Теории о черных дырах: Подтвердилась теория Хокинга об аномальных свойствах черных дыр

Содержание

Новая теория предлагает необычный взгляд на рождение и смерть черных дыр

Черные дыры — космические объекты с настолько сильной гравитацией, что ни материя, ни излучение не могут вырваться из их притяжения. Согласно классической общей теории относительности, вся материя, из которой образовалась черная дыра, в конечном итоге оказывается внутри нее и каким-то образом схлопывается до огромной или даже бесконечной плотности. Эта гипотеза известна как «проблема сингулярности».

В одной из своих основополагающих работ Стивен Хокинг предположил, что черные дыры со временем медленно исчезают — «испаряются». Однако вопрос о том, куда девается все то, что всосала в себя черная дыра, остается открытым. В астрофизике это называется «проблемой потери информации».

Исследователи из Университета Нью-Брансуика в Канаде разработали теорию, которая решает как проблему сингулярности, так и проблему потери информации, а также проливает больше света на то, как материя коллапсирует, образуя черные дыры. Научная статья опубликована в журнале Physical Review Letters, кратко о ней рассказывает Phys.org. Это альтернативный взгляд на формирование и эволюцию черных дыр, отличающийся от тех, что предлагаются классическими теориями.

«Вопрос о судьбе черной дыры и о том, что происходит с материей (или информацией), из которой она образовалась, оставался открытым в течение пятидесяти лет. Мы много знаем о том, как коллапсирующее вещество образует черные дыры согласно общей теории относительности, но вопрос о том, что при этом происходит на квантовом уровне, остается открытой научной проблемой», — говорят авторы работы.

Они использовали теорию петлевой квантовой гравитации. Эта концепция, созданная в попытках «подружить» квантовую механику и общую теорию относительности, предполагает, что пространство и время в нашей Вселенной на самом деле не едины, а разделены — дискретны. Пространство и время в каждый момент и в каждой точке на квантовом уровне представляют собой маленькие «ячейки» или «петельки». Последние сцепляются в различных конфигурациях, формируя все во Вселенной.

Это лишь одна из нескольких главных конкурирующих концепций, стремящихся объяснить фундаментальное устройство Вселенной и создать «теорию всего». Все эти построения теоретической физики основаны на сложнейших математических расчетах и проблема их в том, что экспериментально они пока практически не проверяемы. На данный момент вопрос главным образом в том, сойдется ли у ученых «математика Вселенной» или нет. Те немногие места во Вселенной, где можно было бы проверить разнообразные «теории всего» — это черные дыры.

Итак, авторы новой работы включили дискретность пространства-времени в свои уравнения, описывающие гравитационное схлопывание материи в черной дыре.

«Это уравнение представляет собой модифицированную версию классических уравнений Эйнштейна, которая включает в себя фундаментальную дискретность пространства на микроскопическом уровне», — пояснил главный автор статьи Викар Хусейн.

Метод вычислений, который физики использовали в своем исследовании, был разработан Сергеем Годуновым, известным российским ученым, проводившим теоретические исследования течения жидкостей и образования волн. Авторы новой теории создали компьютерную модель, где материя плавно сжималась в черную дыру. В качестве модели материи они использовали облако пыли.

«Мы следили за эволюцией облака коллапсирующих частиц пыли, пока оно не образовало черную дыру. Метод Годунова позволил нам проследить эволюцию материи даже внутри черной дыры по направлению к точке сингулярности (бесконечной плотности)», — рассказывают ученые.

Согласно новой теории предполагается, что материя падает в центр черной дыры, достигает большой, но конечной (а не бесконечной) плотности, а затем отскакивает назад, образуя ударную волну. Когда эта ударная волна все же выходит из горизонта черной дыры, тот начинает размываться, а сама дыра — «испаряться».

Получилось, что для ударной волны действуют законы квантовой механики и при этом сохраняется искривление пространства-времени из общей теории относительности. Так что эти две фундаментальные концепции теоретически получилось объединить, присоединив к ним еще и теорию Хокинга об «испарении» черных дыр.

Используя принципы расчетов, введенные Годуновым, исследователи также смогли вычислить время жизни черной дыры. Интересно, что рассчитанное ими время жизни черной дыры намного меньше времени испарения, предсказанного Хокингом. Это говорит о том, что их модель может помочь решить проблему потери информации — материя просто вылетает обратно в космос. Но для подтверждения этого потребуются дополнительные вычисления.

Таким образом, согласно новой модели, внутри черных дыр могут образовываться ударные волны. Современные приборы вполне могут фиксировать их отзвуки. Если поискать такие волны, можно было бы проверить правильность новой концепции.

«Если это окажется так, то ударные волны могут стать универсальным признаком смерти черной дыры», — резюмируют исследователи.

Физики РУДН упростили теорию Эйнштейна — Лавлока для черных дыр

Cookie-файлы

Этот сайт использует файлы cookie. Собранная при помощи cookie информация не может идентифицировать вас, однако может помочь нам улучшить работу нашего сайта. Продолжая использовать сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie.

Хорошо

Подробнее

Медиа-центр

Новости

Наука

Физики РУДН упростили теорию Эйнштейна — Лавлока для черных дыр

Наука

24 ноября 2020

При учете квантовых поправок черные дыры описываются теорией Эйнштейна — Лавлока с помощью уравнения, которое содержит бесконечное число слагаемых. Российские физики показали, что геометрия черной дыры такой теории представима в компактной форме и только небольшое число слагаемых достаточно для описания наблюдаемых величин. Это поможет исследователям изучать черные дыры в теориях с квантовыми поправками к уравнениям Эйнштейна.

Общая теория относительности Эйнштейна предсказала, что во Вселенной существуют объекты с настолько высокой плотностью, что они «притягивают» к себе даже свет, — черные дыры. Существует множество математических моделей, которые описывают черные дыры, одна из них — уточнение общей теории относительности путем введения квантовых поправок, теория Эйнштейна — Лавлока. В ней черная дыра описывается с помощью суммы бесконечного числа слагаемых. Исследователи смогли показать, что небольшого числа слагаемых достаточно, чтобы описать наблюдаемые эффекты вблизи черной дыры, — остальные компоненты уравнения вносят ничтожно малый вклад, которым можно пренебречь. Это значительно упростит расчеты и поможет исследователям в изучении черных дыр в теориях с квантовыми поправками.

Теория Эйнштейна предполагает, что тяжелые объекты искривляют пространство-время — четырехмерную конструкцию, которая включает в себя три пространственных измерения и одно временное. Лавлок в 1971 году обобщил эту теорию для любого количества измерений. Уравнение Эйнштейна — Лавлока — это бесконечная сумма: первые два слагаемых — это «обычное» эйнштейновское представление, а каждое последующее — все более детальное уточнение кривизны пространства-времени.

Каждое слагаемое в уравнении Эйнштейна — Лавлока умножается на число — так называемую константу связи. Ученые показали, что, если ограничиваться положительными значениями констант связи, поправки высокой кривизны можно «отсекать». Дело в том, что для каждой константы связи можно выделить критическое значение — если константа его достигает, то черная дыра оказывается нестабильной, то есть не может существовать. Математически такое представление возможно, но физически — не имеет смысла. Чем больше слагаемых, тем меньше становится критическое значение для констант. Таким образом, стабильность черной дыры — то есть возможность ее физического существования — можно использовать в качестве критерия «отсекания» ненужных слагаемых.

«С добавлением каждого слагаемого Лавлока критическое значение констант связи всегда будет уменьшаться. Это важное наблюдение, поскольку оно означает, что для оценки максимально возможной поправки к геометрии черной дыры, вызванной очередным слагаемым Лавлока, можно считать остальные слагаемые ничтожно малыми», — говорит соавтор работы Роман Конопля, научный сотрудник Учебно-научного института гравитации и космологии РУДН.

Физики показали, что основные наблюдаемые величины — например, радиус тени черной дыры — практически не изменяются при включении поправок Лавлока дальше четвертого слагаемого.

Эти данные будет полезны не только для изучения процессов в черных дырах, но и для проверки теоретических предсказаний, связанных с возможными обобщениями теории Эйнштейна.

Работа опубликована в журнале Physics Letters B.

Статья в Indicator.ru

Предыдущая новость

23 ноября 2020

Профессор РУДН Яков Кузяков признан одним из наиболее цитируемых ученых мира

Следующая новость

25 ноября 2020

Международный форум объединил специалистов-ядерщиков в РУДН

Архитектура тканей, организация клеток, продукты биомедицины: в РУДН открылся новый научно-образовательный ресурсный центр

4 октября в РУДН открылся научно-образовательный ресурсный центр (НОРЦ) инновационных технологий иммунофенотипирования, цифрового пространственного профилирования и ультраструктурного анализа (молекулярной морфологии).

Увидели много, узнали — еще больше! Как прошел Фестиваль науки в РУДН

8 октября студенты РУДН и 800 школьников отправились в путешествие по многогранному миру науки университета. 2 холла, 11 аудиторий, коворкинг — Фестиваль науки захлестнул весь главный корпус. Помимо традиционной интерактивной выставки, ученые РУДН провели 26 мероприятий в новом формате: короткие получасовые мастер-классы нон-стоп.

Доцент экономического факультета РУДН награжден Почетной грамотой Министерства промышленности и торговли РФ

Максим Черняев, доцент кафедры национальной экономики экономического факультета РУДН, награжден Почетной грамотой Министерства промышленности и торговли РФ «За активную общественную деятельность и содействие развитию наукоемких технологий и их практическому применению». Грамоту вручил лично заместитель председателя Правительства РФ — министр промышленности и торговли РФ Денис Валентинович Мантуров.

Так что такое черные дыры? Понятный ответ Стивена Хокинга из его последней книги

Фрагменты новых книг

Стивен Хокинг

В издательстве «Бомбора» выходит книга «Короткие ответы на серьезные вопросы» Стивена Хокинга, законченная уже после смерти знаменитого физика. ТАСС публикует отрывок о черных дырах

Стивен Хокинг был если не величайшим физиком наших дней, то наверняка известнейшим. Авторитет британца был настолько велик, что его мнение спрашивали по самым разным темам. Хокинг не отказывал. В «Коротких ответах на серьезные вопросы» собраны размышления ученого о волнительных вещах вроде существования бога, опасности искусственного интеллекта, путешествий во времени.

Даже из этого неполного списка видно, что многие вопросы выходят далеко за сферу компетенции Хокинга, — ответы получились соответствующие. Также нужно иметь в виду, что книга не специально написана, а составлена из лекций, публичных выступлений, интервью. Физик не успел ее закончить — после смерти «Короткие ответы…» доделывали коллеги и родственники.

Как это часто бывает с людьми в конце жизненного пути, ученый Хокинг рассуждает не столько о научных, сколько об этических проблемах, но с научной точки зрения. Насчет людей и нашего будущего британец был, скорее, оптимистом, пусть не всегда до конца понимал, о чем говорит. В чем он действительно разбирался, так это в черных дырах. В следующем отрывке британец объясняет, как вообще появилась идея об этих поразительных объектах и что они собой представляют.

Описание

Обложка книги «Краткие ответы на серьезные вопросы» Стивена Хокинга

Говорят, что факты порой причудливей вымысла, и нигде это не оправдывается в большей степени, чем в черных дырах. Черные дыры необычнее всех выдумок писателей-фантастов, и при этом их существование — доказанный научный факт.

Первым заговорил о черных дырах ученый из Кембриджа Джон Мичелл в 1783 году. Его идея заключалась в следующем. Если выстрелить частицу, например пушечное ядро, вертикально вверх, сила гравитации будет замедлять ее движение. Постепенно частица перестанет двигаться вверх и начнет падать обратно. Однако если первоначальная вертикальная скорость будет выше определенного критического значения, так называемой скорости убегания, то силы гравитации окажется недостаточно, чтобы остановить частицу, и она улетит. Скорость убегания, или вторая космическая скорость, для Земли составляет свыше 11 километров в секунду, а для Солнца — примерно 617 километров в секунду. И та и другая значительно выше скорости реального пушечного ядра. Но они невысоки по сравнению со скоростью света, которая составляет 300 000 километров в секунду. Таким образом, свет без особого труда может покинуть и Землю, и Солнце. Однако Мичелл отметил, что могут существовать звезды гораздо массивнее Солнца, на которых скорость убегания будет превышать скорость света. Мы не в состоянии их увидеть, потому что свет, испускаемый ими, притягивается обратно благодаря силе гравитации. Мичелл назвал их «темными звездами». Сейчас мы называем их черными дырами.

Чтобы понять их, нужно начать с гравитации. Гравитация описана в общей теории относительности Эйнштейна, которая также является теорией пространства и времени. Поведение пространства и времени определяется рядом уравнений, которые Эйнштейн вывел в 1915 году. С тех пор они так и называются — уравнения Эйнштейна. Хотя гравитация считается самой слабой из известных сил природы, у нее есть два существенных преимущества перед ними. Во-первых, она действует на большом расстоянии. Земля удерживается на орбите вокруг Солнца, до которого 150 миллионов километров. Солнце вращается по орбите вокруг центра Галактики, до которого примерно 25 000 световых лет. Второе преимущество заключается в том, что гравитация всегда положительная, в отличие от электрических сил, которые могут быть как положительными, так и отрицательными. Эти две характеристики означают, что у достаточно крупной звезды гравитационное притяжение между частицами доминирует над всеми остальными силами и приводит к гравитационному коллапсу. Несмотря на эти факты, научное сообщество долго шло к пониманию, что массивные звезды под воздействием собственной гравитации могут обрушиваться внутрь себя, и не могло представить, как будут вести себя возникшие в результате объекты. Альберт Эйнштейн в 1939 году даже опубликовал статью, в которой утверждал, что гравитация не может привести к коллапсу звезды, потому что материя не может сжиматься плотнее определенных величин. Многие ученые соглашались с интуитивной догадкой Эйнштейна. Главным исключением стал американский ученый Джон Уилер, которого во многом можно считать главным героем истории о черных дырах. В работах 1950–1960-х годов он доказывал, что многие звезды должны со временем переживать коллапс, и исследовал проблемы, которые в связи с этим могут возникнуть для теоретической физики. Он также предсказал многие свойства объектов, в которые превращаются звезды после гравитационного коллапса, то есть черных дыр.

На протяжении основной части жизни обычной звезды, длящейся много миллиардов лет, она противостоит собственной гравитации за счет теплового давления, создаваемого термоядерным процессом, в ходе которого водород превращается в гелий. Но постепенно ядерное топливо звезды заканчивается. Звезда начинает сжиматься. В некоторых случаях она может сохраниться как белый карлик — плотные остатки звездного ядра. Однако в 1930 году Субраманьян Чандрасекар доказал, что максимальная масса звезды — белого карлика не может более чем в 1,4 раза превышать массу Солнца. Аналогичную предельную массу рассчитал советский физик Лев Ландау для нейтронной звезды.

На эту тему

Как же складывается судьба бесконечного количества звезд с массой, превышающей предельную массу белого карлика или нейтронной звезды, у которых заканчивается ядерное горючее? Проблему изучал Роберт Оппенгеймер, которого часто называют «отцом атомной бомбы». В паре статей 1939 года, написанных в соавторстве со своими учениками Джорджем Волковым и Хартлендом Снайдером, Оппенгеймер показал, что такие звезды не в состоянии сохранять необходимое давление. А при отсутствии давления однородная сферически-симметричная звезда должна сжаться до точки, обладающей бесконечной плотностью. Такая точка называется сингулярностью. Все наши теории пространства опираются на предположение, что пространство-время ровное и практически плоское, поэтому в точке сингулярности, где искривление становится бесконечным, оно прерывается. То есть сингулярность — это конец пространства и времени. Это вызывало сильные возражения у Эйнштейна.

Затем вмешалась Вторая мировая война. Большинство ученых, включая Роберта Оппенгеймера, переключили внимание на ядерную физику, и тема гравитационного коллапса оказалась практически заброшена. Интерес к предмету возродился с открытием удаленных объектов, которые назвали квазарами. Первый квазар, получивший номер 3С 273, был обнаружен в 1963 году. Вскоре нашли много других. Они были очень яркими, несмотря на огромную удаленность от Земли. Такое излучение нельзя было объяснить ядерными процессами, поскольку на выделение энергии в них тратится лишь незначительная часть массы покоя. Единственной альтернативой могла считаться гравитационная энергия, испускаемая вследствие гравитационного коллапса.

Таким образом был вторично обнаружен гравитационный коллапс.

Когда подобное происходит, сила гравитации притягивает к объекту всю окружающую материю. Было понятно, что унифицированная сферическая звезда должна сжаться до точки бесконечной плотности, до сингулярности. А что может произойти, если звезда не однородная и не сферическая? Может ли неравномерное распределение звездного вещества стать причиной неоднородного коллапса, тем самым позволив избежать сингулярности? В замечательной статье 1965 года Роджер Пенроуз, опираясь исключительно на тот факт, что гравитация — сила притяжения, показал, что и в таком случае возникает сингулярность.

В сингулярности уравнения Эйнштейна перестают действовать. Это означает, что в точке бесконечной плотности невозможно предсказать будущее. Из этого следует, что при коллапсе звезды должно происходить нечто странное. На нас никак не может повлиять нарушение предсказуемости, если сингулярность не обнажена — то есть не защищена извне. Пенроуз выдвинул принцип космической цензуры: все сингулярности, образованные в результате коллапса звезд или иных объектов, скрыты от наблюдателя внутри черных дыр. Черная дыра — область, где гравитация настолько сильна, что свет не может ее покинуть. Принцип космической цензуры почти наверняка верен, поскольку множественные попытки опровергнуть его успехом не увенчались.

На эту тему

В 1967 году Джон Уилер предложил термин «черная дыра» вместо существовавшего раньше термина «застывшая звезда». Выражение Уилера подчеркивает, что остатки коллапсировавших звезд существуют сами по себе вне зависимости от того, как они формировались. Новый термин быстро прижился.

Извне невозможно понять, что происходит внутри черной дыры. Что бы в нее ни попадало, каким бы образом она ни сформировалась, черная дыра выглядит одинаково. Джон Уилер выразился по этому поводу так: «У черных дыр нет волос».

Черная дыра имеет границу, которая называется горизонтом событий. В этой области сила гравитации достаточно сильна, чтобы удерживать свет и не дать ему покинуть черную дыру. А поскольку ничто не может двигаться быстрее света, то и все остальное тоже постоянно затягивается назад и не может ее покинуть. Падение сквозь горизонт событий можно сравнить с катанием на каноэ у Ниагарского водопада. Если вы достаточно далеко от края, вы можете отплыть от него, если грести очень быстро. Но рядом с обрывом вам уже ничто не поможет. Течение ускоряется. Нос каноэ тянет вперед сильнее, чем корму. Есть опасность, что лодку унесет течением. То же самое с черными дырами. Если вы падаете в черную дыру ногами вперед, гравитация будет действовать сильнее на ноги, чем на голову, потому что ноги ближе к черной дыре. В результате вас будет растягивать в длину и сжимать по бокам. Если черная дыра обладает массой в несколько раз больше солнечной, вы будете разорваны и превращены в спагетти прежде, чем достигнете горизонта. Но если черная дыра обладает массой в миллион раз больше солнечной, то сила гравитации будет действовать равномерно на все тело и вы без проблем достигнете горизонта. Так что если соберетесь исследовать внутренности черной дыр, постарайтесь выбрать объект покрупнее. Например, в центре нашей Галактики есть черная дыра с массой, в четыре миллиона раз превышающей массу Солнца.

Падая в черную дыру, вы ничего не заметите. Стороннему наблюдателю ни за что не удастся увидеть, как ваше тело проходит сквозь горизонт событий. Падение будет замедляться, и тело зависнет снаружи. Только силуэт будет становиться все более размытым, обретать красный цвет, а потом просто исчезнет из виду. С точки зрения внешнего мира, вы исчезнете навсегда.

Теги

Фрагменты новых книг

9 идей о черных дырах, которые поразят вас

С ума сойти

(Изображение предоставлено Shutterstock)

Есть ли во Вселенной что-то более странное, чем черные дыры? Эти причудливые гравитационные чудовища не только искажают пространство и время; просто думая о них, вы напрягаете и искривляете воображение людей. И наряду со всеми ошеломляющими качествами, о которых вы, возможно, слышали — их огромной массой, их невероятно маленьким размером — черные дыры обладают массой еще более диковинных свойств, которые менее известны. Мы рассмотрим некоторые из самых поразительных характеристик и теоретических возможностей этих космических странностей.

Черные дыры могут иметь волосы

(Изображение предоставлено ESO/L. Calçada)

В 1960-х годах физик Джон Уиллер предположил, что у черных дыр «нет волос», что означает, что каждый конкретный космический объект можно отличить только от его собратьев по вращению, моменту количества движения и массе. Любая другая отличительная информация о черной дыре считается «волосом» и считается, что она исчезает за непроницаемым горизонтом событий черной дыры, границей вокруг черной дыры, за которую ничто, включая свет, не может выйти.

Переход к 2016 году, когда знаменитый физик Стивен Хокинг предположил, что черные дыры на самом деле носят роскошную прическу, сделанную из призрачных частиц с нулевой энергией, и что это мохнатое скопление содержит информацию о материале, который поглотила черная дыра. Эта гипотеза не доказана, но может помочь решить давний парадокс о том, что происходит с газом и пылью, попавшими в пасть черной дыры.

Черные дыры производят фонтаны

(Изображение предоставлено NAOJ)

Ничто не может вырваться из мощной гравитационной хватки черной дыры. Но это относится только к материалу, который подобрался очень близко к краю отверстия. Многие черные дыры на самом деле окружены потоками газа и пыли, которые кружатся вокруг дыры, как вода, стекающая по канализации. Трение в этом материале приводит к выделению тепла, которое создает в газе и пыли взбалтывающиеся штормовые структуры. Недавние наблюдения показывают, что это движение также создает дугообразные кольца, окружающие внутренние столбы материи, которые выбрасываются прямо в воздух, сильно напоминая фонтаны.

Черные дыры могут испаряться

(Изображение предоставлено НАСА)

Квантовая механика предоставляет частицам еще один способ покинуть черную дыру. Согласно теории, пары субатомных частиц постоянно появляются и исчезают вокруг горизонта событий черной дыры. Время от времени конфигурация выравнивается таким образом, что один из партнеров падает в черную дыру. Идентичный ассоциат частицы затем уносится прочь с чрезвычайно высокой скоростью, отнимая у черной дыры крошечную долю энергии. Это производит то, что известно как излучение Хокинга, в честь Стивена Хокинга, который открыл это явление. Поскольку энергия равна массе, этот процесс на самом деле может привести к тому, что черная дыра сожмется и, в конечном итоге, испарится в течение длительных периодов времени.

Черные дыры могут быть окружены огненной стеной

(Изображение предоставлено Shutterstock)

Одна из проблем с излучением Хокинга заключается в том, что оно вызывает загадки у физиков. Субатомные частицы, произведенные этим излучением, запутаны, а это означает, что то, что происходит с одним, немедленно ощущается другим. Так что же чувствует партнер, не упавший в черную дыру, когда его партнер вдавливается в бесконечно плотную точку? Никто не знает. Согласно одной из теорий, черная дыра разрывает запутанные частицы, что, согласно законам квантовой механики, должно производить безумное количество энергии. Это, в свою очередь, означало бы, что все черные дыры окружены огненными стенами.

(Изображение предоставлено Shutterstock)

Трудно сопоставить сокрушительную массу черных дыр с законами квантовой механики, согласно которым информацию о частицах невозможно уничтожить. Но материал, который ускользает за пределы черной дыры, должен быть навсегда потерян для Вселенной. Эта загадка известна как информационный парадокс черной дыры; разрешение ускользнуло от ученых до настоящего времени. Недавние исследования показывают, что информация, которая зашифрована внутри черной дыры, может быть передана исходящим частицам-партнерам в излучении Хокинга; однако окончательного ответа на этот парадокс найдено не было.

Черные дыры могут быть темной материей

(Изображение предоставлено: sakkmesterke/Shutterstock.com)

Вскоре после Большого взрыва Вселенная должна была произвести множество крошечных черных дыр. Поскольку эти особенности должны быть массивными объектами, не испускающими света, некоторые физики предположили, что эти первичные черные дыры могут быть причиной темной материи, того загадочного материала, из которого состоит подавляющее большинство материи в космосе. Но эта идея противоречива, учитывая, что данные Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) исключают существование Вселенной, заполненной множеством крохотных черных дыр. Возможно, черные дыры среднего размера все еще могут скрываться там, хотя наблюдения показывают, что они составляют не более 1-10% темной материи.

Материя может путешествовать в будущее в черной дыре

(Изображение предоставлено Shutterstock)

Черные дыры сталкиваются с проблемой бесконечности — масса черной дыры сжимается в бесконечно плотную точку бесконечно малого размера. Физически это не имеет никакого смысла, поэтому исследователи искали альтернативные подходы, чтобы разобраться с черными дырами. Одно предположение известно как квантовая петлевая гравитация, которое предполагает, что ткань пространства-времени очень сильно искривлена вблизи центра черной дыры. Это приведет к тому, что часть дыры уйдет в будущее, а это означает, что материя, втянутая в нее, отправится во времени вперед. Пока эта расширяющая сознание идея остается теоретической.

Ученые могли обнаружить черные дыры из другой вселенной

(Изображение предоставлено ЕКА и коллаборацией Планка)

Одно весьма спорное наблюдение предполагает, что наша Вселенная появилась позже. Более ранние вселенные могли существовать до нашей и содержать черные дыры. Выдающийся физик-математик из Оксфордского университета Роджер Пенроуз утверждал, что космическое фоновое излучение — энергетический реликт Большого взрыва — содержит отпечатки этих черных дыр из прошлого. Другие ученые утверждают, что данные Пенроуза — не более чем случайный шум, но возможность остается интригующей.

Скоро мы получим изображение черной дыры

(Изображение предоставлено НАСА, ЕКА и Д. Коу, Дж. Андерсон и Р. ван дер Марел (STScI)) намерены опубликовать первое в истории изображение черной дыры. Этот сверхмассивный зверь скрывается в самом сердце нашей галактики Млечный Путь; сфотографировать его было целью телескопа горизонта событий.

Этот инструмент на самом деле представляет собой глобальную сеть радиотелескопов по всей Земле, которые объединили свои возможности, чтобы приближаться к галактическому центру ближе, чем когда-либо прежде. Телескоп должен быть в состоянии обнаружить тень черной дыры в ее материальном окружении, и изображения ожидаются 10 апреля.0005

Первоначально опубликовано на Live Science.

Адам Манн — независимый журналист с более чем десятилетним стажем, специализирующийся на астрономии и физике. Он имеет степень бакалавра астрофизики Калифорнийского университета в Беркли. Его работы публиковались в New Yorker, New York Times, National Geographic, Wall Street Journal, Wired, Nature, Science и многих других изданиях. Он живет в Окленде, штат Калифорния, где любит кататься на велосипеде.

Куда ведут черные дыры?

Куда ведут черные дыры? (Изображение предоставлено журналом All About Space)

Итак, вы вот-вот прыгнете в черную дыру. Что может вас ждать, если вы, несмотря ни на что, каким-то образом выживете? Где бы вы оказались и какими дразнящими историями вы бы смогли насладиться, если бы вам удалось вернуться обратно?

Простой ответ на все эти вопросы, как объясняет профессор Ричард Мэсси, звучит так: «Кто знает?» Как научный сотрудник Королевского общества в Институте вычислительной космологии Даремского университета, Мэсси полностью осознает, что тайны черных дыр очень глубоки.

«Падение за горизонт событий — это буквально выход за пределы завесы — как только кто-то упадет за него, никто не сможет отправить сообщение в ответ», — сказал он. «Они были бы разорваны на куски огромной гравитацией, так что я сомневаюсь, что кто-то, кто провалился бы, смог бы куда-нибудь добраться».

Связанный: Викторина о черной дыре: насколько хорошо вы знаете самые странные творения природы?

Если это звучит как разочаровывающий — и болезненный — ответ, то этого следовало ожидать. С тех пор, как считалось, что общая теория относительности Альберта Эйнштейна предсказала черные дыры, связав пространство-время с действием гравитации, было известно, что черные дыры возникают в результате смерти массивной звезды, оставляющей после себя небольшой плотный остаток ядра. Если предположить, что масса этого ядра более чем в три раза превышает массу Солнца, гравитация превзойдет его до такой степени, что оно упадет само на себя в единую точку или сингулярность, понимаемую как бесконечно плотное ядро черной дыры.

Образовавшаяся в результате непригодная для жизни черная дыра будет иметь такое сильное гравитационное притяжение, что даже свет не сможет избежать ее. Итак, если вы окажетесь на горизонте событий — точке, в которой свет и материя могут проходить только внутрь, как предложил немецкий астроном Карл Шварцшильд, — спасения нет. По словам Мэсси, приливные силы разрежут ваше тело на нити атомов (или «спагеттификация», как это также известно), и объект в конечном итоге окажется раздавленным в сингулярности. Идея о том, что вы можете выскочить где-нибудь — возможно, на другой стороне — кажется совершенно фантастической.

А червоточины?

Черные дыры — это странные области, где гравитация достаточно сильна, чтобы искривлять свет, искривлять пространство и искажать время. (Изображение предоставлено Карлом Тейтом, автором SPACE.com)

На протяжении многих лет ученые изучали возможность того, что черные дыры могут быть червоточинами для других галактик. Они могут быть даже, как предполагают некоторые, путем в другую вселенную.

Такая идея витала в воздухе в течение некоторого времени: Эйнштейн объединился с Натаном Розеном, чтобы теоретизировать мосты, соединяющие две разные точки пространства-времени в 1935. Но в 1980-х годах она получила новое развитие, когда физик Кип Торн — один из ведущих мировых экспертов по астрофизическим последствиям общей теории относительности Эйнштейна — поднял дискуссию о том, могут ли объекты физически проходить сквозь них.

«Прочитав популярную книгу Кипа Торна о червоточинах, я в детстве увлекся физикой, — сказал Мэсси. Но маловероятно, что червоточины существуют.

Действительно, Торн, давший экспертный совет съемочной группе голливудского фильма «Интерстеллар», писал: «Мы не видим в нашей Вселенной объектов, которые могли бы превратиться в червоточины с возрастом» в своей книге «Наука межзвездного» (The Science of Interstellar). В. В. Нортон и компания, 2014 г.). Торн сказал Space. com, что путешествия через эти теоретические туннели, скорее всего, останутся научной фантастикой, и, конечно же, нет убедительных доказательств того, что черная дыра может позволить такой проход.

Похожие: Самые странные черные дыры во Вселенной

Но проблема в том, что мы не можем подойти поближе, чтобы увидеть это своими глазами. Да ведь мы даже не можем сфотографировать что-либо, что происходит внутри черной дыры — если свет не может вырваться из-под их огромной гравитации, то камера ничего не может заснять. В нынешнем виде теория предполагает, что все, что выходит за горизонт событий, просто добавляется к черной дыре, и, более того, поскольку время искажается вблизи этой границы, кажется, что это происходит невероятно медленно, поэтому ответы не будут быстрыми. предстоящий.

«Я думаю, что стандартная версия состоит в том, что они ведут к концу времен», — сказал Дуглас Финкбейнер, профессор астрономии и физики Гарвардского университета. «Наблюдатель издалека не увидит, как его друг-астронавт падает в черную дыру. Они будут становиться все краснее и слабее по мере приближения к горизонту событий [в результате гравитационного красного смещения]. место за пределами «навсегда». Что бы это ни значило».

Художественный концепт червоточины. Если червоточины существуют, они могут вести в другую вселенную. Но нет никаких доказательств того, что червоточины реальны или что черная дыра может действовать как таковая. (Изображение предоставлено Shutterstock)

Возможно, черная дыра ведет к белой дыре

Конечно, если черные дыры ведут в другую часть галактики или в другую вселенную, должно быть что-то напротив них на другой стороне . Могла ли это быть белая дыра — теорию, выдвинутую русским космологом Игорем Новиковым в 1964 году? Новиков предположил, что черная дыра связана с белой дырой, существовавшей в прошлом. В отличие от черной дыры, белая дыра позволит свету и материи уйти, но свет и материя не смогут войти.

Ученые продолжают исследовать потенциальную связь между черными и белыми дырами. В своем исследовании 2014 года, опубликованном в журнале Physical Review D , физики Карло Ровелли и Хэл М. Хаггард заявили, что «существует классическая метрика, удовлетворяющая уравнениям Эйнштейна вне конечной области пространства-времени, где материя коллапсирует в черная дыра, а затем появляется из временной дыры». Другими словами, весь материал, проглоченный черными дырами, может быть выброшен наружу, и черные дыры могут стать белыми дырами, когда умрут.

Истории по теме

Коллапс черной дыры не только не уничтожит информацию, которую она поглощает, но и остановит ее. Вместо этого он испытает квантовый отскок, позволяющий информации ускользнуть. Если это так, то это пролило бы некоторый свет на предложение бывшего космолога и физика-теоретика Кембриджского университета Стивена Хокинга, который в 1970-х исследовал возможность того, что черные дыры испускают частицы и излучение — тепловое тепло — в результате квантовых флуктуаций. .

— Хокинг сказал, что черная дыра не вечна, — сказал Финкбейнер. Хокинг подсчитал, что излучение заставит черную дыру терять энергию, сжиматься и исчезать, как описано в его статье 1976 года, опубликованной в Physical Review D. Учитывая его заявления о том, что испускаемое излучение будет случайным и не будет содержать никакой информации. о том, что упало, черная дыра после взрыва сотрет массу информации.

Это означало, что идея Хокинга противоречила квантовой теории, согласно которой информацию невозможно уничтожить. Физики утверждают, что информацию становится труднее найти, потому что, если она потеряется, становится невозможно узнать прошлое или будущее. Идея Хокинга привела к «информационному парадоксу черной дыры», который долгое время озадачивал ученых. Некоторые говорят, что Хокинг просто ошибался, а сам человек даже заявил, что допустил ошибку во время научной конференции в Дублине в 2004 г.

Итак, вернемся ли мы к концепции черных дыр, испускающих сохраненную информацию и выбрасывающих ее обратно через белую дыру? Может быть. В своем исследовании 2013 года, опубликованном в Physical Review Letters , Хорхе Пуллин из Университета штата Луизиана и Родольфо Гамбини из Университета Республики в Монтевидео, Уругвай, применили петлевую квантовую гравитацию к черной дыре и обнаружили, что гравитация увеличивается в направлении ядро, но уменьшало и отбрасывало все, что входило в другую область вселенной. Результаты придали дополнительную достоверность идее о том, что черные дыры служат порталами. В этом исследовании сингулярности не существует, и поэтому она не образует непреодолимого барьера, который в конечном итоге сокрушает все, что встречает на своем пути. Это также означает, что информация не исчезает.

Возможно, черные дыры никуда не делись

Тем не менее, физики Ахмед Альмхейри, Дональд Марольф, Джозеф Полчински и Джеймс Салли все еще верили, что Хокинг что-то уловил. Они работали над теорией, которая стала известна как брандмауэр AMPS или гипотеза брандмауэра черной дыры. По их расчетам, квантовая механика могла реально превратить горизонт событий в гигантскую огненную стену, и все, что соприкоснется с ней, сгорит в одно мгновение. В этом смысле черные дыры никуда не ведут, потому что ничто не может проникнуть внутрь.

Однако это противоречит общей теории относительности Эйнштейна. Кто-то, пересекающий горизонт событий, на самом деле не должен испытывать больших трудностей, потому что объект будет находиться в свободном падении и, исходя из принципа эквивалентности, этот объект — или человек — не будет испытывать экстремальных эффектов гравитации. Это могло бы следовать законам физики, присутствующим в других частях Вселенной, но даже если бы это не противоречило принципу Эйнштейна, это подорвало бы квантовую теорию поля или предположило бы, что информация может быть потеряна.

Представление художника о приливном разрушении, которое происходит, когда звезда проходит слишком близко к сверхмассивной черной дыре. (Изображение предоставлено журналом All About Space)

Черная дыра неопределенности

Шаг вперед Хокинг еще раз. В 2014 году он опубликовал исследование , в котором отказался от существования горизонта событий — то есть там нечему гореть — заявив, что вместо этого гравитационный коллапс создаст «видимый горизонт».

Этот горизонт будет приостанавливать лучи света, пытающиеся удалиться от ядра черной дыры, и будет существовать в течение «периода времени». В его переосмыслении кажущиеся горизонты временно сохраняют материю и энергию, прежде чем растворяться и высвобождаться позже. Это объяснение лучше всего согласуется с квантовой теорией, согласно которой информация не может быть уничтожена, и, если оно когда-либо будет доказано, предполагает, что из черной дыры может вырваться что угодно.

Хокинг дошел до того, что сказал, что черные дыры могут даже не существовать. «Черные дыры следует переопределить как метастабильные связанные состояния гравитационного поля», — писал он. Не было бы никакой сингулярности, и хотя видимое поле двигалось бы внутрь из-за гравитации, оно никогда не достигало бы центра и не объединялось бы в плотной массе.

(Изображение предоставлено: Karl Tate, SPACE.com Contributor)

(открывается в новой вкладке)

И все же все, что излучается, не будет в форме проглоченной информации. Было бы невозможно понять, что вошло, глядя на то, что выходит, что само по себе вызывает проблемы — не в последнюю очередь, скажем, для человека, оказавшегося в таком тревожном положении. Они больше никогда не будут чувствовать себя так, как прежде!

Одно можно сказать наверняка: эта загадка еще долго будет занимать много научных часов. Ровелли и Франческа Видотто недавно предположили, что компонент темной материи может быть образован остатками испарившихся черных дыр, а статья Хокинга о черных дырах и «мягких волосах» была выпущена в 2018 году и описывает, как нулевая энергия частицы остаются вокруг точки невозврата, горизонта событий — идея, которая предполагает, что информация не теряется, а захватывается.

Это противоречит теореме об отсутствии волос, сформулированной физиком Джоном Арчибальдом Уилером и основанной на том, что две черные дыры будут неразличимы для наблюдателя, потому что ни один из специальных псевдозарядов физики элементарных частиц не сохранится. Это идея, которая заставила ученых говорить, но есть некоторый путь, прежде чем она станет ответом на вопрос, куда ведут черные дыры. Если бы мы только могли найти способ прыгнуть в один из них.

Дополнительные ресурсы

Вы можете узнать больше о черных дырах из подробной статьи НАСА и узнать, как было получено первое изображение черной дыры. Если вы ищете контент для детей, у ESA есть несколько отличных ресурсов (открывается в новой вкладке) для обучения малышей всему, что касается черных дыр и Вселенной.

Библиография

За пределами Эйнштейна: от Большого взрыва до черных дыр (открывается в новой вкладке)
Червоточины: типы и создание (открывается в новой вкладке)

(Изображение предоставлено журналом All About Space)

(открывается в новой вкладке)

Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: community@space. com.

Дэвид Крукс (David Crookes) — британский журналист, работающий в области науки и технологий, профессионально пишет уже более двух десятилетий. Получив образование в Университете Дарема в Англии, он писал статьи для десятков газет, журналов и веб-сайтов, включая The Independent, The i Paper, London Evening Standard, BBC Earth, How It Works и LiveScience. С 2014 года он регулярно публикуется в дочернем издании Space.com, журнале All About Space.0005