http://postnauka.ru/faq/2996
7 фактов о самых тяжелых объектах во Вселенной
16.07.2012
NASA Goddard Space Flight Center
Черные дыры всегда оставались одной из самых больших загадок современной космологии. Насколько продвинулись в практическом и теоретическом изучении этой научной гипотезы исследователи, рассказывает физик.
В физике черных дыр есть две составляющие: экспериментальная и теоретическая. Коснемся в первую очередь теоретической составляющей. Как исторически возник вопрос о черных дырах? Если бросить камень с высоты параллельно поверхности Земли, то он полетит по параболе. При увеличении начальной скорости камня парабола будет удлиняться. Наконец, при некоторой, достаточно большой начальной скорости камень просто начнет летать вокруг Земли. Другими словами, он будет свободно падать, но при этом собственно падения происходить не будет. Точнее, если камень находится в атмосфере, то он будет тереться о воздух и, теряя скорость, вскоре упадет. Но если бросить его достаточно высоко за пределами атмосферы, то там трение о воздух отсутствует, и вращение будет вечным.
Скорость, с которой нужно бросить камень, чтобы он летал вокруг Земли, называется «первая космическая». Именно с такой скоростью летают спутники вокруг Земли. Вторая космическая скорость – это такая скорость, с которой камень улетит с Земли на бесконечность.
Мизнер Ч., Торн К. и Уиллер Дж. «Гравитация» // Мир, – 1977
Хриплович И.Б. Общая теория относительности» // НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», – 140 с.
2
Первая и вторая космическая скорости зависят от размеров того тела, с которого нужно улететь, и от его массы. Лаплас задался таким вопросом: каковы должны быть размеры тела при данной массе, чтобы вторая космическая скорость была равна скорости света. Существует формула, связывающая радиус этого тела и массу, при которой вторая космическая скорость превышает скорость света.
Оказывается, например, что если сохранить неизменной массу Земли и сжать ее до нескольких миллиметров, то вот как раз вторая космическая скорость достигнет скорости света. То есть если какая-то сила сожмет Землю до этих размеров, то она станет таким объектом, с поверхности которого даже свет вылететь не может. Именно так впервые возник вопрос о черных дырах еще во времена, когда люди не знали ничего про общую теорию относительности.
3
После открытия общей теории относительности в начале XX века Шварцшильдом было найдено решение уравнений общей теории относительности. Он нашел такое решение, которое описывало, как ведет себя гравитационное поле снаружи массивного тела, имеющего идеальную форму шара. Существенной составляющей этого решения было то, что если размер этого тела меньше, чем как раз тот размер, который был найден Лапласом, то с него свет улететь не может. Это решение стали называть «Шварцшильдовской черной дырой». Исходно про такие объекты многое не было понятно, но потихонечку люди стали разбираться с их свойствами. В конце 60-х годов в первую очередь Пенроузом и Хокингом были разработаны разные математические методы, при помощи которых исследовались свойства геометрии пространства-времени, то есть гравитационное поле, в присутствии черных дыр.
Л.Д.Ландау и Е.М.Лифшиц, Теория поля// Теоретическая физика, ФИЗМАТЛИТ,1988. – 531 C.
4
С использованием методов Пенроуза и Хокинга в начале 70-х годов XX века было сделано наблюдение, что черной дыре можно приписать энтропию. Но не было понятно, почему у черной дыры при наличии энтропии отсутствует температура. Однако в середине 70-х годов XX века Хокинг теоретически показал, что если рассмотреть квантовые поля на фоне геометрии Шварцшильда, то оказывается, что черная дыра излучает так, будто она имеет температуру.
Вроде бы это два противоречивых утверждения. С одной стороны, имеет место быть тезис о том, что из черной дыры ничего вылететь не может. С другой стороны, что при этом она излучает. Однако никакого противоречия в подобном утверждении нет. Ничего не может вылететь из-под горизонта черной дыры. Однако оказалось, что процесс формирования черной дыры, так называемый «коллапс», происходит так, что резко меняются свойства так называемых «нулевых колебаний» квантовых полей на фоне черной дыры. А именно происходит перестройка вакуума. В результате она начинает рождать излучение, которое на самом деле формируется снаружи горизонта черной дыры. При этом дыра теряет массу (энергию покоя) и уменьшается.
5
В реальность существования черных дыр сейчас верит все больше и больше физиков, потому что есть объекты, которые наблюдаются на звездном небе и свойства которых мы не можем интерпретировать иначе как то, что они ведут себя подобно черным дырам. Так в нашей галактике найдено порядка 50-ти объектов такого сорта. Их массы, как правило, составляют более трех масс Солнца.
Помимо этого существует представление, подтвержденное наблюдаемыми данными, что в активных ядрах галактик находятся гигантские черные дыры. Это такие объекта, масса которых уже достигает сотен тысяч или даже миллионов масс Солнца.
6
На самом деле эффект Хокинга очень слабый, и он не подтвержден экспериментально, а предсказан только теоретически. К сожалению, эффект Хокинга настолько слаб, что даже для такого сорта объектов, которые наблюдаются на звездном небе, мы не сможем его увидеть. Но понимание этого эффекта может послужить первым шагом в открытии свойств квантовой гравитации.
E.Poisson, «A Relativist's Toolkit (The Mathematics of Black-Hole Mechanics)»
Много вопросов, связанных с черными дырами, остается все еще открытыми. Среди них: как на микроскопическом уровне происходит рождение излучения Хокинга в поле черных дыр. Кроме того, несмотря на то, что все меньше и меньше людей сомневаются в существовании этого эффекта, он не подтвержден экспериментально. В связи с этим возникает вопрос о реальности его существования. Также пока нет ответа на то, как происходит отклик в эффекте Хокинга. То есть как происходит уменьшение массы черной дыры при рождении соответствующего излучения, и что является его результатом? Что происходит на конечной стадии испарения, и если дыра не полностью испаряется, то что остается в результате?
доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Института теоретической и экспериментальной физики имени А. И. Алиханова, доцент кафедры теоретической физики МФТИ, доцент факультета математики НИУ ВШЭ
Этот материал является частью курса «Основы фундаментальной физики»
Как возможно изучение черных дыр? Что такое Шварцшильдовская черная дыра? И в чем особенность гигантских черных дыр? Об этом рассказывает доктор физико-математических наук Эмиль Ахмедов.
В физике черных дыр есть две составляющие: экспериментальная и теоретическая. Коснемся в первую очередь теоретической составляющей. Как исторически возник вопрос о черных дырах? Если бросить камень с высоты параллельно поверхности Земли, то он полетит по параболе. При увеличении начальной скорости камня парабола будет удлиняться. Наконец, при некоторой, достаточно большой начальной скорости камень просто начнет летать вокруг Земли. Другими словами, он будет свободно падать, но при этом собственно падения происходить не будет. Точнее, если камень находится в атмосфере, то он будет тереться о воздух и, теряя скорость, вскоре упадет. Но если бросить его достаточно высоко за пределами атмосферы, то там трение о воздух отсутствует, и вращение будет вечным.
Скорость, с которой нужно бросить камень, чтобы он летал вокруг Земли, называется «первая космическая». Именно с такой скоростью летают спутники вокруг Земли. Вторая космическая скорость – это такая скорость, с которой камень улетит с Земли в бесконечность.
В реальность существования черных дыр сейчас верит все больше и больше физиков, потому что есть объекты, которые наблюдаются на звездном небе и свойства которых мы не можем интерпретировать иначе как то, что они ведут себя подобно черным дырам. Так в нашей галактике найдено порядка 50-ти объектов такого сорта. Их массы, как правило, составляют более трех масс Солнца.
Помимо этого существует представление, подтвержденное наблюдаемыми данными, что в активных ядрах галактик находятся гигантские черные дыры. Это такие объекты, масса которых уже достигает сотни тысяч или даже миллионов масс Солнца.
Много вопросов, связанных с черными дырами, остается все еще открытыми. Среди них — как на микроскопическом уровне происходит рождение излучения Хокинга в поле черных дыр. Кроме того, несмотря на то, что все меньше и меньше людей сомневаются в существовании этого эффекта, он не подтвержден экспериментально. В связи с этим возникает вопрос о реальности его существования. Также пока нет ответа на то, как происходит отклик в эффекте Хокинга. То есть как происходит уменьшение массы черной дыры при рождении соответствующего излучения и что является его результатом? Что происходит на конечной стадии испарения, и если дыра не полностью испаряется, то что остается в результате?
доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Института теоретической и экспериментальной физики имени А. И. Алиханова, доцент кафедры теоретической физики МФТИ, доцент факультета математики НИУ ВШЭ
Все материалы автора
Величайшая тайна черных дыр стала еще непонятнее
Черная дыра (в представлении художника)
Изображение: NASA
Физик-экспериментатор Джефф Штайнхауэр из Техниона (Израиль) создал квантовый аналог черной дыры, наблюдал ее испарение (эффект Хокинга) и впервые обнаружил квантовую запутанность между парой частиц, одна из которых упала на модельный объект, а другая удалилась от него. Результаты исследований, встреченные коллегами ученого с большим энтузиазмом, опубликованы в журнале Nature Physics.
Черные дыры представляют собой массивные объекты, ограниченные так называемым горизонтом событий. Любое тело, достигшее черной дыры, согласно общей теории относительности, падает в гравитационный объект и не в состоянии его покинуть. Таким образом, масса черной дыры при классическом описании не может убывать. Ситуация меняется в квантовом случае, где гравитационный объект может испариться в результате эффекта, получившего название в честь его первооткрывателя Стивена Хокинга.
Явление сводится к образованию на горизонте событий пары виртуальных частиц. Частица с положительной энергией становится реальной и улетает от черной дыры, а другая, с отрицательной энергией, падает в нее и тем самым уменьшает ее массу. Явление, описанное в 1974 году британским ученым, предполагает существование теплового излучения. В статье ученого приводилось выражение для его температуры, которая оказалась чрезвычайно мала. Например, для черной дыры солнечной массы она имеет порядок одной миллионной кельвина. Отличить столь малую температуру от шума в астрономических наблюдениях современными методами невозможно.
Об излучении черных дыр высказывался советский физик-теоретик Владимир Грибов. Ученый не написал посвященную этому работу, поскольку считал явление «само собой разумеющимся». Публикации статьи Стивена Хокинга об испарении гравитационных объектов предшествовал визит в СССР, где британец беседовал с советскими учеными.
В 1981 году канадский физик-теоретик Билл Унру предложил гидродинамическую аналогию черной дыры, которая и была реализована в экспериментах Штайнхауэра. Ситуация, аналогичная происходящему на горизонте событий реального гравитационного объекта, моделировалась при помощи сазера (акустического лазера), который создавал звуковые волны специального вида в бозе-эйнштейновском конденсате — состояние вещества из бозонов, находящихся при температуре, близкой к абсолютному нулю. В этой фазе квантовые эффекты, имеющие место на микроскопическом уровне, начинают проявляться на макроскопическом: приближенно все вещество конденсата ведет себя как одна макроскопическая квантовая частица.
Конденсат состоял из десятков тысяч атомов рубидия-87, сформированных в облако цилиндрической формы длиной несколько миллиметров. Температура такой среды — меньше одного кельвина, а скорость звука в ней — порядка полумиллиметра в секунду. Единственными возмущениями в системе являются квантовые флуктуации. Описание среды проводится гидродинамическими методами. Это допускает введение понятия фононов — квазичастиц (фиктивных частиц), описывающих звуковые колебания. Именно их виртуальное рождение вблизи аналога горизонта событий и квантовую запутанность удалось наблюдать Штайнхауэру.
Джефф Штайнхауэр
Фото: phsites.technion.ac.il
Для этого в бозе-эйнштейновском конденсате была создана потенциальная яма. При ее прохождении частицы разгонялись до сверхзвуковых скоростей. Часть конденсата, частицы которого двигались со сверхзвуковой скоростью, представляли собой аналог черной дыры, а его область, где частицы перемещались точно со скоростью звука, — модельный горизонт событий. Именно на нем в результате квантовых флуктуаций происходило рождение пар фононов, квазичастицы из которых разлетались в противоположные стороны с дозвуковой и сверхзвуковой скоростями. Аналогичная ситуация должна наблюдаться и в случае с реальной черной дырой.
Штайнхауэру удалось измерить температуру такого излучения и установить корреляцию между разлетевшимися частицами. В квантовой механике запутанностью называется явление, при котором состояния частиц (например, спин или поляризация), разнесенных на расстояние друг от друга, не могут быть описаны взаимонезависимо. Корреляция проявляла себя как одинаковая плотность конденсата на противоположный, но равных расстояниях от модельного горизонта событий. Данный факт ученый фактически интерпретировал как первое экспериментальное доказательство существования квантовой запутанности между парами частиц, рожденными на горизонте событий черной дыры.
Последний эксперимент Штайнхауэра проводился 4,6 тысяч раз в течение шести суток. Все работы 50-летний ученый, выпускник Калифорнийского университета в Беркли (США), проводил в возглавляемой им лаборатории, где он с 2013 года является единственным сотрудником. Коллеги избегают сотрудничества с Штайнхауэром из-за его педантизма и высокой требовательности. Ранее ученый в 2009 году создал гидродинамический аналог черной дыры, а в 2014 году имитировал излучение Хокинга.
Штайнхауэр полагает, что его модель поможет разрешить парадокс исчезновения информации в черных дырах и укажет на пути объединения квантовой механики и общей теории относительности. Оптимизм экспериментатора разделяют не все теоретики. Например, Леонард Сасскинд из Стэнфордского университета (США), занимавшийся теорией струн, отмечает, что потери информации в модельной черной дыре нет, и потому она непригодна для разрешения парадокса реального объекта.
Израильский коллега Штайнхауэра, физик Ульф Леонхардт отметил, что квантовую запутанность в экспериментах с гидродинамической черной дырой удалось обнаружить лишь для высокоэнергетических фононов. Для квазичастиц низких энергий корреляции в модельном случае слабы. Последнее обстоятельство, скорее всего, несправедливо для реальных черных дыр, где квантовая запутанность имеет место для фотонов любых энергий.
Как ускориться и увидеть вакуум
Изображение: A.Hobart / Chandra X-Ray Observatory / Handout / NASA / Reutets
Ровно сорок лет назад канадский физик-теоретик Билл Унру опубликовал в журнале Physical Review D статью, в которой описал названный впоследствии его именем квантовый эффект. Работа ученого позволила пересмотреть понятие физического вакуума и представляет собой единственное разумное объяснение излучения Хокинга. «Лента.ру» рассказывает об эффекте Унру.
Явление, открытое канадским физиком-теоретиком, заключается в следующем. Равноускоренно движущийся наблюдатель видит вокруг себя равновесное тепловое излучение, тогда как покоящийся или равномерно перемещающийся его не замечает. Эффект носит существенно квантовый характер, а его экспериментальное обнаружение чрезвычайно затруднительно.
Температура излучения Унру с точностью до комбинации физических постоянных прямо пропорциональна ускорению наблюдателя. В частности, если эта величина равняется ускорению свободного падения на поверхности Земли, достигающему 9,81 метра за секунду в квадрате, то температура Унру равняется четырем на десять в минус двадцатой степени кельвинов. Это означает, что для экспериментального обнаружения излучения Унру как минимум необходимы частицы с огромными ускорениями. Альтернативной проверкой выводов канадского физика может служить прямое наблюдение испарения черных дыр (излучения Хокинга), с которым тесно связан эффект Унру.
Явление позволило по-новому взглянуть на фундаментальные для физики понятия неинерциальной системы отсчета и вакуума. Фактически эффект Унру позволяет определить понятие абсолютной неинерциальной системы отсчета — такой системы, которая движется относительно покоящегося или равномерно движущегося наблюдателя с ускорением. Вакуум в эффекте Унру (как и в квантовой теории поля) представляет собой совокупность нулевых мод (колебаний) квантовых полей, с перестройкой которых и связано появление теплового излучения.
Билл Унру впервые определил температуру теплового излучения вокруг ускоренного движущегося наблюдателя. Его работе предшествовали исследования многих физиков. Особое внимание автор уделил статьям Стивена Хокинга, Стивена Фуллинга и Пауля Дэвиса. Часто фамилии этих ученых используются в названии эффекта Унру.
Математически это проявляется в неинвариантности преобразований гамильтониана, описывающего квантовую систему, при переходе от одной неинерциальной системы к другой, так что равномерно двигающийся наблюдатель и равноускоренно перемещающийся наблюдатель будут видеть разные вакуумные состояния.
В настоящее время эффект Унру экспериментально не обнаружен, опубликованные экспериментальные работы, посвященные излучению, не получили всеобщего признания. Главная трудность связана с детектированием чрезвычайно слабого теплового излучения, которое на практике трудно отличить от теплового шума. С другой стороны, эффект Унру можно проверить, наблюдая за черными дырами.
Билл Унру
Фото: The University of Pittsburgh
Выражение для температуры Унру совпадает с формулой для температуры излучения Хокинга. Эффект, открытый британским физиком-теоретиком, заключается в следующем. С течением времени черная дыра — массивный объект, ограниченный в пространстве-времени горизонтом событий, который не может пересечь попавшее за него тело, может испариться вследствие излучения, происходящего из-за квантовых флуктуаций, связанных с образованием пар частиц. Одна частица из такой пары улетает от черной дыры, а другая — падает в нее.
Эффект Унру приводит к далеко идущим последствиям. Например, его справедливость приводит к сокращению времени жизни элементарных частиц — например, протона и электрона, считающихся стабильными в инерциальной системе отсчета. Кроме того, явление позволяет закрыть несколько физических теорий, претендующих на роль фундаментальных. В частности, в рамках теории струн (сторонником которой Унру не является) удается вывести формулу для температуры Унру, но это невозможно в петлевой квантовой гравитации. Это связано с тем, что в последней не определено плоское пространство-время, которое существует во всех описаниях эффекта Унру.
Явление используется в нескольких экзотических теориях. Несколько раз с его помощью пытались объяснить пролетные аномалии (неожиданное увеличение скорости) в движении космических аппаратов. В последний раз это сделал Майкл Маккалош из Плимутского университета (Великобритания), который также предложил новое объяснение работы двигателя EmDrive. Его примеру через два месяца последовали финские физики. Однако значение эффекта Унру для науки заключается в другом.
Эффекты Хокинга и Унру тесно связывают между собой общую теорию относительности и квантовую теорию поля. В основе первой лежит, в частности, принцип эквивалентности. В своей слабой форме он означает пропорциональность инертной (связанной с движением) и гравитационной (связанной с тяготением) масс и позволяет (в сильной форме) в ограниченной области пространства не различать гравитационное поле и движение с ускорением. Классический пример — лифт. При его равноускоренном движении вверх относительно Земли находящийся в нем наблюдатель не в состоянии определить, находится он в более сильном гравитационном поле или перемещается в рукотворном объекте.
Аналогично горизонту черной дыры, вблизи которого можно наблюдать излучение Хокинга, для эффекта Унру определено понятие риндлерова горизонта, вблизи которого ускоренно движущийся наблюдатель должен заметить тепловое излучение. В этом смысле испарение Хокинга и излучение Унру можно считать одним из проявлений принципа эквивалентности Эйнштейна. Прямое обнаружение этих эффектов стало бы триумфом теоретической физики.
Стивен Хокинг раскрыл тайну черных дыр
Падение тел в черную дыру (в представлении художника)
Изображение: arvinblaine
Физики-теоретики Стивен Хокинг, Малкольм Перри и Эндрю Строминжер предложили решение парадокса потери информации в черных дырах. Эта проблема многими учеными считается одной из самых важных в физике, поскольку связана с детерминированностью мира — тем, как прошлое, настоящее и будущее влияют друг на друга. «Лента.ру» рассказывает подробности исследования.
Сущность проблемы информационного парадокса черных дыр сводится к следующему. Согласно простейшей версии теоремы «об отсутствии волос», незаряженные и невращающиеся черные дыры, описанные в пространстве-времени Шварцшильда, характеризуются только одним параметром — массой. Слово «волосы» в этом случае используется в качестве метафоры для обозначения других параметров и предложено физиком Джоном Уилером.
Парадокс означает, что нет никакого способа отличить друг от друга черные дыры, имеющие равные массы. Материя, попадающая в черную дыру, впоследствии испаряется благодаря излучению Хокинга, и неясно, что происходит с переносимой ею ранее информацией. В широком смысле это может означать, как отметил Строминжер в интервью редактору Сету Флетчеру для Scientific American, недетерминированность мира: настоящее не определяет будущее и не может быть использовано для полной реконструкции прошлого.
О новом открытии Хокинг впервые заявил 25 августа 2015 года, выступая на конференции в Королевском технологическом институте в Стокгольме. Тогда он заинтриговал научную общественность готовящейся статьей, посвященной решению парадокса черных дыр. «Информация сохраняется не внутри, как можно было бы ожидать, а на горизонте событий черной дыры», — заявил тогда ученый. Он также упомянул супертрансляции, используемые авторами в работе (о них — ниже), исследование которых Строминжером вдохновило Хокинга на написание статьи. «Идея в том, что супертрансляции есть голограмма падающих частиц, — сказал Хокинг. — Они содержат всю информацию, которая иначе могла бы быть утеряна». Рассказал ученый и о перспективах использования информации из черных дыр. «Для всех практических целей информация теряется», — сказал Хокинг. По его словам, черные дыры возвращают информацию в «хаотической и бесполезной форме».
В своей лекции, организованной на день раньше, 24 августа, Хокинг рассказал о черных дырах как туннелях в другие вселенные. «Если черная дыра достаточно большая и вращается, она может быть мостом в другую вселенную. Но пройдя по нему, вы не вернетесь в нашу», — сказал физик. Представленные на конференции соображения Хокинг изложил 3 сентября в препринте на сайте arXiv.org. Сама работа Хокинга в соавторстве с Перри и Строминжером была опубликована там же 5 января 2016 года.
Малкольм Перри, Эндрю Строминжер и Стивен Хокинг (слева направо)
Фото: Anna N. Zytkow / scientificamerican.com
Ранее (с середины 1970-х годов) Хокинг полагал, что в черных дырах информация не сохраняется. По этому вопросу в 1997 году он и Кип Торн заключили пари с американским физиком-теоретиком Джонном Прескиллом. Точка зрения Хокинга об информационном парадоксе черных дыр изменилась после прогресса в теории струн.
В 1996 году в рамках теории струн Строминджер и Кумрун Вафа продемонстрировали вывод выражения для энтропии черных дыр, впервые полученного термодинамическим способом израильским физиком Якобом Бекенштейном в 1973 году. Их вывод указывает на то, что при испарении черных дыр сохраняется унитарность квантовой механики (связанная с непротиворечивой интерпретацией вероятности), что ранее Хокинг подвергал сомнению.
В опубликованной в 2005 году работе британский ученый попробовал качественно объяснить сохранение информации в черной дыре при помощи техники функционального интеграла, взятого по пространству с тривиальной топологией. Эти же результаты следовали из предложенной в 1998 году Хуаном Малдасеной в рамках теории струн идеи AdS/CFT-соответствия. Она, в свою очередь, основана на голографическом принципе, предложенном в 1993 году нидерландским физиком-теоретиком Герардом т'Хоофтом (этот ученый 5 сентября 2015 года опубликовал препринт с альтернативным способом сохранения информации черной дырой).
В новой работе ученые основывались на исследованиях 1960-х годов. Тогда физики Стивен Вайнберг и другие предложили концепцию супертрансляций (их не стоит путать с одноименным термином, используемым в суперматематике). Кроме того, авторы использовали результаты Строминжера и соавторов, из которых следовало наличие у черной дыры так называемых мягких волос. Строминжер использовал известные из квантовой электродинамики мягкие фотоны — кванты электромагнитного излучения большой длины волны, используемые в перенормировках (процедурах устранения расходимостей в квантовой теории поля). Такие частицы обладают малой энергией и при описании вакуумного состояния (с наименьшей энергией) приводят к появлению нового квантового состояния, характеризующегося угловым моментом (поскольку таковой есть у фотона).
Строминжер заинтересовался вопросом, будет ли отличным первоначальное квантовое состояние системы от последующего в случае, если положить длину волны фотона бесконечной (то есть посчитать его энергию равной нулю). Вычисления показали, что квантовое состояние системы в этом случае изменится. Мягкие гравитоны и фотоны в пределе бесконечной длины волны существуют на границах пространства-времени. В приложении к черным дырам оказывается, что мягкие частицы локализуются на горизонте событий — трехмерной голограмме четырехмерной пространственно-временной дыры.
Говоря о супертрансляциях, ученые имеют в виду преобразования идентичных световых лучей, существующих на горизонте событий черной дыры. В 1960-х годах супертрансляции использовались для описания световых лучей на бесконечности пространства-времени, а не горизонте событий черных дыр. Строминжер пояснил идею супертрансляции на примере совокупности бесконечно длинных и идентичных друг другу соломинок. Если одну из них переместить вверх или вниз относительно других, можно ли считать такое перемещение реальным? Исследования ученых дали положительный ответ на этот вопрос.
Герард т'Хоофт и Стивен Хокинг
Фото: Håkan Lindgren / kth.se
1/2
«Если вы сравните две черные дыры, которые отличаются только добавлением мягкого фотона, который не изменяет энергию, вы получите разные черные дыры. А потом вы позволите им испариться. В этом случае они должны испариться во что-то отличное друг от друга. Мы даем точную формулу, являющуюся одним из главных результатов нашей работы, описывающую отличия в квантовом состоянии черной дыры, в которую был или не был добавлен мягкий фотон», — рассказал в интервью Scientific American Строминжер.
Физик отметил, что в ходе проведенного исследования ему удалось сформулировать 35 перспективных задач, решение каждой из которых может занять до нескольких месяцев. «Если у нас есть все ингредиенты для понимания квантовой динамики черных дыр, это делает возможным подсчет количества голографических пикселей», — сказал он. В дальнейшем Строминжер с соавторами собирается изучать не супертрансляции, а суперротации. Используя аналогию с одинаковыми бесконечно длинными соломинками, можно сказать, что в этом случае последние меняются местами друг с другом (одна соломинка совершает вращение вокруг другой).
«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 Строминжер. Такие преобразования ученые начали изучать около десяти лет назад, а прогресс в их понимании достигнут лишь в последние два года. Свое видение новой работы Хокинг, отметивший 8 января свое 74-летие, представит на лекциях, которые 26 января и 2 февраля будет транслировать BBC Radio 4.
Астрофизик о черных дырах в ОТО, излучении Хокинга и происхождении гравитационных волн
Звезды чаще всего рождаются не поодиночке, а парами. Например, пусть возникла пара из двух массивных звезд. Затем обе поочередно взорвались как сверхновые и дали две черных дыры, и они крутятся друг вокруг друга. Представим, как два шарика катаются по нашей резиновой плоскости, от них обязательно побежит рябь. В случае пары черных дыр это очень хороший процесс для испускания гравитационных волн, потому что у нас сразу есть большие массы, заключенные в компактные области и двигающиеся с огромными скоростями.
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.
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.
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.
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».
Последний раз редактировалось Chugunka; 19.12.2020 в 09:23.
FAQ: Черные дыры
Линейный вид
