Горизонт событий¶
Горизонт событий — это воображаемая граница в пространстве-времени вокруг сверхплотного объекта (как правило, чёрной дыры), за которой гравитация настолько сильна, что для выхода из неё потребовалось бы превысить скорость света. Поскольку, согласно общей теории относительности, ничего не может двигаться быстрее света, горизонт событий представляет собой одностороннюю границу: объекты и излучение могут пересечь её внутрь, но не могут вернуться наружу. Термин был введён в научный оборот в 1960-х годах и стал ключевым понятием современной астрофизики и теории гравитации.
¶Происхождение термина
Понятие горизонта событий возникло в ходе развития общей теории относительности Альберта Эйнштейна (1915). Сам термин закрепился в работах физиков Джона Арчибальда Уилера, Роджера Пенроуза и других исследователей в 1960-х годах, когда изучение чёрных дыр перешло от умозрительных моделей к строгому математическому описанию. Уиллер ввёл и само название «чёрная дыра» (1967), а горизонт событий стал естественным следствием решений уравнений Эйнштейна, описывающих сверхплотные объекты.
¶Математическое описание
В общей теории относительности горизонт событий определяется как граница области пространства-времени, из которой сигналы не могут достичь внешнего наблюдателя. Для неподвижной (статической) чёрной дыры решение Шварцшильда (1916) описывает метрику пространства-времени с характерным радиусом:
r_s = 2GM / c²
где G — гравитационная постоянная, M — масса объекта, c — скорость света. Этот радиус называется радиусом Шварцшильда и определяет положение горизонта событий для сферически симметричной неподвижной чёрной дыры. Для объекта массой, равной массе Солнца, радиус Шварцшильда составляет около 3 км; для Земли — около 9 мм.
Для вращающихся чёрных дыр (решение Керра, 1963) картина сложнее: горизонт событий имеет форму, зависящую от угловой скорости вращения, и снаружи него располагается так называемая область Эргосфера, где пространство-время увлекается вращением объекта настолько, что неподвижность относительно звёзд невозможна.
¶Свойства
- Односторонность. Пересечение горизонта событий извне необратимо: наблюдатель, оказавшийся внутри, не может вернуться наружу и не может передать сигнал наружу.
- Отсутствие локальных признаков. Согласно принципу эквивалентности, для свободно падающего наблюдателя горизонт событий не является физически особой поверхностью: локальные измерения вблизи него не выявляют ничего необычного. Это свойство получило название «гипотезы отсутствия космической копии» (космической цензуры) и было сформулировано Роджером Пенроузом.
- Энтропия и температура. В 1970-х годах Стивен Хокинг показал, что горизонт событий обладает энтропией, пропорциональной площади поверхности (формула Бекенштейна — Хокинга), и излучает тепловое излучение с температурой, обратно пропорциональной массе чёрной дыры. Это явление известно как излучение Хокинга.
- Информационный парадокс. Согласно излучению Хокинга, чёрные дыры испаряются, что порождает вопрос о судьбе информации, попавшей за горизонт событий. Проблема остаётся одной из центральных в теоретической физике.
¶Наблюдательные подтверждения
Прямое наблюдение горизонтов событий невозможно, однако их существование косвенно подтверждается рядом наблюдений:
- Рентгеновские двойные системы. В двойных системах, где газ перетекает на компактный объект (чёрную дыру или нейтронную звезду), наблюдается характерное рентгеновское излучение аккреционного диска, свойственное объектам с горизонтом событий.
- **Звёзды на орбитах вокруг Sgr A*.** Наблюдения центра Млечного Пути, за которые в 2020 году Нобелевская премия по физике была присуждена Райнхарду Генцелу и Андреа Гез, показали движение звёзд по орбитам вокруг сверхмассивного объекта массой около 4 миллионов солнечных масс, что соответствует чёрной дыре.
- Проект «Телескоп горизонта событий». В 2019 году была получена первая фотография тени сверхмассивной чёрной дыры M87 в галактике M87, а в 2022 году — изображение чёрной дыры в центре Млечного Пути Sgr A. На снимках видна тень горизонта событий, окружённая светящимся кольцом из нагретого газа.
¶Роль в теоретической физике
Горизонт событий играет центральную роль в современных направлениях теоретической физики. В рамках гипотезы космической цензуры предполагается, что горизонт событий всегда скрывает сингулярность от внешнего наблюдателя. В квантовой гравитации горизонт событий рассматривается как объект, связанный с принципом голографии — идеей о том, что вся информация внутри объёма может быть закодирована на его границе. Проблема информационного парадокса, связанная с горизонтами событий, остаётся предметом активных дискуссий между сторонниками различных подходов к квантовой гравитации.
¶Примечания
Радиус горизонта событий чёрной дыры в тысячи раз меньше орбиты Меркурия вокруг Солнца, поэтому горизонт событий в пределах Солнечной системы не существует — ни одно известное тело не обладает достаточной плотностью. Оценки показывают, что для образования чёрной дыры радиусом в 1 км необходимо сжать вещество массой в несколько солнечных масс.
Источники:
- Шварцшильд К. «Über das Gravitationsfeld eines Massenpunktes nach der Einsteinschen Theorie» (1916)
- Уиллер Дж. «Geons» (1955); «Our Universe: The Known and the Unknown» (1962)
- Пенроуз Р. «Gravitational Collapse and Space-Time Singularities» (1965)
- Хокинг С. «Black hole explosions?» (1974); «Particle Creation by Black Holes» (1975)
- Керр Р. «Gravitational Field of a Spinning Mass» (1963)
- Миснер К., Торн К., Уиллер Дж. «Gravitation» (1973)
- Collaboration EHT. «First M87 Event Horizon Telescope Results» (2019); «First Sagittarius A* Event Horizon Telescope Results» (2022)