Во Вселенной размер действительно имеет значение. Звезда-гигант, наше Солнце и белый карлик могут иметь одинаковую массу, но разница в размерах между этими тремя классами объектов огромна. Хотя в энергии, положении, продолжительности жизни и т. д. могут играть роль некоторые квантовые эффекты для очень маленьких объектов, существуют некоторые свойства, которые остаются неизменными независимо от каких-либо неопределенностей. Объекты, стабильные как на микроскопическом, так и на макроскопическом уровне, описываются измеримыми свойствами, такими как масса, объем, электрический заряд и вращательный момент.
Но «размер» — это довольно сложный вопрос, особенно если ваш объект крайне мал. Самые экстремальные объекты по плотности — это черные дыры, но для них размер не обязательно является хорошо определенным свойством. В конце концов, если вся масса и энергия, которые превращаются в черную дыру, неизбежно схлопываются в центральную сингулярность, то что вообще означает понятие «размер»? Оказывается, существует не одно определение размера черной дыры, и все они имеют свое применение. Давайте рассмотрим, что может рассказать нам размер черной дыры, начиная снаружи.
Первое, что вам нужно знать о черной дыре: в плане ее гравитационных эффектов, особенно на больших расстояниях от нее, черная дыра не отличается от любой другой массы. Если бы мы каким-то образом заменили наше Солнце объектом равной массы и равного углового момента, который был бы:
- разрастающейся субгигантской звездой,
- большим красным гигантом размером с орбиту Венеры,
- вырожденным белым карликом,
- ультрасжатой нейтронной звездой,
- или черной дырой
гравитационные эффекты, которые мы ощущаем здесь, на Земле, остались бы абсолютно неизменными.
Если вы не профессиональный астрофизик, это может вас удивить! В конце концов, нас учат, что черные дыры имеют непреодолимое гравитационное притяжение и что они неотвратимо засасывают любую материю, которая подходит слишком близко к их окрестности. Но правда в том, что черные дыры не "засасывают" материю больше, чем любая другая масса. На самом деле, единственное основное отличие черной дыры от любого другого объекта заключается в плотности: черная дыра может иметь ту же массу и угловой момент, что и любой другой объект, но из-за ее маленького физического размера вы можете подойти к ней ближе, и именно здесь возникают эти экзотические гравитационные эффекты.
Большинство из нас знает о горизонте событий черной дыры, который представляет собой границу между тем местом, где объект теоретически может уйти от ее гравитационного притяжения, и тем местом, где любой объект будет неотвратимо притянут к центральной сингулярности, независимо от его действий. Если ваша черная дыра состоит только из массы — без заряда, без углового момента и без других "экзотических" компонентов — размер горизонта событий определяется так называемым радиусом Шварцшильда: радиусом, при котором скорость убегания равна скорости света.
Однако на самом деле большинство (если не все) физически существующие черные дыры обладают некоторым угловым моментом, что свидетельствует о том, что они вращаются вокруг какой-то оси вращения. Когда черная дыра вращается, у нее больше нет только одной значимой поверхности, которая является границей между тем, что может убежать, и тем, что не может; вместо этого возникает ряд важных границ, и многие из них могут претендовать на то, чтобы быть размером черной дыры, в зависимости от того, что вы пытаетесь сделать. С наружной стороны давайте рассмотрим их.
1.) Можно ли создать стабильную, круговую орбиту? Это мечта любого объекта, желающего гравитационно вращаться вокруг другого тела: делать это без необходимости постоянно добавлять энергию или тягу для поддержания орбиты. Так же, как спутник, вращающийся слишком близко к Земле, будет втягиваться обратно на нашу планету из-за трения нашей разреженной внешней атмосферы, объект, вращающийся вокруг черной дыры внутри определенного расстояния, будет спирально входить в черную дыру, пересекать горизонт событий и попадать в центральную сингулярность. Это расстояние, на котором можно иметь стабильную орбиту, известно как ISCO: внутренняя круговая стабильная орбита.
Это значительно дальше, чем сам горизонт событий: в три раза дальше, чем радиус Шварцшильда, который применим к невращающейся черной дыре. Если ваша черная дыра вращается, вам нужно отойти дальше: до 4,5 раза дальше, чем радиус Шварцшильда, если вы движетесь в ретроградном направлении (в противоположном направлении) относительно вращения черной дыры при максимальной скорости вращения. С другой стороны, проградное движение проще, и ваш радиус может уменьшиться немного, поскольку скорость вращения приближается к своему максимуму. Тем не менее, эта граница намного больше, по размеру, чем сам горизонт событий черной дыры, и хотя вы можете оставаться ограниченным в определенном объеме пространства, вы не будете просто оставаться на стабильной круговой орбите.
2.) Что я увижу, когда посмотрю на это? Это немного парадоксально из-за беспрецедентного успеха телескопа Event Horizon. Когда мы создали первые изображения черной дыры напрямую, мы не совсем сфотографировали горизонт событий. Вместо этого мы зафиксировали эффекты фотонов в окрестностях черной дыры, когда они искривлялись под воздействием интенсивного искривления пространства. Эти фотоны затем уходили в разные стороны, где мы наблюдали те, которые двигались по прямой линии к нашим глазам. Мы можем видеть этот поток фотонов и точно определять их местоположение, видя, что они образуют размытое, расширенное, кольцевидное образование, с темнотой внутри.
Но это кольцо не соответствует размеру горизонта событий; скорее, из-за некоторых более сложных эффектов общей теории относительности, оно примерно на 250% больше: немного меньше, чем ISCO, но значительно больше, чем радиус Шварцшильда. Эти фотоны не находятся на стабильных орбитах, а скорее на гиперболических, где они уходят от гравитационного притяжения черной дыры. Однако то, что приходит к нашим глазам, не является представлением физического размера горизонта событий, а диаметром, который в 2,5 раза больше, чем фактический диаметр горизонта событий: «тень» черной дыры больше самой черной дыры.
3.) Есть ли что-то интересное за пределами горизонта событий? Да! Существует место снаружи — в 1,5 раза больше радиуса Шварцшильда для невращающейся черной дыры и увеличивающееся до двух радиусов Шварцшильда для максимально вращающейся — известное как фотонная сфера: зона, где фотон мог бы оставаться на орбите вокруг черной дыры. Однако это не на неопределенный срок; фотонная орбита нестабильна, и фотон в конечном итоге упадет в черную дыру. Это не нарушает ISCO, потому что «S» означает стабильность; это нестабильная орбита.
Но если ваша черная дыра вращается, вместе с ней появляется что-то еще интересное: так называемая внешняя эргосфера. Из-за вращения черной дыры пространство вокруг нее также втягивается. Конечно, пространство всегда втягивается вращающейся массой, но эргосфера особенная, потому что она втягивает пространство со скоростями, равными скорости света.
Во внешней эргосфере частицы, попавшие в эту зону, вынуждены вращаться быстрее, тем самым набирая энергию. Если они набирают достаточно энергии, они могут даже покинуть черную дыру, вылетая из нее и заставляя черную дыру платить цену: терять энергию. Обычно это происходит за счет энергии вращения, а не массовой энергии, и это один из известных способов извлечения энергии из черной дыры. Это называется процессом Пенроуза и, как считается, отвечает за некоторые из самых энергичных частиц, найденных во Вселенной.
4.) Что насчет горизонта событий? Как мы уже говорили, реалистичные черные дыры не невращающиеся; они вращаются с значительным угловым моментом. Это вращение имеет увлекательный математический эффект: вместо одного горизонта событий вы получаете два решения, соответствующие "внешнему" и "внутреннему" горизонту событий. Хотя физики спорят о том, что означают эти два решения, общий консенсус, похоже, заключается в том, что внешний горизонт определенно физически существует, в то время как внутренний горизонт может и не существовать.
Внешний горизонт функционирует как стандартный горизонт событий в случае невращающейся черной дыры, но вращение отодвигает его дальше: значительно дальше вдоль "экватора" черной дыры, чем у "полюсов". Чем быстрее вращается ваша черная дыра, тем больше искажение, до теоретического максимального значения. Однако, как мы обсуждали ранее, черные дыры, которые вращаются слишком быстро, будут терять эту энергию вращения из-за процесса Пенроуза, замедляясь до более медленного, более устойчивого состояния, что дополнительно уменьшает размер горизонта событий.
5.) Но что насчет внутри внешнего горизонта событий черной дыры? Вот где вещи становятся действительно интересными для детально ориентированного физика. Если бы наша черная дыра не вращалась, после пересечения горизонта событий вы бы неизбежно падали к центральной сингулярности, без других альтернатив. Однако вы бы не могли видеть все остальное, приходящее из каждого другого направления в пространстве; скорее, части внутренней части черной дыры, которые связаны причинно, образуют определенную математическую форму: кривую в форме сердца, известную как кардиоида.
Сингулярность, к которой вы в конечном итоге доберетесь, будет точечной и будет иметь бесконечную плотность (и бесконечно малый объем) в результате. Хотя мы не знаем, что происходит в сингулярности — нам нужна квантовая теория гравитации, чтобы знать наверняка — очень ясно, что наши известные законы физики нарушаются, давая только бессмысленные ответы.
Однако, если вы позволите вашей черной дыре вращаться, то есть иметь не только внутреннюю массу, но и угловой момент, все меняется.
6.) Какова реалистическая сингулярность черной дыры? Прежде всего, если добавить вращение, ваша сингулярность больше не будет нульмерной точкой, а скорее распространится в одномерную структуру: кольцо. Когда вы падаете во вращающуюся черную дыру, вы направляетесь к сингулярности, но вращающаяся природа пространства-времени как бы растягивает вас в вихреобразную форму; это как «спагеттификация», но с завитком. Ваша траектория будет метать каждый отдельный квант вашего тела в разные точки, распределенные вдоль этого линейного кольца.
Но вот занимательная оговорка: есть некоторые теоретические указания на то, что когда вы пересекаете внешний горизонт событий и направляетесь к внутреннему горизонту событий, это эквивалентно рождению новой Вселенной внутри этой черной дыры. Многие релятивисты спорят о том, что означают многие свойства, которые мы вывели.
Окажетесь ли вы в состоянии, аналогичном тому, которое, как мы ожидаем, произошло во время космической инфляции? Кажется ли, что граница, с которой вы сталкиваетесь, может быть отображена на границу, ведущую к другому горячему Большому взрыву? Похоже ли это на кротовую нору, где вы «выходите» из пространства, которое вы занимали, и возрождаетесь в другом месте (и в другое время) в каком-то новом пространстве? Возможности захватывающие, и они указывают на то, что вы, возможно, никогда не столкнетесь с той сингулярностью, если ваша черная дыра вращается, в конце концов.
И все же, несмотря на осторожность физиков, когда мы обсуждаем все эти вопросы и различные способы определения «размера» черной дыры, мы склонны к небрежности, когда говорим об этом на бытовом уровне. Обычно, когда физики говорят о размере черной дыры, они имеют в виду радиус Шварцшильда черной дыры, независимо от вращения и игнорируя любые другие эффекты пространственной кривизны, видимый размер тени или поведение частиц. Просто рассматривайте черную дыру как точечную массу, вычисляйте радиус, на котором ее скорость убегания равна скорости света, и вот ваш размер. Даже если вы используете только ньютоновскую гравитацию для расчетов, ваши результаты будут удивительно точными.
Конечно, есть много других физических сценариев, которые мы рассматриваем все время:
- Что происходит с частицами вне черной дыры?
- Где они могут стабильно вращаться на орбите, а где будут либо выброшены, либо проглочены?
- Что мы физически видим, когда смотрим на черную дыру?
- Какие эффекты влечет за собой вращение черной дыры на материю вне ее?
- И, если вы отправитесь за горизонт событий черной дыры, что вы будете испытывать или встречать?
На все эти вопросы есть разные ответы с разными последствиями для вопроса о размере. Важно, когда мы обсуждаем эти вопросы, всегда использовать определение размера, которое имеет смысл для изучаемого эффекта. Все остальное может только привести к путанице.