Александр Гордон - Диалоги (март 2003 г.)
Одним, скажем, из утверждений, было утверждение Вилля, что чёрная дыра не имеет волос. Это означает, что когда произошёл гравитационный коллапс, всё ушло под гравитационный радиус. Мы можем видеть только некоторые параметры этого объекта, то есть мы можем видеть его массу, его угловой момент, электрический заряд. И это всё, что от него осталось, независимо от того, что было вначале какой бы сложной ни была звезда, какими бы там параметрами ни обладала, то есть многообразие звёзд гораздо больше, чем многообразие чёрных дыр.
Кстати, впоследствии оказалось, что это вовсе не всегда так, что это зависит от того, какая же материя участвует в этом процессе. Скажем, материя более сложная, чем электромагнитное поле или пыль, например, поля Янга-Милса, которые участвуют в сильных взаимодействиях, уже приводят к совершенно другим закономерностям. Там есть и волосы, и чёрные дыры, но не такие, как здесь. Но стандартная модель, была основана на некоторых утверждениях; их можно просто перечислить: это общие теоремы сингулярности, доказанные Пенроузом, а затем в работах Хокинга и Пенроуза. Была высказана гипотеза о таких сингулярностях, которые, вообще, действительно возникают практически всегда, в любых решениях общей теории относительности, если вещество, которое там предполагается заложенным, удовлетворяет обычным предположениям о положительности энергии и некоторым другим. Тогда, действительно, в таких решениях, независимо от сферической симметрии или какой-то другой симметрии, общей закономерностью являются возникновение сингулярностей. И очень во многих случаях можно доказать ещё и то, что получило название принципа космической цензуры: сингулярность должна быть скрыта под горизонтом событий. Это и есть типичный образ чёрной дыры. А новое было то, что «чёрная дыра» это не какое-то частное решение, вроде решения Швардшильда или решения Керра, обладающее специальной симметрией, а что это общее явление, общее предсказание релятивистской теории гравитации.
Ну, затем были сформулированы более тонкие утверждения, что, скажем, горизонт должен обладать обязательно сферической топологией, что он не может быть, скажем, тором или каким-нибудь кренделем – что, кстати, потом оказалось тоже не совсем верным. Это верно только в том случае, если нет космологической постоянной. При отрицательной космологической постоянной возможны более сложные чёрные дыры, скажем, с топологией сферы с ручками, кренделей всевозможных и так далее.
Или же что поверхность горизонта событий может только возрастать…
А.Ч. При слиянии чёрных дыр.
Д.Г. Да. В любых процессах поверхность горизонта событий возрастает. И это было как бы прообразом термодинамической аналогии, потому что довольно скоро было осознано, что картина чёрной дыры совместна с принципами термодинамики, то есть с тем, что энтропия должна возрастать лишь только в том случае, если, действительно, чёрной дыре нужно приписать энтропию пропорциональную поверхности, площади поверхности горизонта событий. Иначе, если газ падает в чёрную дыру, то поглощается не просто материя, но поглощается и мера хаотичности, то есть энтропия.
И как раз завершением, что ли, этого периода было открытие геометрического характера энтропии чёрной дыры и вообще новая интерпретация понятия энтропия, которую обычно всегда связывали со статистическим усреднением в физике, а здесь это уже некоторая геометрия, которая даёт понятие. А причина такова, что, действительно, энтропия – это потеря информации за счёт усреднения или за счёт горизонта событий.
Ну, вскоре после этого было предсказано уже испарение чёрных дыр. Это уже квантовый этап, о котором мы, может быть, если успеем, поговорим попозже. Но вот такова стандартная модель, которая сложилась где-то к 75-ому году.
А.Г. Это ещё до наблюдательных данных, когда не было обнаружено ни одного объекта, который бы мог бы подходить под эти параметры?
Д.Г. Да. Вот тогда уже очень активно начали астрофизики здесь разворачиваться, и очень быстро появились первые сведения о Лебеде.
А.Ч. Сейчас можно просто резюмировать. К настоящему времени мы имеем свыше ста объектов, свойства которых чрезвычайно похожи на свойства чёрных дыр. Причём все необходимые условия, которые накладываются на наблюдательные проявления чёрных дыр общей теорией относительности, выполняются.
А.Г. Тогда почему вы говорите, что мы имеем объекты, похожие на чёрные дыры, а не чёрные дыры?
А.Ч. Потому что выполняются только необходимые условия. Достаточных критериев отбора чёрных дыр пока нет, потому что, в отличие от нейтронных звёзд, где есть вращение, магнитное поле, феномен пульсара, я об этом чуть позже скажу, у чёрных дыр нет специфических эффектов, которые можно наблюдать, специфичных для самих чёрных дыр. Мы судим о том, что это чёрные дыры по отсутствию пульсара, по отсутствию вспышек, и так далее. А отсутствие какого-либо признака не является достаточным критерием наличия этого объекта. Присутствие признака это доказательство, а отсутствие – это только необходимое условие. Но поскольку объектов уже свыше ста, то можно сказать, что с очень большой вероятностью чёрные дыры открыты, они почти открыты. Тем не менее будущее за специальными экспериментами, в том числе и космическими, которые докажут существование чёрных дыр, потому что они позволят наблюдать эффекты специфичные для чёрных дыр, наблюдать с высоким угловым разрешением порядка десять в минус седьмой угловой секунды дуги, так называемый рентгеновский интерферометр космический. В 2010 году он будет запущен.
Итак, значит, как образовать чёрную дыру? Возьмём Землю и будем сжимать её сферическим прессом. Вот когда мы в четыре раза уменьшим радиус Земли, то вторая космическая скорость уже будет не 11 километров в секунду, а 22 километра в секунду у Земли. Если мы ещё будем дальше сжимать Землю и сожмём её до 9 или 8 миллиметров, то вторая космическая скорость будет равно 300 тысяч километров в секунду. Так мы получим чёрную дыру, тогда уже пресс не понадобиться, Земля будет сама сжиматься под горизонт событий, и образуется чёрная дыра с массой, равной массе Земли и гравитационным радиусом 9 миллиметров. Но реально в природе такого пресса, конечно, нет, и роль этого пресса играет гравитация, именно поэтому чёрные дыры образуются при коллапсе ядер массивных звёзд, у которых гравитация достаточно сильна, чтобы сжать вещество в чёрную дыру до необходимой плотности, до размера гравитационного радиуса.
И эволюция звёзд происходит таким образом, что звёзды с массой меньше полутора масс Солнца… Я имею в виду не всю звезду, а центральную часть звезды, которая проэволюционировала, которая уже имеет химическую неоднородность, потому что внешняя оболочка звезды (до 50 процентов массы) может быть потеряна под давлением излучения в виде звёздного ветра. В двойной система из-за приливных эффектов оболочка может быть потеряна. А вот ядро звезды, которая проэволюционировала, которая имеет анамальный химсостав уже, образует нам остаток от звезды, и если масса этого ядра меньше, чем одна и четыре десятых массы Солнца, то образуется белый карлик. Белый карлик – это звезда радиусом порядка радиуса Земли в 10 тысяч километров, с массой порядка массы Солнца и плотностью порядка тонна в кубическом сантиметре, то есть напёрсток вещества белого карлика весит тонну. Таких белых карликов очень много, примерно десять миллиардов штук в нашей галактике, которая сто миллиардов звёзд содержит вот десять миллиардов из них белые карлики. Если же масса ядра звезды в конце эволюции больше, чем одна и четыре десятых массы Солнца, но меньше трех массы Солнца, то уже в результате сжатия этого ядра образуется нейтронная звезда. Нейтронная звезда это такой объект, который удерживается от сжатия давлением так называемого вырожденного нейтронного вещества. Нейтроны обладают полуцелым спином, и согласно принципу Паули, в одном энергетическом состоянии может находиться один нейтрон. Из-за этого статистика распределения нейтронов по энергиям описывается уже уравнением Ферми-Дирака. Это вырожденное вещество, давление зависит только от плотности, не зависит от температуры, и нейтронная звезда удерживается от сжатия давлением вырожденного нейтронного вещества.
Д.Г. Такие огромные объекты, как белые карлики и чёрные дыры, на самом деле являются квантовыми по своим свойствам. Это огромные такие квантовые макроскопические объекты.
А.Ч. Белых карликов десять миллиардов в нашей галактике, и все они, по сути, квантовый эффект, то есть это доказательство квантовой механики. Нейтронных звёзд примерно десять миллионов в нашей галактике, ну, сто миллионов будем считать, десять в восьмой, и тоже каждая из нейтронных звёзд – это есть торжество квантовой механики. И вот если масса центрального ядра звезды больше, чем три массы Солнца, то гравитационное поле будет таким сильным, как в примере с прессом для Земли, что гравитационное поле может сжать вещество звезды до таких плотностей, до таких маленьких размеров, что образуется чёрная дыра. Чёрные дыры должны иметь массу больше трех масс Солнца, если они происходят естественным образом в результате окончания эволюции звезды. Но нижний предел массы чёрной дыры может достигать даже примерно одной и восемь десятых массы Солнца; это зависит от так называемого уравнения состояния вещества нейтронной звезды, то есть связи между давлением и плотностью. Но максимальная масса нейтронной звезды, соответствующая предельно жёсткому уравнению состояния, это три массы Солнца.
