Коллектив Авторов - Цифровой журнал «Компьютерра» № 35
- Что происходит с телами, попавшими в черную дыру? Можно ли сделать предположение о том, что происходит за горизонтом событий?
Горизонт событий не является, как говорят, истинной особенностью. То есть если протон попадает с «закрытыми глазами» в черную дыру, то он пересечет горизонт событий и не заметит, что с ним что-то произошло. Поэтому когда люди моделируют коллапс звезды, то они легко могут посчитать, как вещество уходит под горизонт. Проблема начинается уже с сингулярностью, то есть с достижением очень экстремальных условий, где уравнения перестают работать. Горизонт с точки зрения падающего тела не представляет собой что-то особенное.
- Это же не проверено экспериментально, откуда вы тогда знаете, что там, в сингулярности, уравнения перестают работать?
Совершенно верно. Какова, действительно, ситуация? У нас есть в качестве стандартной модели Общая теория относительности. Мы знаем, где она работает, более того, мы не знаем, где она не работает в доступной для наблюдения области. Мы можем посчитать, как двигаются тела в этой модели. Если модель стандартная, это означает, что не найдены условия, где она заведомо дает ложный результат. Не найдены именно в природе, в эксперименте, а не в теории. Поэтому мы пользуемся уравнениями этой модели и можем просчитывать разные ситуации. Действительно, с экспериментальной точки зрения мы не знаем, как ведут себя уравнения сразу за горизонтом событий, но есть хорошо подкрепленное мнение, что ничего удивительного там не происходит. Конечно, меняется внешний вид падающего в черную дыру тела, на которое гипотетический наблюдатель смотрит со стороны. Но важно то, что мы знаем, как это посчитать. Если мы продолжаем траекторию движения частиц, упавших в черную дыру, дальше, до самого центра, то так или иначе, они попадают в точку с экстремальными параметрами. По уравнениям тела, попавшие за горизонт событий, должны падать в самый центр, туда, где достигается бесконечная плотность. А как только появляется бесконечность, модель перестает работать, и что происходит в центре, мы не знаем. Существующие модели не адекватны для описания условий в центре черной дыры. Конечно, природа должна каким-то образом избегать бесконечных плотностей, но что происходит, мы не знаем, во многом это связано с тем, что у нас нет наблюдательных данных, и любую теорию приходится именно экстраполировать в эту точку и, естественно, происходит расхождение.
- А есть планы или мечты по экспериментальному изучению?
На мой взгляд, в ближайшем времени — нет. Теоретики надеются, что им удастся построить что-то типа квантовой гравитации, модель которой будет учитывать квантовые эффекты для гравитационных полей, и тогда, может быть, проблема сингулярности исчезнет, и можно будет давать конечные предсказания для таких ситуаций. Но подтверждать расчеты экспериментально, в конечном счете, тоже надо, и мне пока трудно представить, как можно проверить условия сингулярности. Сингулярности без горизонта, видимо, не существует, а изучать что-то под горизонтом запрещают законы природы. То есть мы можем слетать и изучить, но не можем передать информацию обратно, в этом и есть определенные сложности.
- Расскажите, пожалуйста, об излучении Хокинга.
Излучение Хокинга — это очень интересное предсказание, еще говорят об испарении черных дыр, которое происходит за счет этого эффекта. Обычно это иллюстрируют таким образом. Вакуум — это не пустое пространство, у него есть энергия, в нем происходят различные интересные процессы, в нем рождаются пары частиц и античастиц, которые потом аннигилируют и исчезают. Такие недолго живущие частицы называются виртуальными. Свойства вакуума как непустой среды, где постоянно бурлят виртуальные частицы, — это наблюдаемый эффект. А если рождение виртуальных частиц начинает происходить близко от горизонта событий, то одна из частиц пары может исчезнуть под горизонтом, и тогда вторая не сможет с ней проаннигилировать. Получается, что из вакуума как бы рождается новая частица. На самом деле, откуда-то энергию надо брать. Предположим, у этого процесса есть наблюдатель. Издалека ему будет казаться, что от черной дыры к нему летят частицы. Мы знаем, что энергия сохраняется, значит, наблюдатель должен решить, что она возникает из черной дыры. А если черная дыра не заряжена и не вращается, у нее есть один-единственный источник энергии — ее масса. Значит, частицы должны рождаться за счет уменьшения массы черной дыры. Она как бы испаряется, как капля воды, молекулы потихонечку из нее улетают.
- А почему она не пополняется извне?
Конечно, в обычных условиях, она как раз пополняется. Представьте, что не было бы никакого излучения Хокинга. Берем черную дыру, помещаем её в реальное межзвездное пространство, межзвездный газ на нее падает, масса черной дыры растет. Так и должно происходить. Плюс всё-таки есть процесс излучения частиц, который существует просто в силу природы черной дыры. Так вот, важно, что именно в конкретной ситуации превалирует. Если речь идет о черной дыре, которая образовалась из массивной звезды, то оказывается, что излучение Хокинга для неё очень слабо, и её масса растет за счет того, что в чёрную дыру попадает межзвездный газ или ещё что-то. Но чем меньше черная дыра, тем важнее излучение Хокинга относительно захвата частиц. Это можно объяснить так: чем меньше черная дыра (пусть она будет сферическая), тем меньше радиус, тем больше кривизна поверхности. Люди жили тысячи лет на Земле, и не знали, что она круглая, потому что ее размер достаточно большой. Нам кажется, что Земля плоская, а если бы ее радиус был не 6 400 км, а 640 км, люди бы всегда знали, что она круглая, потому что, передвигаясь, убедились бы в этом. Так вот, чем меньше радиус, тем больше кривизна, и именно этот параметр важен для излучения Хокинга. Поэтому маленькие черные дыры испарялись бы очень быстро, но где взять маленькие черные дыры? Сейчас они в природе естественным образом не должны возникать. Из звезд сделать маленькие черные дыры нельзя, астероиды никогда не схлопываются, а чтобы на наших глазах черная дыра испарилась, нужна ее начальная масса, как у астероида.
Есть модели, в которых предсказывается, что на самых ранних этапах жизни Вселенной образовывались маленькие черные дыры, и если это так, сейчас они должны активно испаряться из-за излучения Хокинга. Ученые пытаются найти его, это должно быть гамма-излучение. Пока есть только верхние пределы, хорошие кандидаты в первичные черные дыры, которые сейчас испарялись бы, не найдены. Если они будут обнаружены, это станет самым прямым доказательством, что мы имеем дело именно с черными дырами.
- Как черные дыры были обнаружены? Как их наблюдают?
С одной стороны, о черной дыре можно говорить как о физическом объекте, который обладает определенными внутренними свойствами, с другой стороны, можно рассматривать черную дыру как астрономический объект. Астрономия — наука необычная, это единственная естественная наука, где мы не можем прямо экспериментировать, а можем только наблюдать издалека. Поэтому для астрофизика черная дыра — это объект, который выглядит как черная дыра, что, в общем-то, не одно и то же, ведь могут быть настоящие дорогие швейцарские часы, а может быть их дешевая имитация. Так и астрофизикам бывает трудно отличить одно от другого. Поэтому когда ученые говорят о черных дырах, они имеют в виду массивные компактные объекты, которые демонстрируют определенные наблюдательные свойства, например, видимое отсутствие поверхности и малое излучение. Сейчас самая надежная черная дыра — это та, которая находится в центре нашей галактики.
- Надежная в каком смысле?
В том смысле, что это объект, астрофизические свойства которого наиболее близки к тому, что мы думаем о черных дырах. Что мы имеем? Мы имеем объект с массой примерно три-четыре миллиона солнечных масс (это напрямую измерено) с размером, меньшим, чем несколько астрономических единиц, который излучает очень мало. Если мы подумаем, как мы еще можем сделать объект, который при такой большой массе имеет такой маленький размер, и который ничего не излучает, то окажется, что сделать это крайне сложно. Черная дыра — это консервативная гипотеза. Одна из самых важных характеристик черной дыры, повторюсь, это массивность и компактность. Другим способом, без теории черной дыры, таких характеристик достичь очень сложно. Вы, например, можете сказать, что там сидит объект относительно холодный и не светится, но если вы попробуете сделать железный объект такой массы, то ничего не получится, гравитация победит, он схлопнется, и все равно превратится в черную дыру. Если вы будете делать такой объект из звездного вещества, он будет ярко светить, и, перебирая разные варианты из того, что предлагает нам стандартная модель, черная дыра — это единственное, что нам подходит. Мало того, мы видим, как газ течет на этот объект. Он падает в гравитационное поле, разгоняется, и если бы внизу была поверхность, газ бы при ударе об эту стенку нагрелся, и мы увидели бы излучение, но мы его не видим. То есть он действительно падает как в дыру, отчасти отсюда и название. И действительно очень сложно придумать модель, которая бы описала такое явление без привлечения черной дыры. Поэтому можно сказать, что вот так мы и наблюдаем черные дыры.
