Черные дыры: краткий обзор
10.10.2022 20:46 | С. Б. Попов/ГАИШ, Москва

Что такое черная дыра? Это не такой простой вопрос, как может показаться. Обычно мы думаем, что у ученых для всего есть четкое однозначное определение. Однако оказывается, что не всегда. Черные дыры очень уж трудно определимые объекты. Или даже не объекты? В своей статье [1] Эрик Кьюриэл собрал мнения множества ученых, работающих в разных областях (астрономия, математика, физика) и занимающихся изучением наших героев. Широта диапазона определений поражает! И не удивительно. Кто-то походит к определению с астрофизической точки зрения, отталкиваясь от (хотя бы потенциально) наблюдаемых свойств, кто-то, наоборот исходит из сугубо математического подхода, кто-то основывает определение на Общей теории относительности (ОТО), другие сразу думают о более общих подходах.

Давайте приведем определение из Большой российской энциклопедии [2]: Черные дыры общее название сколлапсировавших объектов, не имеющих материальной поверхности. Их границей является т.н. горизонт событий. Это скорее астрофизическое определение (хотя оно было бы применимо и к дырам, созданным в лаборатории), потому что с точки зрения наблюдений мы ищем, в первую очередь, компактные объекты (большая масса в маленьком для нее объеме), у которых не видно никаких эффектов, связанных с наличием поверхности. Правда, надежно напрямую доказать само наличие горизонта событий крайне сложно.

Черные дыры являются очень популярным объектом исследований. В год появляется более 5000 научных публикаций, посвященных черным дырам. Это и наблюдательные работы, и теоретические. Хотя формально чернодырность кандидатов в черные дыры пока не доказана, нет сомнений, что существует класс объектов, радикально отличающихся от других небесных тел. Можно сказать, что это и есть черные дыры. Просто мы не знаем точно, как они устроены.

Хотя привычные нам черные дыры порождение 20 века, тем не менее, у них есть предшественники в Новом времени. Ранние идеи в рамках ньютоновской физики о существовании крайне массивных или крайне компактных объектов, которые свет не может их покинуть, относятся еще к 18 веку. Их независимо придумали Джон Мичелл в Великобритании и Пьер-Симон Лаплас во Франции. Но, конечно, современный взгляд на природу подобных объектов мог возникнуть лишь с созданием геометрической теории гравитации - Общей теории относительности. Первая работа по этой тема в рамках ОТО принадлежит Карлу Шварцшильду (Германия). Она была написана в 1915 г., сразу после появления ОТО.

В течение нескольких десятилетий о черных дырах хотя и вспоминали, но работ выходило немного. И, разумеется, все они были теоретическими. Всплеск интереса к развитию физики черных дыр произошел в конце 50-х начале 60-х гг. 20 в. после работ Давида Финкельштейна и Мартина Крускала. Стали активно обсуждать возможность астрономического обнаружения черных дыр (например, в двойных системах, где вторым компонентом является обычная звезда).

Термин черная дыра в применении к обсуждаемым нами объектам, по всей видимости впервые использовала Энн Эвинг (Ann Ewing) в 1964 г. Затем, через несколько лет, это словосочетание стало популярным благодаря известному физику Джону Уиллеру. И примерно в начале 70-х гг. термин стал общеупотребительным.

На сегодняшний день прямого наблюдательного подтверждения существования черных дыр нет, однако существует ряд астрономических объектов, чьи свойства наилучшим образом описываются именно с использованием этой гипотезы. Кроме того, основные теории гравитации предсказывают неизбежность формирования черных дыр при определенных реалистичных условиях, возникающих в ряде астрофизических ситуаций (коллапс ядер звезд, коллапс облаков газа, флуктуации плотности в молодой вселенной). В разных моделях гравитации свойства черных дыр могут значительно отличаться (например, в петлевой квантовой гравитации естественным образом удается избавиться от сингулярности). Наиболее распространенным является описание черных дыр в рамках Общей теории относительности. Именно его обычно можно найти в научно-популярных книгах.

Согласно ОТО внутри черной дыры существует т.н. сингулярность. Это истинная особенность, в отличие от горизонта событий, который падающий наблюдатель, проводящий наблюдения в изолированной кабине, просто не заметит, если черная дыра достаточно массивная (т.е., если приливные эффекты малы). Формально кривизна пространства времени и плотность достигают в ней бесконечного значения, что свидетельствует о том, что в настоящий момент мы не можем описать физические условия там. В случае невращающейся черной дыры сингулярность является точкой в центре черной дыры. Все попавшее в черную дыру вещество в конце концов оказывается в сингулярности. Немного упрощая, можно сказать, что в случае вращающихся черных дыр сингулярность имеет структуру бесконечно тонкого кольца, и при некоторых условиях частицы могут избежать попадания в нее. Важно подчеркнуть, что реальные черные дыры всегда обладают вращением.

В рамках ОТО черная дыра описывается тремя параметрами: массой, моментом импульса и электрическим зарядом. Как правило, в реальных ситуациях зарядом черной дыры можно пренебречь, поскольку даже в случае возникновения заряженной черной дыры приток частиц с зарядом противоположного знака быстро сделает макроскопический объект электрически нейтральным. Размер черной дыры прямо пропорционален массе. При массе, равной 10 солнечным, радиус невращающейся незаряженной черной дыры составляет около 30 км.

В природе основными механизмами формирования черных дыр являются астрофизические. Во-первых, это коллапс ядер массивных звезд на финальной стадии эволюции. В результате формируются черные дыры с массами от нескольких до нескольких десятков масс Солнца. Во-вторых, это коллапс облаков газа на ранней стадии формирования галактик, приводящий к появлению черных дыр с массами от нескольких тысяч солнечных. В дальнейшем они в основном становятся сверхмассивными черными дырами в ядрах галактик. Наконец, существует гипотетический механизм формирования т.н. первичных черных дыр в ранней вселенной (примерно в течение первой секунды) за счет флуктуаций плотности в масштабах порядка текущего размера горизонта.

Наблюдения черных дыр связаны с проявлениями материи вне этих объектов. В первую очередь, речь идет об аккреции на черные дыры, т.е. о течение гравитационно-захваченного вещества в черную дыру. Кроме того, есть кандидаты в события гравитационного микролинзирования на одиночных черных дырах звездных масс. Совершенно особое место занимает регистрация гравитационно-волновых всплесков при слияниях черных дыр. В данном случае наблюдаются гравитационные волны, возникающие при сильных возмущениях метрики.

Прямым доказательством существования черных дыр было бы обнаружение финальных стадий хокинговского испарения этих объектов. Такое открытие может стать возможным благодаря регистрации гамма-всплесков на последних секундах жизни черных дыр. Пока же тщательные поиски с помощью космической гамма-обсерватории им. Ферми не привели к обнаружению таких событий. Кроме того, идут поиски избытка античастиц (например, антипротонов), связанного с испарением черных дыр, а также поиски дополнительного фонового гамма-сигнала от испаряющихся черных дыр.

Пока же основная доля астрономической информации о черных дырах связана с аккрецией. На сегодняшний день существует несколько десятков аккрецирующих компактных объектов в тесных двойных системах, наблюдающихся в рентгеновском диапазоне и являющихся очень надежными кандидатами в черные дыры. В первую очередь, это связано с измерениями их масс, превосходящими предел устойчивости для нейтронных звезд [3]. Кроме того, спектральные и прочие характеристики этих источников (например, связанные с флуктуациями потока излучения от них) наилучшим образов описываются в модели черных дыр. Измеренные массы черных дыр звездных масс в основном заключены в пределах от 5 до 15 солнечных.

Известно большое количество кандидатов в сверхмассивные черные дыры. Во-первых, феномен активного ядра галактики (квазары, блазары и др.) получает хорошую интерпретацию лишь в модели с черной дырой. Поэтому формально мы можем считать, что в каждой галактике с активным ядром находится сверхмассивная черная дыра, даже если информация о конкретных параметрах центрального источника довольно скудна. Во-вторых, для некоторых центральных объектов галактик есть надежные измерения масс и ограничения на размеры. Вместе эти характеристики чрезвычайно трудно проинтерпретировать, не прибегая к гипотезе черной дыры (такие альтернативы как часто упоминаемая бозонная звезда имеют значительные недостатки и, по сути, являются еще более экзотическими и маловероятными гипотезами). Например, в центре нашей Галактики находится компактный массивный объект Sgr A* с массой около 4 млн масс Солнце. Он является одним из наиболее изученных кандидатов в черные дыры. Измерения масс сверхмассивных черных дыр дают величины от нескольких тысяч (как правило, в карликовых галактиках) до примерно 20 млрд масс Солнца. Благодаря работе т.н. Телескопа горизонта событий для сверхмассивной черной дыры в центре галактики М87 и для черной дыры в центре нашей Галактики удалось получить изображения окрестностей, непосредственно прилегающих к горизонту (т.н. фотографии черных дыр).

Наконец, регистрация в сентябре 2015 г. гравитационно-волнового сигнала на установках LIGO дала новые аргументы в пользу существования черных дыр. Черные дыры, участвовавшие в первых зарегистрированных слияниях, имеют несколько более высокие массы, чем аккрецирующие объекты в двойных системах до нескольких десятков масс Солнца. На конец 2022 г. на установках LIGO и Virgo зарегистрировано уже под сотню гравитационно-волновых всплесков, подавляющее большинство которых связано с черными дырами. Установки нового поколения (Einstein Telescope, Cosmic explorer), которые должны быть созданы в середине 21 века, дадут возможность изучать непосредственные окрестности горизонта на новом уровне точности.

В ближайшие годы данных по черным дырам, получаемых разными методами, будет все больше и больше. Однако черные дыры будут оставаться формально гипотетическими объектами, возможно вплоть до регистрации финальных стадий хокинговского испарения.

[1] Curiel E., Nature Astronomy, v.3, p.27 (2019). arXiv: 1808.01507
[2] Попов С.Б., Большая российская энциклопедия. https://bigenc.ru/physics/text/4683379
[3] Попов С.Б., Большая российская энциклопедия. https://bigenc.ru/physics/text/2257123

Публикации с ключевыми словами: черные дыры Публикации со словами: черные дыры
См. также: Порфирион: самый длинный джет от черной дыры Туманность Тюльпан и черная дыра Лебедь X-1 Черная дыра разрушает звезду: анимация Слияние двух черных дыр: моделирование Галактика, джет и знаменитая черная дыра Аккреционный диск черной дыры: визуализация Аккрецирующая черная дыра с джетом Все публикации на ту же тему >>