черные дыры

Они возникают, когда реальность выдаёт критическую ошибку: слишком много вещества в одном месте силой собственной гравитации портит и само вещество, и место, в котором оно находится.

Обычно гравитация в нашей Вселенной играет роль заботливого старшего брата, который всегда приберёт за младшим разбросанные игрушки. Но в случае с чёрными дырами гравитация превращается в форменного Аль Капоне, который сначала созывает на встречу все фундаментальные законы бытия, а потом устраивает настоящую мясорубку с их участием. Чёрные дыры не только разрушают материю, они разрушают квантовые законы, формирующие эту материю, сжимая её до состояния ничтожной крупицы, пока та перестанет излишне существовать. Словом, чёрные дыры просто игнорируют реальность.
Хотя большинство людей считают их чем-то вроде «санитаров космоса», это бесконечно далекое от реальности представление. Мы собрали факты, которые избавят вас от этого заблуждения.

Это самые яркие объекты в небе
Все знают, что даже свет не может покинуть поверхности чёрной дыры, из-за этого их и воображают чем-то вроде открытого посреди космоса канализационного люка. Между тем «чёрная дыра» – это всего лишь образное название, на самом деле зачастую они являются ярчайшими небесными объектами.
Мы забываем, что кроме горизонта событий, за который свет действительно не может вырваться, есть ещё и вся остальная Вселенная, и что вращающаяся чёрная дыра поглощает материю вокруг, закручивая вещество, словно водоворот.
Когда газовое облако «падает» в чёрную дыру, вещество сжимается давлением, резко уменьшаясь в объёме и нагреваясь от трения. И, подобно метеору в атмосфере, газ вокруг чёрной дыры начинает натурально гореть. Причём, он накаляется даже не добела – он начинает испускать рентгеновское излучение, перерабатывая 10% своей совокупной массы в чистую энергию. Для сравнения термоядерные боеголовки перерабатывают в энергию лишь 5% своей массы. Вы оценили? Бросьте что-то в чёрную дыру, и вы получите в 2 раз больше энергии, чем при термоядерном взрыве.

Они устраивают взрывы галактического размаха
Чёрные дыры создают самое мощное гравитационное ускорение, и они же являются самыми тяжёлыми объектами нашего мироздания. Столкнуть одну с другой равнозначно тому, если бы вы попытались взломать компьютер самого создателя, хотя в нашей галактике такое столкновение уже произошло.
На снимке выше два космических взрыва, разрастающихся пузырями высокоэнергетических частиц. Насколько они большие? Ну, вот эта полоска пыли посередине – наша галактика Млечный Путь, а диаметр каждого из пузырей – 25 000 световых лет. Сейчас они покрывают половину видимого неба, а расширяться начали, по всей видимости, миллионы лет назад. Эти изображения специально сделаны цветными – на самом деле розовым цветом на них отмечено гамма-излучение. Учёные предполагают, что эти пузыри возникли, когда неизвестная карликовая галактика спикировала на Млечный путь, и её центральная чёрная дыра проиграла нашей вчистую, хоть и наделала в нашей галактике дел, словно слон в посудной лавке.

Их миллионы
Ярчайшие чёрные дыры с активным ядром называются квазарами. Они не только самые яркие объекты в своих галактиках – они ярче, чем все остальные звезды в них вместе взятые. Маяки указывают морякам места, от которых лучше держаться подальше, но они же и обозначают ключевые для навигации точки. Так и чёрные дыры являются прекрасными маркерами, позволяющими нам строить карты нашей Вселенной. Принимая чёрные дыры за самых жутких космических монстров, люди полагают их редкостью. И зря: внутри практически каждой галактики существует сверхмассивная чёрная дыра. 2,5 миллиона – вот число активно поглощающих вещество чёрных дыр, обнаруженных инфракрасным телескопом WISE. Они просто-таки окружают нас.

Они постоянно производят антиматерию
Вселенная постоянно порождает пары частица-античастица, которые, возникнув, тут же аннигилируют друг друга, производя выброс гамма-излучения, причём, делают это столь быстро, что принцип неопределенности Гейзенберга даже не успевает подействовать.
Но если эта виртуальная пара частица-античастица достигает горизонта событий, одну из них втягивает в чёрную дыру, а другая становится свободной. Всё это могло бы стать отличным текстом психоделической песни, если бы не было описано одним из умнейших людей на планете – Стивеном Хокингом.
Поскольку то, какая частица «сбегает» из чёрной дыры определяется случайно, так называемое излучение Хокинга предполагает, что за горизонтом событий оказывается смесь частиц-античастиц в пропорции 50 на 50 в непрерывном потоке самоаннигиляции.

Они могут взрываться
Даже чёрным дырам приходиться платить за нарушение всех правил нашей Вселенной – закон сохранения энергии действует и на них. Впрочем, надо оговориться: большим чёрным дырам всё нипочем, излучение Хокинга забирает слишком незначительную часть их массы. Но для небольших дыр это катастрофа – они испускают больше энергии, чем поглощают. И тогда чёрная дыра взрывается. Но не стоит беспокоиться – если дыра настолько мала, чтобы взорваться, то она почти неспособна ничего разрушить при этом.

Они стреляют «лучами смерти»
Чёрные дыры прожорливы как Пэкмен, и если они так же зачистят нашу Вселенную от всего остального, нам только останется надеяться, что творец придумал следующий уровень. Но это и так хорошо известно, а вот что вы едва ли знаете: чёрные дыры могут стрелять высокоэнергетическими лучами межгалактических масштабов.
Когда чёрная дыра поглощает материю, вращающуюся вокруг её экватора, полюса выбрасывают в пространство плазменные струи, называемые джетами, со скоростью близкой к скорости света.

Чёрные дыры – сердца спиральных галактик – не перестают интриговать исследователей. Они обладают такой сильной гравитацией, что даже фотоны – элементарные частицы, которые переносят свет и электромагнитное излучение, – не могут их покинуть.

Поверхность чёрной дыры определяется горизонтом событий: ничто не может покинуть дыру после пересечения этой поверхности. Концепция чёрных дыр будоражит умы физиков-теоретиков уже около 50 лет, но до сих пор многие вопросы о том, как они устроены, остаются неразрешёнными.

В 1973 году Беркенштейн предположил, что чёрные дыры имеют свою «термодинамику», в которой роль температуры и энтропии (степени хаотичности системы, которая должна непрерывно возрастать, согласно второму закону термодинамики) играют гравитация и площадь поверхности. Отсюда следует, что у чёрной дыры должна быть температура, а раз есть температура, то должно быть и излучение, что идёт вразрез с концепцией горизонта событий. Стивен Хокинг нашёл объяснение противоречию, используя квантовую теорию поля, после чего парадоксальное излучение стали называть его именем.

Дело в том, что в физическом вакууме постоянно рождаются и аннигилируют флуктуации различных полей, и в некоторых случаях это означает возникновение пары частица-античастица. Если такая пара появится вблизи горизонта событий, то одна частица может «улететь» к предполагаемому наблюдателю, а другая «проскочить» внутрь дыры за счёт квантового туннелирования (см. рис.1).

Улетевшая частица обладает положительной энергией, следовательно, по закону сохранения энергии вторая частица должна обладать отрицательной энергией. В результате энергия (то есть масса) чёрной дыры должна уменьшиться. Хокинг показал, что спектр излучения частиц первого типа похож на спектр излучения абсолютно чёрного тела (идеализированная физическая модель, которая сопоставляет спектр излучения и температуру объекта, поглощающего весь спектр электромагнитного излучения), и ему должна соответствовать температура, обратно пропорциональная массе дыры. Современные технологии не позволяют измерить излучение Хокинга: чёрные дыры слишком массивны, а значит, излучение слишком слабо.

Физики, как часто бывает в таких случаях, идут в обход и ищут способ смоделировать излучение Хокинга, этакий симулятор чёрной дыры. Уже несколько лет Джефф Штейнхауер из Израильского технологического института – Техниона работает над таким экспериментом в одиночку. Это заслуживает отдельного упоминания, потому что подобный стиль работы – большая редкость в мире современной экспериментальной физики, где над экспериментами обычно трудится целая команда из студентов, аспирантов и более опытных исследователей. Несколько лет назад появились первые результаты работы Штейнхауера, а его новая статья исследует характеристики искусственного излучения Хокинга.

«Земная» версия чёрной дыры представляет собой установку для создания конденсата Бозе-Эйнштейна. В таком агрегатном состоянии могут находиться только бозоны – частицы со спином равным 1, например, фотоны или протоны, а также некоторые атомы.

Бозонам «можно» находится в одном и том же квантовом состоянии, то есть они не подчиняются запрету Ферми. Бозоны конденсируются при температуре, очень близкой к абсолютному нулю (-273.15°C), и квантовые эффекты тут проявляются на макроскопическом уровне. В эксперимент Штейнхауера атомы рубидия собраны в ловушку и охлаждены примерно до 170 нК (см. рис.2). Атомы в конденсате почти неподвижны, поэтому скорость звука в такой среде составляет всего 0.5 мм/с.

Почему мы заговорили о скорости звука? Фононы – частицы, соответствующие звуковым колебаниям (как фотоны соответствуют свету), играют роль флуктуаций в вакууме около горизонта событий чёрной дыры. Акустический эквивалент горизонта событий создан с помощью лазера: он заставляет атомы в ловушке колебаться быстрее, чем скорость звука.

Фононы из той части конденсата, где атомы колеблются со сверхзвуковой скоростью, не могут перейти в «спокойную» часть, потому что не могут обогнать колебания, вызванные лазером в конденсате (см. рис.3). В качестве аналогии можно представить себе реку с подвижной заслонкой, которая гонит воду в одном направлении. Волны, идущие по воде в обратном направлении, не могут «перегнать» общую массу воды. Впрочем, у фононов есть важное отличие: они подчиняются законам квантового мира и могут туннелировать из-за «горизонта событий», тем самым имитируя излучение Хокинга в настоящей чёрной дыре. Получается, что искусственную чёрную дыру можно услышать!

Выяснилось, что созданное таким образом излучение Хокинга подчиняется термодинамическому распределению с температурой около 1 нК. Более того, оказалось, что в высокоэнергетической части спектра фононы по «разные стороны» чёрной дыры запутаны.

Это противоречит современному пониманию горизонта событий, и указывает на то, что полуклассический подход к моделированию чёрной дыры не разрешает парадокса с потерей информации за пределами горизонта событий («испарение» чёрной дыры за счёт излучения Хокинга нарушает постулат о сохранении информации о квантовом состоянии объектов). Полностью новые данные описаны в статьи в Nature и в препринте статьи на сайте arXiv.org.

Сложно сказать однозначно, насколько результаты эксперимента сопоставимы с тем, что происходит вблизи горизонта событий настоящей чёрной дыры. Физики со всего мира всё ещё спорят о верности данного подхода. Также можно поставить под сомнение некоторые технические аспекты эксперимента и выводы, следующие из наблюдений.

Однако нельзя не признать, что исследования искусственных чёрных дыр, подобные тем, которые проводит Джефф Штейнхауер, помогают справиться с противоречиями между разными теориями, описывающими физику чёрных дыр, и позволяют сделать ещё один шаг к непротиворечивому объединению квантовой теории поля и теории гравитации.