Гвоздичное море - Чёрные дыры

Нам посчастливилось провести интервью с Юрием Левиным (астрофизик, профессор Колумбийского университета, лидер группы в институте вычислительной астрофизики) о черных дырах в рамках передачи Гвоздичное море.

- Что такое чёрные дыры (далее ЧД)? В чём уникальность этих космических объектов?

В двух словах, черная дыра – это область чрезвычайно сильного искривления пространства-времени. Уникальность черной дыры состоит, в частности, в том, что она окружена "горизонтом событий", поверхностью с очень нетривиальными математическими и физическими свойствами. Например, выяснилось, что невозможно послать сигнал наружу из той части пространства, которое находится внутри горизонта. Если Вы, говоря совершенно гипотетически, упадете на черную дыру и окажитесь внутри горизонта, у Вас не будет возможности ни самой вернуться наружу, ни послать весточку тем, кто остался. Более того, Ваше существование внутри черной дыры (равно как и существование любой материи) будет, скорее всего, весьма непродолжительно: и Вы, и вся остальная материя, попадете на так называемую сингулярность. Честно говоря, мы, физики, не очень хорошо понимаем эти сингулярности, но ничего хорошего от них ожидать не приходится :)

- Как ЧД образовались?

Скорее всего, черные дыры, которые живут сейчас в нашей Вселенной, образовались в результате гравитационного коллапса, сверхсильного сжатия до очень малых размеров звезды или газового облака (если бы кто-то захотел сделать черную дыру из нашей планеты, ему бы пришлось её сжать до размера маленькой сливы). Но учеными рассматриваются и более экзотические сценарии, например, формирование черных дыр из квантовых флюктуаций в совсем-совсем ранней Вселенной.

- Какие бывают виды чёрных дыр? В чем их отличие?

Вообще-то, вся структура и свойства черной дыры описывается вcего двумя параметрами: массой и скоростью вращения. С какой-то точки зрения, это очень простые объекты, самые простые объекты во Вселенной! Физики говорят, что "у черных дыр нет волос", и имеют при этом в виду именно эту простоту.

Нам достоверно известно о двух основных типах черных дыр. Первый - "черные дыры звездных масс". Этих ребят полно в нашей Галактике, они весят в десятки раз больше Солнца. Второй тип - "сверхмассивные черные дыры". Обычно таких всего одна, ну, иногда, две на галактику, и они весят в миллионы или даже в миллиарды раз больше, чем Солнце.

В самом центре нашей Галактики находится черная дыра Sgr A*, которая весит 4 миллиона солнечных масс!

- Как образуются ЧД разных масс? Например, достигла звезда своей максимальной массы, после чего коллапсирует. Почему эта максимальная масса у разных звёзд разная?

Приближение к коллапсу – сложный процесс, мы его не очень хорошо понимаем. Коллапсируют массивные звезды, грубо говоря, когда у них кончается ядерное топливо, и звезда становится неспособной поддерживать большое давление в центре. В деталях мы еще не разобрались до конца, но факт тот, что черные дыры звездных масс образуются в результате коллапса выгоревших массивных звезд. Как формируются сверхмассивные дыры, мы точно не знаем. Совершенно ясно, что после формирования, сверхмассивные дыры увеличиваются в размере за счет аккреции огромного количества газа.

- Каково строение ЧД? Что такое горизонт событий? Что такое сингулярность?

Физики и математики работают с трехмерными картами, описывающими пространство и время снаружи и внутри черной дыры. Как я уже говорил выше, горизонт событий и сингулярности – это некие математические поверхности на этих картах с особенными свойствами. Горизонт отделяет внутреннюю часть черной дыры от внешнего пространства. То, что происходит внутри, мы никогда не увидим: нет никакой возможности для сигнала посланного изнутри, проникнуть наружу. С другой стороны, наблюдатель, падающий на черную дыру через горизонт, не заметит ничего особенного. К сожалению, наблюдателю, который пересек горизонт, придется встретиться с сингулярностью. По мере приближения к сингулярности, приливные силы, действующие на наблюдателя, увеличиваются до бесконечности. Тут уже никому и ничему не поздоровится. Что происходит в самой сингулярности, в точности неизвестно: для описания этого требуется теория квантовой гравитации, и у нас, к сожалению, нет такой теории.

- При слиянии двух черных дыр их общая масса суммируется?

Не совсем. Часть энергии искривлённого пространства-времени, из которого состоит черная дыра и которая дает ей массу, уноситься гравитационными волнами. Поэтому, например, масса черной дыры, которая образовалась во время первого слияния черных дыр наблюдаемых обсерваторией LIGO, примерно на 5% меньше, чем сумма масс исходных черных дыр.

- Почему сверхмассивные ЧД находятся в центре практически каждой галактики?

Мы в точность не знаем, как появляются на свет сверхмассивные черные дыры. Но совершенно ясно, что если такая черная дыра есть в галактике, то она будет стремиться расположиться в её центре, таким способом, минимизируется её потенциальная энергия.

По современным представлениям, практически в каждой галактике с балджем (эллипсоидальная концентрация звезд к центру галактики) имеется сверхмассивная черная дыра. Почему? Мы в точности не знаем, поскольку у нас нет какой-то единственной теории формирования таких дыр, которая была бы безоговорочно подтверждена наблюдениями.

Мне лично кажется весьма вероятным, что в первых галактиках была затруднена фрагментация коллапсирующего газа на маленькие звезды, и что некоторые из образующихся звезд были очень, очень большие. Такие огромные звезды в конце жизни сколлапсируют в черные дыры промежуточных масс (несколько тысяч или десятков тысяч солнечных масс). Те в свою очередь, оказавшись в центре ранней галактики, будут аккрецировать (съедать по-простому) плотные облака газа, таким образом, увеличивая свою массу, пока в центре галактики газа не останется. Но это только одна из гипотез.

- Может ли ЧД «испаряться»? Если да, то насколько эффективно это «испарение»?

Может, в принципе, это так называемое "испарение Хокинга". Это очень интересный эффект с концептуальной точки зрения, но для черных дыр, которые известны астрономам, этот эффект пренебрежимо мал. Астрономов он не слишком интересует.

- На чем основан принцип действия излучения Хокинга?

Эффект основан на том, что квантовые флюктуации любых полей усиливаются при взаимодействии с метрикой черной дыры, и происходит рождение частиц, которые улетают и уносят с собой энергию. Поскольку по теории относительности масса и энергия эквивалентны, черная дыра теряет свою массу. В принципе, чем меньше черная дыра, тем быстрее она теряет свою массу, поэтому этот процесс должен ускоряться во времени. Для астрофизических черных дыр звездных масс этот процесс абсолютно не играет никакой роли. Но, в принципе, возможно существование совсем маленьких черных дыр, которые будут испаряться за счет эффекта Хокинга.

- Может ли ЧД полностью испариться? Что тогда произойдет?

В принципе да, если она не заряжена. Ничего, наверное, не останется от неё тогда.

- Когда на ЧД падает вещество, выделяется большое количество энергии, почему она не светится?

Еще и как светится. Астрономы наблюдают целый фейерверк, создаваемый активными ядрами в других галактиках, и рентгеновскими двойными системами в нашей Галактике. Это свечение как раз и производится за счет выделения энергии аккреции на сверхмассивные дыры, и на черные дыры звездных масс.

- Что можно сказать про плотность ЧД? Изменяется ли она при поглощении нового вещества?

Хочу напомнить вашим читателям, что черная дыра не состоит из какого-то материала. Черная дыра по сути своей - объект вакуумный, её масса создается энергией искривления пространства и времени. То, что астрофизические черные дыры создаются в результате гравитационного коллапса звезд, не значит, что они состоят из звездного вещества! Коллапсирующая звезда искривляет пространство и время таким образом, что формируется черная дыра с горизонтом и сингулярностью. Звездное вещество в этой сингулярности исчезает, а дыра продолжает жить, как ни в чем не бывало. Онa не из чего не состоит, только из искривленного пространства-времени.

- Что Вы можете сказать про белые дыры? Это миф/реальность?.. В чем отличие от ЧД?

Чисто математическая конструкция, не имеющая отношения к нашей Вселенной.

- ЧД тоже движутся по орбитам? Благодаря чему образовалась эта орбита? Вокруг чего они движутся?

Черные дыры, как и все тела в космосе, перемещаются по орбитам в том внешнем потенциале, в котором они находятся. В этом они совершенно не отличаются от других космических тел. Например, нам известно много примеров двойных систем, когда оба тела двигаются по эллиптическим орбитам вокруг их общего центра масс, и одно из этих тел – обычная звезда, а второе – черная дыра.

- Все ли ЧД вращаются? От чего это зависит?

Скорее всего, все, хотя у нас пока что нет достоверных измерений этого аспекта. Вращение черной дыры определяется, во-первых, вращательным движением того космического тела, в результате гравитационного коллапса которого дыра сформировалась, и во-вторых, вращательным движением того газа, который "саккрецировал" на черную дыру. Иначе говоря, черная дыра запоминает вращение тел, которые попадают под её горизонт.

- Что такое «теорема об отсутствии волос» у ЧД?

Я уже упоминал о "волосах". Отсутствие "волос" означает чрезвычайную простоту структуры всех черных дыр. Поймите меня правильно, простота не в том смысле, что каждому человеку с улицы можно за 30 секунд объяснить, а в том, что карта пространства-времени черной дыры полностью, на 100 % в каждой её детали задается двумя параметрами: массой и вращением. Ни одного другого отличия, даже самого маленького, у изолированных черных дыр нет.

- Есть ли теоретически (практически) предел максимального и минимального размера/массы ЧД? Что случится, когда ЧД его достигнет?

Практически мы не знаем примеров черных дыр с массой меньше 5 солнечных масс и больше 20 миллиардов солнечных масс. Теоретически верхнего предела нет, а с нижним пределом начинаются проблемы, если масса черной дыры становится сравнимой с примерно одной стотысячной грамма, так называемой планковской массой. Для описания таких маленьких черных дыр требуется теория квантовой гравитации, а у нас такой теории пока нет.

- Может ли ЧД поглощать в себя объекты большие, чем она сама?

Может, но не сразу. Обычно в таких ситуациях черная дыра начинает давиться, и выбрасывает часть поглощаемого материала во внешнюю среду. Некоторые из таких выбросов происходят в виде тонких быстрых струй, которые излучают яркие радиоволны. Очень красивое зрелище, если есть радиотелескоп.

- Что происходит с информацией после попадания ее в ЧД?

Существует некий парадокс, придуманный Хокингом. Дело в том, что в квантовой теории, общее количество информации в замкнутой системе должно строго сохраняться во времени, а испаряющаяся черная дыра это правило нарушает. Вы в неё можете бросать энциклопедии с огромным количеством информации, но при её испарении из неё выходят только тепловые фотоны с нулевой информацией! Так спрашивается, где все эти знания, которые вы в неё забросили? Это вопрос не практический, а концептуальный: как построить теорию так, чтобы существование черных дыр не противоречило бы квантовой теории. Для этого, судя по всему, нужна теория квантовой гравитации, а у нас такой теории нет.

- Какова температура снаружи и внутри ЧД? Почему именно такая температура?

Температура газа прямо рядом с наблюдаемыми черными дырами обычно очень высокая, от десятков тысяч до миллиардов градусов. Газ очень горячий, потому что быстрые потоки газа разогреваются за счет трения.

- Какие есть проблемы в изучении ЧД? Над какими задачами сейчас работают учёные?

Как я уже упомянул, у астрофизиков нет точной картины рождения черных дыр, как сверхмассивных, так и черных дыр звездных масс, и это является темой активных исследований. Большой интерес также представляет взаимодействие черных дыр с окружающей средой. Астрофизики изучают свечение газа аккрецирующего на черную дыру, струи и другие быстрые оттоки от сверхмассивных черных дыр, взаимодействие этих оттоков с газом в галактиках, и эффект, оказываемый присутствием сверхмассивных черных дыр на структуру галактик, в которых они находятся. Активно изучаются каналы формирования двойных систем, в которых каждая компонента – черная дыра. Это последнее, вызвано революцией в астрономии, которая началась после того, как в сентябре 2015 года LIGO детектировал всплеск гравитационных волн, произведенный слиянием двух черных дыр звездных масс.

С точки зрения фундаментальной физики, отрытые вопросы связаны с построением теории квантoвой гравитации и применением этой теории к черным дырам.

- Как повлияло на изучение ЧД открытие гравитационных волн?

Это отдельная большая тема. Если в двух словах, то детектирование гравитационных волн важно для двух аспектов физики черных дыр. Во-первых, откуда берутся в природе такие двойные системы? Как получается, что две черные дыры оказываются настолько близко друг к другу? Что определяет массы этих черных дыр? С точки зрения астрофизики, эти вопросы очень интересные и очень сложные. Во-вторых, сам процесс слияния - яркий пример геометродинамики. Так называется наука о движении искривленного пространства-времени без присутствия какой-либо материи. Казалось бы, что может быть проще, чем движение пустого пространства-времени? Так вот, оказывается, что это очень и очень сложно, когда кривизна пространства-времени становится большой. Геометродинамика получила сейчас новый мощный толчок, именно в связи с открытием гравитационных волн от сливающихся черных дыр.

- Юрий Михайлович, большое Вам спасибо за интересные ответы. До свидания.

- Спасибо Вам, до свидания.