*2572. Черные дыры

[Elementy.ru]

Главная / Библиотека / Публичные лекции версия для печати
http://elementy.ru/lib/25531/25536
Черные дыры и структура пространства-времени

Хуан Малдасена (Juan Maldacena),
Институт высших исследований,
Школа естественных наук,
Принстон, Нью-Джерси, США

Английский оригинал Видеозапись Презентация лекции (pdf, 656 Кб)

1. Черные дыры
2. Черные дыры и квантовая механика
3. Разрешение загадок
4. Структура пространства-времени
Библиография

1. Черные дыры

Черные дыры — один из самых необыкновенных объектов, предсказываемых общей теорией относительности Эйнштейна. У черных дыр интересная история, поскольку они преподнесли теоретикам немало сюрпризов, приведших к лучшему пониманию природы пространства-времени.

Давайте начнем с теории всемирного тяготения Ньютона. Силу гравитационного притяжения мы испытываем прямо здесь, на поверхности земли. Если подбросить камень, он упадет под действием земного притяжения. А можно ли подбросить камень с такой скоростью, чтобы он на Землю не вернулся? Можно. Если запустить камень со скоростью выше второй космической скорости (около 11 км/с), он покинет гравитационное поле Земли. Эта «скорость выхода» зависит от массы и радиуса земного шара. Если бы Земля при ее нынешнем радиусе была массивнее или имела бы меньший радиус при ее нынешней массе, скорость выхода была бы выше. Возникает вопрос: что будет, если плотность и масса космического тела настолько велики, что скорость выхода из его гравитационного поля выше скорости света? Ответ: такое тело будет представляться внешнему наблюдателю абсолютно черным, поскольку свет его покинуть не может. Например, звезда с радиусом меньше, чем

где GN — постоянная Ньютона, а с — скорость света в вакууме, будет выглядеть абсолютно черной.

Для тех, кто не разбирается в формулах, приведу несколько примеров. Чтобы тело, масса которого равна массе Земли, превратилось в черную дыру, оно должно иметь радиус меньше сантиметра. Тело с массой Солнца должно сжаться до диаметра меньше километра. На это еще в конце XVIII века указал Пьер-Симон Лаплас, но тогда никто не придал этому особого значения.

С появлением в 1905 году специальной теории относительности у нас появилось понимание того факта, что скорость света в вакууме — не рядовая скорость. Это космический предел: ничто не может двигаться быстрее света. Теория относительности Эйнштейна также учит нас, что пространство и время тесно взаимосвязаны. Для наблюдателей, движущихся друг относительно друга, время течет с разной скоростью. Предположим, вы стоите на улице и смотрите на проезжающие машины. Для водителей машин время течет чуть медленнее, чем для вас, и несколько иначе. Предположим, вы видите, как два светофора в разных концах улицы одновременно переключаются на красный. Для водителей же они переключатся не одновременно. Это получается после того, как мы учтем время, которое требуется свету, чтобы пройти расстояние от светофора до наблюдателей. И для вас, и для водителей свет движется с одинаковой скоростью, но время для них течет медленнее. То есть, время относительно, а скорость света абсолютна. Это противоречит нашим интуитивным представлениям о мире, так как эффект этот на нас практически не сказывается, поскольку мы обычно путешествуем на скоростях, которые очень далеки от скорости света, а время измеряем не с абсолютной точностью. Однако в ускорителях элементарных частиц этот эффект наблюдается постоянно. При скоростях, близких к скорости света, частицы живут значительно дольше.

Пространство и время объединяются в единую концепцию пространства-времени. Время воспринимается по-разному двумя наблюдателями, движущимися друг относительно друга. Однако оба наблюдателя воспринимают одно и то же пространство-время. Имеются точные формулы, позволяющие нам связать наблюдения этих двух наблюдателей.

Теперь вернемся к гравитации. Она обладает очень важным свойством, которое открыл еще Галилей: все тела падают одинаково, если не учитывать сопротивление воздуха. В безвоздушном пространстве пушинка и камень упадут на землю одновременно. В случае действия других сил это не так. В электрическом поле заряженная частица будет двигаться иначе в случае изменения ее массы или заряда. В теории всемирного тяготения Ньютона причина, по которой все тела движутся под воздействием гравитационных сил одинаково, сводится к тому, что сила гравитационного притяжения пропорциональна массе тела. Иногда это называют «принципом эквивалентности».

Эйнштейн осознал, что теория Ньютона противоречит теории относительности, поскольку согласно ньютоновской теории гравитационное взаимодействие между телами передается мгновенно. В 1915 году Эйнштейн решил эту проблему таким образом, что из этого решения естественным путем вытекает и принцип эквивалентности. Свою новую концепцию Эйнштейн назвал общей теорией относительности. Он предположил, что гравитация возникает вследствие искривления пространства-времени. В искривленном пространстве-времени частицы движутся по кратчайшим траекториям. Изначально параллельные линии таких траекторий в искривленном пространстве-времени могут сближаться. Например, два земных меридиана на пересечении с экватором параллельны, однако по мере удаления от него они сближаются и, в конечном итоге, пересекаются в точке Северного полюса. Конфигурация пространства-времени зависит от материи, перемещающейся в нем. Общая теория относительности подразумевает, что темп времени зависит от гравитационного поля. Следовательно, два жильца одного дома, обитающие на первом и последнем этажах, воспринимают ход времени по-разному. Для обитателя первого этажа время течет чуть медленнее, чем для обитателя верхнего этажа. Для земных зданий этот эффект пренебрежимо мал и составляет порядка 10–15 секунды за секунду. Главное, что нам нужно усвоить, это то, что массивные тела стягивают пространство-время на себя. В частности, вблизи массивных объектов время течет медленнее, чем на удалении от них.

Физики всегда стремятся сначала разобрать простейшие ситуации. Поэтому в 1916 году, вскоре после открытия общей теории относительности, молодой немецкий физик Карл Шварцшильд (Karl Schwarzschield) нашел простейшее сферически симметричное решение уравнений Эйнштейна. Это решения описывает частный случай искривления геометрии пространства-времени под воздействием точечной массы. Однако, вместо геометрии, давайте обратим внимание на другой их аспект: темп хода стационарных часов. Часы на поверхности Солнца идут на одну миллионную медленнее, чем удаленные от Солнца часы. Часы на поверхности нейтронной звезды идут со скоростью 70% от скорости часов вдали от нее. Здесь налицо уже весьма значительный эффект расхождения во времени. Так вот, решение Шварцшильда подразумевает, что часы в «центре» точечной массы вообще остановились бы. Поначалу физики сочли это «нефизическим» парадоксом, следствием слишком упрощенного анализа.

Дальнейшие расчеты показали, однако, что речь в решении Шварцшильда идет даже не о некоем условном «центре», а о целой идеальной сфере. Путешественник, пересекающий границы этой сферы и попадающий внутрь нее, не испытывает ничего странного или необычного — для него время течет по-прежнему. А вот для сторонних наблюдателей за пределами этой сферы, принимающих сигналы от падающего внутрь сферы путешественника, любые сигналы от него будут неуклонно замедляться, пока не исчезнут, как таковые, при пересечении им поверхности сферы. Поверхность, на которой стационарные часы замедляются до нуля, принято называть сферой Шварцшильда или «горизонтом». Возврата из-за горизонта нет. Наблюдатель, пересекший его и попавший внутрь сферы, обратно не выберется и будет неизбежно поглощен сингулярностью в ее центре. «Сингулярность» — это область сверхвысокого искривления пространства-времени, и путешественник в ней попросту исчезнет и будет раздавлен огромной гравитационной силой. Выясняется, что размер черной дыры согласно теории Эйнштейна описывается все той же формулой, предложенной еще Лапласом в рамках механики Ньютона, однако ее физическая интерпретация в корне меняется.

Черные дыры могут образовываться в результате астрофизических процессов, когда у звезд с массой, на порядок превышающей массу Солнца, кончается термоядерное топливо, и они обрушиваются внутрь себя под действием гравитационных сил. Имеется достаточно данных наблюдений, свидетельствующих о реальности существования таких черных дыр во Вселенной. С астрофизической точки зрения обнаруженные черные дыры подразделяются на две категории. Первый тип — это черные дыры, образовавшиеся в результате коллапса массивных звезд и обладающие соответствующей массой. Поскольку черные дыры кажутся нам реально черными, наблюдать их крайне сложно. Если посчастливится, мы можем увидеть лишь шлейф газа, затягиваемого в черную дыру. Разгоняясь при падении, газ разогревается и испускает характерное излучение, которое мы только и можем обнаружить. Источником газа при этом является другая звезда, образующая парную систему с черной дырой и обращающаяся вместе с ней вокруг центра масс двойной звездной системы. Иными словами, сначала мы имели обычную двойную звезду, затем одна из звезд в результате гравитационного коллапса превратилась в черную дыру. После этого черная дыра начинает засасывать газ с поверхности горячей звезды. Второй тип — это гораздо более массивные черные дыры в центрах галактик. Их масса превышает массу Солнца в миллиарды раз. Опять же, падая на такие черные дыры, вещество разогревается и испускает характерное излучение, которое со временем доходит до Земли, его-то мы и можем обнаружить. Предполагается, что все крупные галактики, включая нашу, имеют в центре свою черную дыру.

Однако основным предметом нашего разговора является не астрофизика черных дыр, а исследование их влияния на структуру пространства-времени.

Согласно теории Эйнштейна черная дыра представляет собой бездонный провал в пространстве-времени, падение в который необратимо. Что упало, то пропало в черной дыре навеки.

У черных дыр очень интересные свойства. После коллапса звезды в черную дыру ее свойства будут зависеть только от двух параметров: массы и углового момента вращения. То есть, черные дыры представляют собой универсальные объекты, то есть, их свойства не зависят от свойств вещества, из которого они образованы. При любом химическом составе вещества исходной звезды свойства черной дыры будут одними и теми же. То есть, черные дыры подчиняются только законам теории гравитации — и никаким иным.

Другое любопытное свойство черных дыр заключается в следующем: предположим, вы наблюдаете процесс, в котором участвует черная дыра. Например, можно рассмотреть процесс столкновения двух черных дыр. В результате из двух черных дыр образуется одна более массивная. Этот процесс может сопровождаться излучением гравитационных волн, и уже построены детекторы с целью их обнаружения и измерения. Процесс этот теоретически просчитать весьма непросто, для этого нужно решить сложную систему дифференциальных уравнений. Однако имеются и простые теоретические результаты. Площадь сферы Шварцшильда получившейся черной дыры всегда больше суммы площадей поверхностей двух исходных черных дыр. То есть, при слиянии черных дыр площадь их поверхности растет быстрее массы. Это так называемая «теорема площадей», она была доказана Стивеном Хокингом (Steven Hawking) в 1970 году.


Содержание темы :
01 страница
#01. Elementy.ru.Черные дыры и структура пространства-времени
#02. Elementy.ru. 2. Черные дыры и квантовая механика
#03. Elementy.ru. 3. Разрешение загадок
#04. Elementy.ru. 4. Структура пространства-времени
#05. Газета.Ru. Черных дыр на свете больше
#06. Newsland. NASA показало, как черная дыра "ест" звезду
#07. Павел Котляр. Черные дыры, каких раньше не видели
#08. Ольга Сильченко. Черные дыры в центрах галактик
#09. Иван Крылов. Дыра в 17 миллиардов Солнц
#10. Серге́й Бори́сович Попо́в. «Действительно что-то узнать о черной дыре можно, только прыгнув в нее»
02 страница
#11. Эмиль Ахмедов. FAQ: Черные дыры
#12. Эмиль Ахмедов. Черные дыры
#13. Андрей Борисов. Вот запара
#14. Андрей Борисов. Горячая дыра
#15. Андрей Борисов. Вселенский компьютер
#16. Серге́й Бори́сович Попо́в. Гравитационные волны
#17. Андрей Борисов. Спорная дыра
#18. Дмитрий Гусев. Ученые нашли черную дыру, создающую звезды
#19. Лентa.Ru. Надуло
#20. Лентa.Ru. Тяжелый случай
03 страница
#21. Самир Д. Матур. Новый взгляд на информационный парадокс черных дыр
#22. Серге́й Бори́сович Попо́в. Гравитационные волны и черные дыры
#23. Максим Руссо. Впервые увидеть давнего знакомца
#24.
#25.
#26.
#27.
#28.
#29.
#30.

[Elementy.ru]

http://elementy.ru/lib/25531/25537
Следующий сюрприз ждал ученых, когда они занялись изучением квантовых эффектов. В квантовой механике вакуум — это не просто полное отсутствие элементарных частиц. Вакуум — это весьма интересное состояние пространства, в котором постоянно возникают и тут же аннигилируют пары «частица-античастица». В спрямленном пространстве чистого выхода в виде возникших из вакуума частиц мы не имеем в силу закона сохранения энергии. То есть, фактически, частицы взаимно аннигилируются, даже не успев родиться. В 1974 году всё тот же Стивен Хокинг доказал, что вблизи горизонта это не так. Имеется ненулевая вероятность рождения пары частиц, сразу же оказывающихся по разные стороны бесконечно тонкого горизонта, причем закон сохранения энергии не нарушается, поскольку частица снаружи горизонта обладает, с точки зрения стороннего наблюдателя, положительной энергией, а частица внутри горизонта — отрицательной (при этом с точки зрения наблюдателя внутри сферы Шварцшильда всё выглядит с точностью до наоборот). Тепловое распределение испускаемых частиц соответствует температуре, которая обратно пропорциональна массе черной дыры. Даже для черных дыр звездной массы эта температура настолько близка к абсолютному нулю, что этот эффект зарегистрировать фактически невозможно. Однако, если черная дыра достаточно долго пробыла бы в полном вакууме, то за счёт эффекта Хокинга она постепенно бы теряла массу через излучение рождающихся на поверхности частиц. Теряя массу, черная дыра разогревается. Черная дыра с массой порядка 1019 кг (масса большого горного хребта) разогреется до температуры в несколько тысяч градусов и будет вылядеть белой. Однако мощность такого излучения будет составлять не больше милливатта, и зарегистрировать его по-прежнему практически невозможно. Но, чем меньше становится масса изолированной черной дыры, тем выше становится её температура, и тем быстрее она «испаряется», пока, вероятно, не испарится полностью. Фактически, если бы нам удалось сжать до плотности черной дыры всего несколько килограммов вещества (на практике нам этого, конечно, не дано!), такая черная дыра испарилась бы меньше, чем за одну миллисекунду, а энергии при этом выделилось бы больше, чем при взрыве водородной бомбы.

Наличие такого теплового излучения у черных дыр сразу создает две головоломки: 1) причины повышения энтропии черной дыры и 2) информационный парадокс. Попробую объяснить их смысл подробнее.
2.1. Энтропия черных дыр

В классической физике тепловые свойства вещества обусловлены движением составляющих его материальных частиц. Например, температура воздуха связана со среднеквадратичной скоростью теплового движения его молекул. Родственное температуре понятие называется энтропия. Энтропия дает количественное выражение степени хаотичности движения составляющих системы. Законы термодинамики позволяют связать энтропию с температурой, массой и объемом, благодаря чему её можно рассчитать, не зная микроскопических деталей строения системы. Хокинг и Бекенштейн (Bekenstein) показали, что энтропия черной дыры пропорциональна площади её горизонта, деленной на квадрат т. н. гравитационной длины Планка lPlanck = 10–33 см. Для черной дыры макроскопических размеров значение энтропии получается просто чудовищным. Однако законов термодинамики в данном случае, похоже, ничто не отменяет, и они продолжают действовать даже с учетом, по сути, бесконечного «вклада» невидимых недр черной дыры в её энтропию. Результаты эти крайне озадачивают, прежде всего, потому, что совершенно не ясно, из чего «складывается» энтропия черной дыры, поскольку никаких явных компонентов, которые своим хаотичным движением могли бы способствовать беспредельному увеличению энтропии, внутри черной дыры нет. По крайней мере, мы не можем усмотреть их «снаружи», поскольку нам видится только по-настоящему «черная» дыра — бездонный провал в ткани пространства-времени, и чтобы понять, из каких «компонентов» она реально состоит, необходимо найти какие-то самые фундаментальные составные элементы, на которые можно разложить саму геометрию пространства-времени.

Крайне интересно еще и то, что энтропия черной дыры пропорциональна её площади (квадрату радиуса), а не объему (кубу радиуса). В начале 1990-х годов Хофт ('t Hooft) и Зюскинд (Susskind) предположили, что в теории, объединяющей квантовую механику и гравитацию, число элементарных компонентов, необходимых для исчерпывающего описания системы, пропорционально площади окружающей поверхности, в которую она заключена. А это означает, что структура пространства-времени в корне отличается от структуры твёрдого тела, в котором число таких элементарных компонентов (материальных точек или атомов) возрастает пропорционально её объему, а отнюдь не площади. С практической точки зрения такое ограничение энтропии поверхностью сферы не кажется чересчур принципиальным, однако, с теоретической точки зрения, оно приводит к коренному изменению представлений о мире, поскольку оказывается возможным описать замкнутую пространственно-временную область исключительно по поведению компонентов, расположенных на её внешней границе.
2.2. Информационный парадокс

Мы уже отмечали, что происхождение чёрной дыры может быть различным, однако свойства самой дыры от этого не меняются. Обычно в физике при фазовом переходе или ином преобразовании от исходного состояния вещества зависит и конечное состояние вещества. Иногда различия едва заметны, но они присутствуют. Позвольте привести пример. Возьмём две абсолютно одинаковые тарелки, напишем на одной из них букву А, а на другой — букву Б, после чего разобьём ту и другую на мелкие кусочки. На первый взгляд результат идентичен — две груды мелких осколков на полу. Однако, тщательно изучив обе кучи битого фарфора, мы рано или поздно сумеем разобраться, на какой из исходных тарелок какая буква значилась.

А теперь предположим, что одну из этих тарелок мы бросили в чёрную дыру. Судя по всему, что мы знаем на сегодняшний день, рано или поздно всё вещество этой черной дыры вместе с остатками тарелки испарится в виде излучения Хокинга. Согласно теории Хокинга это будет чисто тепловое излучение, не зависящее от исходного состояния ни самой черной дыры, ни, тем более, попавшей в неё тарелки. То есть, мы, судя по всему, никогда не восстановим информацию о том, какая буква была изначально написана на тарелке.

На первый взгляд это кажется чистой воды академической казуистикой. Мы же постоянно что-то забываем в обычной жизни, и нам это не кажется противоестественным! Однако проблема-то на самом деле крайне серьезна, поскольку квантовая механика утверждает, что законы, управляющие этим процессом, таковы, что подобная информация должна быть в принципе восстановима. Поэтому решение проблемы сохранения информации является необходимостью с точки зрения построения последовательной и внутренне непротиворечивой квантовой теории гравитации. Информационный парадокс обязан быть разрешен в рамках такой теории.

Многие видные физики, включая С. Хокинга, полагали, что это невозможно. Они считали, что всякая информация внутри черной дыры уничтожается бесследно, и, как следствие, предлагали отказаться и от идеи Великого объединения теории взаимодействий в рамках квантово-механических представлений, и от квантовой механики, как таковой, поскольку она постулирует невыполнимый принцип сохранения информации.

Однако дальнейшее осмысление этого вопроса привело к интересным последствиям, а именно, к развитию теории струн в физике элементарных частиц.

[Elementy.ru]

http://elementy.ru/lib/25531/25538
3.1. Теория струн

Квантовая механика и гравитационная теория в рамках общей теории относительности вообще уживаются между собой крайне плохо. С практической точки зрения нам в повседневной жизни квантовая теория гравитационного взаимодействия, по большому счёту, не нужна, поскольку все явления, с которыми мы прямо или косвенно сталкиваемся, описываются либо гравитационными эффектами, на фоне которых квантово-механические эффекты никак не проявляются, либо наоборот. С другой стороны, если нас интересует происхождение Вселенной и процессы, происходившие в первые мгновения после Большого Взрыва, универсальная и непротиворечивая теория нам всё-таки нужна. В самом начале квантово-механические и гравитационные взаимодействия были в равной мере значимы. Именно это и послужило одной из главных мотивировок к разработке квантовой теории гравитации.

Такой теорией стала теория струн. В её рамках удалось, наконец, объединить квантово-механические и гравитационные взаимодействия. Мы не знаем, верна ли эта теория, но лучшей кандидатуры на роль универсальной теории на сегодня не существует. Происхождение названия «теория струн» в рамках нашего обсуждения не столь уж и важно. Главное для нас — уяснить, что это квантовая теория гравитации.
3.2. Чёрные дыры в рамках теории струн

В рамках теории струн можно исследовать внутреннее строение черных дыр. В особых случаях можно даже составить описание микроструктуры черной дыры. По техническим причинам проще всего понять устройство черных дыр, живущих в пространственно-временном континууме постоянной отрицательной кривизны. Такие пространственно-временные континуумы представляют собой простейшее обобщение обычного спрямленного пространства. Кривизна спрямленного пространства равна нулю, и его двумерным аналогом является плоскость. Двумерным аналогом пространства с положительной кривизной является поверхность сферы. Двумерная модель («карта») гиперболического пространства с отрицательной кривизной представлена на рисунке 1. Аналогичным образом можно представить себе и пространственно-временные континуумы, обладающие нулевой, положительной или отрицательной кривизной. Пространственно-временные континуумы с отрицательной кривизной, по сути, имеют замкнутую границу в бесконечности. Частица может достигнуть бесконечно удаленной границы и вернуться обратно за конечное время, и это действительно возможно, но лишь по причине неоднородности течения времени — его ход убыстряется по мере удаления от исходной точки.

В 1997 году я рискнул предположить, что все гравитационные физические взаимодействия в таком пространстве можно описать через теорию взаимодействия обычных частиц, расположенных на его границе. В дальнейшем эта гипотеза была детально разработана С. Габсером (S. Gubser), И. Клебановым, А. Поляковым, Э. Виттеном (E. Witten) и многими другими учеными. Детали этой теории довольно сложны, однако её ключевой момент состоит в следующем: теория гравитации, глубинной динамики которой мы до конца не понимаем, сводится к теории взаимодействия обычных частиц на поверхности сферы, которую мы, как раз, понимаем. Еще важнее то, что такая пограничная теория гравитации подчиняется принципам квантовой механики.

Термодинамическое состояние черной дыры в рамках этой модели описывается исключительно температурой частиц в её граничном слое. Соответственно, и энтропия чёрной дыры равняется лишь суммарной энтропии этих частиц. Сами же пограничные частицы как раз и являются «элементарными квантами» пространственно-временной геометрии.

Рисунок Морица Эшера

Рисунок 1. На рисунке Эшера представлена попытка воспроизвести геометрию гиперболического пространства. Показана его проекция на диск. Все изображенные фигуры геометрически конгруэнтны между собой, то есть, в исходном гиперболическом пространстве их геометрические размеры равны, однако из-за искажающего эффекта его проекции на диск, они кажутся уменьшающимися по мере приближения к краю диска. На самом же деле граница диска равноудалена на бесконечное расстояние от любой точки внутри диска. Аналогичное искажение мы наблюдаем на географических картах в стандартной планиметрической проекции. Приполярные области кажутся непропорционально увеличенными. В этой проекции гиперболического пространства мы наблюдаем противоположный эффект. Размеры гиперболического пространства бесконечны, однако на рисунке оно выглядит конечным, поскольку область около обода показана в многократно уменьшенном масштабе.

Рисунок 1. На рисунке Эшера представлена попытка воспроизвести геометрию гиперболического пространства. Показана его проекция на диск. Все изображенные фигуры геометрически конгруэнтны между собой, то есть, в исходном гиперболическом пространстве их геометрические размеры равны, однако из-за искажающего эффекта его проекции на диск, они кажутся уменьшающимися по мере приближения к краю диска. На самом же деле граница диска равноудалена на бесконечное расстояние от любой точки внутри диска. Аналогичное искажение мы наблюдаем на географических картах в стандартной планиметрической проекции. Приполярные области кажутся непропорционально увеличенными. В этой проекции гиперболического пространства мы наблюдаем противоположный эффект. Размеры гиперболического пространства бесконечны, однако на рисунке оно выглядит конечным, поскольку область около обода показана в многократно уменьшенном масштабе.

[Elementy.ru]

http://elementy.ru/lib/25531/25539

Все эти идеи глубоко затрагивают наши представления о структуре пространства-времени. Обратите внимание, что начали мы с теории поведения частиц на сферической плоскости, ограничивающей черную дыру, то есть имели дело с 2+1 пространственно-временными измерениями, а закончили теорией гравитации для 3+1 измерений. Получается, что одно пространственное измерение взялось буквально ниоткуда! Однако оно взялось не из неоткуда, а из взаимодействий между частицами в 2+1 измерениях.

А это значит, что пространство-время — не самое фундаментальное понятие. Оно порождается более фундаментальными понятиями, и его законы вступают в силу лишь после некоторого удаления наблюдателя от объекта изучения. Позвольте привести аналогию. Предположим, мы наблюдаем поверхность озера. Мы видим волны, мы видим жуков-плавунцов, бегающих по поверхности воды и т. п. Поверхность озера представляется нам ясной и вполне описываемой. Действительно, мы даже можем написать уравнения, описывающие распространение волн, силы поверхностного натяжения и т. д. Теперь, предположим, нам захотелось изучить структуру поверхности воды более пристально. Под микроскопом мы увидим, что поверхность воды наблюдается не столь отчетливо, как раньше. А уж если мы посмотрим на неё в электронный микроскоп, то мы и вовсе увидим, как с поверхности воды беспрестанно срываются испаряющиеся молекулы, а их место занимают конденсирующиеся молекулы воды из воздуха, и поймём, что граница между водой и воздухом носит чисто условный характер, поскольку точно определить её местоположение невозможно. При ближайшем рассмотрении оказывается, что мы недостаточно чётко дали определение поверхности воды, что нужно, оказывается, каким-то образом включить в него явления, происходящие на уровне отдельных молекул. В точности так же и определение пространства-времени при рассмотрении последнего в самых микроскопических масштабах утрачивает былую определенность. И выясняется, что на этом уровне главной является концепция слоя пограничных частиц, а само пространство-время — суть проявление их совокупных свойств.

Если бы мы только жили в пространстве-времени с отрицательной кривизной, то для понимания всего происходящего в нашей Вселенной достаточно было бы создать адекватную теорию пограничного слоя, описывающую поведение частиц в нём...

Интересно, однако, что, судя по всем имеющимся данным, в макроскопических масштабах пространство-время нашей Вселенной имеет, увы, положительную кривизну. На текущий момент нам неизвестно, существует ли возможность для подобного описания гравитационных полей в пространстве-времени с положительной кривизной. Такое описание, если бы оно существовало и если бы нам удалось его найти, решило бы проблему сингулярности Большого взрыва.

[Газета.Ru]

http://www.gazeta.ru/science/2014/09/18_a_6220197.shtml
Российский ученый и его зарубежные коллеги выяснили, что сверхмассивные черные дыры живут не только в больших галактиках

Галактика M60-UCD1, изображение в рентгене (Chandra) и оптике (Hubble) Галактика M60-UCD1, изображение в рентгене (Chandra) и оптике (Hubble)
Фотография: NASA
18.09.2014, 11:52 | Григорий Колпаков, Николай Подорванюк

Сверхмассивных черных дыр во Вселенной может быть больше, чем считается: выяснилось, что они живут не только в больших галактиках, как наш Млечный Путь, но и в маленьких. Одну такую «квартирку» для черной дыры — галактику M60-UCD1 — нашла международная группа астрономов, в которую вошел ученый из России.

О своем открытии астрономы рассказали в журнале Nature.

Сверхкомпактные карликовые галактики относятся к самым плотным звездным системам во Вселенной. Сейчас их известно около сотни. К ним принадлежит галактика M60-UCD1, одна из самых крупных галактик такого типа, которая находится от Земли на расстоянии 54 млн световых лет и представляет собой спутник галактики — М60.

Группа астрономов заинтересовалась этой мини-галактикой еще в прошлом году, выяснив, что она обладает аномально высокой плотностью и вдобавок имеет внутри источник гамма-излучения. В этом году они проанализировали свои наблюдения на телескопе Geminy North, расположенном на Гавайских островах, и снимки космического телескопа «Хаббл».

В работе принимал участие российский исследователь — ведущий научный сотрудник Государственного астрономического института имени П.К. Штернберга Московского государственного университета Игорь Чилингарян, который также работает в Гарвард-Смитсоновском астрофизическом центре.

Как сообщил Чилингарян «Газете.Ru», в данной работе он проводил независимый анализ данных. «Поскольку журнал Nature имеет неоднозначную репутацию в астрономическом сообществе, я хотел перепроверить результат, который публикуется нашей группой, и провел анализ тех же самых данных с помощью других моделей, а именно теоретических спектров звездных атмосфер. Этот анализ полностью подтвердил то, что было проведено с помощью спектров реальных звезд, полученных 18 лет назад».

По словам российского ученого, статья была написана «невероятно быстро»: работа была направлена в редакцию журнала Nature, притом что она основана на наблюдениях, полученных в конце мая.

Авторы статьи выяснили, что звезды в этой галактике-карлике движутся со скоростями порядка 100 км/сек, а это для простых звездных скоплений слишком быстро и может быть объяснено только наличием крупной черной дыры.

Ученые также рассчитали ее массу: 21 млн Солнц, в пять раз больше, чем масса центральной черной дыры в нашей галактике. Причем если последняя составляет лишь сотую долю процента от массы всей галактики, то в M60-UCD1, с ее общей массой в 140 млн солнечных масс, масса черной дыры занимает уже 15%.

В столь малых галактиках черные дыры такого масштаба родиться не могут теоретически.

Ученые считают, что M60-UCD1 представляет собой остатки некогда очень крупной эллиптической галактики, насчитывавшей, возможно, около 10 млрд звезд, эта галактика примерно 10 млрд лет назад встретилась с еще более крупной М60, которая обобрала ее, сорвав с нее своей гравитацией большую часть звездного материала.

И скорее всего, даже те остатки былого величия, которые окружают осиротевшую сверхмассивную черную дыру, тоже обречены. Пройдет время, и M60-UCD1 полностью будет поглощена могущественным соседом, а черная дыра сольется с его черной дырой, которая более чем в тысячу раз массивнее нашей. Когда это произойдет — неизвестно, поскольку неизвестна траектория карликовой галактики вокруг М60.

Но, похоже, что по астрономическим меркам ждать осталось недолго:

M60-UCD1 вращается по орбите, которая отстоит от центра М60 всего на 22 тыс. световых лет, а это даже ближе, чем расстояние, отделяющее Солнце от центра Млечного Пути.

По словам ведущего автора статьи Энила Сэта из Университета Юты, подобные сверхмассивные черные дыры могут находиться и внутри других сверхкомпактных карликовых галактик, а это значит, что их намного больше, чем считалось до сих пор.

Просто «жилищные условия» у них намного хуже.

«Полученный результат является ярким и интересным, а главная спекуляция заключается в том, что если все яркие ультракомпактные карликовые галактики содержат подобные черные дыры, то общее количество сверхмассивных черных дыр может быть недооценено чуть ли не в два раза», — сообщил Игорь Чилингарян.

[Newsland]

http://newsland.com/news/detail/id/1628837/
Сегодня в 18:25ПOЛлукс981401

Американское космическое агентство NASA опубликовало поучительное видео: ни в коем случае не стоит приближаться к черной дыре. Ее гравитационная сила способна разорвать любую, даже самую большую звезду. А тело астронавта и вовсе вытянет в длинное «спагетти», перед тем как расщепит на субатомные частицы, вспоминает теории экспертов The Verge.

На видео специалисты постарались воссоздать реальный процесс, который наблюдали с трех разных рентгеновских телескопов. Черная дыра, которая находится в центре галактики на расстоянии в 290 млн световых лет от Земли, пожирала гигантскую звезду. Это событие в астрономической среде получило собственное кодовое название ASASSN-14li.


Увидеть его ученым удалось в тот момент, когда ошметки звезды, притянутые черной дырой, нагрелись до нескольких миллионов градусов и их можно было рассмотреть на снимках рентгеновских телескопов.
Виталий Олехнович
Источник: tech.onliner.by

[Павел Котляр]

http://www.gazeta.ru/science/2016/01/23_a_8035853.shtml
Российский астроном нашел загадочные черные дыры с помощью программистов-волонтеров
23.01.2016, 11:08

Первый известный кандидат в черные дыры промежуточной массы — HLX-1
NASA, ESA, S.Farrell (Sydney Institute for Astronomy, University of Sydney)

Сразу 98 кандидатов в черные дыры — да не простые, уже хорошо известные ученым, а загадочные, промежуточной массы — найдены учеными во главе с россиянином Иваном Золотухиным. В работе активное участие приняли работающие в ведущих IT-компаниях России программисты, интересующиеся наукой.

Черных дыр уже как собак нерезаных

Термин «черная дыра» был введен в середине XX века физиком-теоретиком Джоном Уиллером. Этим словосочетанием называют сверхмассивные релятивистские объекты, невидимые ни в одном диапазоне электромагнитных волн, которые выдают себя, однако, множеством астрофизических эффектов.

Из наблюдений ученым известны черные дыры двух основных типов: сверхмассивные и черные дыры звездных масс.

«Я жду, что в ближайшее десятилетие будет получена Нобелевская премия за открытие черных дыр, — говорил шесть лет назад в интервью «Газете.Ru» академик РАН Анатолий Черепащук. — Мы к этому подходим все ближе и ближе. Во-первых, этих черных дыр уже как собак нерезаных. Звездных черных дыр — 23 штуки, для них измерены массы, даны ограничения на размеры. А сверхмассивных черных дыр в ядрах галактик уже многие тысячи».

Считается, что черные дыры звездных масс, число которых сейчас уже не 23, как в 2009 году, а сильно больше, образуются в конце эволюции массивных звезд, когда, раздувшись, они сбрасывают внешние слои и сжимаются внутрь под действием собственной гравитации. Теоретические расчеты налагают ограничения на массу таких дыр в 5–50 масс Солнца.

Куда менее ясно, откуда берутся сверхмассивные черные дыры, сидящие в центре большинства галактик, масса которых может достигать миллиардов масс Солнца.

Дело в том, что квазары — активные ядра галактик со сверхмассивными черными дырами массой в миллиарды масс Солнца — наблюдаются астрономами на больших красных смещениях. Это значит, что такие гиганты существовали уже в первые сотни миллионов лет после Большого взрыва. «Именно поэтому астрономы ищут черные дыры промежуточных масс, поскольку за 700 млн лет без них невозможно сделать черную дыру в миллиард масс Солнца», — пояснил Иван Золотухин.

Сто черных дыр на одну галактику

Считается, что звезды первых поколений не содержали металлов и потому могли иметь массы в сотни масс Солнца, а в конце эволюции создавать черные дыры куда более массивные, чем наблюдаемые сегодня. Эти черные дыры затем слипались друг с другом, образуя дыры массой в тысячи масс Солнца, а дальнейшее поглощение галактик друг другом и аккреция вещества приводили к образованию сверхмассивных черных дыр. Расчеты моделей иерархического образования галактик показали, что если это было так, то до наших дней должно сохраниться немного тех самых дыр промежуточных масс, которые так ищут астрономы.

Немного — это около ста штук на галактику размером с наш Млечный Путь.

При этом летать они должны где-то высоко над плоскостью галактик, так как, слипаясь, черные дыры приобретают огромный импульс, способный порой их вышвырнуть из галактики. Примерно десять лет назад искать такие дыры (массой в тысячи солнечных) начали среди тяжелых дыр звездных масс и легких сверхмассивных, но ничего легче 500 тыс. масс Солнца найти не удалось.

Однако в 2009 году вышла статья астрономов из Тулузы, которые, занимаясь поиском нейтронных звезд в нашей галактике, совершенно случайно нашли яркий рентгеновский источник рядом с галактикой, расположенной расстоянии 100 мегапарсек от Земли. Оценка светимости показала, что масса объекта составляет около 10 тыс. солнечных масс. Светит он, скорее всего, за счет перетекания вещества на черную дыру с одной-единственной звезды. Уникальный объект получил название HLX-1 (Hyper-Luminous X-ray source 1), сейчас это единственный надежный кандидат в черные дыры промежуточной массы. Многие астрономы были уверены, что такой объект уникален и подобных ему найдено не будет.

Однако они упускали из виду, что объект был найден случайно, притом в каталоге источников, покрывающем всего 1% неба.

«Поэтому я считал, что таких объектов должно быть гораздо больше, и мы предложили метод их массового поиска», — пояснил Золотухин. Идея заключается в сопоставлении объектов из массового обзора красных смещений галактик (SDSS) с объектами из каталога рентгеновских источников. «Я предложил поискать в окрестностях миллионов галактик рентгеновские объекты со светимостью больше определенной величины», — пояснил автор.

Волонтеры-программисты помогли астрономам

Применив разработанный алгоритм к обоим каталогам, астрономы смогли насчитать 98 объектов, из которых минимум 16 должны быть связаны со своими галактиками. «Это шикарные кандидаты в черные дыры промежуточных масс. В работе впервые показывается, что новый гипотетический тип черных дыр — черные дыры промежуточных масс (с массами от 100 до 100 тыс. масс Солнца) — не просто существует, а существует в виде популяции, то есть эти объекты не являются уникальными, их много», — пояснил автор работы, опубликованной в журнале The Astrophysical Journal.

В работе использовались методы Виртуальной обсерватории: все выводы были получены исключительно с использованием публично доступных данных и, следовательно, могут быть проверены с любого компьютера, подключенного к интернету.

Кроме того, в работе активно использовался новый сайт для доступа к данным обсерватории XMM-Newton. «Уникальность этого веб-приложения заключается в том, что впервые в международной фундаментальной науке такой сложный проект сделан специально для ученых исключительно силами волонтеров — высококлассных программистов, которые, работая в лучших IT-компаниях России, свое свободное время посвящали данному веб-сайту, — это Алексей Сергеев, Аскар Тимиргазин и Максим Чернышов, — пояснил Иван Золотухин. — Я и многие мои коллеги до сих пор находимся под большим впечатлением от их работы. Астрономы всего мира теперь могут пользоваться уникальными возможностями сайта, а многие открытия теперь можно делать прямо онлайн!» По словам Золотухина, нынешняя работа открывает серию исследований, основанных на этом сайте. «Важно, что благодаря простому и понятному дизайну специфическими рентгеновскими данными теперь могут пользоваться ученые из других отраслей науки», — отмечает ученый.

Данное исследование, по сути, открывает возможность для массового поиска черных дыр промежуточных масс. Поскольку в представленной выборке кандидатов должно содержаться больше десятка таких объектов, ожидается, что в ближайшие годы они будут надежно подтверждены спектральными оптическими наблюдениями. Искать их в ближайшее время планируется и на шестиметровом телескопе БТА Специальной астрофизической обсерватории.

«Если найдется хотя бы одно подтверждение, это будет статья в Nature, астрономы тотчас же кинутся исследовать эти 98 объектов», — считает автор работы.

Найденные кандидаты находятся всего в 2% неба, поэтому астрономы надеются на запуск в 2017 году российско-немецкого космического телескопа «Спектр-РГ». С помощью инструмента будет получен глубокий рентгеновский обзор неба, в котором ученый надеется найти сотни объектов, подобных HLX-1.

[Ольга Сильченко]

http://postnauka.ru/video/57338

Астрофизик об открытии сверхмассивной черной дыры в туманности Андромеды, исследованиях Джона Корменди и темных гравитирующих телах
08.01.2016

Черные дыры — это первоначально было совершенно теоретическое понятие. Оно вышло целиком из теории, и теоретическое представление о черных дырах предполагало массы черных дыр, соизмеримые с массами массивных звезд. То есть черная дыра — это естественная конечная стадия эволюции массивной звезды: массивная звезда выгорает в центре, ее перестает распирать давление излучения, и если масса достаточно велика, если гравитация такой звезды достаточно велика, то внешние слои звезды будут падать на центр, она коллапсирует, и формируется черная дыра звездной массы.

Черная дыра — это гравитирующее тело. В принципе она может ничего не излучать. Если нет топлива, если нет аккреции на черную дыру, она может быть совершенно темной и невидимой, ничего не излучать, но гравитировать она будет всегда. Эффект гравитации — это то, что позволяет обнаруживать черные дыры, даже если они не светят.

Черные дыры в квазарах или активных ядрах светят. И там предположение о присутствии черной дыры было сделано именно потому, что излучение было уж очень мощное. Но самое интересное, что большинство черных дыр — не звездных масс, а сверхмассивных черных дыр — совсем ничего не излучают, их нашли именно по эффекту гравитации.

Опять же начало этой истории было очень грустным. Джон Корменди — очень умный, очень талантливый исследователь — всегда был немножко одиночкой. И он опубликовал статью, что в центре туманности Андромеды он измерил такое быстрое вращение звезд и такие высокие хаотические скорости движения звезд именно в самом центре туманности Андромеды, что там должна быть сосредоточена гравитирующая масса, которая на порядки больше, чем масса тех звезд, которые мы видим в центре туманности Андромеды. Он посчитал эту массу, она оказалась равна примерно 30 миллионам солнечных масс, и он сказал, что это должна быть сверхмассивная черная дыра.

В 1992 году я присутствовала на симпозиуме Международного астрономического союза в городе Генте, где Джона Корменди со всех сторон опровергали. Там была талантливая молодежь. Ганс-Вальтер Рикс сейчас директор Института Макса Планка, а тогда он был аспирантом. И вот компания молодежи во главе с Гансом-Вальтером Риксом очень сильно критиковала работы Джона Корменди, говорила, что динамические модели, с помощью которых он из своих наблюдательных данных посчитал массу центрального гравитирующего тела, примитивны, они наверняка неприложимы к реальной туманности Андромеды и что если взять более изощренную динамическую модель, то, как говорится, черная дыра рассасывается — можно обойтись без сверхмассивной черной дыры в центре туманности Андромеды. Можно придумать такие движения, такое распределение гравитационного потенциала в центре галактики, что звезды будут двигаться именно с такими наблюдательными характеристиками, но вовсе не отслеживать при этом супергравитацию сверхмассивной черной дыры.

Это был 1992 год, уже летал телескоп имени Хаббла, но у него еще не хватало пространственного разрешения. Как известно, когда запустили космический телескоп имени Хаббла, его плохо наладили, и те картинки, которые он показал поначалу, были совершенно неприличные — там разрешение было хуже, чем при наблюдениях с Земли. В 1994 году телескоп починили. Слетала служебная миссия, которая прямо на орбите сфокусировала телескоп, и с 1994 года пошли наблюдательные данные с космического телескопа имени Хаббла, которые уже показывали действительно очень высокое пространственное разрешение, примерно на порядок лучше, чем в среднем при наблюдениях с Земли.

Когда посмотрели с высоким пространственным разрешением на центр туманности Андромеды, то увидели, что Джон Корменди был прав. Подобрались ближе к центру, и там уже никакие динамические модели не могли объяснить столь быстрое движение звезд, если не предполагать наличия темной гравитирующей массы в центре туманности Андромеды. И в 1994 году было официально признано, что открыта сверхмассивная черная дыра в туманности Андромеды, которую совсем не видно, — ядро туманности Андромеды очень спокойное, там вообще нет никакой активности, там даже звездообразования нет толком, там светящееся слабо — сколько звезд светят там слабо, столько и светят, никакого лишнего излучения от активного ядра оттуда не выходит. Но там сидит сверхмассивная черная дыра с массой в 30 миллионов солнечных масс, которая гравитирует. С этого момента начались массовые открытия сверхмассивных черных дыр в центрах совершенно спокойных, неактивных галактик.

Сначала посмотрели, конечно, на активные галактики. Посмотрели с помощью хаббловского космического телескопа на ядро радиогалактики М87, которая является центральной галактикой скопления Virgo — скопления галактик в Деве. Там есть газ, и хаббловский космический телескоп увидел очень быстрое вращение газа вблизи центра. Посчитали, какая нужна гравитация, чтобы газ вращался с такой дикой скоростью — 600 километров в секунду. Оказалось, 3 миллиарда солнечных масс. До сих пор черная дыра в центре галактики М87 является одной из самых массивных в ближней вселенной — 3 миллиарда солнечных масс.

Потом их начали находить практически везде. Очень быстро, к 1997–1998 годам, была сформулирована парадигма, что сверхмассивная черная дыра есть в центре любой галактики, у которой есть балдж, или сфероидальная звездная подсистема. Оказалось, что масса сверхмассивной черной дыры в центре галактики коррелирует с массой сфероида. Если это эллиптическая галактика, то с массой всей галактики, если это спиральная галактика, то с массой балджа. Чем массивнее балдж, тем массивнее центральная черная дыра.

Наша Галактика — это галактика позднего типа, у нас балдж очень маленький, поэтому у нас совсем скромная черная дыра массой всего лишь 3,5–4 миллиона солнечных масс. Ядро у нас тоже спокойное, там есть радиоисточник Sagittarius A, но, кроме как в радио, ядро нашей Галактики толком не светит ни в оптических лучах, ни в рентгене — светит очень слабо. Очень долго не могли совсем поймать излучение от этой черной дыры ни в каком диапазоне, кроме радио. Но зато масса нашей черной дыры очень точно измеряется, потому что в нашей Галактике от нас до центра расстояние всего 8 килопарсек, мы видим там отдельные звезды. То есть не мы, конечно, а наши немецкие коллеги на телескопе VLT, на двух микронах, где пыль мало влияет, где мы видим сквозь толщу пыли, сквозь диск нашей Галактики самый центр и отдельные звезды в самом центре. В 1990-е годы начались систематические наблюдения просто положения звезд вокруг центра Галактики, и буквально за 10–20 лет были прослежены замкнутые орбиты индивидуальных звезд вокруг центра Галактики.

Эти орбиты, как известно, эллиптические, по Кеплеру. Наша собственная Солнечная система показывает эллиптические орбиты вокруг Солнца, поэтому мы точно знаем, что вокруг точечной гравитирующей массы пробные тела будут вращаться по эллиптическим орбитам, и эти эллиптические орбиты были прослежены и замкнуты для нескольких звезд в непосредственной близости от нашей сверхмассивной черной дыры, поэтому масса нашей сверхмассивной черной дыры измерена очень точно. Это практически единственный случай, где мы можем сказать, что это именно черная дыра. Во всех других случаях, когда галактики находятся далеко от нас, мы так близко к черной дыре подобраться не можем. Мы можем ограничить гравитирующую массу внутри какого-то радиуса — допустим, внутри 100 парсек, мы можем сказать, что там сидит очень большая невидимая масса, которая гравитирует. Но это может быть, например, плотное скопление нейтронных звезд, мы не можем этого исключить. В размер 100 парсек мы можем запихнуть миллион или 10 миллионов нейтронных звезд, и они будут гравитировать точно так же, как одна сверхмассивная черная дыра. Поэтому, хотя все говорят о сверхмассивных черных дырах в ядрах галактик, на самом деле надо говорить о темных гравитирующих телах в ядрах галактик. Никто уже не заморачивается такими мелочами. Конечно, «сверхмассивная черная дыра» звучит очень красиво, поэтому все исследуют именно сверхмассивные черные дыры в ядрах галактик.

Проблема состоит сейчас в том, как сформировать сверхмассивную черную дыру в центре типичной галактики. Дело в том, что, если ее формировать традиционным образом, как сначала предлагали космологи, у нас же все сливается: у нас сначала были звезды массивные, которые оставили после себя черные дыры, допустим, массой 100 масс Солнца, потом эти черные дыры сливались, сливались, сливались, становились все более массивными, и сейчас уже, когда сливаются две галактики, у них потом сливаются и их центральные черные дыры, масса в два раза, грубо говоря, увеличивается, и таким образом постепенно в центре набирается сверхмассивная черная дыра. Но этот процесс очень-очень неспешный. Мы можем сформировать черную дыру массой 4 миллиона или даже 40 миллионов солнечных масс за 14 миллиардов лет эволюции таким неспешным слиянием. Но есть же наблюдения на больших красных смещениях. Сейчас наблюдаются квазары на красном смещении больше 6, это полмиллиарда лет после Большого взрыва. А масса черной дыры в таких квазарах — многие миллиарды солнечных масс. Вообще говоря, средняя масса центральной черной дыры в галактиках слабо эволюционировала последние 12–13 миллиардов лет. Самые сверхмассивные черные дыры в центрах галактик рядом с нами — несколько миллиардов солнечных масс, а также на красном смещении 6 — тоже несколько миллиардов солнечных масс. А вот сформировать за полмиллиарда лет такую черную дыру практически невозможно. Поэтому никто не знает, откуда же вылупились сверхмассивные черные дыры.

Конечно, экстремисты говорят: давайте все перевернем — сначала были черные дыры, а уже потом вокруг них нарастали галактики. Есть экзотический теоретический сценарий, как сформировать черную дыру еще до того, как сформировалась галактика. Но все-таки эти сценарии настолько экзотические, что не являются общепринятыми даже среди теоретиков. Они вызывают сомнения именно с точки зрения теории гравитации, с точки зрения теории газодинамики и излучения. Так что проблема сейчас стоит очень остро. Тем не менее индустрия исследования сверхмассивных черных дыр в ближних галактиках набирает обороты. Народ строит зависимости массы черной дыры от массы галактики и спорит, надо ли брать массу темного гало, в котором сидит галактика, или надо брать массу центрального звездного балджа. С теоретической точки зрения это все зависит от того, какой сценарий для роста черной дыры вы выбираете. А он еще не выбран, потому что непонятно, откуда они вообще взялись. Поэтому тут пока теоретический тупик, что не мешает народу собирать наблюдательные данные. Есть, допустим, галактика М33, в которой нет черной дыры. Она близко к нам, мы можем подобраться близко к центру, поэтому там очень хороший верхний предел на массу сверхмассивной черной дыры. Такие случаи в теории вообще еще не предусмотрены, так что тут наблюдательные данные собраны большие, а теория пока еще отстает.

доктор физико-математических наук, заведущая отделом физики эмиссионных звезд и галактик ГАИШ МГУ

[Иван Крылов]

http://www.gazeta.ru/science/2016/04/07_a_8164961.shtml
Астрономы нашли сверхмассивную черную дыру в ближней Вселенной
07.04.2016, 14:46

Shutterstock

Американские астрономы обнаружили в ближней Вселенной сверхмассивную черную дыру с массой в 17 млрд раз большей, чем масса Солнца. В чем уникальность открытой черной дыры и почему она может оказаться спящим квазаром, рассказывает отдел науки «Газеты.Ru».

Сверхмассивные черные дыры — космические объекты чудовищной массы: дыры в 10 млрд раз больше, чем наше Солнце, вероятно, являются более распространенными объектами во Вселенной, чем считалось ранее. Об этом говорит новое открытие астрономов из Калифорнийского университета в Беркли (США). Они обнаружили сверхмассивную черную дыру в созвездии Эридан на расстоянии примерно 200 млн световых лет от Земли, с массой 17 млрд солнечных масс, что близко к рекордным значениям. Исследование астрономов было опубликовано в последнем выпуске журнала Nature.

До сих пор крупнейшие сверхмассивные черные дыры были обнаружены только в ядрах очень больших галактик, находящихся в центре крупных галактических скоплений.

На данный момент рекордной массой, 21 млрд солнечных масс, обладает сверхмассивная черная дыра, найденная в скоплении галактик Кома (скопление Волос Вероники) в 2011 году. Она даже была занесена в Книгу рекордов Гиннесса.

По словам Чун-Пей Ма, руководителя научной группы, профессора Калифорнийского университета в Беркли, открытая черная дыра расположена в галактике NGC 1600, в противоположной от скопления Кома части неба, в достаточно «пустынном» месте. Профессор Чун-Пей является руководителем проекта MACS (MAssive Cluster Survey). Этот проект был основан в 2014 году. Основная его цель — исследовать звезды, черные дыры и темную материю в 100 самых массивных соседних галактиках (с массами больше чем 300 млрд солнечных масс в пределах 350 млн световых лет от Земли).

Сверхмассивная черная дыра в галактике NGC 1600 стала одним из первых успехов проекта MACS. Новые результаты основаны на анализе снимков с космического телескопа Hubble и инфракрасных спектров, полученных в обсерваториях «Джемини» на Гавайях и «Макдоналд» в Техасе.

Нет ничего удивительного в том, что исследователи находят сверхмассивные черные дыры в центре огромных галактических скоплений:

их наличие там столь же привычно, как небоскребы на Манхэттене. В то же время найденная в небольшой группе галактик сверхмассивная черная дыра подобна небоскребу в маленьком городе — это неожиданно.

«Огромные галактические скопления, такие как Кома, встречаются очень редко. Однако существует довольно много галактик, подобных NGC 1600, в галактических скоплениях среднего размера, — говорит профессор Чун-Пей. — Таким образом, главный вопрос на сегодняшний день состоит в том, является ли найденная черная дыра только верхушкой айсберга? Может быть, во Вселенной есть намного больше сверхмассивных черных дыр, которые живут не в небоскребах на Манхэттене, а в высоких зданиях где-то на равнинах Среднего Запада».

Масса обнаруженной в 2011 году в галактике NGC 4889 в скоплении Кома черной дыры-рекордсменки была определена с малой точностью — в диапазоне 3–21 млрд масс Солнца.

Полученная оценка в 17 млрд солнечных масс для черной дыры в галактике NGC 1600 является гораздо более точной: от 15,5 до 18,5 млрд солнечных масс.

Наблюдение за движением звезд вокруг центра NGC 1600 указывает на то, что найденная черная дыра является двойной. Считается, что двойные черные дыры характерны для крупных галактик, которые рождаются путем слияния меньших галактик, в центре каждой из которых располагается черная дыра. При сближении эти черные дыры начинают вращаться вокруг общего центра масс, а затем сливаются в одну черную дыру — ядро новой галактики.

Этот процесс сопровождается излучением гравитационных волн. Совсем недавно детекторам гравитационной обсерватории LIGO удалось впервые зарегистрировать сигнал от слияния черных дыр, что стало научной сенсацией. Правда, черные дыры, участвовавшие в этом событии, имели намного меньшие массы — в 29 и 36 раз больше массы Солнца.

Черные дыры образуются, когда материя становится настолько плотной, что даже свет не может выйти за ее пределы. Существует гипотеза, что сверхмассивные черные дыры могли образоваться в ранней Вселенной из газовых облаков. Изучение дальних уголков Вселенной дает ученым возможность заглянуть в прошлое и увидеть эти сверхмассивные черные дыры, которые появляются как очень яркие квазары — мощнейшие источники излучения во Вселенной. В то же время наиболее массивные из находящихся в ближней Вселенной галактики тоже могут содержать квазары в своих ядрах. По мнению профессора Чун-Пей,

обнаруженные в 2011 году его группой сверхмассивные черные дыры NGC 4889 и NGC 3842, каждая из которых весит около 10 млрд солнечных масс, могут быть покоящимися квазарами.

NGC 1600 — это довольно старая галактика, в которой не образуются новые звезды. Профессор Чун-Пей подозревает, что она может скрывать в себе древний квазар, который когда-то излучал очень интенсивно, но сейчас спит.

«Ярчайшие квазары, вероятно, представляют собой сверхмассивные черные дыры, которые не обязательно находятся в массивных галактических скоплениях, — считает Чун-Пей. — NGC 1600 стала первой сверхмассивной черной дырой, которая располагается в местной группе галактик, а не в массивном галактическом скоплении. Она может стать первым найденным потомком древнего яркого квазара, расположенного в таком месте».

[Серге́й Бори́сович Попо́в]

http://postnauka.ru/talks/26212

Интервью с астрофизиком о геометрии пространства и времени, горизонте черных дыр и проблеме доказательства их существования
Ивар Максутов - 03.06.2014

Сергей Попов — астрофизик, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник ГАИШ МГУ, посвятивший свои исследования физике компактных объектов. В интервью он рассказал, что нам известно о черных дырах, и о различных подходах к их изучению.

— Когда в астрофизике возникает проблема изучения черных дыр?

— Тема возникала в некоем смысле два раза. В конце XVIII — начале XIX века Митчелл и Лаплас предположили, что могут быть тела настолько массивные и компактные, что даже свет не может улететь с их поверхности. Скорость света к тому моменту была хорошо известна. Все помнят простую формулу из школьной физики про вторую космическую скорость: чтобы запустить спутник, нужно сообщить объекту большую скорость. Но можно так сжать тело или при данном размере сделать его таким массивным, что даже свет со скоростью 300 тысяч км/с не сможет улететь. Черными дырами эти специфические тела никто тогда не называл.

— Что представляет собой черная дыра в данном подходе?

— Это может быть тело типа планеты или звезды. Оно может быть и очень маленьким, просто комбинация массы и радиуса у тела будет такая, что свет не сможет улететь. То есть это тело с очень высокой плотностью.

Но по-настоящему черные дыры, как мы их сейчас себе представляем, появились с созданием общей теории относительности. Теперь это уже не тело, а область пространства. Согласно общей теории относительности и всем геометрическим теориям гравитации массивные тела меняют геометрию пространства и времени вокруг себя. Можно так много вещества или энергии положить в данное место, что область пространства «окуклится»: не будет путей, ведущих наружу. У такого тела не будет поверхности, но будет горизонт, некая граница, отделяющая недра черной дыры от всего остального.

— Описанный второй подход дополняет первый или отменяет?

— Я бы сказал: настолько дополняет, что отменяет. Произошел классический переход количества в качество. Мы, с одной стороны, можем говорить о том, что в теории относительности идеи, которые были в ньютоновских теориях, развиваются. С другой стороны, появляются качественно новые моменты, и черные дыры — это один из таких примеров. Все завязано на геометрию пространства и времени.

— В рамках каких дисциплин изучают черные дыры?

— Можно говорить о двух совершенно разных подходах к обсуждению черных дыр. Один подход — физический. В теоретической физике подход к изучению черных дыр связан с теориями гравитации. Стоит отметить, что общая теория относительности — это лучшая на сегодняшний день теория гравитации, которая прошла все мыслимые существующие тесты. Однако, все понимают, что в какой-то момент придется двигаться дальше, и есть специально обученные люди, которые профессионально должны придумывать новые теории гравитации, что они и пытаются делать. Просто пока ничего лучше у них не получилось. Исследователи могут посчитать, что мы будем видеть, падая в черную дыру, вращаясь вокруг нее.

Другой подход — астрофизический. Астрономия — наука специфическая. Это единственная дисциплина, которая не может экспериментировать с объектами своих исследований, а только наблюдать за ними. На черные дыры мы смотрим издалека. Поскольку черная дыра — это очень специфический объект, изнутри наружу ничего не попадает, то в астрофизике мы всегда наблюдаем процессы, происходящие в окрестностях черных дыр. Это принципиально иная ситуация по сравнению с расчетами теоретиков. Обычное вещество достаточно хорошо видно, если оно не подошло слишком близко к горизонту. Поэтому для астрофизиков черная дыра и объект, очень похожий на черную дыру, оказываются чаще всего неотличимыми.

— Обнаружены ли черные дыры как объекты? Существует ли общепринятая точка зрения по данному вопросу?

— Ситуация непростая. С одной стороны, будем оперировать фактами, нет Нобелевской премии, врученной за открытие черных дыр. Она есть за нейтронные звезды, за двойные нейтронные звезды. За черные дыры, которые с точки зрения публики уж точно более интересный объект, нет. Это означает, что нет окончательного доказательства, есть последнее сомнение. С другой стороны, есть огромное количество кандидатов в черные дыры. Что это за объекты? Это объекты, поведение и свойства которых мы не можем объяснить другим способом, не привлекая какую-то фантастическую теорию, в которую, кроме ее создателя, никто не верит и которая может плохо укладываться в существующую, местами очень хорошо проверенную научную картину мира.

О каких объектах идет речь? Например, черные дыры — это, как мы думаем, естественная финальная стадия эволюции очень массивных звезд. Звезда живет, превращает водород в гелий, гелий в углерод, азот, кислород и так далее. Если звезда достаточно тяжелая, то доходит до элементов группы железа, образуется ядро и дальше реакции не идут. Гравитации, стремящейся сжать ядро, ничто не противодействует. Ядро начинает сжиматься. Может образоваться нейтронная звезда — объект такой высокой плотности, что дальнейшее схлопывание запрещено квантовыми законами. Но в какой-то момент этот барьер тоже падает, гравитация побеждает. Мы можем рассчитать, каков абсолютный предел для вещества, которое еще будет удерживаться от коллапса. Если говорить простым языком, то чем плотнее вещество, тем больше там скорость звука. Это понятно интуитивно. Если скорость звука станет больше, чем скорость света, это плохо, так быть не должно. Это один из абсолютных пределов, и дальше все должно куда-то схлопнуться. Это «куда-то» в разумной физике не может быть ничем иным, кроме черных дыр.

— Какие еще существуют способы изучения черных дыр?

— Можно пытаться исследовать очень похожие на черные дыры объекты. Самый известный способ, наверное, с помощью двойных звезд.

Две звезды вращаются вокруг общего центра массы. Они, как правило, образовались из одного облака. Грубо говоря, если бы Юпитер был в 80 раз тяжелее, то у Солнца была бы рядом вторая звезда и была бы система из двух звезд. В такой системе можно определить массу каждой звезды. Если мы видим в подобной системе темный объект, который ничего не излучает, но масса у него больше, чем тот предел, где скорость света равна скорости звука, то нам ничего не остается, как сказать, что это черная дыра: объект слишком плотный, компактный, темный.

Природа может дать еще одну хорошую возможность. Если мы возьмем предмет, бросим в черную дыру, он по определению уйдет под горизонт со скоростью света. Это может произойти без особого всплеска, и мы ничего не увидим. Но если мы бросаем один предмет, бросаем второй так, чтобы они столкнулись над горизонтом, то мы сталкиваем два объекта, которые двигаются почти со скоростью света, и выделяется колоссальное количество энергии. В природе это реализуется в тех же самых двойных звездах. Газ со звезды может течь в сторону черной дыры, закручиваться в диск, нагреваться в этом диске трением до нескольких миллионов градусов. Появляются очень яркие источники. Самые известные кандидаты в черные дыры — как раз объекты в двойных системах. Похожая вещь реализуется в активных ядрах галактик или в квазарах, блазарах. Черные дыры там уже очень тяжелые, могут иметь массы миллионы, миллиарды масс Солнца. Самая тяжелая черная дыра из известных на сегодняшний день имеет массу чуть больше 10 миллиардов солнечных масс. Ситуация очень похожая, но масштабы больше, поэтому энергии выделяется больше, появляются объекты, которые мы видим с другого конца Вселенной.

— Но при этом ты говоришь, что это кандидаты в черные дыры. Что мешает получить наконец Нобелевскую премию, сказав, что вот они — черные дыры?

— Мешает то, что мы видим процессы над горизонтом. Отличительная черта черной дыры — это наличие горизонта. Продемонстрировать наличие горизонта фантастически сложно. Если мы кидаем какой-то предмет в черную дыру, он упадет в нее. Но если мы наблюдаем издали — а мы не хотим подлетать очень близко, чтобы не оказаться внутри черной дыры, — то мы будем видеть, что предмет падает все медленнее, медленнее, медленнее и застывает над горизонтом. Так устроена природа, время по-другому течет в сильной гравитации. Что-то узнать о черной дыре действительно можно, только прыгнув в нее. Как в известном анекдоте про мафию: пока снаружи, вы особенно ничего не знаете, а если вы что-то знаете, значит, вы уже внутри. С черной дырой примерно так же, поэтому остаются вопросы.

Есть еще забавный способ что-то узнать о черных дырах — наблюдать эффект гравитационного линзирования. Представьте, что мы смотрим на далекую звезду. Если точно между нами и этой звездой пролетит массивное тело, оно исказит пространство и соберет больше световых лучей, то есть сработает как собирающая линза, и мы увидим, что блеск звезды увеличился. Дальше мы можем задаться вопросом: что же является линзой? Можем оценить массу линзы. Если окажется, что масса линзы три-шесть масс Солнца, а никакого яркого объекта не видно, то лучший кандидат — черная дыра. Есть несколько хороших событий линзирования, которые, очевидно, вызваны черными дырами.

— А когда станет возможным проводить эксперименты внутри дыры?

— Черные дыры — очень далекие объекты. Мы не знаем близких черных дыр, но если мы прикинем, где они должны находиться, то окажется, что они дальше, чем ближайшие звезды. Так что скорее спутник полетит к ближайшим звездам, чем к черным дырам. И вряд ли при нашей жизни.

— Многих в какой-то момент напугала история, связанная с обсуждением открытия хиггсовского бозона коллайдерами. Писали, что сейчас откроется черная дыра и всех засосет.

— Самое главное в данном вопросе — успокоить людей, что это все по определению достаточно безопасно. Большой адронный коллайдер имеет большую энергию частицы по сравнению с той, что мы можем делать на ускорителях. Но в космосе летают частицы с гораздо большей энергией, в миллионы миллиардов раз больше. Если бы при взаимодействии этих частиц с чем-то образовывались все засасывающие черные дыры, то не было бы в космосе таких объектов, как белые карлики. Они бы просто все оказались поглощенными черными дырами. Поскольку этого не произошло за 13 миллиардов лет, что Вселенная живет, то можно не беспокоиться и по поводу экспериментов на коллайдере. Крэш-тест природа проводила все 13 миллиардов лет, и он показал, что ничего опасного не происходит.

— Какая разница между микрочерными и черными дырами?

— Микрочерные дыры необходимо как-то получить, сейчас они вряд ли образуются в природе. Не факт, что они образуются в процессах с элементарными частицами, но черные дыры могли образовываться в очень молодой Вселенной и могли иметь всякие массы — и большие, и маленькие. Маленькие черные дыры сейчас активно испаряются. Астрономы пытаются найти вспышки, которые могли бы свидетельствовать об испарении этих первичных черных дыр. Но пока они не обнаружены.

— Существует мнение, что черные дыры — пожиратели галактик или планет.

— Вспомним очень простой факт: Земля вращается вокруг Солнца и на Солнце не падает. Если мы Солнце заменим черной дырой с такой же массой, то Земля также не будет падать на черную дыру. Черные дыры ничего не всасывают, нет никакого специального «чернодырного» действия по всасыванию, это не пылесосы. Черные дыры притягивают точно так же, как все остальные тела. Поэтому если у черной дыры есть звезда-спутник, то она просто крутится вокруг нее. Черная дыра есть в центре нашей галактики, вокруг вращаются звезды, и они не падают на нее потому, что у них есть угловой момент. Поэтому черные дыры не смогут, летая по Вселенной, все поглотить, или это заняло бы бесконечное время, потому что пролететь необходимо очень близко. Как если у вас дома есть старый, плохо работающий пылесос, который нужно поднести очень близко. Черная дыра, если хотите, очень плохой пылесос и работает чуть-чуть по-другому.

Материал подготовлен на основе радиопередачи «ПостНаука» на радио
доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник ГАИШ МГУ