Черные дыры как идея были придуманы довольно давно. Сделали это Лаплас и Митчелл несколько веков назад. Они догадались, что можно рассмотреть обычные ньютоновские законы и сделать очень большой вторую космическую скорость — то есть скорость, которую надо единомоментно сообщить какому-нибудь предмету, чтобы он навсегда улетел с какого-то тела, например, с Земли.
Мы берем известную формулу из школьного учебника физики — вторая космическая скорость равна квадратному корню из удвоенного произведения постоянной тяготения на массу тела, деленного на его радиус, — и видим, что мы можем или, сохраняя радиус тела, увеличивать массу и тогда будет расти скорость, или, наоборот, сохраняя массу, сжимать это тело, с которого все улетает, и тоже будет увеличиваться скорость. В конце концов, мы дойдем до скорости света.
Черные дыры в современном понимании возникли уже в рамках Общей теории относительности.
Там картина немного иная, и нам в дальнейшем понадобится геометрическая теория гравитации. В этой теории массивные тела искажают пространство–время вокруг себя. Обычно это иллюстрируют простым способом: представьте себе резиновую плоскость. Вы кладете разные предметы — чем тяжелее предмет, тем больше прогнется плоскость, и, соответственно, возникнет ямка, а все объекты будут туда притягиваться. Вы просто кидаете какие-нибудь другие шарики, и они в эту ямку скатываются. В том месте, где предмет лежит, он настолько сильно продавит плоскость, что возникнет область пространства, которая как бы «окуклится», и из нее наружу ничего выходить не будет. Вот это и есть, в первом приближении, черная дыра в Общей теории относительности.
Черная дыра — это область пространства. У нее нет поверхности, по ней нельзя постучать-походить, есть только горизонт — граница, отделяющая недра черной дыры от остального мира. А все, что попало внутрь, уже внутри останется навсегда. Как дыра устроена внутри — это сложный вопрос (проблема в том, что у нас нет по этому поводу никаких наблюдательных данных — ведь сигналы наружу не выходят!). Есть много интересных работ на эту тему. Например, можно сделать предположение о замкнутых орбитах под горизонтом. В таком сценарии некоторые частицы не упадут в самый центр черной дыры, а будут вращаться, всегда оставаясь под горизонтом. Но если это исключить, т.к. такой вариант развития событий является экзотикой, все действительно должно сваливаться в самый центр черной дыры. И мы не знаем, что там происходит, т.к. формально многие параметры достигают бесконечных значений, а это означает, что физические законы там перестают работать.
Есть проблема: существуют ли вообще черные дыры? 
Потому что, во-первых, Общая теория относительности, будучи хорошей стандартной теорией гравитации, заведомо не полна. Она хороша в определенной области применимости, и там у нее серьезных конкурентов нет, но развивать теорию гравитации необходимо, и, видимо, нам нужна теория, куда эта Общая теория относительности войдет как часть. Будут ли существовать черные дыры в такой расширенной теории — вопрос.
Во-вторых, черные дыры очень трудно открыть. Она дыра, и она черная — собственно, что там можно увидеть? Единственный сразу приходящий в голову способ — это излучение Хокинга(*. Черные дыры должны понемногу испаряться.
Но это процесс очень медленный. Обычно его иллюстрируют таким образом. В вакууме постоянно рождаются пары частиц. Вы как бы на короткое время берете взаймы энергию, рождаете пару частиц, а потом они аннигилируют(**. Ну, представьте такую полукриминальную ситуацию: вы работаете в банке и периодически берете деньги из кассы, а на следующий день возвращаете. А теперь представьте, что у вас есть рядом черная дыра. То есть, например, случился какой-то кризис: вы взяли деньги, а вернуть уже ничего не можете, у вас остался долг, и значит, банк немножко испарился — для внешнего наблюдателя это выглядит как испарение банка. Если есть черная дыра, рядом возникла пара частиц: одна упала в дыру, а другая улетела. Глядя на это с какого-то расстояния, мы просто увидим, что родилась частица и улетела. Единственный источник энергии для того, чтобы получить эту частицу, — это масса черной дыры. Таким образом, для внешнего наблюдателя масса дыры начинает уменьшаться.
Казалось бы, надо искать такое испарение черных дыр — вот вам и доказательство их существования! Но здесь проблема такова: в природе есть два основных типа черных дыр. Первый, самый известный — это черные дыры звездных масс, возникающие на финальных стадиях эволюции самых массивных звезд. Живет большая массивная звезда, она пережигает водород в гелий, гелий в углерод, азот, кислород, наконец доходит до элементов группы железа. Дальше горение идти не может, и ядро схлопывается. Если это схлопывание ничем не остановить, образуется черная дыра. Типичная масса такого объекта раз в десять больше солнечной. Это массивная черная дыра, она испаряется очень медленно, вокруг постоянно летает какой-нибудь мусор, реликтовое излучение, и это все попадает в нее, поэтому ее масса все-таки в среднем растет.
Второй тип черных дыр — это сверхмассивные объекты в центрах галактик. Есть два основных сценария их образования: или большие облака газа сразу схлопывались в дыры, а потом постепенно росли, поглощая вещество из окружающего пространства; или самые первые звезды в конце своей жизни давали большие, по сто-двести масс Солнца, черные дыры, и они становились зародышами для будущих сверхмассивных объектов. Мы не знаем пока, какой из сценариев верен, но существенно, что дыры испаряются медленно.
Поэтому непосредственно увидеть черную дыру тяжело, и есть такой простой факт: нет ни одной Нобелевской премии, выданной за открытие черных дыр. Практически все астрофизики готовы поспорить тысяча к одному, что они существуют, но полной уверенности нет.
Мы наблюдаем объекты, называемые кандидатами в черные дыры.
Можно изучать поведение вещества вокруг них — это пока единственный способ что-то узнать о самих дырах. Например, самая известная научная статья, когда-либо написанная в нашей стране, — это работа Николая Шакуры и Рашида Сюняева, опубликованная в 1973 году. Она посвящена течению вещества вокруг черных дыр. Статья долгое время была самой цитируемой астрофизической работой в мире. Благодаря таким исследованиям мы довольно много знаем о свойствах кандидатов в черные дыры. Но все равно полной уверенности в существовании дыр нет, и может быть, буквально через несколько лет ключевым моментом в доказательстве их существования станет обнаружение гравитационных волн.
Мы помним, что у нас есть геометрическая теория гравитации. И мы иллюстрируем ее резиновой плоскостью. Теперь представьте, что вы пальцем трогаете эту плоскость. И по ней бежит рябь. В некотором смысле это и есть гравитационные волны. В принципе, даже если вы станете просто размахивать руками — вы будете испускать гравитационные волны, потому что руки массивны, они как-то искажают пространство вокруг себя, и по пространству бежит рябь. Но это очень слабый эффект. Сильный эффект достигается, если мы имеем быстро двигающиеся массивные и достаточно компактные объекты, потому что нужен не просто тяжелый объект, нужно в данном месте очень сильно исказить пространство–время и быстро менять гравитационное поле. Именно черные дыры — идеальный объект для таких целей.
Чтобы возникало существенное гравитационное излучение, нужна определенная асимметрия в движении тела, или само тело, если оно вращается, должно быть несимметричным. Например, вращающийся вдоль короткой оси огурец подойдет. Но черные дыры — это довольно симметричные объекты. Вращающаяся вокруг своей оси одиночная черная дыра ничего излучать не будет, нужна какая-то асимметрия.
К счастью, в природе есть подходящие процессы с участием черных дыр. Они происходят в двойных системах.
Звезды чаще всего рождаются не по одиночке, а парами. Например, пусть возникла пара из двух массивных звезд. Затем обе поочередно взорвались как сверхновые и дали две черных дыры, и они крутятся друг вокруг друга. Представим, как два шарика катаются по нашей резиновой плоскости — от них обязательно побежит рябь. В случае пары черных дыр — это очень хороший процесс для испускания гравитационных волн, потому что у нас сразу есть большие массы, заключенные в компактные области и двигающиеся с огромными скоростями.
Вспомним, что если мы берем любой предмет и кидаем его в черную дыру, он пересекает горизонт со скоростью света. Значит, у него в этот момент колоссальные скорость и энергия. Теперь представим такой экстремальный случай: мы берем одну черную дыру и кидаем в другую черную дыру. Вроде бы должна выделиться куча энергии, и она выделяется! Но только в виде чего? Вот вся эта огромная энергия выделяется в виде гравитационных волн. Если в системе сливаются две черные дыры, то возникает очень мощный гравитационно-волновой сигнал. Вот его как раз хотят поймать, и, наверное, в ближайшее время это самый реалистичный, самый хороший способ открыть черные дыры.
Одним подобным открытием ученые убьют двух зайцев сразу. Во-первых, будет напрямую доказано существование гравитационных волн. Ведь пока у нас есть пусть и очень хорошее, но лишь косвенное подтверждение: астрономы наблюдают тесную двойную систему, но не из двух черных дыр, а из двух нейтронных звезд. Одна из них излучает как пульсар(***, таким образом, мы как бы имеем в этой двойной системе очень точные часы, посылающие нам регулярные сигналы. Изучая вариации времени прихода этих сигналов, мы понимаем, что эти нейтронные звезды в этой двойной системе сближаются. И единственный разумный механизм, который это все объясняет, — гравитационные волны. Они уносят энергию и угловой момент из системы, что и приводит к уменьшению размера орбиты. За это открытие дали Нобелевскую премию, поскольку это отличная проверка предсказаний Общей теории относительности и лучшее на сегодняшний день косвенное подтверждение существования гравитационных волн.
Но если ученые все-таки зафиксируют сигнал от слияния черных дыр, то, во-первых, мы напрямую увидим сигнал, докажем, что есть гравитационные волны, что геометрическая теория гравитации верна. Это будет очень важно для фундаментальной физики. И во-вторых, одновременно мы откроем черные дыры, потому что это будет действительно взаимодействие двух горизонтов. Сигнал от процесса слияния позволит сказать, что у взаимодействующих объектов нет твердых поверхностей. Две дыры сольются, образуют единую дыру, ее горизонт будет дрожать какое-то время, от этого также можно зарегистрировать гравитационно-волновой сигнал.
Как ученые собираются это осуществить?
Когда гравитационная волна где-то проходит, она сжимает-растягивает все на своем пути. Эффект слабый, но измеримый. Вначале, еще в 70-е гг. XX века, пытались ставить металлические болванки, увешанные датчиками, и смотреть, как они будут сжиматься-растягиваться. Это были не очень чувствительные детекторы, поэтому сейчас разработаны и созданы другие. Представьте, на расстоянии нескольких километров друг от друга в тоннеле, где создан вакуум, висят тяжелые зеркала. Между зеркалами бегает лазерный луч. Когда проходит гравитационная волна, зеркала немного смещаются друг относительно друга, и это можно заметить. Заставляя лазерные лучи взаимодействовать друг с другом, мы получаем картинку, которая изменяется, если сдвинуть зеркала.
Есть надежда, что спустя сто лет после создания Общей теории относительности, примерно в 2015/16 году, слияния черных дыр будут обнаружены. Тогда будет доказано существование гравитационных волн, и мы одновременно получим надежное подтверждение существования черных дыр.
Свежие комментарии