EPA
проект «Новой газеты» и сайта postnauka.ru
Черные дыры точно существуют, но уверенности в этом нет Сергей ПОПОВ доктор физикоматематических наук, ведущий научный сотрудник ГАИШ МГУ
Ч
ерные дыры как идея были придуманы довольно давно. Сделали это Лаплас и Митчелл несколько веков назад. Они догадались, что можно рассмотреть обычные ньютоновские законы и сделать очень большой вторую космическую скорость — то есть скорость, которую надо единомоментно сообщить какому-нибудь предмету, чтобы он навсегда улетел с какого-то тела, например, с Земли. Мы берем известную формулу из школьного учебника физики — вторая космическая скорость равна квадратному корню из удвоенного произведения постоянной тяготения на массу тела, деленного на его радиус, — и видим, что мы можем или, сохраняя радиус тела, увеличивать массу и тогда будет расти скорость, или, наоборот, сохраняя массу, сжимать это тело, с которого все улетает, и тоже будет увеличиваться скорость. В конце концов, мы дойдем до скорости света.
Ученый мир в ожидании грандиозного открытия Черные дыры в современном понимании возникли уже в рамках Общей теории относительности. Там картина немного иная, и нам в дальнейшем понадобится геометрическая теория гравитации. В этой теории массивные тела искажают пространство–время вокруг себя. Обычно это иллюстрируют простым способом: представьте себе резиновую плоскость. Вы кладете разные предметы — чем тяжелее предмет, тем больше прогнется плоскость, и, соответственно, возникнет ямка, а все объекты будут туда притягиваться. Вы просто кидаете какие-нибудь другие шарики, и они в эту ямку скатываются. В том месте, где предмет лежит, он настолько сильно продавит плоскость, что возникнет область пространства, которая как бы «окуклится», и из нее наружу ничего выходить не будет. Вот это и есть, в первом приближении, черная дыра в Общей теории относительности. Черная дыра — это область пространства. У нее нет поверхности, по ней нельзя постучать-походить, есть только горизонт — граница, отделяющая недра черной дыры от остального мира. А все, что попало внутрь, уже внутри останется навсегда. Как дыра устроена внутри — это
сложный вопрос (проблема в том, что у нас нет по этому поводу никаких наблюдательных данных — ведь сигналы наружу не выходят!). Есть много интересных работ на эту тему. Например, можно сделать предположение о замкнутых орбитах под горизонтом. В таком сценарии некоторые частицы не упадут в самый центр черной дыры, а будут вращаться, всегда оставаясь под горизонтом. Но если это исключить, т.к. такой вариант развития событий является экзотикой, все действительно должно сваливаться в самый центр черной дыры. И мы не знаем, что там происходит, т.к. формально многие параметры достигают бесконечных значений, а это означает, что физические законы там перестают работать. Есть проблема: существуют ли вообще черные дыры? Потому что, во-первых, Общая теория относительности, будучи хорошей стандартной теорией гравитации, заведомо не полна. Она хороша в определенной области применимости, и там у нее серьезных конкурентов нет, но развивать теорию гравитации необходимо, и, видимо, нам нужна теория, куда эта Общая теория относительности войдет как часть. Будут ли существовать
черные дыры в такой расширенной теории — вопрос. Во-вторых, черные дыры очень трудно открыть. Она дыра, и она черная — собственно, что там можно увидеть? Единственный сразу приходящий в голову способ — это излучение Хокинга*. Черные дыры должны понемногу испаряться. Но это процесс очень медленный. Обычно его иллюстрируют таким образом. В вакууме постоянно рождаются пары частиц. Вы как бы на короткое время берете взаймы энергию, рождаете пару частиц, а потом они аннигилируют**. Ну, представьте такую полукриминальную ситуацию: вы работаете в банке и периодически берете деньги из кассы, а на следующий день возвращаете. А теперь представьте, что у вас есть рядом черная дыра. То есть, например, случился какойто кризис: вы взяли деньги, а вернуть уже ничего не можете, у вас остался долг, и значит, банк немножко испарился — для внешнего наблюдателя это выглядит как испарение банка. Если есть черная дыра, рядом возникла пара частиц: одна упала в дыру, а другая улетела. Глядя на это с какого-то расстояния, мы просто увидим, что родилась частица и улетела. Единственный источник энергии для того, чтобы получить эту частицу, — это масса черной дыры. Таким образом, для внешнего наблюдателя масса дыры начинает уменьшаться. Казалось бы, надо искать такое испарение черных дыр — вот вам и доказательство их существования! Но здесь проблема такова: в природе есть два основных типа черных дыр. Первый, самый известный — это черные дыры звездных масс, возникающие на финальных стадиях эволюции самых массивных звезд. Живет большая массивная звезда, она пережигает водород в гелий, гелий в углерод, азот, кислород, наконец доходит до элементов группы железа. Дальше горение идти не может, и ядро схлопывается. Если это схлопывание ничем не остановить, образуется черная дыра. Типичная масса такого объекта раз в десять больше солнечной. Это массивная черная дыра, она испаряется очень медленно, вокруг постоянно летает какой-нибудь мусор, реликтовое излучение, и это все попадает в нее, поэтому ее масса все-таки в среднем растет. Второй тип черных дыр — это сверхмассивные объекты в центрах галактик. Есть два основных сценария их образования: или большие облака газа сразу схлопывались в дыры, а потом постепенно росли, поглощая вещество из окружающего пространства; или самые первые звезды в конце своей жизни давали большие, по сто-двести масс Солнца, черные дыры, и они становились зародышами для будущих сверхмассивных объектов. Мы не знаем пока, какой из сценариев верен, но существенно, что дыры испаряются медленно. * Излучение Хокинга — гипотетический процесс испускания элементарных частиц черной дырой. Теоретически предсказан британским ученым Стивеном Хокингом в 1974 году. ** Аннигиляция — реакция превращения частицы и античастицы при их столкновении в какиелибо иные частицы, отличные от исходных. страница 12
@