Потом эта так называемая инфляционная стадия перешла в стадию расширения нашей Вселенной по степенному закону, родилась материя. Если на этапе инфляционной стадии было только скалярное поле, то после нее уже начали рождаться кварки, глюоны, протоны, нейтроны и т.д. Сейчас мы, по-видимому, живем во Вселенной, которая образовалась из сингулярности. Это тоже гипотеза.

В последние годы стала набирать популярность иная гипотеза, согласно которой сингулярности не было, а были периоды расширения и сжатия Вселенной. Так, Вселенная сжимается до очень плотного состояния (но конечного), потом она расширяется, затем опять сжимается. Это уже область исследований теоретиков. Хотя я как астроном больше склоняюсь к гипотезе о том, что все мы произошли из сингулярности. В модели пульсирующей Вселенной есть проблема возрастания энтропии при многократном сжатии, которая пока окончательно не решена. Упомянутый Роджер Пенроуз, а также Стивен Хокинг, предсказавший испарение черных дыр, известны как приверженцы подобной гипотезы: они строили модели формирования Вселенной из сингулярности.

Если в черную дыру падает слишком много вещества, то она начинает испускать релятивистский коллимированный выброс (джет) — поток материн, несущийся в примерно со скоростью света, приводящий к катастрофическим последствиям для всего, что окажется поблизости. Для черной дыры в центре нашей Галактики такой сценарий возможен или там недостаточно вещества?

Все верно. Если на черную дыру падает очень много вещества, то энергия, которая выделяется при этом падении, очень велика — пропорциональна темпу аккреции (падения вещества). Чем выше этот темп, тем больше энергия, выше температура, больше рождается излучения. Это излучение начинает отталкивать вещество, происходит авторегулировка: гравитация притягивает вещество, а тот свет, то излучение, которое рождается при высокой температуре, действует на это падающее вещество, останавливая и даже отталкивая его. Поэтому у галактик с большим темпом аккреции, где очень много звезд, газа, пыли в центре около черной дыры, идет мощная аккреция, очень большое энерговыделение. Давление излучения разгоняет газ перпендикулярно плоскости аккреционного диска в виде так называемого звездного ветра. Кроме того, как вы и сказали, рождаются релятивистские выбросы со скоростями, близкими к скорости света. И вся эта масса, несущаяся навстречу внешнему пространству галактики, сметает газ, нагревает его, изменяет его характеристики, плотность и влияет на темп звездообразования в галактике.

Есть такое понятие, как коэволюция — взаимная эволюция ядра галактики и самой галактики. При слабой коэволюции сама галактика поставляет вещество на черную дыру, чтобы обеспечить аккрецию. А при сильной коэволюции не только галактика влияет на черную дыру, поставляя вещество, но и сама черная дыра влияет на эволюцию внешних частей галактики. Такая сильная коэволюция, видимо, имела место и в нашей Галактике, где были обнаружены так называемые пузыри Ферми — некоторые протяженные квазисферические образования, связанные с центром нашей Галактики с двух сторон плоскости Галактики, которые излучают в гамма-диапазоне спектра. Недавно с борта космической обсерватории СРГ подобные пузыри в нашей Галактике были открыты и в рентгеновском диапазоне спектра. Сейчас ядро нашей Галактики спокойное. Рентгеновская светимость ядра нашей Галактики маленькая, вещества там мало, только отдельные звездочки крутятся. Но наличие пузырей Ферми указывает, что ранее в истории нашей Галактики было время, когда на сверхмассивную черную дыру в ее центре падало очень много вещества и она была в активной фазе.

Есть ли какие-то ограничения по количеству вещества, которое черная дыра может поглотить?

За счет того, что на черную дыру падает вещество, ее масса растет. При этом радиус черной дыры пропорционален массе, то есть чем больше масса, тем больше радиус. Приведу несколько примеров, чтобы вы представляли себе размеры и массы черных дыр. Чему будет равен размер черной дыры, скажем, массы планеты Земля? Это будет черная дыра размером чуть менее сантиметра. Если бы Солнце было черной дырой, то его радиус составлял бы 3 км. Черная дыра в центре нашей Галактики равна примерно 4 млн масс Солнца и 17 радиусам нашего Солнца. Поэтому если на черную дыру идет аккреция, то есть выпадение вещества (звезд, газа, пыли), то масса черной дыры и ее размер растут.

Черная дыра может поглотить сколько угодно вещества, причем не только за счет того, что ее размер растет, но и потому, что объем черной дыры равен бесконечности: из-за огромной кривизны пространства-времени. Поэтому если вы попали внутрь черной дыры, то, как предполагают, сможете путешествовать по другим Вселенным, ведь пространства внутри черной дыры бесконечно много! И все вещество, которое в нее попадает, спокойно может там поместиться, но потом оно неизбежно упадет в сингулярность в сопутствующей системе отсчета. Но внешнему удаленному наблюдателю будет казаться, что вещество на черную дыру будет падать бесконечно долго, поскольку для удаленного наблюдателя ход времени на горизонте событий черной дыры останавливается.

Черные дыры — очень непростые, поистине удивительные объекты. Они дают нам новые фундаментальные представления о пространстве-времени, их изучение имеет огромное познавательное значение.

Анатолий Михайлович, а что еще, помимо необычных свойств черных дыр, вас как астронома с многолетним стажем удивляет в нашей Вселенной?

Больше всего меня поражает и даже вызывает ощущение восторга тот факт, что наша Вселенная, несмотря на ее гигантскую сложность, познаваема, и в этом смысле черные дыры — вызов для науки. Сингулярность в центре черной дыры окружена горизонтом событий, и будет ли придуман когда-нибудь эксперимент, позволяющий увидеть эту сингулярность, мы не знаем. Сингулярности в недрах черных дыр кажутся непознаваемыми, но мы, несмотря на эту трудность, уже смогли теоретически проникнуть внутрь черной дыры и предсказать, что там может находиться.

А ведь когда-то черные дыры существовали только на бумаге…

Именно! Помню, у нас в ГАИШе в 1960-х гг. проходил объединенный астрофизический семинар, руководителем которого был академик Я.Б. Зельдович, известный энтузиаст в области исследования черных дыр, как и И.Д. Новиков — пионер в этой области. Вместе они делали доклад про черные дыры, я тогда был еще аспирантом, и мне на тот момент это казалось некой математической абстракцией, которая не имеет никакого отношения к действительности. Как видите, прошло около полувека — и выяснилось, что все это правда.

Кстати, то же самое можно сказать и про кротовые норы. Сейчас в них большинство физиков не верят, ведь нужна очень экзотическая материя для того, чтобы создать такой туннель в пространстве-времени. Пока люди убеждены в том, что столь экзотическая материя не может существовать. Но ведь 50 лет назад и черные дыры казались экзотикой! Поэтому не исключено, что через полвека и кротовые норы уже будут считаться классическими объектами Вселенной.

Недавно родилась новая наука, которая называется «демография черных дыр». Она изучает рождение, образование черных дыр, рост за счет аккреции, их эволюционную связь со звездами, галактиками, скоплениями галактик. Как видите, Нобелевская премия 2020 г. увенчала эту науку некоторым признанием. То есть черные дыры наконец завоевали права гражданства среди всех объектов — звезд, галактик и т.д., — даже несмотря на свою чудовищную странность. Сегодня ученые вынуждены мириться с этой странностью и как-то подстраиваться под нее, пытаться ее понять и, возможно, использовать для дальнейшей жизни в далеком будущем. Вы знаете, что из вращающейся черной дыры можно извлекать энергию, что она может служить электрогенератором? Для этого нужно создать вращающуюся черную дыру в лаборатории. Но это, конечно, перспективы далекого будущего, а сейчас — только общая идея. Кстати, впервые такую идею высказал все тот же Пенроуз.

Как умирают черные дыры? Или они могут жить вечно?

Стивен Хокинг предсказал, что черные дыры должны уменьшать свою массу из-за квантового испарения. О чем идет речь? Вблизи горизонта событий рождаются частицы, и они уносят энергию/массу в виде излучения, поэтому черная дыра все же уменьшает массу, но очень медленно. Для черной дыры солнечной массы, например, время этого квантового испарения во много раз больше космологического времени, то есть времени жизни нашей Вселенной. Поэтому крупные черные дыры типа звездных черных дыр, сверхмассивных черных дыр в ядрах галактик можно считать практически постоянными, так как у них масса почти не меняется. Однако черные дыры сравнительно малой массы (меньше, чем 10^1бг, это примерная масса средней горы) успевают испариться за время, меньшее 14 млрд лет, то есть за время, меньшее времени жизни нашей Вселенной. И что останется в конце этого уменьшения в конце их испарения, теоретики до сих пор точно сказать не могут: то ли черная дыра полностью испарится до нуля, то ли останется какой-то экзотический объект, остаток этого испарения. Черные дыры, как я уже говорил, действительно теоретически со временем уменьшают свою массу. Но такая потеря массы существенна лишь для объектов малой массы, порядка или менее массы средней горы. А остальные черные дыры можно считать практически вечными.

Вы были директором Государственного астрономического института им. П.К. Штернберга более 30 лет. Какие достижения ГАИШ вы можете отметить как самые яркие?

Наш институт внес большой вклад в космические исследования. Например, именно в ГАИШе был создан первый полный глобус Луны. Известно, что Луна обращена к нам лишь одной стороной, поскольку периоды осевого и орбитального обращения для нее совпадают. В 1959 г. советский космический аппарат «Луна-3» впервые в истории сфотографировал обратную сторону спутника Земли. Тогда же С.П. Королев поручил нашему институту создать глобус с полной картой поверхности Луны. И такая карта была нами выполнена, она имела на тот момент большое научное значение, а сейчас — скорее историческое, популяризаторское.

Важный вклад в космическую науку внес основатель нашего отдела радиоастрономии член-корреспондент АН СССР И.С. Шкловский. Он получил в свое время Ленинскую премию за концепцию искусственной кометы.

Наконец, наша группа небесных механиков — Е.П. Аксенов. Е.А. Гребеников. Г.Н. Дубошин и Ю.А. Рябов— получила Государственную премию СССР за разработку теории движения искусственных спутников Земли. Это было в 1970-е гг.

Еще мы гордимся тем, что у нас в ГАИШ был создан отдел релятивистской астрофизики, которым руководил академик Я.Б. Зельдович. Сейчас вместо него отделом заведует выдающийся ученый Н.И. Шакура — лауреат Государственной премии РФ и один из авторов теории аккреционных дисков, лежащей в основе современной теории рентгеновских двойных систем. Теория аккреции (падения вещества на черную дыру) была развита в нашем институте в упомянутом отделе релятивистской астрофизики.

Список достижений можно продолжать, но лучше поговорим о том, что происходит сейчас. Сегодня для нас очень важно, что в космосе, в точке Лагранжа L2 в 1.5 млн км от Земли, работает российская обсерватория СРГ. Руководитель этого уникального космического эксперимента — академик Р.А. Сюняев. Обсерватория регулярно открывает миллионы рентгеновских источников, но нужна оптическая поддержка, то есть эти рентгеновские источники нужно идентифицировать с оптическими объектами и их тоже наблюдать. Недавно мы с ректором МГУ академиком В.А. Садовничим добились создания новой обсерватории на Кавказе, вблизи Кисловодска, с телескопом диаметром 2,5 м. Он уже запущен, и на нем ведутся оптические наблюдения рентгеновских источников, которые открыты на обсерватории СРГ. Это очень перспективная работа.

Кроме того, группа наших молодых ребят начала включаться в разработку алгоритмов искусственного интеллекта. Суть в том, чтобы не просто писать работы по отдельным объектам, а изучать большие массивы данных и за счет нового качества получать очень интересные астрофизические результаты. У нас уже защищена докторская диссертация на эту тему, есть несколько кандидатских.

Мы участвуем также в международной программе создания виртуальной обсерватории. Все наблюдательные данные, которые получены в мире, унифицированы и выложены в интернет. Вам не нужно вести наблюдения на телескопе — вы можете загрузить компьютерную программу в международную базу данных, провести выборку интересующих вас сведений, осуществить их необходимую обработку и даже интерпретацию, например, с помощью алгоритмов ИИ, и скачать окончательные результаты в компьютер, а затем проанализировать их. Это еще одна новая область науки, которая развивается в нашем институте.

Искусственная чёрная дыра помогла визуализировать искривление света // Смотрим

Пластик давно заменил многие привычные материалы вроде дерева, кожи или металла. Теперь этот символ всего искусственного помог учёным сотворить пластиковую чёрную дыру. Благодаря построенной модели исследователи смогли проверить свои представления о поведении света в области фотонной сферы.

В современном мире господствует пластик. На протяжении последних десятилетий это вещество заменило многие привычные материалы вроде дерева, кожи или металла. Постепенно пластиковыми становились одежда, мебель, технические узлы и детали, строительные материалы и даже оружие. Теперь этот символ всего искусственного помог учёным сотворить пластиковую… чёрную дыру.

Причиной создания столь сложного и пока малопонятного объекта было желание исследователей имитировать влияние гравитации чёрной дыры на свет, проходящий через так называемую фотонную сферу (photon sphere). Фотонная сфера — это сферическая область пространства, где гравитация столь велика, что заставляет фотоны двигаться по орбитам.

Как известно, космические чёрные дыры обладают колоссальной силой притяжения. Учёным интересно узнать, что происходит близ горизонта событий, где искривляются не только лучи, но и пространство-время. (Радиус фотонной сферы чуть больше, чем у горизонта событий, поэтому частицы света не затягивает к центру вселенской «пожирательницы».)

Чтобы визуализировать этот процесс и сымитировать происходящее в космосе в меньшем масштабе, учёные добавили в расплавленное акриловое стекло квантовые точки. Это крошечные «капли» полупроводника, которые под воздействием света начинают флуоресцировать. Затем смесь налили на вращающуюся кварцевую пластину, заставив её растечься по ней. В центр «чёрной дыры» как якорь была помещена микроскопическая сфера из полистирола. Она заставляла смесь на пластине располагаться таким образом, чтобы толщина слоя снижалась по мере удаления к краям кварцевой подложки.

В результате инженеры получили модель, в которой изменение показателя преломления света в акриловом материале соответствовало изменению кривизны пространства близ настоящей чёрной дыры.

Визуализировать движение света близ фотонной сферы удалось при помощи лазерной подсветки. Ближе к полистироловой сфере преломление было таковым, что лазерные лучи закольцовывались, образуя окружность. В то же время наиболее удалённые от центра лучи изгибались, точно задеваемые гравитационным полем чёрной дыры.

Этот эффект, называемый гравитационная линза широко используется в астрономии. Благодарю ему, исследователи узнают о многих удалённых от Солнечной системы объектах, таких как экзопланеты.

«Наблюдаемый нами эффект аналогичен тому как искривляется пространство вокруг чёрной дыры и соответствует проделанным ранее расчётам», — говорит профессор Лю Хуэй (Hui Liu) из университета Нанкина.

Вообще, учёные благодаря полученной модели увидели многие знакомые гравитационные эффекты, описанные на бумаге при помощи уравнений Эйнштейна.

Профессор Хуэй добавил, что хотя эта модель задумывалась как один из экспериментов вокруг общей теории относительности, полученные знания имеют и некоторое практическое применение. В частности любопытная способность материала абсорбировать свет может пригодиться при совершенствовании новых солнечных батарей.

Конечно, это не первая модель чёрной дыры — ранее имели место попытки имитации отдельных процессов, связанных с таинственным изучением Хокинга. Однако подобные исследования фотонной сферы ранее не проводились.

Также по теме:
Вселенная могла произойти от одной гигантской чёрной дыры
Земной аналог чёрных дыр обнаружен в океане
Микроскопическую сферу заставили вращаться с рекордной скоростью
Наша Вселенная может быть искривлённой, а не плоской
Пульсар помог определить мощность магнитного поля сверхмассивной чёрной дыры Галактики

(6)

Очевидно, первый член растет по величине, а второй уменьшается, причем константы \ (\ delta _1 \) и \ (\ delta _ {- 1} \) определяют, в каком режиме каждый член доминирует. Константы задаются начальными условиями траектории, которые будут обсуждаться далее в разделе «Линейная устойчивость». Обратите внимание, что двойная экспоненциальная форма должна ожидаться, поскольку равновесное решение является седловой точкой.

Интуиция через многообразия

Альтернативный взгляд на эти экспоненциальные решения находится в фазовом пространстве уравнения.2} \)). Траектории, оканчивающиеся в точке \ (u = 1 \) (т.е. \ (r = R_s \)), представляют собой лучи света, достигающие горизонта событий, в то время как бесконечность находится в точке \ (u = 0 \). Большинство траекторий пересекают фотонную сферу с лучевыми скоростями, но если \ (\ frac {d u} {d \ phi} = 0 \) на фотонной сфере, то фотон будет оставаться на своей круговой орбите неопределенное время. Таким образом, орбиты на фотонной сфере представляют собой фиксированную точку в фазовом пространстве.

Полный (слева) и увеличенный (справа) портрет в фазовом пространстве для световых траекторий, подчиняющихся уравнению.(3) с окраской стрелок, указывающей величину изменения (более яркие оттенки подразумевают более длинные векторы). \ (u = 1 \) — горизонт событий, \ (u = 0 \) — бесконечность, а \ (u = \ frac {2} {3} \) — на фотонной сфере. Если \ (u = \ frac {2} {3} \) и \ (\ frac {d u} {d \ phi} = 0 \), фотоны находятся на круговой орбите, поэтому это представляет собой фиксированную точку. Примечательно, что это не стабильная фиксированная точка, поскольку отклонения в целом будут расти. Нарисованы устойчивые и неустойчивые коллекторы, которые в увеличенном варианте имеют приблизительно линейный вид.Устойчивое многообразие, очевидно, представляет собой сепаратрису между начальными условиями траекторий, которые пересекут горизонт событий или будут выброшены на бесконечность. Таким образом, устойчивое многообразие эквивалентно оптическому краю черной дыры.

Набор начальных условий, которые сходятся к фотонной сфере (которая называется стабильным многообразием), обозначен синей линией. Фотоны на этой траектории будут асимптотически приближаться к фотонной сфере. Наоборот, неустойчивое многообразие (т.е. набор начальных условий, которые достигают фиксированной точки для \ (\ phi \ rightarrow — \ infty \)), отображается красным цветом. Симметрия между стабильными и нестабильными многообразиями, видимыми в фазовом пространстве, обусловлена ​​метрикой Шварцшильда и, следовательно, уравнением (14) не зависит от направления времени. 2 <| \ delta | \), см.(5)) зависимость становится примерно линейной. Важно отметить, что вокруг фотонной сферы есть два набора собственных векторов. Первое с собственным значением \ (- 1 \) (экспоненциально приближающийся член) и неустойчивое многообразие с собственным значением \ (+ 1 \) (экспоненциально расходящийся член). Таким образом, фазовое пространство четко следует интуиции уравнения. (6).

Различные знаки собственных значений доказывают, что неподвижная точка является седловой точкой. Седловая точка по своей природе нестабильна, поскольку возмущение от фотонной сферы обычно приводит к экспоненциальной расходимости.{\ gamma n} \) для каждой половины орбиты n. Здесь показатель Ляпунова \ (\ gamma \) [согласно определению Джонсона ¹¹ ] характеризует неустойчивость связанной орбиты относительно полуорбиты n. Таким образом, для случая Шваршильда для фотонной сферы \ (\ gamma = \ pi \).

Наконец, обратите внимание, что собственные значения вокруг фиксированной точки в и также являются собственными значениями для r как \ (\ frac {\ partial u} {\ partial \ phi} = u \ Rightarrow \ frac {\ partial r} {\ partial \ phi} = -r \).{\ phi} \) доминирует, и свет излучается в бесконечность. Если бы \ (\ delta _ {1} \) имел противоположный знак, то \ (\ frac {du} {d \ phi} \) оставался бы отрицательным, поэтому угол пересечения был бы на последней орбите фотона, после чего свет будет экспоненциально расходиться от фотонной сферы к черной дыре. Любопытно, что это означает, что угол, охватываемый лучом вокруг черной дыры перед фотонной сферой, аналогичен углу, охватываемому лучом от фотонной сферы к горизонту событий.

Примечательно, что световой луч на траектории точно на краю тени черной дыры (т.е. \ (\ delta _0 = 0 \)) — решение, которое экспоненциально приближается к фотонной сфере на неопределенное время, поскольку оно не расходится ни к черной дыре, ни к фоновой Вселенной. Отсюда следует, что сходящаяся экспонента и в расширении \ (\ delta _ {- 1} \) должны быть независимыми от \ (\ delta _ {0} \). Вместо этого \ (\ delta _ {- 1} \) устанавливается приблизительным расстоянием, на котором выполняется линеаризованное выражение (\ (\ delta _ {- 1} \ приблизительно 1 \)). Любые отклонения от критического прицельного параметра, \ (\ delta _0 \ ne 0 \), будут расти экспоненциально, что означает, что \ (\ delta _1 \) (расходящаяся экспонента) устанавливается в \ (\ delta _0 \).{-16} \) и \ (\ delta _ {- 1} \ приблизительно 1 \). Для \ (u-u_ {eq} \ приблизительно 1 \) линеаризованное решение больше не выполняется.

Хотя вывод применим только в линеаризованном режиме, последствия выходят за пределы непосредственного окружения фотонной сферы, так как полное отклонение света может определяться угловым вращением, в то время как фотоны находятся в линеаризованном режиме. При исследовании полного угла отклонения или угла поворота света (как показано на «Моделируемых орбитах») мы решаем траектории для света, удаляющегося от \ (u_ {eq} \), где расходящаяся экспонента должна доминировать.{\ pi} \) для каждой дополнительной орбиты, поскольку угол пересечения задается пересечением двух экспоненциальных членов. Точно так же для света, пересекающего фотонную сферу, угол, проходящий от горизонта событий к фотонной сфере, аналогичен углу, проходящему от фотонной сферы к наблюдателю, поскольку угол пересечения по-прежнему определяется пересечением.

Можем ли мы решить информационный парадокс черной дыры с помощью «фотонных сфер»?

черные дыры так же просты, как кажутся, или в их истории есть нечто большее?

Теории, которые пытаются разрешить так называемый информационный парадокс черной дыры, предсказывают, что черные дыры намного сложнее, чем предполагает общая теория относительности.Будущие наблюдения фотонных сфер — закрученных световых полос по краям черных дыр — смогут проверить эти теории.

Информационный парадокс

Согласно общей теории относительности Альберта Эйнштейна , черные дыры на удивление просты. Если вы знаете массу, заряд и вращение черной дыры, вы знаете все, что нужно знать о ней. Фактически, черные дыры — одни из самых простых и понятных персонажей во Вселенной.

Но эта кажущаяся простота порождает тревожный парадокс.В 1970-х годах знаменитый астрофизик Стивен Хокинг понял, что черные дыры не совсем черные. Вместо этого они испускают излучение посредством тонкого квантово-механического процесса, действующего на их горизонте событий или границах черных дыр, откуда ничто, даже свет, не может уйти.

Поскольку черные дыры настолько просты и могут быть описаны только тремя числами, вся информация о материале, попадающем в черные дыры, кажется, навсегда заперта. Неважно, построите ли вы черную дыру из мертвых звезд и межзвездной пыли или черную дыру из кошек; пока эти две черные дыры имеют одинаковые спин, массу и заряд, они будут идентичны.

Согласно оригинальной формулировке Хокинга процесса излучения, это излучение не несет с собой никакой информации. Но когда черная дыра испускает излучение, оно испаряется и в конечном итоге полностью исчезает — отсюда так называемый информационный парадокс черной дыры. Если сгусток информации попадает в черную дыру, и информация не может быть уничтожена, то, когда черная дыра исчезает, куда девается вся информация?

Видео: Ученые обнаружили скопление черных дыр в центре шарового скопления

Взгляните на свет

За последние несколько десятилетий было много попыток разрешить информационный парадокс.Некоторые из этих предложений включают расширение наших знаний об общей теории относительности. Некоторые из них включают попытки объединить общую теорию относительности с нашим пониманием квантовой механики. А некоторые просто странные.

Однако пока все попытки разрешить информационный парадокс бездоказательны. Наблюдать за черными дырами напрямую очень сложно, поскольку мы обычно видим их только тогда, когда они взаимодействуют с окружающей средой (обычно путем проглатывания больших сгустков газа или пыли) или когда они сливаются и испускают гравитационные волны .

Но все изменилось в 2019 году, когда глобальная сеть телескопов, известная как Event Horizon Telescope, совместно работала над получением единственного изображения M87 * , сверхмассивной черной дыры в центре галактики Дева.

Этот образ поразительный и запоминающийся. Темная пустота в центре — это тень, отбрасываемая горизонтом событий черной дыры, предотвращающая проникновение света за черной дырой. И эта пустота окружена призрачным световым кольцом, излучаемым перегретой плазмой, окружающей черную дыру.

Огненное кольцо

Что это изображение может рассказать нам об истинной природе горизонтов событий черной дыры?

Горизонт событий самой черной дыры намного меньше ее тени; тень кажется такой большой из-за крайнего искривления пространства возле черной дыры. И где-то между этим горизонтом событий и краем тени находится интересная особенность, которая также является результатом экстремального искривления пространства: фотонная сфера. Фотонная сфера — это область рядом с черной дырой, где гравитация настолько сильна, что сам свет может вращаться вокруг черной дыры.

Орбиты в этой области нестабильны; фотоны могут несколько раз обогнуть черную дыру, но они не останутся навсегда. В конце концов, они вытечь наружу, образуя тонкое видимое световое кольцо вокруг черной дыры.

В классической общей теории относительности эта фотонная сфера настолько тонка, что почти не существует и слишком тусклая, чтобы ее можно было увидеть на изображении M87 *, полученном телескопом Event Horizon.

Теперь группа исследователей исследовала свойства фотонной сферы в теориях, которые пытаются разрешить информационный парадокс черной дыры.Они обнаружили, что некоторые сложные теории горизонтов событий черной дыры влияют на окружающую среду, включая фотонную сферу. В некоторых из этих теорий фотонная сфера может быть намного шире и, тем самым, ярче для удаленных наблюдателей, — написала команда в статье, недавно опубликованной в базе данных препринтов arXiv .

Несмотря на изменения, различия в фотонных сферах между классической теорией относительности и предсказаниями этих экзотических моделей все еще слишком малы, чтобы их можно было увидеть с помощью телескопа Event Horizon.Но невероятное изображение, полученное этим телескопом, не будет последним снимком черной дыры, который мы сделали. Будущие попытки изучить M87 * и другие сверхмассивные черные дыры позволят получить изображения с более высоким разрешением. Если мы сможем разрешить фотонное кольцо, изучение его ширины и яркости даст нам ключ к разгадке природы горизонта событий и, в конечном итоге, как разрешить информационный парадокс черной дыры.

Узнайте больше, послушав серию «Можем ли мы действительно терраформировать Марс?» в подкасте «Спроси космонавта», доступном в iTunes и в Интернете по адресу http: // www.askaspaceman.com. Задайте свой вопрос в Twitter, используя #AskASpaceman, или подписавшись на Paul @PaulMattSutter и facebook.com/PaulMattSutter.

Теория струн раскрывает тайну того, как частицы ведут себя за пределами фотонной сферы черной дыры — ScienceDaily

Статья директора Института физики и математики Вселенной (Кавли ИПМУ) Оогури Хироси и научного сотрудника проекта Мэтью Додельсона о теории струн Эффекты вне фотонной сферы черной дыры были выбраны для «Предложения редакции» журнала Physical Review D. Их статья опубликована 24 марта 2021 года.

В квантовой теории точечных частиц фундаментальной величиной является корреляционная функция, которая измеряет вероятность распространения частицы из одной точки в другую. У корреляционной функции появляются особенности, когда две точки соединяются светоподобными траекториями. В плоском пространстве-времени есть такая уникальная траектория, но когда пространство-время искривлено, может быть много светоподобных траекторий, соединяющих две точки.Это результат гравитационного линзирования, которое описывает влияние искривленной геометрии на распространение света.

В случае пространства-времени черной дыры есть светоподобные траектории, несколько раз обвивающие черную дыру, в результате чего образуется фотонная сфера черной дыры, как это видно на недавних изображениях сверхмассивной черной дыры, сделанных телескопом Event Horizon (EHT). дыра в центре галактики M87.

Выпущенные 10 апреля 2019 года, изображения EHT Collaboration запечатлели тень черной дыры и ее фотонную сферу, а также окружающее ее световое кольцо.Фотонная сфера может возникать в области черной дыры, где свет, попадающий в горизонтальном направлении, может быть вынужден гравитацией перемещаться по различным орбитам. Эти орбиты приводят к особенностям вышеупомянутой корреляционной функции.

Однако бывают случаи, когда особенности, порождаемые траекториями, многократно обвивающими черную дыру, противоречат физическим ожиданиям. Додельсон и Оогури показали, что такие особенности разрешаются в теории струн.

В теории струн каждая частица рассматривается как определенное возбужденное состояние струны.Когда частица движется по почти светоподобной траектории вокруг черной дыры, искривление пространства-времени приводит к приливным эффектам, которые растягивают струну.

Додельсон и Оогури показали, что если принять во внимание эти эффекты, сингулярности исчезают в соответствии с физическими ожиданиями. Их результат свидетельствует о том, что последовательная квантовая гравитация должна содержать протяженные объекты, такие как струны, в качестве степеней свободы.

Оогури говорит: «Наши результаты показывают, как усиливаются эффекты теории струн вблизи черной дыры.Хотя обнаруженные нами эффекты недостаточно сильны, чтобы иметь наблюдаемые последствия на изображении черной дыры ETH, дальнейшие исследования могут показать нам способ проверить теорию струн с использованием черных дыр ».

История Источник:

Материалы предоставлены Институтом физики и математики Вселенной им. Кавли . Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.

Физик-теоретик выяснил, как Вселенная отражается возле черной дыры | Астрономия, Физика

Черные дыры — это известные компактные объекты, пути света в которых сильно искривлены из-за кривизны пространства-времени.Хотя сам свет не может покинуть центральную массу на горизонте событий, на более дальних расстояниях свет может вращаться вокруг черной дыры. Это явление может позволить удаленному наблюдателю увидеть несколько версий одного и того же объекта. Хотя это было известно в течение многих лет, только сейчас физики-теоретики имеют точное математическое решение.

Из любого места за пределами горизонта событий черной дыры есть бесконечное количество траекторий света к наблюдателю; каждый из этих путей отличается числом орбит, вращающихся вокруг черной дыры, и их близостью к орбите последнего фотона.Изображение предоставлено: Sci-News.com / Zdeněk Bardon / ESO.

«Далекая галактика светит во всех направлениях — часть ее света приближается к черной дыре и слегка отклоняется; какой-то свет подходит еще ближе и огибает дыру за один раз, прежде чем уйти к нам, и так далее », — сказал Альберт Снеппен, студент Центра космической зари и Института Нильса Бора при Университете Копенгагена.

«Глядя около черной дыры, мы видим все больше и больше версий одной и той же галактики, чем ближе к краю дыры, которую мы ищем.”

«Насколько близко к черной дыре нужно смотреть с одного изображения, чтобы увидеть следующее? Результат известен уже более четырех десятилетий, и его было около 500 раз ».

«Вычислить это настолько сложно, что до недавнего времени у нас еще не было математической и физической интуиции относительно того, почему это именно такой фактор».

С помощью простого численного и аналитического решения с отклонениями Снеппену удалось доказать, почему.

«Есть что-то фантастически красивое в понимании того, почему изображения повторяются таким элегантным образом», — сказал он.

«Вдобавок ко всему, это дает новые возможности проверить наше понимание гравитации и черных дыр».

Свет от фоновой галактики облетает черную дыру все большее количество раз, чем ближе он проходит через дыру, и поэтому наблюдатель видит одну и ту же галактику в нескольких направлениях. Изображение предоставлено Питером Лаурсеном.

Новый метод также можно обобщить на вращающиеся черные дыры.

«Оказывается, когда черная дыра вращается очень быстро, вам больше не нужно приближаться к ней в 500 раз, а значительно меньше», — сказал Снеппен.

«Фактически, каждое изображение теперь всего на 50, или 5, или даже всего в два раза ближе к краю черной дыры».

Необходимость смотреть в 500 раз ближе к черной дыре для каждого нового изображения означает, что изображения быстро «сжимаются» в одно изображение.

«На практике многие изображения будет трудно наблюдать», — сказал он.

«Но когда черные дыры вращаются, появляется больше места для дополнительных изображений, поэтому мы можем надеяться подтвердить теорию наблюдениями в не столь отдаленном будущем.”

«Таким образом, мы можем узнать не только о черных дырах, но и о галактиках, стоящих за ними».

«Время прохождения света увеличивается, чем больше раз ему приходится обходить черную дыру, поэтому изображения становятся все более запаздывающими».

«Если, например, звезда взорвется как сверхновая в галактике на заднем плане, можно будет видеть этот взрыв снова и снова».

Исследование опубликовано в журнале Scientific Reports .

_____

А.2 \ le 1 \). Для случая \ (\ alpha> 0 \) есть два горизонта, а для случая \ (\ alpha <0 \) есть только один единственный горизонт.

Чтобы исследовать отклонение света, вызванное четырехмерной черной дырой Гаусса – Бонне, нам нужно выяснить, как световой луч движется вокруг черной дыры. 2}, \ end {align} $$

(9)

, где мы переопределили аффинный параметр \ (\ lambda \ rightarrow \ lambda / | L | \) и \ (b = \ frac {| L |} {E} \), который называется прицельным параметром.{‘} (r) = 0, \ end {align} $$

(12)

, где штрих \ (‘\) обозначает первую производную по радиальной координате r . Основываясь на этом уравнении, мы можем получить радиус \ (r_ {ph} \) и прицельный параметр \ (b_ {ph} \) для фотонной сферы, которые показаны вместе с размером горизонта событий \ (r _ + \ ) в таблице 1 для разных \ (\ alpha \). Из этой таблицы мы можем видеть, что все три параметра, то есть \ (r_ {ph} \), \ (b_ {ph} \) и \ (r _ + \) уменьшаются при увеличении \ (\ alpha \).2 \), соответственно

Здесь мы хотели бы взять \ (\ alpha = — \, 5.5, 0.555 \) в качестве двух примеров с соответствующим эффективным потенциалом, изображенным на рис. 1. Мы видим, что на горизонте событий эффективный потенциал исчезает. Он увеличивается и достигает максимума на фотонной сфере, а затем уменьшается по мере движения светового луча наружу. Поскольку луч света движется в радиальном направлении внутрь, эффективный потенциал будет влиять на его траекторию. В Области 1 свет встречает потенциальный барьер, а затем отражается обратно во внешнем направлении.В Области 2, а именно \ (b = b_ {ph} \), свет будет асимптотически приближаться к фотонной сфере. Поскольку угловая скорость не равна нулю, она будет вращаться вокруг черной дыры бесконечно много раз. В Области 3 свет будет продолжать двигаться во внутреннем направлении, поскольку он не встречает потенциальный барьер. В конце концов, он войдет внутрь черной дыры через горизонт событий.

Траектория светового луча для различных \ (\ alpha \) с \ (M = 1 \) в полярных координатах \ ((r, \ phi) \).Красная линия соответствует \ (b = b_ {ph} \), черная линия соответствует \ (b b_ {ph} \). 3}} \ right) \ right]}.2} +1 \ right)} \ Equiv G (u). \ end {align} $$

(14)

Из уравнения. (14) мы можем решить \ (\ phi \) относительно и . Используя ParametricPlot, ^{Footnote 2} , мы можем построить траекторию светового луча, которая показана на рис. 2. Черная, красная и зеленая линии соответствуют \ (b b_ {ph} \) соответственно. Как видно, в случае \ (b b_ {ph} \) луч света около черной дыры отражается обратно, что соответствует области 1 на рис. 1. А для случая \ (b b_ {ph} \), чтобы построить геодезическую, мы должны найти поворот точка, в которой луч света меняет свое радиальное направление. Точка поворота определяется уравнением \ (G (u) = 0 \), где G ( u ) было определено в уравнении.(14).

Профили удельной интенсивности I ( b ), наблюдаемые удаленным наблюдателем для статической сферической аккреции. Мы устанавливаем \ (M = 1 \) и берем \ (\ alpha = — \, 5.5 \) (левая панель) и \ (\ alpha = 0.555 \) (правая панель) в качестве двух примеров.

Может осветить орбиту черным. отверстие?

Поскольку черные дыры являются самыми мощными гравитационными пятнами во всей Вселенной, могут ли они так сильно искажать свет, что он действительно выходит на орбиту? И как бы это выглядело, если бы вы смогли выжить и следовать за светом в этом путешествии вокруг черной дыры?

Я получил этот замечательный вопрос от зрителя.Может ли свет вращаться вокруг черной дыры?

Рассмотрим этот мысленный эксперимент, впервые объясненный Ньютоном. Представьте, что у вас есть пушка, которая может стрелять пушечным ядром на большом расстоянии. Мяч летел вниз, а затем врезался в грязь. Если вы выстрелите в пушечное ядро ​​сильнее, оно полетит дальше, прежде чем врезаться в землю. И если бы вы могли стрелять в пушечное ядро ​​достаточно сильно и игнорировать сопротивление воздуха, оно бы облетело всю Землю. Пушечное ядро ​​будет на орбите. Он падает к Земле, но кривизна Земли означает, что она постоянно падает прямо за горизонт.

Работает не только с пушечными ядрами, космонавтами и спутниками, но и со светом. Это было одним из самых больших открытий, сделанных Эйнштейном в отношении природы гравитации. Гравитация — это не сила притяжения между массами, это фактически искажение пространства-времени. Когда свет падает в гравитационный колодец массивного объекта, он изгибается, следуя кривизне пространства-времени.

Далекие галактики, Солнце и даже наша собственная Земля заставят свет отклоняться от своего пути из-за искажения пространства-времени.Но именно невероятная гравитация черной дыры может связать пространство-время узлами. И да, вокруг черной дыры есть область, где даже фотоны вынуждены перемещаться по орбите. Фактически, эта область известна как «фотонная сфера».

С достаточно большого расстояния черные дыры действуют как любой массивный объект. Если вы замените Солнце черной дырой той же массы, наша Земля продолжит вращаться по орбите точно так же. Но по мере того, как вы приближаетесь к черной дыре, вращающийся объект должен двигаться все быстрее и быстрее, поскольку он вращается вокруг массивного объекта.Фотонная сфера — это последняя стабильная орбита, которую вы можете иметь вокруг черной дыры. И только свет, движущийся со скоростью света, действительно может существовать на этой высоте.

Представьте, что вы можете существовать прямо на фотонной сфере черной дыры. Что вы не можете, так что не пытайтесь. Вы можете направить свой фонарик в одном направлении и увидеть свет позади себя после того, как он полностью облетит черную дыру. Вы также будете купаться в излучении всех фотонов, захваченных в этой области. Видимый свет может быть красивым, но рентгеновское и гамма-излучение приготовят вас, как печь.

Под фотонной сферой вы увидите только темноту. Внизу горизонт событий, точка невозврата света. А наверху вы увидите Вселенную, искаженную массивной гравитацией черной дыры. Вы увидите все небо в своем поле зрения, даже звезды, которые обычно не видны черной дырой, поскольку они охватывают ее гравитацию. Это было бы потрясающее и смертоносное место, но оно наверняка лучше, чем падение за горизонт событий.

Ссылка : Может ли светить вокруг черной дыры? (2014, 25 марта) получено 19 августа 2021 г. с https: // физ.org / news / 2014-03-orbit-black-hole.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

Тайна поведения частиц за пределами фотонной сферы с черной дырой, решенная с помощью теории струн

Художественный образ «струны», проходящей возле черной дыры.По мере приближения струны к черной дыре она постепенно растягивается. Затем, проходя мимо черной дыры, он начинает вибрировать. Изображение слева, полученное телескопом Event Horizon, представляет собой тень сверхмассивной черной дыры в центре галактики M87, включая световое кольцо вокруг нее. Предоставлено: EHT Collaboration; Kavli IPMU (Kavli IPMU модифицировал исходный образ EHT))

Статья директора Института физики и математики Вселенной им. Кавли (Kavli IPMU) Оогури Хироси и исследователя проекта Мэтью Додельсона о струнных теоретических эффектах вне фотонной сферы черной дыры была выбрана в «Предложение редакции» журнал Physical Review D .Их статья была опубликована 24 марта 2021 года.

В квантовой теории точечных частиц фундаментальной величиной является корреляционная функция, которая измеряет вероятность распространения частицы из одной точки в другую. У корреляционной функции появляются особенности, когда две точки соединяются светоподобными траекториями. В плоском пространстве-времени есть такая уникальная траектория, но когда пространство-время искривлено, может быть много светоподобных траекторий, соединяющих две точки. Это результат гравитационного линзирования, которое описывает влияние искривленной геометрии на распространение света.

В случае пространства-времени черной дыры есть светоподобные траектории, несколько раз обвивающие черную дыру, в результате чего образуется фотонная сфера черной дыры, как это видно на недавних изображениях сверхмассивной черной дыры, сделанных телескопом Event Horizon (EHT). дыра в центре галактики M87.

Выпущенные 10 апреля 2019 года, изображения EHT Collaboration запечатлели тень черной дыры и ее фотонную сферу, а также окружающее ее световое кольцо. Фотонная сфера может возникать в области черной дыры, где свет, попадающий в горизонтальном направлении, может быть вынужден гравитацией перемещаться по различным орбитам.Эти орбиты приводят к особенностям вышеупомянутой корреляционной функции.

Однако бывают случаи, когда особенности, порождаемые траекториями, многократно обвивающими черную дыру, противоречат физическим ожиданиям. Додельсон и Оогури показали, что такие особенности разрешаются в теории струн.

В теории струн каждая частица рассматривается как определенное возбужденное состояние струны. Когда частица движется по почти светоподобной траектории вокруг черной дыры, искривление пространства-времени приводит к приливным эффектам, которые растягивают струну.

Додельсон и Оогури показали, что если принять во внимание эти эффекты, сингулярности исчезают в соответствии с физическими ожиданиями. Их результат свидетельствует о том, что последовательная квантовая гравитация должна содержать протяженные объекты, такие как струны, в качестве степеней свободы.

Оогури говорит: «Наши результаты показывают, как усиливаются эффекты теории струн вблизи черной дыры. Хотя обнаруженные нами эффекты недостаточно сильны, чтобы иметь наблюдаемые последствия для изображения черной дыры ETH, дальнейшие исследования могут показать нам способ проверить теорию струн с использованием черных дыр.”

Ссылка: «Особенности термокорреляторов при сильной связи» Мэтью Додельсона и Хироси Оогури, 24 марта 2021 г., Physical Review D .
DOI: 10.1103 / PhysRevD.103.066018