Как во вселенной появились самые первые черные дыры?

Методы обнаружения

Рассмотрим методы, которые астрономы используют для обнаружения черной дыры:

• ЧД возможно зарегистрировать в том случае, когда она притягивает окружающую ее материю, будь то звездное вещество соседней звезды или газовое облако, через которое движется черная дыра. Компьютерное моделирование показывает падение звезды в черную дыру В таком случае видимое вещество начнет стягиваться к массивному объекту, образую вокруг него аккреционный диск. То есть диск быстровращающейся разогретой материи. В некоторых случаях вращающаяся вокруг ЧД материя может плотно перекрывать черную дыру, тем самым визуально образуя огромную светящуюся сферу.

• Метод гравитационного возмущения позволяет определить наличие ЧД по ее гравитационному влиянию на окружающие тела. К примеру, если траектория движения планеты вокруг некоторой звезды не согласуется с теоретическими подсчетами орбиты этой планеты, а имеет некоторое искажение, можно предположить о наличии массивного объекта вблизи планеты, который влияет на ее траекторию. Данный частный случай упрощен, так как подобные ситуации позволяют обнаружить менее массивные объекты, вроде других планет. Черные дыры же могут искажать траекторию огромных облаков газа.

• Возвращаясь к изменению траектории электромагнитного излучения вблизи черной дыры, следует отметить одно из явлений, которое также позволяет обнаружить ЧД – гравитационное линзирование. Свет, проходящий около границ черной дыры, несколько изменяет свою траекторию, создавая таким образом размытую или искаженную картинку, а иногда даже продублированное изображение космических тел. Таким образом, черная дыра, расположенная на фоне какого-либо скопления, вроде галактики или туманности, дает аномальное изображение этого скопления, что привлекает астрономов и дает повод начать поиски ЧД в этой области небосвода.

Помимо упомянутых выше методов, ученые часто связывают такие объекты как черные дыры и квазары. Квазары – некие скопления космических тел и газа, которые являются одними из самых ярких астрономических объектов во Вселенной. Так как они обладают высокой интенсивностью свечения при относительно малых размерах, есть основания предполагать, что центром этих объектов есть сверхмассивная черная дыра, притягивающая к себе окружающую материю. В силу столь мощного гравитационного притяжения притягиваемая материя настолько разогрета, что интенсивно излучает. Обнаружение подобных объектов обычно сопоставляется с обнаружением черной дыры. Иногда квазары могут излучать в две стороны струи разогретой плазмы – релятивистские струи. Причины возникновения таких струй (джет) не до конца ясны, однако вероятно они вызваны взаимодействием магнитных полей ЧД и аккреционного диска, и не излучаются непосредственной черной дырой.

Джет в галактике M87 бьющий из центра ЧД

Подводя итоги вышесказанного, можно представить себе, как выглядит черная дыра в космосе вблизи: это сферический черный объект, вокруг которого вращается сильно разогретая материя, образуя светящийся аккреционный диск.

В центре нашей галактики обнаружены странные объекты

В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature, астрономы описывают шесть загадочных объектов, которые вращаются вокруг центральной черной дыры нашей галактики. По мнению авторов, обнаруженные аномальные объекты, получившие названия G1-G6, выглядят как продолговатые сгустки газа в несколько раз массивнее Земли. Несмотря на свои небольшие по космическим меркам размеры, обнаруженные объекты ведут себя как маленькие звезды, способные пройти в опасной близости от края черной дыры, не будучи при этом разорванными в клочья.

Чем именно могут быть эти бесстрашные космические объекты: сгустками газа или полноценными звездами? По мнению авторов исследования, странные объекты могут быть и тем, и другим. Так, каждый обнаруженный объект G может представлять собой пару двойных звезд, которые миллионы лет назад были разбиты мощной гравитацией черной дыры. Андреа Гез, профессор астрофизики из Калифорнийского университета и соавтор исследования, считает, что черные дыры могут приводить к слиянию двойных звезд. Подоплекой для подобной гипотезы послужил анализ орбит первых двух обнаруженных объектов G, которые следовали по поразительно сходной орбите вокруг Sagittarius A*.

Гравитационное воздействие черной дыры в центре нашей галактики способно превращать двойные звезды в объекты нового типа

Интерпретировав пучки газа как остатки несчастной мертвой звезды, пострадавшей в результате гравитационного воздействия сверхмощной черной дыры, расположившейся по соседству, некоторые астрономы ожидали увидеть окончательную гибель миниатюрных звезд в результате их поглощения Sagittarius A еще в 2014 году. Однако, к большому удивлению ученых, ничего подобного не произошло, а “недозвезды” удивительным образом выжили в пределах нескольких сотен астрономических единиц от черной дыры. Растягиваясь и искажаясь вблизи черной дыры, объекты G восстановили свою первоначальную форму при постепенном от нее удалении. Столь необычное поведение наводит на мысль о том, что нечто чрезвычайно мощное удерживает сгусток газа вместе — то есть, объекты G могут быть полноценными звездами.

Чтобы проверить эту гипотезу, авторы исследования провели несколько лет, исследуя центр галактики из Обсерватории W. M. Keck на Гавайях в поисках новых объектов G-типа. Команде удалось обнаружить еще четыре новых сгустка, которые соответствовали требованиям, вращаясь вокруг Sgr A*. Все они представляют собой смятые гравитацией продукты двойных звезд, образовавшиеся около 5 миллионов лет назад вблизи Sgr A*. Пожалуй, увидеть то, как в реальности выглядят данные объекты, мы вряд ли сможем в обозримом будущем, однако обнаружение “смятых” звезд говорит о том, что во Вселенной может скрываться еще больше потенциальных загадок для науки будущего.

Немного из истории вопроса…

Впервые идея о подобном объекте пришла в голову английскому священнику Джону Мичеллу в далеком 1784 году. Идея состояла в том, что для тела с радиусом в 280,3 солнечных радиусов и с плотностью Солнца вторая космическая скорость на его поверхности будет равна скорости света. Таким образом, свет не сможет покинуть это тело, и оно будет невидимым. Однако, всерьез черные дыры стали обсуждаться только с появлением теории относительно Эйнштейна в начале 20 века.

В этой статье мы не будем приводить сложных математических формул, ограничившись только формулой для радиуса Шварцшильда:

где G — гравитационная постоянная, а c — скорость света. Чёрная дыра с массой, равной массе Земли, обладала бы радиусом Шварцшильда в 9 миллиметров (то есть Земля могла бы стать чёрной дырой, если бы кто-либо смог сжать её до такого размера). Для Солнца радиус Шварцшильда составляет примерно 3 километра.

Две важнейшие черты, присущие чёрным дырам — это наличие горизонта событий и сингулярности, которая отделена этим горизонтом от остальной вселенной.

Горизонт событий находится на радиусе Шварцшильда, он ограничивает пространство внутри черной дыры. Информация о любом событии, произошедшем за горизонтом событий внутри черной дыры, не может пересечь горизонт событий.

Сингулярность – это область внутри черной дыры, там, где решения уравнений гравитации не имеют четких физических интерпретаций. Другими словами, ученые, опираясь на весь свой накопленный опыт, еще не в состоянии дать внятный ответ на вопрос: что происходит в черной дыре?

Как сфотографировать черную дыру

Сергей Попов предлагает вспомнить фильмы или книги о человеке-невидимке. Его не видно, но если он надевает на себя одежду, мы видим одежду. Если пытается скрыться, то можно обсыпать его мукой или заметить следы. Черные дыры изучают примерно тем же способом. Ученые не видят горизонт событий и не видят недра черной дыры, поскольку ничто не может пересечь горизонт обратно в нашу сторону. Но они изучают поведение вещества вокруг.

То, что принято называть фотографией черной дыры, на самом деле — изображение вещества, движущегося вокруг черной дыры. Но в центре действительно возникает темная область, поскольку там находится черная дыра, из которой не может исходить свет.

Первая фотография черной дыры

(Фото: NASA)

По большей части черные дыры — маленькие объекты, находящиеся очень далеко от нас. Разглядеть черноту внутри яркой области удалось всего в одном случае. Для качественного снимка нужна была самая большая черная дыра в центре относительно близкой галактики. Дальше встала техническая задача — получить изображение с достаточной детализацией. Ни один телескоп сам по себе не может сделать такое изображение. Но если совместить несколько телескопов и разнести их на большие расстояния, то с точки зрения деталей они будут работать как один большой телескоп. Именно таким способом, при помощи нескольких телескопов, разбросанных почти по всему земному шару, удалось сделать снимок того, что все называют фотографией черной дыры в галактике М87. Такая фотография пока остается единственной.

Галактика М87

(Фото: NASA)

Чтобы получить нечто похожее на снимок от других объектов, ученым нужны новые инструменты. Тем не менее есть прямые данные наблюдения поведения вещества вокруг разных черных дыр, практически вплоть до самого горизонта. До расстояния всего в несколько раз превышающих размер горизонта черной дыры.

Как образуются чёрные дыры

Такие большие объекты, как звёзды, обладают большой гравитацией. Вся материя звезды всегда притягивается к центру, но термоядерные реакции не позволяют ей схлопнуться. То есть с одной стороны работает притяжение, а с другой давление, которое удерживает форму звезды.

Самой популярной считается теория, что чёрная дыра — это конечная стадия жизни звезды с очень большой массой, превышающей как минимум массу 20 Солнц. Когда внутри такой звезды прекращаются термоядерные реакции (заканчивается топливо), то под действием своей огромной гравитации она ускоренно сжимается в нейтронную звезду. В зависимости от своей начальной массы, она может остаться сверхплотной нейтронной звездой либо продолжить сжиматься с такой силой, что даже свет не сможет покинуть её пределы — это и будет чёрная дыра.

Рекомендуем: Что такое магнитная буря

Существует и другой сценарий, когда все те же процессы происходят с межзвёздным газом, находящимся на стадии превращения в галактику или какое-то скопление. Если внутреннее давление не может компенсировать гравитацию, то вся материя начинает сжиматься, что приводит к образованию чёрной дыры.

Что внутри черной дыры: догадки

Некоторые из математиков считают, что внутри этих загадочных объектов Вселенной находятся так называемые червоточины — переходы в другие Вселенные. Иными словами, в точке сингулярности расположен пространственно-временной туннель. Эта концепция послужила источником вдохновения для многих писателей и режиссеров. Однако подавляющее большинство астрономов считают, что никаких туннелей между Вселенными не существует. Однако даже если бы они действительно были, у человека нет никаких способов узнать, что находится внутри черной дыры.

Существует и другая концепция, согласно которой в противоположном конце такого туннеля находится белая дыра, откуда из нашей Вселенной в другой мир через черные дыры поступает гигантское количество энергии. Однако на данном этапе развития науки и техники о путешествиях подобного рода не может быть и речи.

Как образуются черные дыры

В современной астрофизике различают 4 гипотезы об образовании черных дыр:

• гравитационный коллапс очень массивной звезды;
• коллапс центральной части галактики или протогалактического газа;
• возникновение в результате Большого взрыва;
• появление в ядерных реакциях высоких энергий.

Гравитационный коллапс очень массивной звезды. Черная дыра, образованная по этому сценарию, рождается в результате умирания тяжелой звезды с массой более трех солнечных масс, которая в процессе выгорания теряет свой электрический заряд и магнитное поле. Она сжимается к центру под собственной тяжестью до состояния черной дыры, и ее гравитационное поле становится настолько сильным, что перестает выпускать даже свет.

В конце своей жизни любая звезда с соответствующей массой может превратиться в темную материю, при этом карликовые и недостаточно массивные объекты не могут коллапсировать до такого состояния.

Коллапс центральной части галактики или области протогалактического газа. Согласно это гипотезе, практически каждая галактика имеет черную дыру в своем центре, поэтому под собственной массой коллапсирует не просто отдельная звезда, но целая часть галактики.

Возникновение в результате Большого взрыва. В рамках этой теории рассматривается образование первичных черных дыр на ранней стадии развития Вселенной в результате Большого взрыва.

Появление в ядерных реакциях высоких энергий. Такие объекты называют квантовыми, они отличаются недолгой продолжительностью жизни. Подобные реакции можно проводить и в лабораториях. К примеру, их использует в изучении частиц в адронных коллайдерах.

Почему Хокинг ошибся по поводу черных дыр?

Согласно недавнему исследованию Стивена Хокинга (Stephen Hawking), создавшего настоящий переполох, некоторые издания объявили о том, что черных дыр нет. Однако, это не совсем то, что утверждал Хокинг. Впрочем уже сейчас понятно, что предположение Хокинга о черных дырах ошибочно, потому что парадокс, который он пытается доказать, уже не парадокс вовсе.

Это все сводится к известному нам парадоксу огненной стены черных дыр. Главной особенностью черной дыры является ее горизонт событий. Горизонт событий черной дыры – точка невозврата при приближении к ней. В общей теории относительности Эйнштейна, горизонт событий представляет собой пространство и время, которые настолько деформированы под воздействием силы тяжести, что их невозможно покинуть. Пересечете горизонт событий — и вы навсегда в ловушке.

Это односторонняя природа горизонта событий уже давняя проблема для понимания гравитационной физики. Например, горизонт событий черной дыры, казалось бы, нарушает законы термодинамики. Один из принципов термодинамики гласит о том, что ничто не должно иметь температуру абсолютного нуля. Даже очень холодные вещи излучают немного тепла, но если черная дыра поглощает свет, то она не выделяет никакого тепла. Таким образом, температура черной дыры равна нулю, что не возможно.

Тогда в 1974 году Стивен Хокинг показал, что черные дыры излучают свет благодаря квантовой механике. В квантовой теории есть пределы тому, что может быть известно об объекте. Например, вы не можете знать точно энергию объекта. Из-за этой неопределенности, энергия системы может колебаться спонтанно, до тех пор, пока ее средняя величина остается постоянной. Хокинг продемонстрировал, что вблизи горизонта событий черной дыры пары частиц могут появиться, когда одна частица оказывается в ловушке внутри горизонта событий (немного снижая массу черной дыры), а другая может избежать этого, в виде излучения (унося немного энергии черной дыры).

В то время как излучение Хокинга решило одну проблему с черными дырами, оно создало еще одну, известную как парадокс огненной стены. Когда квантовые частицы появляются парами, они спутаны, то есть, они связаны в квантовом смысле. Если одна частица захватывается черной дырой, а другая вырывается, тогда спутанность пары нарушается. В квантовой механике можно было бы сказать, что пара частиц появляется в чистом, первоначальном, виде, и горизонт событий, казалось бы, сломал это состояние.

В прошлом году было показано, что если излучение Хокинга в чистом виде, тогда либо оно не может излучать в направлении, требуемом термодинамикой, или это создаст огненную стену частиц высокой энергии вблизи поверхности горизонта событий. Это часто называют парадокс огненной стены, потому что согласно общей теории относительности, если оказаться вблизи горизонта событий черной дыры, ничего необычного не удастся заметить. Основная идея общей теории относительности (принцип эквивалентности) требует, чтобы, если вы свободно падаете к горизонту событий, не должно быть сильной огненной стены частиц высокой энергии. В своей работе Хокинг предложил решение этого парадокса, предположив, что черные дыры не имеют горизонты событий. Вместо этого они имеют кажущиеся горизонты, которые не требуют соответствия огненной стены и термодинамики. Поэтому заявление «черных дыр нет» популярно в прессе.

Но парадокс огненной стены возникает только при излучении Хокинга в чистом виде, и исследование  Сабины Хоссенфельдер (Sabine Hossenfelder) показывает, что излучение Хокинга не в чистом виде. В своей статье, Хоссенфельдер показывает, что вместо пары спутанных частиц, излучение Хокинга связано с двумя такими парами. Одна спутанная пара попадает в ловушку черной дыры, в то время как другая убегает. Процесс похож на первоначальное предложение Хокинга, но частицы Хокинга не в чистом виде.

Таким образом, нет никакого парадокса. Черные дыры могут излучать свет таким образом, который согласуется с термодинамикой, и область вблизи горизонта событий не имеет огненной стены, как требует общая теория относительности. В итоге, предложение Хокинга является решением проблемы, которой не существует.

Внешняя граница черной дыры

Внешней границей черной дыры является ее горизонт событий, точка, в которой сила гравитации противодействует попыткам света покинуть ее. Подойдите слишком близко и возврата уже не будет.

Горизонт событий пылает энергией. Квантовые эффекты на этой границе создают потоки горячих частиц, утекающих обратно во Вселенную. Это так называемое излучение Хокинга, названное в честь физика Стивена Хокинга, который предсказал его существование. По истечении достаточного времени черная дыра испарит свою массу полностью и исчезнет.

Погружаясь в черную дыру, вы обнаружите, что пространство становится все более искривленным, пока в самом центре не станет изогнутым бесконечно. Это сингулярность. Пространство и время перестают иметь хоть какой-нибудь смысл, и законы физики, известные нам, которые нуждаются в пространстве и времени, больше не работают.

Что же происходит с пространством внутри черной дыры?

Что происходит в сингулярности? Никто не знает. Другая вселенная? Забвение? Мэтью Макконахи плавает по ту сторону книжных полок? Загадка.

Можно ли выжить после попадания в чёрную дыру?

Итак, попав в звездную черную дыру, вы, вероятно, не будете сильно беспокоиться о «космических» тайнах, которые вы можете открыть на «другой стороне». Вы будете мертвы за сотни километров до того, как узнаете ответ на этот вопрос.

Этот сценарий не полностью основан на теориях и предположениях. Астрономы стали свидетелями такого «приливного разрушения» еще в 2014 году, когда несколько космических телескопов поймали звезду, блуждающую слишком близко к черной дыре. Звезда была растянута и разорвана, в результате чего ее часть упала за горизонт событий, а остальная часть была отброшена в космос.

Если преодолеть горизонт событий, можно достичь гравитационной сингулярности

В отличие от падения в звёздную черную дыру, ваш опыт погружения в сверхмассивную или реликтовую черную дыру будет чуть менее кошмарным. Хотя конечный результат, ужасная смерть, все равно останется единственным сценарием. Однако в теории вы сможете пройти весь путь до горизонта событий и сумеете достичь сингулярности, пока еще живы. Если вы продолжите падение к горизонту событий, вы в конечном итоге увидите, как звездный свет сжимается до крошечной точки позади вас, меняя цвет на синий из-за гравитационного синего смещения. И затем… будет тьма. Ничего. Изнутри горизонта событий никакой свет из внешней Вселенной не сможет попасть к вашему кораблю. Как и вы больше не сможете вернуться обратно.

Так что Мэтью Макконахи очень повезло, что все в фильме было спецэффектами.

Обнаружение сверхмассивных чёрных дыр

В настоящее время единственный достоверный способ отличить чёрную дыру от объекта другого типа состоит в том, чтобы измерить массу и размеры объекта и сравнить его радиус с гравитационным радиусом, который задаётся формулой

К сожалению, сегодня разрешающая способность телескопов недостаточна для того, чтобы различать области пространства размером порядка гравитационного радиуса чёрной дыры. Поэтому в идентификации сверхмассивных объектов как чёрных дыр есть определённая степень допущения. Считается, что установленный верхний предел размеров этих объектов недостаточен, чтобы рассматривать их как скопления белых или коричневых карликов, нейтронных звёзд, чёрных дыр обычной массы.

Существует множество способов определить массу и ориентировочные размеры сверхмассивного тела, однако большинство из них основано на измерении характеристик орбит вращающихся вокруг них объектов (звёзд, радиоисточников, газовых дисков). В самом простейшем и достаточно часто встречающемся случае обращение происходит по кеплеровским орбитам, о чём говорит пропорциональность скорости вращения спутника квадратному корню из большой полуоси орбиты:

Метод отношения масса-светимость

Основным методом поиска сверхмассивных чёрных дыр в настоящее время является исследование распределения яркости и скорости движения звёзд в зависимости от расстояния до центра галактики. Распределение яркости снимается фотометрическими методами при фотографировании галактик с большим разрешением, скорости звёзд — по красному смещению и уширению линий поглощения в спектре звезды.

Имея распределение скорости звёзд можно найти радиальное распределение масс в галактике. Например, при эллиптической симметрии поля скоростей решение уравнения Бернулли даёт следующий результат:

Поскольку чёрная дыра имеет большую массу при низкой светимости, одним из признаков наличия в центре галактики сверхмассивной чёрной дыры может служить высокое отношение массы к светимости для ядра галактики. Плотное скопление обычных звёзд имеет отношение порядка единицы (масса и светимость выражаются в массах и светимостях солнца), поэтому значения (для некоторых галактик ), являются признаком наличия сверхмассивной чёрной дыры. Возможны, однако, альтернативные объяснения этого феномена: скопления белых или коричневых карликов, нейтронных звёзд, чёрных дыр обычной массы.

Измерение скорости вращения газа

В последнее время благодаря повышению разрешающей способности телескопов стало возможным наблюдать и измерять скорости движения отдельных объектов в непосредственной близости от центра галактик. Так, при помощи спектрографа FOS (Faint Object Spectrograph) космического телескопа «Хаббл» группой под руководством Х. Форда была обнаружена вращающаяся газовая структура в центре галактики M87. Скорость вращения газа на расстоянии около 60 св. лет от центра галактики составила 550 км/с, что соответствует кеплеровской орбите с массой центрального тела порядка 3·109 масс Солнца. Несмотря на гигантскую массу центрального объекта, нельзя сказать с полной определённостью, что он является чёрной дырой, поскольку гравитационный радиус такой чёрной дыры составляет около 0,001 св. года.

Измерение скорости микроволновых источников

В 1995 г. группа под руководством Дж. Морана наблюдала точечные микроволновые источники, вращающиеся в непосредственной близости от центра галактики NGС 4258. Наблюдения проводились при помощи радиоинтерферометра, включавшего сеть наземных радиотелескопов, что позволило наблюдать центр галактики с угловым разрешением 0,001″. Всего было обнаружено 17 компактных источников, расположенных в дискообразной структуре радиусом около 10 св. лет. Источники вращались в соответствии с кеплеровским законом (скорость вращения обратно пропорциональна квадратному корню из расстояния), откуда масса центрального объекта была оценена как 4·107 масс солнца, а верхний предел радиуса ядра — 0,04 св. года.

Наблюдение траекторий отдельных звёзд

В 1993—1996 годах А. Экарт и Р. Генцель наблюдали движение отдельных звёзд в окрестностях центра нашей Галактики. Наблюдения проводились в инфракрасных лучах, для которых слой космической пыли вблизи ядра галактики не является препятствием. В результате удалось точно измерить параметры движения 39 звёзд, находящихся на расстоянии от 0,13 до 1,3 св. года от центра галактики. Было установлено, что движение звёзд соответствует кеплеровскому, центральное тело массой 2,5·106 масс солнца и радиусом не более 0,05 св. года соответствует положению компактного радиоисточника Стрелец-А (Sgr A).

Черные дыры как область пространства-времени

Черные дыры еще определяют как область пространства-времени. Сергей Попов объясняет, что все современные теории гравитации — теории геометрические. В них гравитация описывается как свойство пространства и времени. Имеется в виду, что между пространством и временем можно составить уравнение, это взаимосвязанные величины.

С начала ХХ века, с первых работ Эйнштейна по теории относительности, пространство и время объединены в некоторую сущность. Любые тела, не только массивные, но и самые маленькие, искривляют пространство вокруг себя и одновременно влияют на ход времени. Современные измерения позволяют определить, что в одном месте время идет не так, как в другом. Можно провести эксперимент и обнаружить эту разницу.

Визуализация черной дыры

(Фото: NASA)

Черная дыра — это экстремальный способ воздействия на пространство — когда в одном месте собрали так много вещества или энергии, что пространство-время свернулись и образовали специфическую область. Можно говорить, что черная дыра — это объект, но с бытовой точки зрения объект — это что-то имеющее поверхность. Если идти по абсолютно темной комнате, можно наткнуться на стол, это будет объект с началом в конкретной точке. Если в абсолютно темной комнате или с завязанными глазами попасть в черную дыру, невозможно заметить ее границу. Потому что нет никакой твердой поверхности, человек сразу окажется внутри этой области.

Сергей сравнивает такой переход с государственными или областными границами. Если идти по лесу из одной страны в другую, то без указателей и карт невозможно заметить, в какой точке кончается одно государство и начинается другое. Лес в Финляндии ничем не отличается от леса в России, и нет никакой четкой границы, на которую можно наткнуться. И черная дыра — это такая область, где масса свернула пространство-время, и в итоге никакие предметы не могут ее покинуть, как только пересекут границу. Все, что туда попало, навсегда останется за горизонтом.

Футурология

Выход в космос: где в России можно посмотреть на звезды

Черные дыры интересны в первую очередь как экстремальные объекты. Это максимально скрученное пространство-время, и многие эффекты становятся более заметны вблизи черных дыр. Начинают появляться принципиально новые физические феномены.

Визуализация черной дыры

(Фото: NASA)

В теории гравитации стремятся подобраться как можно ближе к этим экстремальным объектам. Поэтому, говорит Сергей, изучение поведения вещества в окрестности черных дыр — очень интересная штука.

Информационный парадокс черных дыр

Вы наверняка слышали, что черные дыры уничтожают информацию, которая в них попадает. Почему это является такой огромной проблемой для физики, что ученые всеми силами пытаются избавиться от этой нелепой и нелогичной формулировки? Что ж, мир стал довольно сложным. В моем детстве все было проще. Трава была зеленее, газировка вкуснее, а черные дыры были черными. То есть черные дыры сжимали материю и энергию в бесконечно плотные сингулярности, не создавая непреодолимых парадоксов. Это были хорошие дни.

Но им пришел конец. Сегодня черные дыры вмещают все пятьдесят оттенков серого, изгибая законы физики один за другим. Что же такое информационный парадокс черной дыры?

Для начала давайте поговорим об информации. Когда физики говорят «Информация», они имеют в виду конкретное состояние каждой частицы во вселенной: масса, положение, спин, температура и т. д. отпечаток пальца, который уникальным образом идентифицирует каждого, и вероятность того, что эти частицы собираются делать во вселенной. Вы можете взять атомы, раздавить их или сжать вместе, но квантово — волновая функция, которая их описывает, всегда будет сохраняться.

Квантовая физика позволяет вам запускать всю вселенную вперед и назад до тех пор, пока вы обращаете все в своей математике: заряд, четность и время

Это важно. Светлые умы говорят нам, что информация должна жить, несмотря ни на что

Представьте ее в виде энергии. Вы не можете уничтожить энергию: только преобразовать.

Что такое черная дыра? Она образуется, когда крупнейшая звезда с массой в 20 раз превышающей солнечную жестоко коллапсирует и взрывается. Ее плотность материи чрезвычайно высока, скорость убегания превышает скорость света. Особо прикольные имеют перегретый диск аккреции с материей, которая кружится вокруг горизонта событий черной дыры, за пределы которого свет уже не может вырваться никак.

И тут у нас появляется один из самых странных побочных эффектов относительности: замедление времени. Представьте себе часы, падающие в направлении черной дыры, которые засасывает гравитационный колодец. Время будет идти медленнее по мере приближения к черной дыре, пока наконец не замерзнет на краю горизонта событий. Фотоны от часов вытянутся, и цвет часов пройдет через красное смещение. В конце концов, он исчезнет, поскольку фотоны вытянутся за пределы того, что могут обнаружить наши глаза.

Лишь в том случае, если бы вы смотрели на черную дыру миллиарды лет, вы увидели бы все, что она собрала, что застряло внутри, как на липучке. Вы нашли бы и часы, и «Титаник», и теоретически смогли бы определить квантовое состояние каждой отдельной частицы и фотона, который попал в черную дыру. Поскольку потребуется практически бесконечное количество времени, чтобы все испарилось совершенно, все в порядке.

Информация навсегда на поверхности черной дыры сохраняется. Все, что туда попало, определенно погибло, но их информация, их драгоценная квантовая информация, в полном порядке.

В 1975 году Стивен хокинг сбросил на черные дыры бомбу. Он осознал, что у черных дыр есть температура, и с течением огромного периода времени они совершенно испарятся, выпустив массу и энергию обратно во вселенную. Этот процесс был обозначен как излучение хокинга.

Но эта же идея парадокс породила. Информация о том, что попало в черную дыру сохраняется замедлением времени, но сама масса черной дыры испаряется. В конце концов, она совершенно исчезнет, и тогда куда денется информация? Та информация, которая не может быть уничтожена?

Астрономы в шоке. Десятками лет они работают, пытаясь решить этот вопрос. Есть небольшой набор вариантов:

Черные дыры не испаряются вовсе, хокинг ошибся.
Информация в черной дыре каким-то образом утекает вместе с излучением хокинга.
Черная дыра удерживает ее до самого конца, и когда испаряются две последних частицы, вся информация внезапно высвобождается во вселенную.
Информация сжимается в микроскопическое пространство, которое остается после испарения черной дыры.
Черная дыра.

Возможно, физики никогда не смогут выяснить это. Недавно хокинг выдвинул новую идею, которая могла бы разрешить информационный парадокс черной дыры. Он предположил, что есть некий способ, которым излучение хокинга могло бы уносить в себе информацию о новой материи, падающей в черную дыру.

Таким образом, информация обо всем, что падает, сохраняется уходящим излучением, возвращается во вселенную и разрешает парадокс. Но это догадка, поскольку и само излучение хокинга никто не обнаружил. Возможно, мы через много десятков лет узнаем не только то, в правильном направлении мы движемся или нет, но и собственно решение парадокса.

В ситуациях вроде этой мы вспоминаем, как мало знаем о вселенной на самом деле.