*2470. Черные дыры

[Андрей Борисов]

https://lenta.ru/articles/2016/12/05/hawking/
00:05, 5 декабря 2016

Хокинг предложил новое описание черных дыр

Иллюстрация к испарению черной дыры
Изображение: APS/Alan Stonebraker

Физики-теоретики Стивен Хокинг, Малкольм Перри и Эндрю Строминжер предложили расширить классическое описание черных дыр. Сделать это предлагается при помощи введения новых законов сохранения, позволяющих описать гравитационные объекты при помощи гораздо большего числа параметров, чем это проводится сегодня. С исследованием ученых можно ознакомиться в библиотеке электронных препринтов arXiv.org, кратко о нем писала «Лента.ру».

Работа ученых продиктована желанием получить ответ на вопрос: теряется ли в черной дыре информация — например, сведения о поляризации падающей в нее частицы? Сегодняшняя точка зрения авторов предполагает положительный ответ, хотя пару десятилетий назад Хокинг придерживался противоположной точки зрения. Однако есть оговорка: информация, поглощенная черной дырой, хоть и не теряется, но воспроизвести ее в сколь-нибудь приемлемом для человека виде, скорее всего, не получится.

Вопрос об информационном парадоксе черной дыры имеет историю в несколько десятилетий, подробнее с ней можно ознакомиться в статье «Ленты.ру» начала 2016 года, посвященной первому совместному исследованию этого вопроса Хокингом, Перри и Строминжером. Тогда, напомним, обоснование того, что в черной дыре не теряется информация, авторы строили на двух обстоятельствах: во-первых, вакуум в квантовой гравитации не является уникальным состоянием; во-вторых, черные дыры имеют так называемые мягкие волосы.

Планковская длина равна примерно 1,62х10-35 метрам, что в 2х1020 раз меньше «диаметра» протона. Численное значение планковских единиц (длины, массы, времени и других) получается из четырех фундаментальных физических постоянных и очерчивает границу применимости современной физики.

Под квантовой гравитацией понимается теория, описывающая мир на планковском масштабе. В этом случае не получится ограничиться рассмотрением природы явления с позиций только квантовой механики или общей теории относительности — нужны оба подхода. Авторы полагают, что вакуум вблизи черных дыр в этом случае бесконечно вырожден, то есть по сути имеется не одно уникальное состояние с минимальной энергией, а бесконечный набор вакуумов, энергия которых практически не отличается друг от друга.

Такое отличие достигается за счет падения на дыру фотонов с чрезвычайно низкой энергий — именно они, по Хокингу, Перри и Строминжеру, приводят к тому, что у гравитационного объекта появляются новые параметры. Ученые пошли еще дальше и попробовали обобщить закон сохранения электрического заряда для черной дыры. В классической электродинамике такой закон может быть получен интегрированием радиальной составляющей электрического поля вокруг сферы, окружающей заряженную область. Если заряд не покидает ее, его значение не должно зависеть от времени.

Если произвести интегрирование по сфере бесконечного радиуса, закон также будет выполняться. Как заметил Строминжер, это приводит к появлению бесконечного числа новых сохраняющихся величин. Именно их подробному описанию и посвящена вторая совместная статья авторов. В новой работе ученые предложили использовать при описании гравитационных объектов супертранcляции — преобразования, которые описывают идентичные световые лучи, существующие на горизонте событий черной дыры (эти термины не стоит путать с понятиями из суперматематики). Они, как показывают расчеты, приводят к изменению суперротационного заряда черной дыры.

Малкольм Перри, Эндрю Строминжер и Стивен Хокинг (слева направо)
Фото: Anna N. Zytkow / scientificamerican.com

«Они (суперротации) представляют собой еще один вид симметрии на бесконечности, где вы не просто перемещаете световые лучи вверх и вниз, а позволяете им двигаться друг относительно друга», — сказал еще в начале 2016 года Строминжер. Заметим, что в рамках стандартного формализма Арновитта-Дезера-Мизнера, популярного при попытках квантового рассмотрения пространства-времени вблизи черных дыр, используются лишь масса, импульс, момент импульса и специальные заряды — в частности, электрический. По мнению авторов, суперротационные заряды должны дополнить описание черных дыр и, в частности, именно в них может скрываться информация, которую уносит в гравитационный объект падающий в него фотон.

Что же думают о работе Хокинга, Перри и Строминжера их коллеги? Физик-теоретик Гэри Хоровиц из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре в рецензии к первой работе отмечал, что исследование ученых по сути не решает информационную проблему черных дыр. По его мнению, для этого есть несколько причин. Во-первых, проведенный учеными анализ должен быть воспроизведен не только для фотонов — частиц, не имеющих массы и участвующих в электромагнитном взаимодействии, но и для гравитации, с которой между тем фотоны напрямую не взаимодействуют. Во-вторых, по мнению Хоровица, мягкие волосы, по всей видимости, не воспроизводят всю информацию, которую поглощает черная дыра при падении в нее частицы.

Гораздо дальше идет другой физик, чех Любош Мотль, ранее работавший над теорией струн в Гарвардском университете. По его мнению, исследования Хокинга, Перри и Строминжера принципиально неверны, поскольку основываются на представлениях квантовой теории поля, существовавших несколько десятилетий назад. Авторы используют формализм локальной квантовой теории поля, который, по мнению Мотля, неприменим к черным дырам. Мотль полагает, что решающее влияние на исследование оказывает авторитет Хокинга, с которым сейчас никто не видит смысла вступать в спор.

[Дмитрий Гусев]

Научные специалисты из Массачусетского технологического института (США) обнаружили черную дыру, которая способная производить звезды. Область пространства-времени выбрасывает огромное количество газа, из которого и рождаются новые звезды.

Американские ученые сделали сенсационное открытие. Находка была сделана во время наблюдения за скоплением галактик Феникс, которое находится примерно в 5,7 миллиардах световых лет от нашей планеты. Данное скопление состоит примерно из 1000 галактик, а самая большая из них находится в центре.

Ранее специалисты были уверены, что это именно они производят на свет новые звезды со скоростью 1000 штук в год. Однако спустя некоторое время ученые обнаружили черную дыру, которая выбрасывает в открытый космос большое количество раскаленного газа, с помощью которого и образуются небесные светила.

[Лентa.Ru]

https://lenta.ru/articles/2017/03/02/blackhole/
00:03, 2 марта 2017


Астрономы описали ветер черной дыры
Фото: JPL-Caltech / NASA

Канадские, немецкие, нидерландские, испанские, британские и американские астрофизики изучили космический ветер, производимый активным ядром галактики IRAS 13224-3809. Считается, что там располагается сверхмассивная черная дыра, расчищающая окружающее пространство от материи. Результаты исследований опубликованы в журнале Nature, кратко о них рассказывает «Лента.ру».

Механизм эмиссии рентгеновских лучей активными ядрами галактик изучен относительно хорошо, однако геометрия короны, где это излучение возникает, до сих пор не вполне понятна. В данной работе ученые попробовали проанализировать реверберацию рентгеновского излучения, чтобы прояснить устройство внутреннего края аккреционного диска, образованного вращающейся вокруг черной дыры материей.

Объект IRAS 13224-3809 представляет собой сейфертовскую звездную систему типа I (то есть с широкими разрешенными и узкими запрещенными спектральными линиями) c красным смещением z=0,0658. Для таких систем характерны релятивистские выбросы газа из аккреционного диска вокруг черной дыры в активном ядре галактики. Объект IRAS 13224-3809 наиболее активен в рентгеновском диапазоне, за ним наблюдали космические телескопы XMM-Newton и NuSTAR.

Сейфертовские галактики чрезвычайно похожи на квазары — одни из самых ярких объектов во Вселенной. Разница — в контрасте, определяемом как отношение светимости активного ядра галактики к светимости всей галактики. Для сейфертовской галактики контраст оценивается в двадцать процентов, тогда как для квазаров он достигает девяноста процентов.

Фото: ESA

Астрофизикам объект IRAS 13224-3809 хорошо известен как источник сильного релятивистского излучения. Это типично для сейфертовской звездной системой типа I. Флуоресцентное свечение возникает из-за того, что высокоэнергетическое рентгеновские лучи возбуждают атомы материи, переводя электроны на более высокие энергетические уровни. Потом система релаксирует, то есть испускает фотоны частотой, соответствующей разнице энергий между возбужденным и основным состояниями электронов в атомах.

Это позволяет выполнить элементный анализ излучающей материи. В частности, астрофизики наблюдали линии испускания железа, а в спектрах — характерный комптоновский горб. В свою очередь спектроскопия излучения, отраженного от плоскости внутреннего края аккреционного диска, указывает на высокую степень изгиба светового пучка вблизи горизонта событий (его не может покинуть никакая частица) черной дыры — эффект общей теории относительности.

Изучение рентгеновской реверберации, задержки между непрерывным и отраженным излучением, дает информацию об устройстве внутреннего края аккреционного диска. С другой стороны, яркость активного галактического ядра определяется попадающей в него из окружающего пространства материей, тогда как скорость поглощения материи аккреционным диском определяется яркостью ядра — типичный пример петли обратной связи, посредством которой расположенные в активных центрах сверхмассивные черные дыры регулируют рост галактик.

Главным средством этого выступают ветры.
Фото: Aurore Simonnet, Sonoma State University / Swift / NASA

Отток газовой материи (в форме космического ветра) высвобождает огромное количество энергии в межзвездную среду, потенциально очищая окружающее активный центр галактики пространство. Скорость космических ветров превышает десять тысяч километров в секунду и достигает для объекта IRAS 13224-3809 71 тысячи километров в секунду — 0,236 скорости света в вакууме. Сами потоки частиц при этом распространяются на нескольких сотен гравитационных радиусов (сфера, ограниченная горизонтом событий) от черной дыры.

Рентгеноспектральные сигнатуры ветра регистрируются одновременно детекторами частиц низких и высоких энергий, что предполагает существование единого ионизированного оттока, связанного с низко- и высокоэнергетическими линиями поглощения. Таким образом, показано, что для окружающего сверхмассивную черную дыру пространства, в частности аккреционного диска, решающими являются два фактора — космический ветер и рентгеновское излучение.

Это также позволяет отследить аккреционные процессы, происходящие на различных расстояниях от черной дыры, — рентгеновское излучение в пределах нескольких гравитационных радиусов черной дыры, которое дополнительно ионизирует ветер, распространяющийся на сотни гравитационных радиусов от объекта.

[Лентa.Ru]

https://lenta.ru/articles/2017/02/09/imbh/
00:04, 9 февраля 2017

Доказано существование невозможного типа черных дыр

Черная дыра средней массы в центре 47 Тукана (в представлении художника)
Изображение: B. Kiziltan & T. Karacan

Американские и австралийские астрофизики обнаружили кандидата в черные дыры средней массы. Такое название они получили потому, что тяжелее обычных — то есть формирующихся в результате гравитационного коллапса звезд — объектов, но легче сверхмассивных черных дыр, как правило расположенных в активных ядрах крупных галактик. Происхождение необычных объектов до сих пор остается неясным. «Лента.ру» рассказывает о черных дырах промежуточных масс и об открытии ученых.

Большинство известных ученым черных дыр — то есть объектов, покинуть пределы которых не способна (в пренебрежение квантовыми эффектами) никакая материя, — являются либо черными дырами звездной массы, либо сверхмассивными черными дырами. Происхождение этих гравитационных объектов астрономам примерно ясно. Первые, как ясно из их названия, представляют собой конечный этап эволюции тяжелых светил, когда в их недрах прекращаются термоядерные реакции. Они настолько тяжелы, что не превращаются ни в белых карликов, ни в нейтронные звезды.

Небольшие звезды, подобные Солнцу, превращаются в белых карликов. У них сила гравитационного сжатия уравновешивается электромагнитным отталкиванием электронно-ядерной плазмы. У более тяжелых звезд гравитация сдерживается давлением ядерной материи, в результате чего возникают нейтронные звезды. Сердцевина таких объектов сформирована нейтронной жидкостью, которую покрывает тонкий плазменный слой электронов и тяжелых ядер. Наконец, самые тяжелые светила превращаются в черные дыры, что прекрасно описывается общей теорией относительности и статистической физикой.

Шаровое звездное скопление 47 Тукана
Фото: NASA / ESA / Hubble Heritage

Предельное значение массы белого карлика, не дающее ему превратиться в нейтронную звезду, в 1932 году оценил индийский астрофизик Субраманьян Чандрасекар. Этот параметр вычисляется из условия равновесия вырожденного электронного газа и сил гравитации. Современное значение предела Чандрасекара оценивается примерно в 1,4 солнечной массы. Верхнее ограничение на массу нейтронной звезды, при которой она не превращается в черную дыру, получило название предела Оппенгеймера-Волкова. Оно определяется из условия равновесия давления вырожденного нейтронного газа и сил гравитации. В 1939 году ученые получили его значение в 0,7 солнечной массы, современные его оценки варьируются от 1,5 до 3,0.

Самые массивные звезды в 200-300 раз тяжелее Солнца. Как правило, масса черной дыры, произошедшей из звезды, не превышает этот порядок. На другом конце шкалы находятся сверхмассивные черные дыры — они тяжелее Солнца в сотни тысяч или даже десятки миллиардов раз. Обычно такие монстры расположены в активных центрах крупных галактик и оказывают определяющее на них влияние. Несмотря на то что происхождение сверхмассивных черных дыр также вызывает много вопросов, к настоящему времени обнаружено достаточно много таких объектов (более строго — кандидатов в них), чтобы не сомневаться в их существовании.

Например, в центре Млечного Пути, на расстоянии 7,86 килопарсека от Земли, находится самый тяжелый объект в Галактике — сверхмассивная черная дыра Стрелец A*, которая более чем в четыре миллиона раз тяжелее Солнца. В соседней крупной звездной системе — Туманности Андромеды —находится еще более тяжелый объект: сверхмассивная черная дыра, которая, вероятно, в 140 миллионов раз тяжелее Солнца. По оценкам астрономов, примерно через четыре миллиарда лет сверхмассивная черная дыра из Туманности Андромеды поглотит таковую из Млечного Пути.

Черная дыра средней массы (в представлении художника)
Изображение: CfA / M. Weiss

Данный механизм указывает на наиболее вероятный способ формирования гигантских черных дыр — они просто поглощают всю окружающую их материю. Однако остается вопрос: существуют ли в природе черные дыры промежуточных масс — между звездными и сверхтяжелыми? Наблюдения последних лет, в том числе и опубликованное в недавнем выпуске журнала Nature, подтверждают это. В публикации авторы сообщили об обнаружении в центре шарового звездного скопления 47 Тукана (NGC 104) вероятного кандидата в черные дыры средней массы. Как показывают оценки, она тяжелее Солнца примерно в 2,2 тысячи раз.

Скопление 47 Тукана расположено на расстоянии 13 тысяч световых лет от Земли в созвездии Тукан. Эту совокупность гравитационно связанных светил отличает большой возраст (12 миллиардов лет) и крайне высокая среди подобных объектов яркость (уступает лишь омеге Центавра). NGC 104 содержит тысячи звезд, ограниченных условной сферой диаметром 120 световых лет (это на три порядка меньше диаметра диска Млечного Пути). Также в 47 Тукана присутствует около двадцати пульсаров — именно они и стали главным объектом исследования ученых.

Прежние поиски в центре NGC 104 черной дыры не увенчались успехом. Такие объекты обнаруживают себя косвенным путем, по характерному рентгеновскому излучению, исходящему от аккреционного диска вокруг них, сформированного разогретым газом. Между тем, центр NGC 104 почти не содержит газа. С другой стороны, черную дыру можно обнаружить по оказываемому ею влиянию на вращающиеся в ее окрестностях звезды — примерно так удается исследовать Стрелец A*. Однако и тут ученых подстерегала проблема — центр NGC 104 содержит слишком много звезд, чтобы можно было разобраться в их отдельных перемещениях.

Радиотелескоп Паркса
Фото: David McClenaghan / CSIRO

Ученые попробовали обойти обе трудности, одновременно с этим не отказавшись от привычных методов обнаружения черных дыр. Сперва астрономы проанализировали динамику светил всего шарового скопления в целом, а не только тех звезд, которые близки к его центру. Для этого авторы взяли данные о динамике светил 47 Тукана, собранные в ходе наблюдений австралийской радиообсерваторией Паркса. Полученную информацию ученые использовали для компьютерного моделирования в рамках гравитационной задачи N тел. Оно показало, что в центре NGC 104 есть нечто, по своим характеристикам напоминающее черную дыру средней массы. Однако этого было недостаточно.

Проверить свои выводы исследователи решили на пульсарах — компактных остатках мертвых звезд, радиосигналы которых астрономы научились достаточно хорошо отслеживать. Если в NGC 104 есть черная дыра средней массы, то пульсары не могут быть расположены слишком близко к центру 47 Тукана — и наоборот. Как и ожидали авторы, подтвердился первый сценарий: расположение пульсаров в NGC 104 хорошо соотносится с тем, что в центре скопления есть черная дыра средней массы.

Авторы полагают, что подобного рода гравитационные объекты могут находиться и в центрах других шаровых скоплений — вероятно, там, где их уже или еще не ищут. Для этого потребуется тщательное рассмотрение каждого из таких скоплений. Какую роль играют черные дыры промежуточных масс и как они возникли? Пока это неизвестно наверняка. Несмотря на множество вариантов их дальнейшей эволюции, соавтор исследования Бюлент Кизилтан полагает, что «они могут быть изначальными семенами, выросшими в монстров, которые мы сегодня видим в центрах галактик».