Чёрные дыры
Чёрные ды́ры, общее название сколлапсировавших объектов, не имеющих материальной поверхности; их границей является горизонт событий. В рамках ньютоновской физики ранние идеи о существовании столь массивных или столь компактных объектов, что никакие тела и даже частицы света под действием гравитации не могут уйти далеко от их поверхности, были высказаны ещё в 18 в. Дж. Мичеллом и П.-С. Лапласом. Современный взгляд на природу таких объектов возник с созданием общей теории относительности (ОТО). Первые работы по этой теме принадлежат К. Шварцшильду. Всплеск интереса к развитию физики чёрных дыр (конец 1950-х – начало 1960-х гг.) был во многом вызван работами американского учёного Д. Финкельштейна. Термин «чёрная дыра», согласно общепринятому мнению, впервые использовала американская журналистка Э. Юинг в 1964 г. (Ewing. 1964. P. 39); через несколько лет это словосочетание стало популярным благодаря Дж. Уилеру. В начале 1970-х гг. термин стал общеупотребительным.
Прямого наблюдательного подтверждения существования чёрных дыр как объектов с горизонтом событий нет. Однако существует ряд астрономических объектов, свойства которых наилучшим образом объясняются в рамках гипотезы о присутствии в них чёрной дыры. Кроме того, ОТО, а также ряд расширенных и альтернативных теорий гравитации предсказывают неизбежность формирования чёрных дыр при определённых реалистичных условиях. В разных теориях гравитации (например, в теории струн, в петлевой квантовой гравитации) свойства чёрных дыр, в частности их внутреннее строение, могут различаться. Наиболее распространённым является описание чёрных дыр в рамках ОТО.
Согласно ОТО, внутри чёрных дыр существует сингулярность, в которой кривизна пространства-времени и плотность материи формально достигают бесконечного значения. В случае невращающейся чёрной дыры сингулярность является точкой в её центре; попавшее в чёрную дыру вещество оказывается в сингулярности. В случае вращающихся чёрных дыр сингулярность имеет структуру бесконечно тонкого кольца и при некоторых условиях частицы могут избежать попадания в неё. Структура пространства-времени во вращающихся чёрных дырах гораздо более сложная, в частности образуется второй горизонт событий.
В рамках ОТО все свойства чёрной дыры определяются тремя параметрами: массой, моментом импульса и электрическим зарядом. Отсутствие у чёрной дыры других параметров (например, лептонного числа, барионного числа) называют «теоремой об отсутствии волос». В соответствии с этим выделяют следующие основные типы решений уравнений ОТО для чёрных дыр:
решение Шварцшильда (невращающаяся и незаряженная чёрная дыра);
решение Райсснера – Нордстрёма (невращающаяся заряженная чёрная дыра);
решение Керра (вращающаяся незаряженная чёрная дыра);
решение Керра – Ньюмана (вращающаяся заряженная чёрная дыра).
Зарядом чёрных дыр, как правило, можно пренебречь, поскольку даже в случае возникновения заряженной чёрной дыры в реальных астрофизических условиях приток частиц с зарядом противоположного знака достаточно быстро сделает макроскопический объект электрически нейтральным. Испарение лёгких чёрных дыр вследствие излучения Хокинга также очень быстро приводит к их электрической нейтральности. Размер чёрной дыры прямо пропорционален её массе. При массе, равной массе Солнца, радиус невращающейся незаряженной чёрной дыры составляет около 3 км.
Основные механизмы формирования чёрных дыр в природе – астрофизические. Во-первых, это гравитационный коллапс ядер массивных звёзд на конечной стадии звёздной эволюции. В результате формируются чёрные дыры с массами от нескольких единиц до нескольких десятков масс Солнца. Во-вторых, это коллапс облаков газа на ранней стадии формирования галактик, предположительно приводящий к появлению чёрных дыр с массами свыше нескольких тысяч масс Солнца (в некоторых случаях коллапс облака может приводить к стадии короткоживущей сверхмассивной звезды, которая затем коллапсирует в чёрную дыру). В дальнейшем они в основном становятся сверхмассивными чёрными дырами в ядрах галактик. Наконец, существует гипотетический механизм формирования первичных чёрных дыр в ранней Вселенной за счёт флуктуаций плотности или более экзотических механизмов, например вызванных наличием топологических дефектов.
Рис. 1. Аккреция вещества на чёрную дыру со звезды-компаньона в тесной двойной системе в представлении художника. Перетекающее вещество образует вокруг чёрной дыры вращающийся аккреционный диск. Часть этого вещества падает в чёрную дыру, а часть выбрасывается в виде релятивистских или субрелятивистских струй (джетов).Один из способов наблюдения чёрных дыр связан с поведением материи вне этих объектов. В первую очередь речь идёт об аккреции вещества на чёрную дыру (рис. 1). Присутствие неаккрецирующей сверхмассивной чёрной дыры в центре галактики также может быть обнаружено по её гравитационному воздействию на газ, звёзды и другие объекты в непосредственной близости от неё. Кроме того, имеются наблюдательные данные о событиях, которые лучше всего интерпретируются как гравитационное микролинзирование фоновых источников на одиночных чёрных дырах звёздных масс. Особое место занимает регистрация гравитационно-волновых всплесков при слияниях чёрных дыр. В этом случае наблюдаются гравитационные волны, возникающие при сильных возмущениях метрики пространства-времени.
В 1974 г. С. Хокинг разработал теорию, согласно которой чёрная дыра, с учётом квантовых эффектов, должна непрерывно испускать частицы (излучение Хокинга) и за счёт этого терять свою энергию и массу – т. н. испарение чёрной дыры (см. История изучения испарения чёрных дыр). Прямым доказательством существования чёрных дыр стало бы обнаружение финальных (взрывных) стадий хокинговского испарения этих объектов (однако это реализуемо только для первичных чёрных дыр, потому что время испарения чёрных дыр звёздных масс и больше превышает возраст Вселенной). Также ведутся поиски присутствия античастиц, рождающихся при испарении чёрных дыр. В расширенных и альтернативных теориях гравитации теоретически исследуется вопрос об остановке испарения и образовании реликтовых остатков первичных чёрных дыр.
На 2020 г. известны многие десятки аккрецирующих компактных объектов в тесных двойных системах, наблюдаемых в основном в рентгеновском диапазоне, которые являются надёжными кандидатами в чёрные дыры. Это связано в первую очередь с измеренными значениями их масс, которые оказываются превосходящими предел устойчивости для нейтронных звёзд – предел Оппенгеймера – Волкова. Кроме того, спектральные, временны́е и другие характеристики этих источников наилучшим образом описываются в модели чёрной дыры (в частности, не наблюдается никаких следов присутствия поверхности объекта). Измеренные массы чёрных дыр в рентгеновских двойных системах в основном заключены в пределах от 5 до 15 масс Солнца. Такие тела вместе с другими чёрными дырами, образовавшимися в результате гравитационного коллапса звёздных ядер, объединяют в класс чёрных дыр звёздных масс.
Существует большое количество кандидатов в сверхмассивные чёрные дыры. Во-первых, феномен активных ядер галактик (квазары, блазары, сейфертовские галактики и др.) получает наиболее адекватную интерпретацию лишь в модели с чёрными дырами. Поэтому можно считать, что в каждой галактике с активным ядром находится сверхмассивная чёрная дыра. Во-вторых, для некоторых центральных объектов галактик есть надёжные наблюдательные оценки масс и ограничения на размеры. Вместе эти характеристики чрезвычайно трудно интерпретировать, не прибегая к гипотезе о присутствии там сверхмассивной чёрной дыры. Измерения масс сверхмассивных чёрных дыр дают величины от нескольких сотен масс Солнца (как правило, в карликовых галактиках; иногда в таких случаях говорят о чёрных дырах промежуточных масс) до примерно 40 млрд масс Солнца.
Рис. 2. Изображение горячего аккреционного диска вокруг сверхмассивной чёрной дыры массой 6,5 млрд масс Солнца в центре эллиптической галактики M87, полученное по радионаблюдениям с использованием радиоинтерферометра Event Horizon Telescope.Развитие техники для астрономических исследований привело к возможности непосредственно наблюдать явления, происходящие на расстоянии меньше нескольких радиусов чёрной дыры от горизонта событий, что, в частности, даёт возможность проверять предсказания ОТО и других теорий гравитации. С помощью радиоинтерферометра EHT в 2019 г. было получено изображение окрестностей сверхмассивной чёрной дыры в галактике М87 в созвездии Дева (рис. 2). Большие успехи достигнуты в наблюдении окрестностей сверхмассивной чёрной дыры в центре нашей Галактики и изучении движения звёзд в этих окрестностях.
Регистрация гравитационных волн в сентябре 2015 г. с помощью лазерной гравитационно-волновой антенны LIGO дала новый аргумент в пользу существования чёрных дыр, поскольку форма зарегистрированного импульса соответствует ожидаемому от слияния двух чёрных дыр с массами в несколько десятков масс Солнца. На 2020 г. детекторы LIGO и Virgo зарегистрировали уже несколько десятков гравитационных всплесков, связанных со слияниями чёрных дыр в двойных системах звёздных масс. Развитие техники гравитационно-волновых наблюдений позволит в ближайшем будущем проводить высокоточные измерения, связанные с физикой чёрных дыр и проявлением нетривиальных эффектов гравитации.