Черная дыра — это область пространства-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть ее не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света. Внутри находится сингулярность — точка, в которой плотность стремится к бесконечности. Граница черной дыры называется горизонтом событий.
1. Как образуются звездные черные дыры
Звездные черные дыры рождаются при коллапсе ядер массивных звезд. Когда звезда массой более 20-30 масс Солнца сжигает все термоядерное топливо, давление в ее недрах падает, а гравитация сжимает ядро.
Если масса оставшегося ядра превышает 2-3 массы Солнца (предел Оппенгеймера — Волкова), ничто не может остановить коллапс. Ядро сжимается в черную дыру, а внешние слои звезды сбрасываются в виде взрыва сверхновой.
Масса звездной черной дыры — от 3 до нескольких десятков масс Солнца. В Млечном Пути таких объектов, по оценкам, от 100 миллионов до миллиарда.
2. Сверхмассивные черные дыры
В центре большинства галактик находятся сверхмассивные черные дыры. Их масса — от миллионов до миллиардов масс Солнца.
В центре Млечного Пути — Стрелец А*, масса 4,3 миллиона масс Солнца. В центре галактики M87 — черная дыра массой 6,5 миллиардов масс Солнца.
Как они образовались — неясно. Времени с момента Большого взрыва недостаточно, чтобы звездная черная дыра выросла до миллиарда масс Солнца за счет обычной аккреции. Предполагаемые механизмы: прямой коллапс гигантского газового облака в ранней Вселенной, слияние множества черных дыр в плотных звездных скоплениях, сверхбыстрая аккреция.
3. Промежуточные и первичные черные дыры
Промежуточные черные дыры — гипотетический класс с массами от сотен до тысяч масс Солнца. В последние годы найдены убедительные кандидаты (например, в шаровом скоплении в галактике NGC 6397). Возможно, это «семена», из которых выросли сверхмассивные черные дыры.
Первичные черные дыры — гипотетические объекты, которые могли образоваться не при коллапсе звезд, а в первые мгновения после Большого взрыва из-за флуктуаций плотности. Их масса может быть любой — от микроскопической (масса горы) до гигантской.
4. Как астрономы обнаруживают черные дыры
Черная дыра не излучает света, но ее присутствие выдают косвенные признаки.
Аккреционный диск. Когда вещество падает на черную дыру, оно закручивается в диск, разогревается до миллионов градусов и излучает в рентгеновском диапазоне. Так регистрируют сверхмассивные черные дыры в активных галактиках.
Рентгеновские двойные. В двойной системе, где один компонент — черная дыра, а второй — обычная звезда, черная дыра перетягивает вещество с компаньона. Падающий газ разогревается и излучает рентген. Так открыты все звездные черные дыры в нашей Галактике.
Движение звезд. По орбитам звезд в центре Галактики астрономы рассчитали массу и размер невидимого объекта — Стрельца А*.
Гравитационные волны. При слиянии двух черных дыр детекторы LIGO и Virgo регистрируют колебания пространства-времени. Первый такой сигнал был получен в 2015 году.
Тень черной дыры. В 2019 году телескоп Event Horizon Telescope получил изображение тени черной дыры в галактике M87 — темный силуэт на фоне светящегося аккреционного диска.
5. Горизонт событий
Горизонт событий — это граница, за которой гравитация становится необратимой. Радиус горизонта событий называется радиусом Шварцшильда. Для черной дыры с массой Солнца он составляет 3 километра. Для сверхмассивной черной дыры в центре M87 — около 20 миллиардов километров (больше орбиты Плутона).
С точки зрения удаленного наблюдателя, часы, падающие в черную дыру, замедляются. На горизонте событий время останавливается. Свет от падающего объекта смещается в красную сторону, его частота падает до нуля. Наблюдателю будет казаться, что объект зависает у горизонта и бесконечно долго тускнеет.
С точки зрения самого падающего объекта, он пересечет горизонт событий за конечное собственное время и не заметит ничего особенного в момент пересечения.
6. Сингулярность
Сингулярность — это область внутри черной дыры, где согласно общей теории относительности плотность и кривизна пространства-времени становятся бесконечными. Законы физики там не работают.
Это означает, что общая теория относительности неполна. Вблизи сингулярности должны быть важны квантовые эффекты, но квантовая теория гравитации пока не создана. Что на самом деле находится в центре черной дыры — неизвестно.
7. Излучение Хокинга
В 1974 году Стивен Хокинг показал, что излучают чёрные дыры. Согласно квантовой механике, у горизонта событий постоянно рождаются и аннигилируют пары «частица-античастица». Иногда одна частица падает в черную дыру, а вторая улетает. Улетевшая частица уносит энергию, масса черной дыры уменьшается.
Это излучение называется излучением Хокинга. Для астрофизических черных дыр оно чрезвычайно слабо. Температура черной дыры с массой Солнца — 60 миллионных долей кельвина, что гораздо ниже температуры реликтового фона. Зарегистрировать такое излучение невозможно.
Излучение Хокинга приводит к информационному парадоксу. Квантовая механика требует сохранения информации, но если черная дыра полностью испаряется, информация о всем, что в нее упало, исчезает. Решение этого парадокса не найдено.
8. Гравитационные волны от слияний черных дыр
При слиянии двух черных дыр гравитационные волны уносят значительную часть их массы. В последние доли секунды перед слиянием мощность излучения превышает мощность всех звезд во Вселенной вместе взятых.
11 февраля 2016 года коллаборация LIGO объявила о первом прямом обнаружении гравитационных волн. Сигнал GW150914 был порожден слиянием двух черных дыр массами 36 и 29 масс Солнца на расстоянии 1,3 миллиарда световых лет. За последние 0,2 секунды было излучено около 3 масс Солнца в виде гравитационных волн.
По состоянию на 2024 год зарегистрированы десятки событий слияния черных дыр.
9. Столкновения черных дыр с нейтронными звездами
Существуют также события слияния черной дыры с нейтронной звездой. Первое такое событие, GW170817, было зарегистрировано в 2017 году. В отличие от слияния двух черных дыр, это событие сопровождалось электромагнитным излучением.
Такие слияния — источник тяжелых элементов (золото, платина, уран) во Вселенной. Количество золота, образовавшегося при этом одном событии, оценивается в несколько десятков масс Земли.
10. Нерешенные проблемы
Несмотря на впечатляющий прогресс — от теоретического предсказания в 1916 году до прямого наблюдения теней и гравитационных волн в XXI веке — черные дыры остаются источником фундаментальных загадок. Вот главные из них.
Проблема 1: Как растут сверхмассивные черные дыры
В центре каждой крупной галактики находится сверхмассивная черная дыра. Масса таких объектов — от миллионов до миллиардов масс Солнца. Но как они успели вырасти?
Наблюдения телескопа James Webb обнаружили черные дыры с массой в миллиард Солнц уже через 700 миллионов лет после Большого взрыва. Вселенной тогда было всего 5% от ее текущего возраста.
Стандартный механизм роста — аккреция (падение газа). Но аккреция имеет предел: светимость падающего газа создает давление, которое отталкивает вещество. Это называется пределом Эддингтона. При аккреции с предельной скоростью черной дыре требуется около 500 миллионов лет, чтобы увеличить массу в 10 раз. С нуля до миллиарда солнечных масс за 700 миллионов лет вырасти невозможно.
Возможные объяснения:
- Прямой коллапс гигантского облака газа в ранней Вселенной, минуя стадию звезды. Облако массой в сотни тысяч Солнц может схлопнуться сразу в черную дыру промежуточной массы, минуя взрыв сверхновой.
- Сверхэддингтоновская аккреция — падение газа с интенсивностью, временно превышающей предел Эддингтона (возможна в определенных условиях).
- Слияние множества черных дыр в плотных звездных скоплениях в центрах первых галактик.
Какой из этих механизмов (или их комбинация) работает в действительности — не установлено.
Проблема 2: Что находится внутри черной дыры
Общая теория относительности предсказывает в центре черной дыры сингулярность — точку, в которой плотность и кривизна пространства-времени становятся бесконечными. Бесконечности в физике — сигнал того, что теория перестает работать. Вблизи сингулярности должны включаться квантовые эффекты, но квантовой теории гравитации пока не существует.
Что может быть вместо сингулярности?
Планковская звезда. Гипотетический объект, в котором квантовые эффекты останавливают коллапс при плотности порядка планковской (10⁹⁶ кг/м³). Размер такой звезды — около 10⁻³⁵ метра.
Фазовый переход. При экстремальных плотностях материя может переходить в новое неизвестное состояние, которое не допускает бесконечного сжатия.
Кротовая нора. Черная дыра может быть входом в пространственно-временной туннель, ведущий в другую область Вселенной или в другую вселенную.
Голографическая стена. Информация о падающих объектах может записываться на горизонте событий, а внутренность черной дыры — иллюзия.
Прямых наблюдений нет и не будет. Информация из-за горизонта событий не выходит. Ответ придется получить из теории, без экспериментальной проверки.
Проблема 3: Информационный парадокс
Это одна из самых глубоких загадок современной физики. Сформулируем ее просто: куда девается информация, когда черная дыра испаряется?
Квантовая механика утверждает, что информация не может быть уничтожена. Если знать точное состояние всех частиц в системе, можно просчитать ее эволюцию как вперед, так и назад во времени. Информация сохраняется.
Общая теория относительности (в сочетании с излучением Хокинга) утверждает, что черная дыра испаряется полностью. Если она испарилась, что случилось с информацией о звездах, планетах и астероидах, которые в нее упали? Она не может вылететь с излучением Хокинга — расчеты показывают, что оно почти не зависит от того, что упало в черную дыру (тепловое излучение). И она не может остаться «внутри» — черной дыры больше нет.
Парадокс: квантовая механика требует сохранения информации, а предсказания теории поля в искривленном пространстве-времени (излучение Хокинга) говорят об обратном. Значит, одна из теорий неполна или неверна.
Предлагаемые решения:
Голографический принцип. Вся информация о трехмерной внутренности черной дыры может быть закодирована на двумерной поверхности горизонта событий как голограмма. Когда черная дыра испаряется, информация остается закодированной в остаточном излучении.
Сохранение информации в планковских остатках. Черная дыра не испаряется полностью, а оставляет после себя стабильный микроскопический остаток планковского размера, в котором хранится вся информация.
Нелокальность и запутанность. Информация может покидать черную дыру через квантовую запутанность частиц излучения Хокинга, что приводит к «размягчению» горизонта событий (потеря жесткой границы).
В 2022 году премию Вульфа в области физики получили четыре исследователя за «ключевой вклад в понимание информационного парадокса черных дыр и предсказание тонкой структуры горизонта событий». Но парадокс до сих пор считается нерешенным.
Проблема 4: Существуют ли первичные черные дыры
Первичные черные дыры — это гипотетический класс объектов, которые могли образоваться не при коллапсе звезд, а в первые доли секунды после Большого взрыва за счет гравитационного коллапса локальных флуктуаций плотности.
Их масса может быть любой — от планковской (10⁻⁸ кг) до сотен тысяч масс Солнца. Если такие объекты существуют, они полностью состоят из темной материи (на самом деле они и есть темная материя).
Наблюдения накладывают ограничения:
- Микролинзирование не обнаружило объектов массой от 10⁻¹¹ до 10⁷ масс Солнца в количествах, достаточных для объяснения темной материи.
- Излучение Хокинга от маленьких первичных черных дыр должно было создать наблюдаемый гамма-фон. Такого фона не обнаружено.
- Аккреция на первичные черные дыры в ранней Вселенной должна была влиять на рекомбинацию и наблюдаемые флуктуации реликтового излучения. Данные Planck накладывают жесткие ограничения.
Тем не менее, остается узкое окно масс от 10¹⁵ до 10¹⁷ кг, где первичные черные дыры могут быть темной материей, не противореча наблюдениям. Проверить эту гипотезу можно — по гравитационным волнам от слияний таких объектов, которые надеются обнаружить будущие детекторы.
Проблема 5: Гипотеза космической цензуры
В 1969 году Роджер Пенроуз выдвинул гипотезу космической цензуры: сингулярность всегда скрыта горизонтом событий. Природа не позволяет существовать «голым» сингулярностям — бесконечностям, которые можно наблюдать извне.
Зачем это нужно? Если сингулярность видима, в ее окрестности нарушается причинность: свет может выходить из сингулярности, и непонятно, как описывать законы физики в таком пространстве-времени.
Доказать или опровергнуть гипотезу космической цензуры не удается. Есть частные результаты для симметричных случаев (сферически симметричный коллапс — сингулярность скрыта всегда). Но в общем виде это одна из открытых проблем.
Более того, некоторые теоретические модели (например, коллапс пылевого облака с вращением или коллапс скалярных полей) предсказывают возникновение голых сингулярностей. Если эти модели соответствуют реальности, гипотеза космической цензуры неверна.
Экспериментально проверить невозможно. Голые сингулярности, если они существуют, были бы видны — но их никто не наблюдал. Но отсутствие наблюдений не доказательство.
Проблема 6: Отсутствие квантовой теории гравитации
Это корень всех остальных проблем. Черные дыры — это мост между гравитацией (общая теория относительности, описывающая пространство-время) и квантовой механикой (описывающей остальные три фундаментальных взаимодействия). Именно в черных дырах оба эффекта важны одновременно, и именно там отсутствие единой теории проявляется наиболее остро.
Кандидаты в теорию квантовой гравитации:
Теория струн. Фундаментальная единица — не точка, а одномерные струны. Существование дополнительных измерений. Предсказывает микроскопическую структуру черной дыры и позволяет подсчитать ее энтропию.
Петлевая квантовая гравитация. Пространство-время дискретно на планковском масштабе. Предсказывает, что коллапс останавливается до сингулярности и из черной дыры может появиться новая вселенная.
Асимптотически безопасная гравитация. Общая теория относительности — это приближение, которое становится точным только на больших расстояниях. На малых — работает другая теория.
Ни одна из этих теорий не получила экспериментального подтверждения.
Когда мы говорим, что черные дыры «изучены», мы имеем в виду их внешнее поведение — орбиты звезд, аккреционные диски, гравитационные волны, даже тень. Но что находится внутри, как они растут такими большими, куда девается информация и как совместить гравитацию с квантовой механикой — это территория активных исследований. И, возможно, следующий прорыв в физике произойдет именно здесь.
Подпишись, если понравилась статья!