«Можно пройти через границу горизонта событий и не заметить этого»

«Можно пройти через границу горизонта событий и не заметить этого»

https://t.me/publicfree

https://t.me/publicfree

Астрофизик Сергей Попов – о том, почему черные дыры танцуют и насколько вероятно их появление рядом с Землей

Наука и технологии не стоят на месте. Проходит пара лет – и та или иная сфера жизни радикально меняется. В рубрике Update мы просим экспертов помочь нам поспевать за изменениями. Republic поговорил с астрофизиком, популяризатором науки и ведущим научным сотрудником Государственного астрономического института имени П.К. Штернберга Сергеем Поповым о черных дырах: почему они становятся белыми и зачем танцуют друг с другом.

– В последнее время часто появляются новости о черных дырах. Оказалось, что они могут многократно сливатьсязажигать мертвые звезды и даже танцевать. Есть ли какой-то существенный прогресс в их изучении за последние несколько лет?

– Если говорить о физике черных дыр, то за последние годы существенного прогресса не было. Мы пока недостаточно хорошо понимаем свойства гравитации в квантовых масштабах. Хотя ученые, изучающие свойства квантовой физики с учетом гравитационных полей, безусловно, получали новые интересные решения в рамках тех или иных теорий. Но поскольку у нас пока нет возможности выбрать между ними, непонятно, можно ли это называть прогрессом в истинном смысле слова.

С наблюдательной точки зрения самое большое достижение – это гравитационно-волновые сигналы. Гравитационные волны представляют из себя совершенно новый канал в изучении черных дыр. Если все будет хорошо, то в ближайшие пару лет заработает японская установка KAGRAдля их регистрации, которая, во-первых, имеет более высокую чувствительность, чем существующие установки, во-вторых, еще более сдвинута по земному шару, что очень важно для точной локализации. Затем в 20-е годы в Индии заработает установка, аналогичная детекторам LIGO, и вместе они точно принесут нам новую информацию о черных дырах.

Есть надежды на проект «Телескоп горизонта событий». Это коллаборация – большое количество радиотелескопов в разных точках Земли работают на единый результат. В апреле 2017 года они провели большой сет наблюдений черных дыр в центре нашей Галактики, и мы ждем результата. Ожидается, что в районе Нового года они что-то скажут. Самое главное – понять, вообще прозрачно там или нет: вдруг газ или межзвездная среда в центре Галактики мешает нам что-то рассмотреть? Если так, то досадно – вы с большим биноклем смотрите в абсолютный туман. Но велика вероятность, что это не так, и тогда появится еще один канал информации о черных дырах.

– Что сейчас известно об устройстве черных дыр?

– Астрофизические черные дыры – всепоглощающие объекты, не проявляющие свойств поверхности. Они так выглядят потому, что мы смотрим на них издалека. Как они выглядят совсем вблизи, мы пока можем только моделировать. Если мы прыгнем внутрь, узнаем много интересного. Например, что, собственно, происходит на горизонте событий и под ним. Но даже если бы нашлись добровольцы полететь в черную дыру, это все равно вне пределов технической досягаемости.

Как они устроены внутри? Здесь люди основываются исключительно на экстраполяции тех или иных теорий гравитации. И если мы берем стандартную теорию относительности, то там нет ничего интересного: вы падаете в черную дыру, там темно и страшно, хотя ничего страшного и не происходит, пересекаете горизонт событий и, наконец, сталкиваетесь с сингулярностью, где, может быть, что-то интересное, но это уже вне рамок общей теории относительности.

Есть другие теории гравитации. Если это петлевая квантовая гравитация, то вместо сингулярности будет клубок петелек. Были и другие идеи, например, со стеной огня на горизонте. Если мы поверим рецензентам и коллегам, что в этих теориях нет алгебраических ошибок, они, можно сказать, все имеют квазиравные права на существование.

– Вы упомянули горизонт событий. Что это?

– Это такая поверхность ⁠невозврата. Если вы падаете внутрь и у вас есть сколь ⁠угодно мощный двигатель, вы способны ⁠выдерживать сколь угодно большие перегрузки, вы все равно не ⁠сможете попасть обратно. Соответственно, даже ⁠если вы передаете ⁠сигнал с помощью электромагнитных волн или чего бы то ни было еще, он не поступит наружу. Иногда говорят, что горизонт событий – это такая мембрана, проницаемая в одну сторону. При этом на этой границе ничего страшного не происходит. Представьте, что вы пересекаете границу какой-нибудь страны. Вы не знаете, что это граница, просто шли по полю, и вот вы уже в другом государстве, где, оказывается, у вас не работает интернет и сотовая связь, и назад вам уже не выбраться.

– Долгое время считалось, что черные дыры просто пожирают планеты и звезды. Однако недавно появилась теория о том, что они способны и на созидательные действия, например, зажигание угасающей звезды.

– Черные дыры, если мы говорим о том, что происходит вне горизонта, не делают ничего, чего не делали бы другие тела. Их действие имеет исключительно гравитационный характер, просто многие эффекты там гораздо сильнее, заметнее. Если мы представим себе, что никаких черных дыр нет, а есть какая-нибудь удивительная альтернатива – объект с поверхностью, чей размер чрезвычайно близок к ожидаемому размеру горизонта, – и затем просто будем кидать предметы в этот объект, то для наблюдателя, расположенного достаточно далеко от черной дыры, все будет происходить точно так же, как если бы это была черная дыра. Соответственно, если мы бросаем объект, например, кирпич, в черную дыру, то он просто исчезнет для нас – без всплеска, без стука, без звука, безо всего. Может быть слабенький гравитационно-волновой сигнал – и все.

Если мы кидаем, например, звезду, похожую на Солнце, в такую же черную дыру, как в центре нашей Галактики, то на подлете ближняя к черной дыре часть будет притягиваться сильнее, а задняя – слабее, будет возникать прилив. Это красиво называется спагеттификацией. Процесс приводит в конечном счете к разрыву объекта. Чем больше черная дыра, тем, как ни странно, прилив слабее на ее границе, и поэтому черная дыра как в центре нашей Галактики Солнце разорвет, а черная дыра с массой в тысячу разу больше – нет.

Иногда черная дыра может разорвать звезду, но все равно не проглатывает ее целиком. Образуется облако газа, которое закручивается вокруг черной дыры. Часть вещества выбрасывается, а часть образует диск и течет на черную дыру. Вещество в этом диске за счет трения разогревается до высокой температуры. На Земле мы видим яркую вспышку – с 90-х годов, когда заработал хороший рентгеновский обзорный спутник ROSAT, наблюдается достаточно много таких событий, и поэтому мы знаем, как это происходит.

– Что такое танец черных дыр?

– Все довольно просто. Предположим, есть пара черных дыр, которые обращаются вокруг общего центра масс, и из-за испускания гравитационного излучения они потихоньку сближаются. Процесс идет все быстрее и быстрее, и последняя стадия – это фактически падение черных дыр друг на друга со скоростью, близкой к скорости света.

Представим, что мы наблюдаем такое слияние: сидим напротив центра масс двойной системы и видим, как черные дыры постепенно сближаются. Но на последний десяток оборотов мы отвернулись или ушли попить чай. Когда мы возвращаемся, то ожидаем увидеть одну большую черную дыру в центре масс, но ее нет. Мы смотрим по сторонам, и оказывается, что она улетела.

Все дело в гравитационных волнах, которые несимметрично уносили импульс, в результате чего вся система постепенно разгонялась. Быстрее всего это происходило на последних стадиях слияния, и получившаяся черная дыра приобрела большую скорость.

Также черные дыры могут двигаться из-за того, что вокруг них возникает аккреционный диск и появляются струнные истечения – джеты. Если сделать их несимметричными, это будет работать как пара реактивных двигателей, один из которых сильнее. И, соответственно, все вместе с черной дырой потихонечку будет подползать в другую сторону, но, кажется, это должен быть менее эффективный способ разгона, чем танец.

– Существуют ли белые дыры?

– Гипотеза белых дыр появилась несколько десятилетий назад в результате теоретических исследований анализа уравнений общей теории относительности. Есть несколько вариантов их появления. Один из сценариев реализуется в квантовой гравитации, где внутри черной дыры нет сингулярности, а есть клубок квантовых петель. При испарении черной дыры размер горизонта может дойти до этого клубка, и тогда происходит превращение черной дыры в белую.

Почему объект назвали белой дырой. Здесь все строится на антонимах. Белое – это антоним черного. Черная дыра – это объект, в который вы можете попасть и из которого не можете выбраться, а белая ровно наоборот – объект, из которого вы можете выбраться, но не можете в него попасть. Классических белых дыр пока никто не обнаружил. Конечно, предлагаются интересные теории, где черная дыра – это всегда «вход», и где-то есть «выход» – белая дыра, но с точки зрения нашей Вселенной это странно. Предполагается, что у нас в Галактике должно быть примерно 100 млн черных дыр, но мы не видим ни одной белой. А это был бы заметный объект. И странно иметь 100 млн «входов» и ни одного «выхода». Значит, что-то тут не так. Кажется, белых дыр все-таки не существует.

– Насколько вероятно внезапное появление черной дыры в непосредственной близости от Земли?

– Давайте рассмотрим три класса черных дыр: сверхмассивные, звездных масс и первичные. Cверхмассивные нам не грозят, ближайшая находится на расстоянии около 25 тысяч световых лет в центре Галактики. Зато в Галактике 100 млн черных дыр звездных масс. До ближайшей из них расстояние должно быть порядка сотни световых лет. Это достаточно далеко. Так что тут тоже опасности нет, а если что – мы узнаем о ней заблаговременно из-за влияния черной дыры на движение комет и других тел в Солнечной системе.

И, наконец, третий класс – пока гипотетический – первичные черные дыры. На самом деле мало кто сомневается, что они существуют. Вопрос в количестве. Самые многочисленные из таких черных дыр сейчас имеют массу 10-километрового астероида, а размер – протона, элементарной частицы. И здесь есть два гаранта безопасности. Во-первых, согласно модели Хокинга, черные дыры должны испаряться. Этот процесс важен в первую очередь для легких черных дыр, о которых мы и говорим. Последние стадии испарения происходят очень быстро – это вспышка, взрыв. Астрономы уже полвека ищут вспышки и не могут найти. Это означает, что легких черных дыр очень мало.

Во-вторых, есть долго существующие объекты, возраст которых превышает миллиарды лет. Земля существует 4,5 млрд лет. В Солнечной системе есть много объектов такого же возраста, и все они живы-здоровы. Это означает, что вероятность исчезновения крупных планет в Солнечной системе из-за взаимодействия с маленькой черной дырой как минимум меньше, чем раз за 4,5 млрд лет. Мы можем это распространить на известные объекты Галактики и получим еще более низкую вероятность, так что легких черных дыр действительно должно быть очень мало. Тем не менее вероятность появления такой черной дыры возле Земли не нулевая. Может быть, нам еще повезет.

Никита Соколов

Редактор Republic

https://republic.ru/posts/92159