Падение в черную дыру
Качество (гляньте обязательно): https://vimeo.com/8818891
Качество, с геометрической сеткой: https://vimeo.com/8723702
Качество (гляньте обязательно): https://vimeo.com/8818891
Качество, с геометрической сеткой: https://vimeo.com/8723702
Самые плотные и массивные объекты Вселенной живут ужасно долго, но не вечно. И вот, что с ними случается.
Перед фактом сядьте, словно ребёнок, и приготовьтесь расстаться с любым предубеждением, следуя скромно куда и к чему бы не привели бездны природы, или же вы ничему не научитесь.
— Т. Г. Хаксли
Представляя себе чёрные дыры вы, наверно, думаете о сверхплотных и очень массивных участках пространства, откуда ничто не может убежать. Ни материя, ни антиматерия, ни даже свет! Вы также можете думать, что они продолжают питаться всем, чему не посчастливилось столкнуться с ними, даже тёмной материей. Но в какой-то момент любая чёрная дыра во Вселенной не только закончит расти, но и начнёт уменьшаться, терять массу, до тех пор, пока не испарится полностью! На этой неделе в нашей колонке мы ответим на вопрос Павла Жужельского, который спрашивает:
Я часто видел объяснения излучения Хокинга типа: «пары виртуальных частиц появляются на горизонте событий. Одна падает в дыру, другая убегает, унеся с собой частичку массы дыры». И обычно мелким шрифтом указано, что это – упрощение. Наверно, это так и есть – ведь если одна из частиц падает в дыру, её масса должна увеличиваться на массу частицы. В чём подвох?
Это очень сложная тема, но такая, которую мы понимаем. Начнём с обсуждения того, как выглядит пустое пространство.
В общей теории относительности пространство и время имеют запутанную связь, и формируют четырёхмерную ткань пространства-времени. Если вы уберёте все частицы во Вселенной на бесконечно большое расстояние от нужной вам точки, если вы уберёте факт расширения пространства из уравнений, если вы также устраните все виды излучений, и присущую космосу кривизну – вы сможете заявить, что создали плоское пустое пространство.
Но когда вы начинаете принимать во внимание, что живёте во Вселенной, где всеми частицами и их взаимодействиями управляет квантовая теория поля, вам придётся признать, что даже в отсутствие физических частиц, физические поля, управляющие их взаимодействиями, никуда не денутся. Одним из последствий этого будет то, что сущность, которую мы представляем себе, как «плоское пустое пространство», не избавлено от энергии. Вместо этого нужно представлять себе плоское пустое пространство как квантовый вакуум, где повсюду есть квантовые поля.
Вам может быть знакомой идея, что на квантовых масштабах во Вселенной существуют присущие пространству неопределённости конкретных параметров. Мы не можем одновременно знать расположение и импульс частицы, и чем лучше измеряем один из них, тем больше неопределённость у второго. Такое же взаимоотношение неопределённостей свойственно энергии и времени, что для нас сейчас важно.
Мы часто слышим объяснение вроде «пары частица-античастица возникают и исчезают в квантовом вакууме», и хотя такое объяснение довольно наглядно, на самом деле происходит не совсем это. Там нет настоящих частиц, в том смысле, что если вы запустите фотон или электрон через эту область пространства, они никогда не отразятся от частицы квантового вакуума. Это описание даёт нам возможность заглянуть в присущую квантовому вакууму «дрожь», и показывает, что там есть резервуар виртуальных частиц, позволяющий нам трактовать присущую пустому пространству энергию как сумму всех этих виртуальных частиц.
Повторюсь, так как это важно: существует энергия, присущая самому пустому пространству, и её можно представить, как сумму квантовых флуктуаций, присущих этому пространству.
Если вы наблюдаете за тем, что представляете себе, как пустое пространство, но при этом наблюдаете за этим в определённый момент времени, вам нужно учесть, что момент – это бесконечно малый промежуток времени. Из-за этого взаимоотношения неопределённостей существует огромная неопределённость в общем количестве энергии, содержащемся даже в пустом пространстве в это время. Это значит, что там может, в принципе, быть несколько пар из частиц и античастиц, существующих на очень кратких промежутках времени, пока они подчиняются известным законам сохранения, действующим в физической Вселенной.
Мы часто слышим объяснение вроде «пары частица-античастица возникают и исчезают в квантовом вакууме», и хотя такое объяснение довольно наглядно, на самом деле происходит не совсем это. Там нет настоящих частиц, в том смысле, что если вы запустите фотон или электрон через эту область пространства, они никогда не отразятся от частицы квантового вакуума. Это описание даёт нам возможность заглянуть в присущую квантовому вакууму «дрожь», и показывает, что там есть резервуар виртуальных частиц, позволяющий нам трактовать присущую пустому пространству энергию как сумму всех этих виртуальных частиц.
Повторюсь, так как это важно: существует энергия, присущая самому пустому пространству, и её можно представить, как сумму квантовых флуктуаций, присущих этому пространству.
Пойдём дальше. Представим, что пространство, вместо того, чтобы быть плоским и пустым, всё ещё пустое, но уже искривлено – то есть, в гравитационном поле космоса существуют отклонения.
Как будут выглядеть наши квантовые флуктуации? В частности, если мы позволим пространству искривляться из-за присутствия чёрной дыры, как они будут выглядеть снаружи и внутри горизонта событий?
Вопросы хорошие, и чаще всего в поисках ответа вы увидите следующую (неправильную) картинку, которая являет собою суть вопроса Павла:
Если представлять себе пары частица/античастица как реальные, и если одна убежит от чёрной дыры, а другая упадёт за горизонт событий – то получится, что во Вселенной прибавилось энергии: половина вне чёрной дыры и половина к массе чёрной дыры. Но эти пары частиц и античастиц не являются реальными, а представляют собою лишь способ визуализации и подсчёта энергии, присущей пространству.
Дело в том, что при искривлённом пространстве, как вы помните, существуют отклонения гравитационного поля. Мы используем флуктуации для помощи в визуализации энергии, присущей пустому пространство, но могут возникать флуктуации, начинающиеся снаружи горизонта событий, которые попадут внутрь горизонта, не успев ре-аннигилировать. Но нельзя украсть энергию у пустого пространства – что-то должно случиться, чтобы её сохранить. Поэтому каждый раз, когда виртуальная частица (или античастица) падает внутрь, настоящий фотон (или их набор) должен появиться для компенсации. И этот реальный фотон, покидающий горизонт событий, и уносит энергию от чёрной дыры.
Тот способ, который мы ранее использовали для визуализации процесса, когда одна из пары частиц падала, а другая – убегала, слишком наивен, чтобы быть полезным, поскольку уменьшению чёрных дыр способствуют не частицы или античастицы, а фотоны, соответствующие спектру чёрного тела.
Я предпочитаю картинку получше, хотя она всё равно ещё довольно наивна. Представьте квантовые флуктуации, при которых каждый раз, когда у вас появляется пара частица-античастица, из которых одна падает внутрь, появляется ещё одна пара частица-античастица, у которой внутрь падает другая. Оставшаяся снаружи пара из частицы и античастицы аннигилирует, испуская реальные фотоны, а те, что падают внутрь, забирают соответствующее количество массы (Е = мс²) у чёрной дыры.
Это всё ещё не идеальная аналогия (потому что это всего лишь аналогия), но, по крайней мере горизонт событий в ней покидают фотоны, что соответствует предсказаниям излучения Хокинга. Фактически – хотя вам придётся провести подсчёты квантовой теории поля в искривлённом пространстве-времени, чтобы это выяснить – излучение Хокинга предсказывает, что спектр фотона будет соответствовать абсолютно чёрному телу с температурой, заданной:
что даст температуру меньше одного микроКельвина для чёрной дыры массой равной массе Солнца, меньше одного пикоКельвина для чёрной дыры в центре нашей галактики, и всего лишь несколько десятых от аттоКельвина для самой крупной из известных чёрных дыр. Скорость уменьшения, которому соответствует это излучение, настолько мало, что чёрные дыры будут расти, даже если они будут поглощать один протон за промежуток времени, сравнимый с возрастом нашей Вселенной – это будет продолжаться ещё примерно 10²⁰ лет.
После этого чёрные дыры массой с Солнце, наконец, начнут терять из-за излучения Хокинга в среднем больше энергии, чем поглощают, и полностью испарятся через 10⁶⁷ лет, а самые крупные из них – через 10¹⁰⁰ лет. Это может сильно превышать возраст Вселенной, но это и не вечность. А уменьшаться они будут благодаря излучению Хокинга, испуская фотоны.
В итоге: у пустого пространства есть энергия нулевого уровня, которая не равна нулю, а в искривлённом пространстве на горизонте событий чёрной дыры появляется низкоэнергетический спектр излучения абсолютно чёрного тела. Это излучение отнимает массу у чёрной дыры и слегка сжимает горизонт событий со временем. Если вы настаиваете на представлении источника этого излучения в виде пар частица/античастица, хотя бы представляйте по две пары за раз. Тогда частица от одной пары и античастица от другой аннигилируют, создавая реальные фотоны, покидающие чёрную дыру, а другая виртуальная пара частиц падает в дыру и забирает её энергию (или массу).
Вот так чёрные дыры и умрут! Спасибо за отличный вопрос, Павел, и если у вас есть вопросы или предложения, отправляйте их мне.
Эпиграф:
Как известно, снаружи институт выглядел двухэтажным. На самом деле в нём было не менее двенадцати этажей. Выше двенадцатого я просто никогда не поднимался, потому что лифт постоянно чинили, а летать я ещё не умел. Фасад с десятью окнами, как и большинство фасадов, тоже был обманом зрения. Вправо и влево от вестибюля институт простирался по крайней мере на километр, и тем не менее решительно все окна выходили на ту же кривоватую улицу и на тот же самый лабаз. Это поражало меня необычайно. Первое время я приставал к Ойре–Ойре, чтобы он мне объяснил,как это совмещается с классическими или хотя бы с релятивистскими представлениями о свойствах пространства. Из объяснений я ничего не понял, но постепенно привык и перестал удивляться. Я совершенно убеждён, что через десять–пятнадцать лет любой школьник будет лучше разбираться в общей теории относительности, чем современный специалист. Для этого вовсе не нужно понимать,как происходит искривление пространства–времени, нужно только, чтобы такое представление с детства вошло в быт и стало привычным.
"Понедельник начинается в субботу" А. и Б. Стругацкие
Факт: Несмотря на то, что при взгляде снаружи черная дыра имеет вполне себе конечный объем, если мы думаем о черной дыре как о некой черной сфере, ограниченной Горизонтом Событий, у которого есть определенный радиус, а, значит, и конечный объем, находящийся под этим Горизонтом Событий, то при взгляде изнутри — черная дыра бесконечна, то есть объем пространства, находящегося под Горизонтом Событий бесконечен, или как минимум очень велик, гораздо больше, чем объем нашей Вселенной.
Теперь подробнее.
Сегодня мы не знаем наверняка, что происходит под поверхностью (в смысле, за Горизонтом Событий) черной дыры. Мы можем лишь догадываться и более-менее обоснованно предполагать. Так как непосредственное наблюдение внутренностей черной дыры нам сегодня недоступно (а может так статься, что не будет доступно никогда), самое верное, что остается, это взять лучшую существующую на сегодняшний день теорию, и попытаться предсказать, что внутри черной дыры в принципе может происходить.
Лучшая теория, в которой мы более–менее уверены (потому что она подтверждена непосредственными наблюдениями) на космических масштабах — это Теория Относительности Эйнштейна. Как говорится, это не самое лучшее, что лучшее, но покуда это лучшее из того, что у нас есть.
Сами черные дыры, как экстремальные артефакты пространства–времени, как раз и были вначале теоретически предсказаны в Теории Относительности, и лишь многие десятилетия спустя мы начали наблюдать их в реальности.
Потому, для исследования (а на самом деле — аргументированного теоретизирования) внутренностей черных дыр сам Эйнштейн велел пользоваться математикой Теории Относительности, покуда это лучшее, что мы можем натеоретизировать, полагая, что раз остальные выводы у этой теории подтверждаются наблюдениями, то и на пока неподтвержденные тоже можно кое–как положиться.
Согласно Теории Относительности космос представляет из себя гладкое пространство–время, в некоторых местах искривленное туда-сюда наличием в космосе вещества. Черные дыры делают с пространством–временем особо извращенную пертурбацию, они не просто гнут, а прямо–таки рвут пространство–время в клочья, от чего для описания пространства–времени вблизи черной дыры удобнее пользоваться не привычными нам декартовыми координатами, которые все изучали в пятом классе, а т.н. координатами (или диаграммой) Крускала.
Диаграмма Крускала
Диаграмма Крускала не такой уж и сложный, но все–таки приличный матан, это хорошо видно в английской версии википедии, от чего сразу предлагаю перейти к ее упрощенному варианту, т.н. диаграмме Пенроуза, что по сути одно и тоже (даже визуально сходство заметно), только лишних линий меньше и формул нет совсем.
Диаграмма Пенроуза
Для того, чтобы не взрывать с разбегу неподготовленный мозг, широкой публике обычно демонстрируется только правая половина этой диаграммы, потому как народ начинает возбуждаться и неадекватно реагировать на слова "Параллельная Вселенная", "Антигоризонт", "Белая Дыра" и так далее.
Диаграмма Пенроуза "для бедных"
Упрощенная диаграмма Пенроуза говорит о том, что пространство–время во Вселенной можно и нужно разделить на две части, одна, где находимся мы, наша Вселенная, и другая, которая находится внутри Черной Дыры. Там уже не совсем наша Вселенная, точнее говоря, там тоже часть нашей Вселенной, но в которой пространство–время ведет себя не так, как мы привыкли. Эти две части разделены границей Горизонта Событий, и на рисунке видно, что граница эта односторонняя, внутрь пройти можно (там стрелочка нарисована), а назад уже нет.
Почему так происходит? Потому, что, строго говоря, граница Горизонта Событий не делит одно пространство–время на две части — внутри и снаружи. Она является местом соединения (ученые говорят "местом склейки") двух совершенно разных метрик, двух разных пространств–времен.
Принципиально разных.
Если мы возьмем формулы Теории Относительности, и начнем их решать в пространстве–времени, которое находится в нашей Вселенной (снаружи Горизонта Событий, то есть в квадранте I, там где ромбик с надписью "Вселенная"), то получим знакомые нам три координаты пространства и одну координату времени. Которые как–то там изменяются в процессе, искривляются и закручиваются в зависимости от присутствия массы, но все более–менее в привычных рамочках.
А если мы начнем решать те же самые формулы, но находиться при этом будем внутри черной дыры (внутри Горизонта Событий, в квадранте II, в треугольничке, у которого одна сторона — пила не закусывая), то все решения будут явно говорить нам — чуваки, у вас пространство и время поменялись местами!
Выходит, что там, где мы ожидаем встретить наши знакомые пространственные координаты x, y и z вдруг начинает вылезать временная координата t и наоборот, в части формулы, где мы ждем изменения по оси времени, вдруг появляются x, y и z, точнее, их производные, хотя по большому счету, в нашем случае это одно и то же. То есть можно набраться храбрости и заявить во всеуслышание: "Пространство стало временем, а время — пространством!"
NB! Внимание, автор категорически не рекомендует заявлять такого вслух! Это не совсем верно, точнее совсем не верно. Время не становится пространством на самом деле, просто формулы начинают указывать на то, что будто бы происходит что–то подобное.
Получается, что пространство приобретает свойства, которые мы раньше логически связывали со временем, а время в какой–то мере, наделяется свойствами пространства.
Например, всем известно, что три координаты пространства у нас вроде "свободные", мы можем двигаться по ним в любую сторону, а вот координата времени четко указывает вперед, и хочешь не хочешь, а двигаться по ней можно только туда, куда указывает стрелка, то есть из прошлого в будущее.
Внутри черной дыры пространство–время устроено так, что нельзя двигаться куда хочешь. Можно двигаться только в центр, туда, где расположено сердце черной дыры, сингулярность. Которая в данном представлении рисуется не привычной нам точкой, а линией, да еще и специально изображается кровожадно–зубчатой линией, чтобы показать неосторожному путешественнику, собравшемуся вместо Турции на отдых в черную дыру — "там конец, там съедят".
Сингулярность черной дыры неизбежна (в данном случае, это, кстати, совсем не каламбур), как для нас неизбежно будущее, потому что она находится вроде как в пространственном будущем. Получается, что единственная судьба любого предмета, упавшего в черную дыру — оказаться в сингулярности. Куда бы ты ни двигался, в какую сторону ни пытался бы лететь, разницы никакой, внутри черной дыры физически нет путей, ведущих куда–либо "в другую сторону", все равно пространство тебя вынесет аккурат к сингулярности и разорвет там перед смертью на атомы.
Вот почему из черной дыры невозможно выбраться. Не потому, что она "так сильно притягивает", хотя и это, конечно, тоже. А потому, что как в нашей привычной жизни, что бы ты ни делал, куда бы ни двигался, все равно в прошлое не попадешь, а будущего не избежать, так и в черной дыре — все дороги ведут только к сингулярности, назад в прошлое, в обычную Вселенную, пути уже нет.
В то же время, получается обратная штука, которую я вынес в начало, собственно. Теоретически у времени нет предела, будущее простирается в бесконечность. А, значит, внутри черной дыры у пространства нет предела, объем черной дыры изнутри — бесконечно огромен. Ну, то есть да, время жизни конкретно нашей Вселенной, скорее всего не бесконечно, ее ждет Тепловая Смерть (или даже Большой Разрыв), но если абстрагироваться, в будущее можно двигаться бесконечно долго, даже при Тепловой Смерти Вселенной время не остановится, просто в космосе перестанут происходить видимые процессы, отчего один момент времени станет неотличим от другого, но это уже начинается софистика, в любом случае ждать этого еще очень–очень–очень–очень долго.
Черная дыра тоже не вечна, из–за излучения Хокинга она должна, вроде бы, потихоньку испаряться. Но это очень–очень небыстрый процесс, черная дыра массой в Солнце будет испаряться 10⁶⁶ лет (не забываем, что возраст Вселенной всего только ~10¹⁰ лет!), отчего можно с некой долей фантазии и упрощения, заявить, что размеры черной дыры звездной величины изнутри составляют как минимум 10⁶⁶ световых лет, что внутри она если не бесконечно большая, то как минимум в 10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 раз больше Обозримой Вселенной.
Ну, и еще раз. Естественно, все это пока лишь досужие рассуждения и теоретизирование. Что действительно происходит внутри черной дыры мы не знаем. Скажу больше, мы наверняка знаем, что там скорее всего не совсем то, что мы можем сегодня натеоретизировать. Нам известно, что Теория Относительности не полна, чтобы точно и четко работать в черных дырах, ее обязательно нужно поженить с квантовой механикой, а этого, вот уже почти целый век, не удается сделать никому. И реальность, вероятно, окажется еще более сложной и замороченной штукой, чем мы тут себе думаем и рассуждаем.
Уберите сингулярность, и червоточина появится в центре черной дыры, но проходима ли она?
Черные дыры и червоточины являются Граалю для научной фантастики. Нужно путешествовать во времени? Нет проблем! Постройте червоточину. Хотите увидеть другую Вселенную? Погрузитесь в черную дыру!
Хотя эти мечтания часто надуманны и давайте смотреть правде в глаза, скорее всего, невозможны, большинство из них основаны на идеях реальной теоретической физики. Новое исследование сосредоточено на природе пространства-времени внутри черной дыры. Физики-теоретики придумали возможным проноситься сквозь пространство-время… Хотя конечно это было бы не столь комфортным.
Черная дыра – это гравитационная крайность в прямом смысле. Бросьте туда какое-то количества вещества, и оно будет раздавлено, вплоть до одного атома. Ничто, даже свет, не может избежать ее гравитационной ловушки. Этот градиент пространства-времени настолько мощный, что улавливает свет и известен как горизонт событий.
По большей части, мы не имеем никакого понятия о том, что происходит за горизонтом событий, эта область закрыта для внешних наблюдателей. Но теория говорит, что для черной дыры должно существовать что-то в центре. Центр черной дыры – это то место, где ломается математика, это космический калькулятор, в котором можно делить на ноль и получить бесконечность. Эта космическая вычислительная ошибка скрыта в глубине горизонта событий…
Команда физиков во главе с Диего Рубейра-Гарсиа из Университета Лиссабона, Португалия, пытаются изменить наше «классическое» представление о черной дыре. Что делать, если общая теория относительности не сработает и особенность не особенность вообще? Что делать, если мы заменим особенность червоточиной? Внезапно, вместо того, чтобы быть конечной точкой Вселенной, черные дыры могут стать мечтой ученых-фантастов: они могут быть пространственно-временными транспортными узлами.
Но, как и в большинстве случаев с черными дырами, есть загвоздка.
В предыдущих расчетах, команда Рубейра-Гарсиа создала теоретическую модель черной дыры без сингулярности. К их удивлению на месте сингулярности образовалась сферическая структура червоточины.
Прежде чему вы сможете понять, почему это важно, давайте рассмотрим, почему данная особенность настолько увлекает теоретиков. Предположим, что какой-то объект (или несчастный астронавт) упадет в черную дыру. Гравитационные силы там настолько суровы, что на астронавте будет заметен эффект «спагеттификации». Сила притяжения будет воздействовать на пальцы ног астронавта сильнее, чем на голову. Лучший способ представить себе это, это подумать об астронавте как о спагетти (отсюда и название эффекта).
Если наш растянутый астронавт достигнет сингулярности, он будет растянут бесконечно долго и будет бесконечно тонок - ситуация, которая не имеет особого смысла.
Но поменяйте местами бесконечность на червоточину конечного размера, и все становится намного интереснее. Червоточины представляют собой математическое следствие общей теории относительности Эйнштейна, но мы до сих пор не нашли никаких доказательств того, что они на самом деле существуют. Если они существуют, то они являются, по сути, трубой пространства-времени, открывая проход в другое место или время во Вселенной. Таким образом, гипотетически, чрезвычайно деформированный под действием силы тяжести объект может пройти сквозь шею червоточины.
"Каждая частица объекта будет под действием гравитационного поля", - сказал Рубейра-Гарсиа в заявлении. "Каждая частица чувствует несколько иную гравитационную силу, но взаимодействие между составляющими тела может, тем не менее, поддерживать его".
Само собой разумеется, это исследование представляет собой теоретическую выкладку, так как мы вряд ли когда узнаем, находится ли червоточина в центре черной дыры.
Астрофизики впервые смогли увидеть то, как струи холодного газа "падают" на сверхмассивную черную дыру в далекой галактике Abell 2597, двигаясь к точке невозвращения со скоростью 1,2 миллиона километров в час, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature.
"Черную дыру всегда окружают раскаленный газ, крайне разреженный по своей структуре, который она медленно "жует". Временами на черную дыру может обрушиваться "гроза" из холодных "капелек" газа, в ходе которой она активно "обжирается" газом. Таким образом, мы показали, что черные дыры могут питаться двумя разными способами, что стало неплохим открытием для нас", — заявил Майкл Макдональд (Michael McDonald) из Массачусетского технологического института (США).
Как рассказывает Макдональд, его научная команда совершила это открытие практически случайно, наблюдая за различными эллиптическими галактиками, где процессы рождения звезд почти полностью прекратились, при помощи радиотелескопа ALMA, способного "видеть" даже самые холодные частицы пыли и молекулы нейтральных газов.
Первоначальной целью ученых были наблюдения за молодыми звездами и облаками из газа, в которых они рождаются, однако открыли они нечто совершенно иное.
Наблюдая за черной дырой в галактике Abell 2597, расположенной в созвездии Водолея на расстоянии в миллиард световых лет от Земли, ученые заметили три темные точки у ее центральной части. Эти гигантские облака из молекулярного водорода и других газов стали большой неожиданностью для ученых – они не ожидали увидеть холодный газ внутри сферы из раскаленного газа, окружающего ядро Abell 2597.
Эти облака газа, как образно выражаются исследователи, сейчас проливаются холодным "газовым дождем" на черную дыру, которая благодаря этому в ближайшем астрономическом будущем сможет поглотить примерно в миллион раз больше водорода, чем весит наше Солнце.
Этот газовый "пир" черной дыры уже начался – как отмечают ученые, она уже начала "давиться" поедаемой материей и выбрасывать часть ее в виде джетов – узких пучков раскаленной плазмы, частицы которой разгоняются до околосветовых скоростей. Сегодня эти облака расположены всего в трехстах световых годах от черной дыры. Это означает, что яркость джетов в ближайшем будущем может увеличиться, когда газ достигнет диска аккреции черной дыры в центре Abell 2597.
Подобное поведение газа в окрестностях центра галактики Abell 2597, с одной стороны, противоречит общепринятым представлениям о характере роста сверхмассивных черных дыр. Раньше ученые считали, что черные дыры, достигая определенных размеров, в принципе не позволяют газу в своих окрестностях охлаждаться до достаточно низких температур, чем обрекают себя на остановку роста и переходят на "голодный паек".
Тем не менее, существование действительно гигантских черных дыр массой в десятки миллиардов Солнц заставляет усомниться в этом, и многие астрофизики сегодня говорят о том, что сверхмассивные черные дыры могут расти "рывками", сочетая длительные периоды спокойствия с периодами хаотичного и максимально быстрого поглощения материи в ходе подобных "газовых дождей".
Как считают Макдональд и его коллеги, открытые ими облака на практике подтверждают эту идею и раскрывают возможный механизм того, как черные дыры в центрах галактик могли быстро набирать вес в первые эпохи жизни Вселенной.
Физики выяснили, что черные дыры в пяти измерениях могут превращаться в необычные "бублики", распад которых позволил бы заглянуть за горизонт событий и увидеть внутреннюю часть черной дыры, что считалось невозможным с точки зрения теории относительности.
Физики-теоретики построили первую модель экзотической черной дыры-"бублика", которая, как оказалось, будет нарушать постулаты теории относительности Эйнштейна в пяти и более многомерном пространстве, и будет видна для наблюдателей извне, говорится в статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters.
"Если так называемые голые сингулярности существуют, то тогда общая теория относительности просто перестает работать. И если она больше не работает, то падает вся построенная физика – мы больше ничего не сможем предсказать, что происходит во Вселенной. В таком случае мы больше не сможем воспринимать ОТО в качестве единственной теории, описывающей поведение бытия", — заявил Саран Туньясувунакул (Saran Tunyasuvunakool) из Кембриджского университета (Великобритания).
Туньясувунакул и его коллеги заявляют, что подобные "голые сингулярности" могли бы существовать во Вселенной, если бы у нее было пять или более измерений, просчитав поведение крайне необычной черной дыры при помощи суперкомпьютера COSMOS в Кембридже.
Как объясняют ученые, теория относительности предсказывает, что во Вселенной могут существовать так называемые сингулярности – точки, обладающие бесконечно высокой плотностью и какой угодно массой. Частным случаем сингулярности являются хорошо известные всем черные дыры.
Такие объекты, в соответствии с принципом "космической цензуры" Пенроуза-Хокинга, невозможно увидеть, так как они будут отделены от всей остальной Вселенной горизонтом событий – сингулярность находится внутри воображаемой сферы, из которой даже свет не сможет выбраться из-за сверхсильного притяжения черной дыры. Исполнение этого принципа крайне важно для физики, так как открытие "голой сингулярности", хотя бы в теоретическом виде, будет означать, что вся современная физическая наука является неправильной.
В начале 2000 годов, по словам авторов статьи, физики обнаружили, что горизонт событий у сингулярности может быть не только сферообразным, но и похожим на своеобразный "бублик", если исходный материал, из которого родилась черная дыра, вращался достаточно быстро, и если Вселенная включает в себя не четыре, а пять и более измерений. Такая черная дыра будет крайне нестабильной, и структура ее горизонта событий будет постоянно меняться.
Туньясувунакул и его коллеги решили проверить, будет ли работать теория относительности и "космическая цензура" для таких объектов, создав компьютерную модель подобной черной дыры в пятимерном пространстве.
Как показали эти расчеты, возможны два сценария поведения такой сингулярности, "хороший" и "плохой". Первый подразумевает превращение "бублика" в обычную сферическую черную дыру, а второй – рождение "голой сингулярности".
События развиваются по первому сценарию в том случае, если "бублик" горизонта событий у этого объекта является изначально достаточно толстым. В таком случае после формирования черной дыры по кольцу будут идти своеобразные "волны", оно начнет сжиматься с разных сторон и в конечном итоге сколлапсирует в сферу.
Однако если это кольцо будет изначально тонким, то такие деформации приведут к появлению своеобразных "бугров" в некоторых его частях и утончению "бублика" в других его участках. В конечном итоге кольцо разорвется на "капли", и возникнет голая сингулярность, которую в принципе можно будет увидеть.
Таким образом, можно говорить, что принцип "космической цензуры" и общая теория относительности могут гипотетически нарушаться в пятимерном пространстве. Мы, как сегодня считают физики и как считал сам Эйнштейн, живем в четырехмерном пространстве, поэтому в принципе ОТО ничего не угрожает, так как астрономы вряд ли найдут подобные черные дыры-"бублики".
Тем не менее, как подчеркивают Туньясувунакул и его коллеги, такая вероятность все же имеется — теории струн предсказывают, что мы на самом деле живем не в четырехмерном, а в 11-мерном пространстве, семь измерений которого "свернуты" и невидимы для нас. Проверить существование этих измерений, как надеются исследователи, поможет обновленный БАК, где в конце прошлого года ученые зафиксировали первые возможные следы "новой физики", не укладывающейся в стандартную картину Вселенной.
РИА Новости http://ria.ru/science/20160220/1377765503.html#ixzz4AzYBwEh0
Существует ли какой-нибудь возможный способ взять черную дыру и превратить ее в место, в котором можно жить? В случае с терраформированием Солнца, например, мы точно знаем, что если не купить «Сферу Дайсона 2000» ценой во все ресурсы Солнечной системы, ничего не получится.
Чтобы сделать звезду обитаемым миром, для начала необходимо будет уничтожить ее звездную печь. Да и вообще, идея так себе. «О, смотрите, бесплатная энергия! Давайте все сломаем и построим себе дома».
Обмозговав эту идею, группа теоретиков решила довести абсурд до максимума. Теперь и нам интересно, можно ли терраформировать черную дыру.
Чтобы что-то терраформировать, нужно довести условия проживания до комфортабельных. Нам нужна приемлемая температура, возможность вдыхать свежий воздух, низкий уровень радиации, родная гравитация. При температурах, обратно пропорциональных массе, температура черной дыры солнечной массы будет порядка одной шестидесятимиллиардной градуса. Это немножко выше абсолютного нуля, очень и очень холодно. Активно питающиеся черные дыры могут быть окружены диском аккреции из вещества, раскаленного до температуры свыше 10 миллионов градусов, что моментально убьет. Отметили температуру. Поправили ее.
Там нет атмосферы, лишь пустой вакуум космоса или перегретая плазма, окружающая активно питающуюся черную дыру. Вы можете дышать плазмой? Если да, то вам подойдет. Если нет, придется поправить и это.
Cygnus X-3, диск аккреции, окружающий черную дыру или нейтронную звезду
Сложно найти более смертоносные источники радиации во всей Вселенной. Черные дыры могут вращаться на скорости, близкой к скорости света, создавая массивные магнитные поля. Эти магнитные поля окружены энергетическими частицами, создающими смертельные дозы радиации. Вокруг сверхмассивных черных дыр, движущихся почти со скоростью света, вращаются огромные пучки таких высокоэнергетических частиц. Внесем это в список на исправление.
Черные дыры известны как отличный источник гравитации. На орбите это не так плохо. Замените наше Солнце черной дырой аналогичной массы и вы не почувствуете разницы. Проблема, вроде бы, решена? Не совсем. Если вы попытаетесь ступить на поверхность черной дыры, вас мгновенно измельчит в атомный сок и сожмет в пиксель.
Гравитацию нужно уменьшить. Сделаем.
Как вы уже, наверное, знаете, нет ничего, что могло бы повлиять на черную дыру. Вы не можете сбросить на нее комет, чтобы снабдить атмосферой, вы только еще больше ее раззадорите. Вы не можете сжечь ей вещество лазером, чтобы уменьшить массу, ваш лазер только раздует черную дыру.
Антиматерия, взрывы, звезды, камень, ножницы, бумага… черная дыра побеждает всегда.
Все, что мы можем сделать, это подождать, пока она испарится через невероятное количество времени. Впрочем, в этой стратегии есть свои минусы, например, черная дыра будет оставаться таковой, пока не испарятся последние две частицы. Нет никакого порога, после которого черная дыра волшебным образом превратится в планетоид.
Давайте пройдемся по вариантам. Черную дыру можно передвинуть, как и Землю. Подвиньте вещество ближе к черной дыре и вы сдвинете ее гравитацией. Вы можете заставить ее вращаться быстрее, сбросив на нее вещество, но вместе с тем вы сделаете ее более массивной. С таким набором инструментов мы никогда не поселимся на этом объекте.
Возможно, черную дыру можно было бы обернуть сферой Дайсона, как звезду. Также, оказывается, есть способ немного доить это безумное домашнее животное. Сбрасывая вещество в черную дыру, которая крутится на околосветовой скорости, вы можете извлекать из нее энергию.
Представьте, что у вас есть астероид, который был сформирован двумя большими камнями. По мере того, как они подходят ближе и ближе к черной дыре, приливные силы отрывают их друг от друга. Один кусок падает в черную дыру, а у меньшего остается меньшая коллективная масса, что позволяет ему сбежать. Этот оставшийся камень крадет энергию вращения у черной дыры, которая совсем немного замедляет свое вращение.
Это процесс Пенроуза, названный в честь физика, разработавшего идею. Астрономы подсчитали, что вы можете извлечь 20% чистой энергии из материи, сброшенной в черную дыру. Но это не так много, чтобы вы могли отбить свои вложения. Хотя, вы сможете порадовать себя чувством, аналогичным тому, что рождается, когда вы бросаете камешки с моста и наблюдаете за тем, как они исчезают.
Терраформирование черной дыры — это, пожалуй, наихудшая идея, которая может прийти в голову человеку. Но она может остаться в рамках мысленного эксперимента.
Исследователи космоса, изучающие природу чёрных дыр, заявили о новом открытии. Теоретические расчёты показали, что информация о поглощаемом объекте отражается от края чёрной дыры, словно мячик отскакивает от стены или луч света — от зеркала.
Новое сенсационное заявление сделал Нобелевский лауреат Герард 'т Хоофт (Gerard 't Hooft). Его работа стала ответом на недавнее заявление Стивена Хокинга о том, что он решил проблему информационного парадокса, которая занимала умы астрофизиков последние 40 лет.
Парадокс заключается в следующем: если какой-либо предмет попадает в чёрную дыру, то он остаётся там, и будучи снаружи мы никогда не сможем узнать ни одну из его характеристик — информация о нём для внешнего наблюдателя исчезает за горизонтом событий.
В 1974 году Хокинг в своих работах показал, что законы квантовой природы, действующие близ горизонта событий чёрной дыры, заставляют объект испускать излучение в виде фотонов. Это излучение, названное впоследствии излучением Хокинга, заставляет чёрную дыру медленно терять массу и фактически "испаряться".
В конце концов, она вовсе исчезает, уничтожая всё, что она поглотила (в том числе и информацию о затянутых внутри объектах). Но согласно принципам квантовой механики, информацию нельзя создать или уничтожить, а значит, она должна куда-то деться. Но куда?
Герард 'т Хоофт отвечает: "Разгадка кроется в том, что вещество, поглощаемое чёрной дырой, влияет на исходящее излучение Хокинга. Поначалу Хокинг не верил в это, но постепенно он начал пересматривать свою точку зрения".
Хокинг теперь полагает, что если, к примеру, слон пересекает горизонт событий чёрной дыры, то информация о его принадлежности к слонам остаётся на краю чёрной дыры в виде своеобразного голографического отпечатка. Когда же излучение Хокинга исходит от дыры, оно выносит этот отпечаток на себе.
Это объяснение взбудоражило умы учёных по всему миру, заставив участвовать в дискуссиях — в том числе и 'т Хоофта. Исследователи пытались понять, как падающие на чёрную дыру объекты создают эти отпечатки и как именно отпечатки влияют на исходящее излучение.
Герард 'т Хоофт провёл свои собственные расчёты и предложил объяснение. Идея голландского физика состоит в том, что гравитация отвечает на оба вопроса. Продолжая рассуждать на примере падающего в чёрную дыру слона, получаем, что при переходе им границы горизонта событий его гравитационное поле меняется. Когда исходящее излучение Хокинга проходит через это поле, его путь трансформируется, и оно получает возможность переносить информацию о пропавшем в недрах несчастном слоне.
Информация о нём, такая как его масса, например, после этого отражается в космос, хотя самому животному везёт куда меньше. Речь при этом идёт только о той информации, которую переносят частицы, поясняет 'т Хоофт в своей работе.
Статья 'т Хоффта пока появилась только на сайте препринтов arXiv.org и не прошла рецензирование со стороны коллег, которые всё же понимают, насколько обоснованы расчёты и выводы Нобелевского лауреата.
Однако кое-какие комментарии специалистов приводит New Scientist. Так, решения и 'т Хоофта, и Хокинга обладают одним серьёзным недостатком — переизбытком информации. Фактически, их объяснение предполагает, что информация близ горизонта событий дублируется, то есть создаётся вместо того, чтобы уничтожаться.
Проще говоря, если многострадальный слон отправляется в недра чёрной дыры, то и все его характеристики "ныряют" туда вместе с ним. Но в этом случае та же информация "подвешивается" на краю (если прав Хокинг), либо отражается в космос (если прав 'т Хоофт).
"Квантовая механика запрещает такого рода удваивание", — отмечает Стивен Гиддингс (Steven Giddings) из университета Калифорнии в Санта-Барбаре. — Также не ясно, насколько передача "гравитационной" информации соответствует принципам квантовой механики. Между тем эти детали очень важны."