Чёрная дыра в космосе¶

Чёрная дыра — область пространства-времени, гравитационное поле которой настолько сильно, что из неё не может вырваться ничто, включая электромагнитное излучение. Согласно общей теории относительности (ОТО), это объект с такой кривизной пространства-времени, что образует горизонт событий — воображаемую границу, за которой все пути ведут только к сингулярности. Термин «чёрная дыра» ввёл в оборот физик Джон Уилер в 1967 году, хотя сама идея объектов с предельной гравитацией существовала в науке с XVIII века.

¶История изучения

¶Ранние теории

Первым, кто описал объект, из которого свет не может вырваться, стал английский астроном Джон Мичелл. В 1783 году в письме Генри Кавендишу он предположил, что если плотность звезды достаточно велика и радиус достаточно мал, скорость escape превысит скорость света. Такие «тёмные звёзды» Мичелла оставались чисто теоретической гипотезой: инструментов для их обнаружения не существовало.

В 1915 году Карл Шварцшильд, решив уравнения Эйнштейна для гравитационного поля точечной массы, получил решение, которое позднее стало известно как метрика Шварцшильда. Оно содержало особую точку — радиус Шварцшильда, внутри которого гравитация становится абсолютной. Сначала это решение считали артефактом, но к 1960-м годам физики признали, что сингулярность и горизонт событий — реальные предсказания ОТО.

¶Эпоха квантовой астрофизики

В 1960-х годах открытие квазаров и пульсаров показало, что природа создаёт объекты экстремальной плотности. В 1967 году Джон Уилер на лекции в Нью-Йорке предложил термин «чёрная дыра», который быстро прижился. В 1974 году Стивен Хокинг предсказал, что чёрные дыры испускают излучение за счёт квантовых эффектов у горизонта событий, постепенно испаряясь. Это открытие связало общую теорию относительности, квантовую механику и термодинамику.

¶Устройство и свойства

¶Горизонт событий

Горизонт событий — граница чёрной дыры, за которой ничто не может вернуться наружу. Его радиус для неподвижной чёрной дыры (радиус Шварцшильда) вычисляется по формуле:

R = 2GM/c²

где G — гравитационная постоянная, M — масса объекта, c — скорость света. Для Солнца этот радиус составил бы около 3 км, для Земли — примерно 9 мм. Горизонт событий — не физическая поверхность: наблюдатель, пересекающий его, не заметит ничего особенного в момент прохождения (при условии достаточно большой массы, чтобы приливные силы не разорвали объект).

¶Сингулярность

В центре чёрной дыры, согласно классической ОТО, находится сингулярность — точка бесконечной плотности и кривизны, где известные законы физики перестают работать. Для вращающихся чёрных дыр сингулярность имеет форму кольца. Многие физики считают, что сингулярность — признак неполноты теории, и ожидают, что квантовая гравитация устранит бесконечности.

¶Классификация

Чёрные дыры различаются по массе:

¶Вращение и заряд

По теореме «без волос», снаружи чёрная дыра полностью описывается тремя параметрами: массой, угловым моментом и электрическим зарядом. Все остальные характеристики исходного вещества теряются. Реальные астрофизические чёрные дыры практически незаряжены, но почти всегда вращаются — по наследству от коллапсировавшей звезды.

¶Наблюдения

¶Первые кандидаты

В 1971 году обнаружен рентгеновский источник Cygnus X-1 — кандидат в чёрные дыры в двойной системе. В 1974 году Хокинг и Пенроуз доказали теоремы о сингулярности, обобщив выводы ОТО. К 2000-м годам подтверждённых кандидатов насчитывались десятки.

¶Съёмка горизонта событий

В апреле 2019 года коллаборация Event Horizon Telescope (EHT) опубликовала первое изображение горизонта событий сверхмассивной чёрной дыры M87 в галактике M87, удалённой на 55 млн световых лет. Масса объекта — около 6,5 млрд солнечных масс. В мае 2022 года было показано изображение Sagittarius A — сверхмассивной чёрной дыры в центре Млечного Пути, массой около 4 млн солнечных масс.

¶Гравитационные волны

14 сентября 2015 года детекторы LIGO впервые зарегистрировали гравитационные волны от слияния двух чёрных дыр (событие GW150914). К 2020-м годам каталог наблюдений насчитывал десятки подобных событий, открыв наблюдательную гравитационно-волновую астрономию.

¶Чёрные дыры в центрах галактик

Почти в каждой крупной галактике обнаружена сверхмассивная чёрная дыра. Их масса коррелирует с массой балджа галактики — так называемое M-сигма-отношение. В Млечном Пути Sagittarius A* изучается по орбитам звёзд вокруг неё; за открытие этого объекта Андреа Гез и Райнхард Генцель получили Нобелевскую премию по физике 2020 года.

¶Проблемы и открытые вопросы

• Парадокс информации: по квантовой механике информация не может быть уничтожена, но всё, падающее в чёрную дыру, исчезает за горизонтом. Хокинг предположил, что информация сохраняется в излучении, но полное решение не найдено.
• Квантовая гравитация: для описания сингулярности требуется теория, объединяющая ОТО и квантовую механику.
• Чёрные дыры первичного поколения: гипотетические объекты, возникшие без коллапса звёзд; их существование не подтверждено.

¶Интересные факты

• Время у горизонта событий течёт медленнее — эффект гравитационного замедления времени, подтверждённый экспериментально на Земле.
• При падении в чёрную дыру наблюдатель испытает «спагеттификацию» — растяжение тела приливными силами.
• Теоретически возможно существование «белых дыр» — объектов, из которых вещество только вытекает, но никогда не втекает.

¶Источники

• Шварцшильд К. «О гравитационном поле точки массы» (1916)
• Хокинг С., Пенроуз Р. «Гравитационная сингулярность во Вселенной» (Премия Вольфа, 1988)
• Event Horizon Telescope Collaboration. «First M87 Event Horizon Telescope Results» (2019)
• LIGO/Virgo Collaboration. «Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger» (2016)
• Гриббин Дж. «В поисках чёрных дыр»