Гальцов Дмитрий Владимирович – доктор физико-математических наук, профессор МГУ им. М.В.Ломоносова
Александр Гордон: С чего мы начнем разговор о черных дырах? Я полагаю, начать стоит с того, что прежде, чем это стало фактом наблюдаемом, это был теоретический факт, то есть это было предсказано. Вот если можно поподробнее, что это за предсказание такое?
Дмитрий Гальцов: Самое поразительное, что предсказание было сделано очень давно. Считается, что первой работой, в которой действительно был предсказан объект, похожий на черные дыры, была работа Митчелла 1784 года. Собственно, что там было сделано?
Митчелл обратил внимание на то, что если существует достаточно массивный и компактный объект небольшого радиуса, то его гравитационное поле будет столь большим, что для любого тела для того, чтобы оторваться, преодолев силу притяжения, для этого нужно приобрести, нужно иметь скорость, называемой второй космической скоростью. И с уменьшением радиуса при постоянной массе эта скорость увеличивается, и в какой-то момент она может достигнуть скорости света. Ну, а если радиус еще меньше, то тогда уже свет не сможет оторваться, и таким образом, такое тело было бы невидимым. Вот это, собственно, он описал. Еще поразительно то, что в той же работе было указано и как такие объекты можно в принципе наблюдать, если они невидимы.
Идея была простая, что если есть второй объект, который в паре с этим находится и будет вокруг него вращаться и наблюдаться, то таким образом можно будет увидеть такую ненаблюдаемую звезду. Слово "черная дыра" тогда еще не существовала.
А. Г. А как он их называл?
Д. Г. Просто "невидимая звезда".
Анатолий Черепащук: "Темная звезда".
Д. Г. Да, "темная звезда". Конечно, с современной точки зрения, в этом рассуждении есть даже не одна, а две ошибки. Первая ошибка это то, что он использовал в вычислениях представление о световых квантах как частицах с массой и в формуле для энергии использовал mv квадрат пополам. Теперь мы знаем, что фотоны имеют скорость света всегда, а масса их равна нулю. То есть вместо массы в формулу для энергии взаимодействия этой частицы с тяжелым телом входит энергия, деленная на скорость света в квадрате, поэтому энергия фотона – это постоянная Планка, умноженная на его частоту. Если сделать такую замену, то мы обнаруживаем, что на самом деле не скорость здесь меняется по мере движения фотона, удаления фотона от звезды, а меняется его частота, происходит красное смещение. Поэтому из таких же соображений можно получить, что фотон, который покидает поверхность звезды, при удалении на большое расстояние будет иметь меньшую частоту, таким образом, он краснеет. Так вот, если считать, что он полностью покраснел до нуля, что называется, и его энергия, таким образом, на бесконечности равна нулю, то мы получим ту же формулу для гравитационного радиуса, которую получил Митчелл. Эту формула для критического значения радиуса сферического тела, при котором фотон не может оторваться, получается точно такая же.
Вторая ошибка состоит в том, что им применялась Ньютоновская теория гравитации. На самом деле, в столь сильных гравитационных полях, как мы знаем из общей теории относительности, нужно уже применять более сложные формулы. Такая более сложная формула была получена Швардшильдом, и тоже при весьма героических обстоятельствах. Буквально спустя два месяца после появления общей теории относительности в 1915 году Швардшильд получает первое решение этой теории для гравитационного поля сферической массы вне этой массы, то есть в пустоте, которая получила название "решение Швардшильда". Это было во время Первой мировой войны; он был на фронте, и через несколько месяцев его не стало. Вот такая история этой работы.
Дополнительно к тому, что в формуле Швардшильда предсказывается гравитационный радиус, немножко изменяется интерпретация, потому что в общей теории относительности не просто фотон испытывает красное смещение при движении в гравитационном поле (поскольку меняется его энергия), но изменяется ход часов. Изменяется по очень похожей формуле, поскольку частота это величина обратная промежутку времени. И если обратиться к общей теории относительности, то тогда получается другое соотношение, выражающее замедление хода часов при приближении к гравитационному радиусу, то есть время для удаленного наблюдателя и время для наблюдателя, находящего в сильном гравитационном поле, течет существенно по-разному. Причем для наблюдателя, который находится вблизи горизонта событий, проходит небольшой промежуток времени, в то время, как удаленный наблюдатель фиксирует большое время. И в пределе это замедление времени становится также бесконечным. Таким образом, не только поверхность звезды, которая приближается к гравитационному радиусу, невидима, но и время самого этого процесса приближения к гравитационному радиусу. Если наблюдатель, находящийся на ракете, приближается к гравитационному радиусу, то его движение по часам удаленного наблюдателя будет очень большим, в то время как для него это происходит за короткое время. Это, собственно, известный эффект, называемый "парадоксом близнецов" в общей теории относительности. Значит, во-первых, в движущейся системе время течет медленнее, и в сильном гравитационном поле время течет медленнее, поэтому возникает такое бесконечное замедление времени.
А. Г. Простите, раз возникает бесконечное замедление времени, значит, для того наблюдателя, который находится вблизи радиуса и движется к звезде, идет бесконечное ускорение времени?
А. Ч. Для внешней Вселенной.
Д. Г. Да, конечно.
А. Ч. Но и большое фиолетовое смещение. Он видит внешнюю Вселенную в фиолетовых лучах, потому что лучи света при приближении к гравитационному радиусу синеют, увеличивают свою энергию.
А. Г. И он видит каллапсирующую Вселенную, если эта теория верна?
Д. Г. Вот как и что он будет видеть, это вопрос довольно тонкий. Потому что на самом деле, если он пересек поверхность этого гравитационного радиуса, называемого горизонтом событий в общей теории относительности, то, действительно, для него прошло конечное время, причем очень маленькое. Если он движется со скоростью света и приближается к дыре солнечной массы это три километра, то это какие-то доли секунды. Но за это время для удаленного наблюдателя вся эволюция уже пройдет, поскольку время стремится к бесконечности. Теперь, для того, чтобы сравнить и вернуться в исходное положение, для этого нужно было бы выйти обратно, а это невозможно. Поэтому использовать эту ситуацию здесь довольно трудно.
А. Ч. Нужно двигаться со скоростью больше скорости света, чтобы выйти из-под гравитационного поля.
Д. Г. Нужно нарушить какие-то физические законы для того, чтобы воспользоваться этим бесконечным замедлением времени.
А. Г. То есть ни при каких обстоятельствах мы не можем послать на черную дыру наблюдателя с тем, чтобы получить хоть какую-то информацию от того, что он там видел.
А. Ч. Да, и потом вернуть его...
Д. Г. После того как было открыто это решение и свойства горизонта событий были уже осознаны, потребовалось определенное время, чтобы понять, что это может быть реально наблюдаемый объект в астрофизике, и здесь было много мнений и за и против. В частности, Эйнштейн всегда высказывался так, что, вероятно, все же такая ситуация реально не может происходить, либо массы будет недостаточно для этого, либо в процессе эволюции такие объекты образовываться не смогут.
И вот любопытно, что в 39-м году Оппенгеймер и Снайдер (Оппенгеймер это человек, который считается отцом атомной бомбы) рассчитали коллапс сферического облака пыли, и картина была довольно ясной. Действительно, за конечное время происходит сжатие этого облака пыли в сингулярность. В какой-то момент пересекается гравитационный радиус. По часам удаленного наблюдателя, действительно, это время равно бесконечности, по собственному времени это время конечно. То есть вся эта картина динамически действительно была описана. И в том же году Эйнштейн публикует статью (это происходит в 39-м году; он был в это время уже в Принстоне), в которой он высказывает соображение, почему это на самом деле не может осуществляться в природе.
Дальше любопытная история: в 42-м году известный физик-гравитационист Бергман публикует книгу, и в этой книге, которая до сих пор очень хорошая книга, поскольку до сих пор используется в качестве учебника, он вообще не упоминает о работе Оппенгеймера-Снайдера, зато он пропагандирует соображения Эйнштейна.
И надо сказать, что, действительно, где-то до конца 50-х годов никакого продвижения в теории гравитационного коллапса практически не было. Где-то уже в конце 50-х годов появились новые работы, в которых, прежде всего, было указано, что есть, кроме решения Швардшильда, еще возможность описания внутренности черной дыры в других системах координат, других системах отсчета, и таких систем было найдено много. Потом в 63-м году было открыто решение, описывающее вращающуюся черную дыру, решение Керра; и вот это решение, довольно сложное математически, сейчас считается стандартным решением в теории черных дыр.
Ну, и начиная с 68-го года, когда уже появился термин "черная дыра", предложенный Уилером, и до 75-го года, как обычно считается, была уже детально разработана теория черных дыр в ее современном понимании.
Одним, скажем, из утверждений, было утверждение Вилля, что черная дыра не имеет волос. Это означает, что когда произошел гравитационный коллапс, все ушло под гравитационный радиус. Мы можем видеть только некоторые параметры этого объекта, то есть мы можем видеть его массу, его угловой момент, электрический заряд. И это все, что от него осталось, независимо от того, что было вначале какой бы сложной ни была звезда, какими бы там параметрами ни обладала, то есть многообразие звезд гораздо больше, чем многообразие черных дыр.
Кстати, впоследствии оказалось, что это вовсе не всегда так, что это зависит от того, какая же материя участвует в этом процессе. Скажем, материя более сложная, чем электромагнитное поле или пыль, например, поля Янга-Милса, которые участвуют в сильных взаимодействиях, уже приводят к совершенно другим закономерностям. Там есть и волосы, и черные дыры, но не такие, как здесь.
Но стандартная модель, была основана на некоторых утверждениях; их можно просто перечислить: это общие теоремы сингулярности, доказанные Пенроузом, а затем в работах Хокинга и Пенроуза. Была высказана гипотеза о таких сингулярностях, которые, вообще, действительно возникают практически всегда, в любых решениях общей теории относительности, если вещество, которое там предполагается заложенным, удовлетворяет обычным предположениям о положительности энергии и некоторым другим. Тогда, действительно, в таких решениях, независимо от сферической симметрии или какой-то другой симметрии, общей закономерностью являются возникновение сингулярностей. И очень во многих случаях можно доказать еще и то, что получило название принципа космической цензуры: сингулярность должна быть скрыта под горизонтом событий. Это и есть типичный образ черной дыры. А новое было то, что "черная дыра" это не какое-то частное решение, вроде решения Швардшильда или решения Керра, обладающее специальной симметрией, а что этот общее явление, общее предсказание релятивистской теории гравитации.
Ну, затем были сформулированы более тонкие утверждения, что, скажем, горизонт должен обладать обязательно сферической топологией, что он не может быть, скажем, тором или каким-нибудь кренделем – что, кстати, потом оказалось тоже не совсем верным. Это верно только в том случае, если нет космологической постоянной. При отрицательной космологической постоянной возможны более сложные черные дыры, скажем, с топологией сферы с ручками, кренделей всевозможных и так далее.
Или же что поверхность горизонта событий может только возрастать...
А. Ч. При слиянии черных дыр.
Д. Г. Да. В любых процессах поверхность горизонта событий возрастает. И это было как бы прообразом термодинамической аналогии, потому что довольно скоро было осознано, что картина черной дыры совместна с принципами термодинамики, то есть с тем, что энтропия должна возрастать лишь только в том случае, если, действительно, черной дыре нужно приписать энтропию пропорциональную поверхности, площади поверхности горизонта событий. Иначе, если газ падает в черную дыру, то поглощается не просто материя, но поглощается и мера хаотичности, то есть энтропия.
И как раз завершением, что ли, этого периода было открытие геометрического характера энтропии черной дыры и вообще новая интерпретация понятия энтропия, которую обычно всегда связывали со статистическим усреднением в физике, а здесь это уже некоторая геометрия, которая дает понятие. А причина такова, что, действительно, энтропия – это потеря информации за счет усреднения или за счет горизонта событий.
Ну, вскоре после этого было предсказано уже испарение черных дыр. Это уже квантовый этап, о котором мы, может быть, если успеем, поговорим попозже. Но вот такова стандартная модель, которая сложилась где-то к 75-ому году.
А. Г. Это еще до наблюдательных данных, когда не было обнаружено ни одного объекта, который бы мог бы подходить под эти параметры?
Д. Г. Да. Вот тогда уже очень активно начали астрофизики здесь разворачиваться, и очень быстро появились первые сведения о Лебеде.
А. Ч. Сейчас можно просто резюмировать. К настоящему времени мы имеем свыше ста объектов, свойства которых чрезвычайно похожи на свойства черных дыр. Причем все необходимые условия, которые накладываются на наблюдательные проявления черных дыр общей теорией относительности, выполняются.
А. Г. Тогда почему вы говорите, что мы имеем объекты, похожие на черные дыры, а не черные дыры?
А. Ч. Потому что выполняются только необходимые условия. Достаточных критериев отбора черных дыр пока нет, потому что, в отличие от нейтронных звезд, где есть вращение, магнитное поле, феномен пульсара, я об этом чуть позже скажу, у черных дыр нет специфических эффектов, которые можно наблюдать, специфичных для самих черных дыр. Мы судим о том, что это черные дыры по отсутствию пульсара, по отсутствию вспышек, и так далее. А отсутствие какого-либо признака не является достаточным критерием наличия этого объекта. Присутствие признака это доказательство, а отсутствие – это только необходимое условие. Но поскольку объектов уже свыше ста, то можно сказать, что с очень большой вероятностью черные дыры открыты, они почти открыты. Тем не менее будущее за специальными экспериментами, в том числе и космическими, которые докажут существование черных дыр, потому что они позволят наблюдать эффекты специфичные для черных дыр, наблюдать с высоким угловым разрешением порядка десять в минус седьмой угловой секунды дуги, так называемый рентгеновский интерферометр космический. В 2010 году он будет запущен.
Итак, значит, как образовать черную дыру? Возьмем Землю и будем сжимать ее сферическим прессом. Вот когда мы в четыре раза уменьшим радиус Земли, то вторая космическая скорость уже будет не 11 километров в секунду, а 22 километра в секунду у Земли. Если мы еще будем дальше сжимать Землю и сожмем ее до 9 или 8 миллиметров, то вторая космическая скорость будет равно 300 тысяч километров в секунду. Так мы получим черную дыру, тогда уже пресс не понадобиться, Земля будет сама сжиматься под горизонт событий, и образуется черная дыра с массой, равной массе Земле и гравитационным радиусом 9 миллиметров. Но реально в природе такого пресса, конечно, нет, и роль этого пресса играет гравитация, именно поэтому черные дыры образуются при коллапсе ядер массивных звезд, у которых гравитация достаточно сильна, чтобы сжать вещество в черную дыру до необходимой плотности, до размера гравитационного радиуса.
И эволюция звезд происходит таким образом, что звезды с массой меньше полутора масс Солнца... Я имею в виду не всю звезду, а центральную часть звезды, которая проэволюционировала, которая уже имеет химическую неоднородность, потому что внешняя оболочка звезды (до 50 процентов массы) может быть потеряна под давлением излучения в виде звездного ветра. В двойной система из-за приливных эффектов оболочка может быть потеряна. А вот ядро звезды, которая проэволюционировала, которая имеет анамальный химсостав уже, образует нам остаток от звезды, и если масса этого ядра меньше, чем одна и четыре десятых массы Солнца, то образуется белый карлик. Белый карлик – это звезда радиусом порядка радиуса Земли в 10 тысяч километров, с массой порядка массы Солнца и плотностью порядка тонна в кубическом сантиметре, то есть наперсток вещества белого карлика весит тонну. Таких белых карликов очень много, примерно десять миллиардов штук в нашей галактике, которая сто миллиардов звезд содержит вот десять миллиардов из них белые карлики. Если же масса ядра звезды в конце эволюции больше, чем одна и четыре десятых массы Солнца, но меньше трех массы Солнца, то уже в результате сжатия этого ядра образуется нейтронная звезда. Нейтронная звезда это такой объект, который удерживается от сжатия давлением так называемого вырожденного нейтронного вещества. Нейтроны обладают полуцелым спином, и согласно принципу Паули, в одном энергетическом состоянии может находиться один нейтрон. Из-за этого статистика распределения нейтронов по энергиям описывается уже уравнением Ферми-Дирака. Это вырожденное вещество, давление зависит только от плотности, не зависит от температуры, и нейтронная звезда удерживается от сжатия давлением вырожденного нейтронного вещества.
Д. Г. Такие огромные объекты, как белые карлики и черные дыры, на самом деле являются квантовыми по своим свойствам. Это огромные такие квантовые макроскопические объекты.
А. Ч. Белых карликов десять миллиардов в нашей галактике, и все они, по сути, квантовый эффект, то есть это доказательство квантовой механики. Нейтронных звезд примерно десять миллионов в нашей галактике, ну, сто миллионов будем считать, десять в восьмой, и тоже каждая из нейтронных звезд – это есть торжество квантовой механики. И вот если масса центрального ядра звезды больше, чем три массы Солнца, то гравитационное поле будет таким сильным, как в примере с прессом для Земли, что гравитационное поле может сжать вещество звезды до таких плотностей, до таких маленьких размеров, что образуется черная дыра. Черные дыры должны иметь массу больше трех масс Солнца, если они происходят естественным образом в результате окончания эволюции звезды. Но нижний предел массы черной дыры может достигать даже примерно одной и восемь десятых массы Солнца; это зависит от так называемого уравнения состояния вещества нейтронной звезды, то есть связи между давлением и плотностью. Но максимальная масса нейтронной звезды, соответствующая предельно жесткому уравнению состояния, это три массы Солнца.
Поэтому задача наблюдателей очень простая: надо найти объекты, масса которых больше трех масс Солнца и радиусы которых равны гравитационному радиусу. Для черной дыры с массой десять масс Солнца, а это типичная масса звездной черной дыры, гравитационный радиус это 30 километров. Если массу мы можем измерить по движению второй звезды в двойной системе или по движению газовых облаков и звезд вблизи сверхмассивной черной дыры в ядре галактике, то измерить радиус в 30 километров, измерить на расстоянии, скажем, тысячи световых лет практически очень трудно, но тем не менее сейчас астрономы даже такие задачи собираются решать. Например, можно будет измерить радиус ядер черных дыр в ядрах галактик с помощью космических интерферометров.
Итак, задача – померить массу объекта, показать, что его размер близок к гравитационному или, еще лучше, равен гравитационному, и, наконец, надо показать, что у объекта нет наблюдаемой твердой поверхности, а имеется вот этот горизонт событий. Горизонт событий – это не какая-то поверхность. Горизонт событий может быть устранен выбором системы отсчета. Если мы сядем на космический корабль и будет свободно падать, то мы попадем в сингулярность и не почувствуем никакого горизонта событий. То есть это такая поверхность, которая зависит от системы отсчета, с которой мы на нее смотрим, это не твердая поверхность вот это надо тоже доказать.
Ну, и, кроме того, черные дыры, которые сформировались в наше время, не стопроцентные черные дыры. Сжатие вещества согласно общей теории относительности – коллапс происходит бесконечно долго для внешнего наблюдателя и из-за замедления хода времени. Но уже в первые миллисекунды времени звезда приближается очень близко к своему гравитационному радиусу, а дальше она приближается экспоненциально к своему гравитационному радиусу, и ей нужно прождать все бесконечно большое время нашей Вселенной, чтобы она окончательно сформировала свой горизонт событий.
А. Г. А что значит "не наше время"? Вы сказали, что черные дыры, которые образуются в наше время, не совсем черные дыры.
А. Ч. Черные дыры, которые сформировались в нашу эпоху. Ну, например, система Лебедь Х-1. Примерно десять миллионов лет тому назад там был взрыв сверхновый, и образовалась черная дыра. Но что такое десять миллионов лет по сравнению с возрастом нашей Вселенной – это очень маленький промежуток. И за эти десять миллионов лет у черной дыры системы Лебедь Х-1 сформировался уже горизонт событий почти на сто процентов, но все-таки не на сто процентов: нужно еще много-много миллиардов лет подождать для того, чтобы горизонт событий сформировался окончательно. На самом деле, это отличие очень мало согласно экспоненциальному закону. И за очень короткое время, за доли секунды, когда нейтронная звезда коллапсирует в черную дыру, для внешнего наблюдателя это уже будет невидимый объект, это будет...
А. Ч. Это будет практически черная дыра. Поэтому мы сейчас ищем так называемые практически черные дыры, имеющие практически горизонты событий. Горизонт событий тоже ненаблюдаем, потому что там время бесконечно растягивается и любые процессы там замирают они там ненаблюдаемы. И поэтому это ненаблюдаемая поверхность какие бы там процессы ни были, мы их не можем заметить.
Итак, по каким признакам наблюдатели сейчас начали мерить черные дыры? В 64-м году, задолго до эры рентгеновской астрономии, которая и позволила открыть черные дыры, академик Зельдович Яков Борисович и американский ученый Салпитер опубликовали две фундаментальные работы. Они показали, что если на черную дыру падает... Сама черная дыра невидима, потому что даже свет не может вырваться за ее пределы, но, если на черную дыру выпадает вещество не сферически симметричное, это очень важно: тогда вещество при выпадении на черную дыру достигает скоростей близких к скорости света и происходит столкновение газовых струй. Для этого и нужна несферическая симметрия. Естественно, если вы молотком бьете по наковальне, она нагревается до 5-10 градусов. А здесь у вас скорости столкновения это скорость света, 300 тысяч километров в секунду, поэтому плазма нагревается в ударных волнах до температур в сотни миллионов градусов и выделяется огромная энергия в рентгеновских лучах, в тех самых рентгеновских лучах, которыми нас просвечивают в медицинских кабинетах. Это электромагнитные колебания очень короткой длины волны, порядка один ангстрем, а обычное оптическое излучение это пять тысяч ангстрем. Итак, жесткое электромагнитное излучение. К сожалению, земная атмосфера, а может быть и к счастью, для этого излучения непрозрачна; и только когда началась эра космических исследований после запуска первого советского искусственного спутника Земли, появилась возможность наблюдать из космоса, за пределами земной атмосферы, рентгеновские источники. И вот еще до начала эры рентгеновской астрономии вышли две эти работы Зельдовича и Салпитера в 64-м году... Хотя первый рентгеновский источник был открыт с борта ракеты в 62-м году, с ракеты "Аэроби", американской, кстати, одним из экспериментатором в этом проекте был Рикардо Джиакони, который в прошлом году получил Нобелевскую премию за рентгеновскую астрономию.
А начало эры рентгеновской астрономии связывают с 71-м годом, с запуском специализированного спутника "УХУРУ". Это на языке одной из африканских народностей означает "свобода". Этот специализированный спутник сканировал все небо и открыл несколько сотен рентгеновских источников. И возникла проблема их оптического отождествления. Если это двойная система... А вот как раз теория аккреции вещества на черные дыры в двойных системах была развита уже несколько лет спустя учениками Якова Борисовича Зельдовича это Шакура и Щуняев, Новиков и Торн, Прингл и Рис и другие. Они показали, что если имеется двойная система, черная дыра и звезда типа Солнца, тогда перетекание вещества от оптической звезды на черную дыру приводит к формированию диска. В диске тоже скорости в центре близки к скорости света, и просто из-за взаимного трения слоев происходит разогрев до температур в сотни миллионов градусов, и мы видим рентгеновский ореол вокруг черной дыры, сама черная дыра не видна, но ореол в рентгеновских лучах виден.
Но вторая звезда не только является донором вещества она является пробным телом, по движению которого можно определить массу, используя законы Ньютона, и поэтому рентгеновская и оптическая астрономии прекрасно дополняют друг друга. Со спутника мы наблюдаем мощный рентгеновский поток, который говорит о том, что есть компактный объект с радиусом меньше радиуса Земли (это экспериментально измеренная величина) и с массой больше трех масс Солнца (то, что мы по оптической звезде меряем), а наземные наблюдения, обычные, оптические наблюдения с поверхности Земли, позволяют как раз изучать движение оптической звезды и мерить массу невидимого рентгеновского источника.
А. Г. Но при этом могут же возникать всякие неожиданности, скажем, система может оказаться не двойном, а тройной, черных дыр может оказаться не одна, а две...
А. Ч. Чтобы двойная система была устойчива, нужна иерархическая модель. Если третья звезда есть, она должна быть далеко, иначе система распадется это задача трех тел получается. Вот чтобы была ограниченная задача трех тел, нужна, скажем, двойная система, а третий объект очень далеко; в этом можно разобраться, все это можно распутать.
Но хочу подчеркнуть, тут вы правы, что двойная система видна как точка, то есть не видно отдельно ни черную дыру в рентгене, ни оптическую звезду; потому что размер орбит там порядка несколько радиусов Солнца, а расстояние тысячи световых лет, поэтому мы видим точку. Но в оптическом диапазоне эта точка мигает с орбитальным периодом, мы меряем ее изменения. Измеряя спектр по доплеровским смещениям линии, можно померить так называемую кривую лучевых скоростей, то есть проекцию оптической скорости звезды на луч зрения. И вот это кривая изменения лучевых скоростей несет информацию о массе, а кривая блеска несет информацию о наклоне орбиты двойной системы; и таким образом оптические и рентгеновские наблюдения позволяют определить массу объекта и дать ограничения на радиус, что радиус меньше радиуса Земли.
Более тонкие ограничения на радиус даются по быстрой переменности. Рентгеновские излучение от многих аккрецирующих черных дыр (на которых выпадает вещество) переменно на временах до одной миллисекунды. Если мы возьмем десять в минус третьей секунды, умножим на триста тысяч километров в секунду (скорость света), то мы получим триста километров, это десять гравитационных радиусов. А идея такая, что если у нас объект со временем переменности одна миллисекунда, значит, его размеры не могут существенно превышать величины С на дельту Т, где дельта Т одна миллисекунда. Известно, что планеты не мерцают, потому что их угловые размеры минута, а звезды мерцают, потому что у них очень маленькие угловые размеры, и когда свет звезд проходит через земную атмосферу, он быстро преломляется и искажается. А у планеты от каждой точки происходит искажение света. Все это осредняется, и планета светит не мигая. И тоже самое можно сказать о быстрой перемененности: если объект имеет очень маленький размер, он может иметь быструю переменность; если он имеет большие размеры, переменность от разных точек объекта будет усредняться и не будет большой переменности. Поэтому по быстрой переменности можно сказать о радиусе центрального объекта.
Итак, мы сегодня уже имеем два десятка черных дыр с известными массами и известными радиусами и примерно столько же нейтронных звезд с известными массами и с известными характеристиками. И удивительная вещь – для всех этих сорока так называемых релятивистских объектов (20 черных дыр и 20 нейтронных звезд), для всех этих объектов все предсказания общей теории относительности выполняются. Нейтронная звезда, если она имеет наблюдаемую поверхность признаком наблюдаемой поверхности является быстрая короткопериодическая и строго периодическая переменность, нейтронная звезда обычно имеет сильное магнитное поле быстро вращается. Потому что мы сжимаем звезду радиусом миллион километров до размера десять километров. Десять километров это радиус нейтронной звезды. Наперсток вещества нейтронной звезды весит миллиард тонн, то есть имеет огромная плотность. По сравнению с золотым слитком, который у вас здесь есть, это гораздо более тяжелое вещество. Кроме того, нейтронная звезда за счет сжатия быстро вращается.
Если мы возьмем Солнце и сожмем до десяти километров, то скорость вращения нейтронной звезды будет одна миллисекунда, а период вращения Солнца месяц. Точно также и магнитное поле: у Солнца один Гаусс, а если мы сожмем Солнце до десяти километров, то из условия сохранения магнитного потока магнитное поле возрастет до десяти в десятой Гаусс. Наличие магнитного поля и быстрого вращения приводит к феномену пульсара. Либо в радиодиапазоне, либо в рентгеновских лучах мы наблюдаем строго периодические импульсы излучения; их фазы держатся на протяжении десятков лет, а период одна секунда примерно. Период секунда, а фаза колебаний держится десятки лет. Это говорит о том, что есть твердая поверхность у объекта; и вот у всех двадцати объектов, которые мы наблюдаем, которые показывают наблюдательные проявления твердой поверхности, у них масса не превышает трех масс Солнца в полном соответствии с предсказанием общей теории относительности. Это для двадцати объектов уже.
А для других двадцати объектов, у которых масса больше трех масс Солнца, не наблюдается феномен рентгеновского или радиопульсара, то есть не наблюдается явных признаков наблюдаемой поверхности. Но поскольку мы по отсутствию этих эффектов судим, то это не является доказательством того, что это черные дыра. Но поскольку число объектов уже 20 штук и ни для одного из них наблюдаемых свидетельств твердой поверхности нет, то теперь уже астрономы и физики называют эти объекты не "кандидаты в черные дыры", а черными дырами. Вот так обстоят дела с черными дырами звездной массы.
Но еще более интересно обстоят дела с сверхмассивными черными дырами в ядрах галактик...
Вы хотели мне задать какой-то вопрос?
А. Г. Нет, я снимаю тот вопрос. Расскажите, как образуется сверхмассивные черные дыры?
Д. Г. Это второй вид черных дыр, которые хорошо предсказаны теоретически и которые наблюдаются, может быть, еще более убедительно, чем черные дыры звездной массы. Но дело в том, что ядра галактик при входе эволюции могут придти в состояние, когда некоторая большая масса оказывается под собственным гравитационным радиусом, и тогда уже образуется дыра. Но это не один объект, а это как бы газ, который совместно образует такой объект, и надо сказать, что гравитационный радиус там столь велик, что...
А. Ч. Порядка солнечной системы, то есть порядка сорока астрономических единиц.
Д. Г. Средняя плотность вещества там очень невелика, и скажем, человек, который пересекает гравитационный радиус, космонавт, он останется жив, там гравитационное поле не столь велико, чтобы его погубить.
А. Ч. Средняя плотность меньше плотности воздуха у сверхмассивных черных дырах. Поэтому есть шанс в такую черную дыру попасть...
Д. Г. На космическом корабле.
А. Ч. И какое-то время, еще несколько мгновений, успеть увидеть будущее...
А. Г. Потому что времени знак меняется...
Д. Г. Обнаружение этих объектов также стало возможным благодаря новой рентгеновской технике и в особенности будущей техники...
А. Ч. Рентгеновский интерферометр...
Д. Г. Рентгеновский интерферометр позволит действительно уже измерить реальные гравитационные параметры...
А. Г. Хорошо, тогда вот какой вопрос. Что касается природной лаборатории, более или менее понятно. Но вот вы уже описали эксперимент, который можно было бы провести, если бы у нас был такой сферический пресс, который развивал бы необходимое давление. Но вы также указали, что объекты эти квантовые?
А. Ч. Да.
А. Г. Нельзя ли поставить дикий эксперимент, учитывая квантовую природу этих объектов, по созданию такой черной дыры в лабораторных условиях?
Д. Г. Это одно из предложений, которые существуют, правда, в рамках не эйшнейновской теории, а той гипотезы гипербранной вселенной, которая сейчас развивается. Собственно, гипотеза состоит в том, что наша вселенная на самом деле является некоторой поверхностью, вложенной в пространство большего числа измерения хотя бы одно лишнее измерение для этого нужно иметь. Так вот сама модель была предложена в каком-то смысле как игрушечная модель, просто исходя из возможностей ее проверки. Такая проверка в ближайшие годы будет возможна на ускорителях, которые работают при энергии десять в третьей Гэв или Тэв, это уже очень большие энергии, они существенно превышают те, которые задействованы в стандартной модели и пока мы ничего не знаем, что там может происходить. Так вот, предположение о том, что на самом деле есть пятое измерение, причем это измерение не маленькое, планковских масштабов, как это давно уже предлагалось, а большое, скажем, миллиметры или доли миллиметра, как выясняется, это предположение не противоречит ни гравитационным экспериментам, ни наблюдениям, ни физике элементарных частиц более того, оно позволяет решать ряд проблем именно в теории элементарных частиц.
Так вот, на тэвном ускорителе при подборе параметров нет противоречий с существующими данными, а есть даже соблазнительная возможность объяснить темную энергию, о которой много говорят. Это то, что сейчас наблюдается во вселенной, маленькое значение космологической постоянной, то есть существовании энергии совершенно специфического вида. Так вот оказывается, что масштаб очень хорошо согласуется с предположением об этом субмиллиметровом характере дополнительных измерений. Но это, конечно, одно из предположений, вовсе не доказательство.
Так вот что происходит. Если две такие элементарные частицы, разогнанные на ускорители до энергии порядка Тэв, сталкиваются между собой с прицельным параметром в десять минус 17-й сантиметра, что вполне реально, то частица оказываются под своим гравитационным радиусом с точки зрения этой теории, потому что там масштабы изменены на много порядков.
А. Ч. Не десять в минус 33...
Д. Г. А 10 в минус 17-ой это уже радиус черной дыры в этой теории. Тогда что должно происходить? Образуется микроскопическая черная дыра, причем она будет сильно вращаться, потому что частицы сталкиваются навстречу друг другу. И по Хокингу она должна испарятся, у нее есть температура, и она уже с определенной вероятностью излучает частицы, спектр этот посчитан с хорошей точностью и, в общем, по наблюдению спектра можно сделать вывод о таком событии.
Но вообще-то такие термодинамические события при столкновении частиц высоких энергий наблюдались и раньше, но они никак не имели никакого отношения к гравитации, к эффекту Хокинга. Это просто за счет действительно большой концентрации энергии в малом объеме начинают уже проявляться статистические закономерности. Здесь несколько другое. Но вот что любопытно. Как это может быть наблюдено? Одно из предсказаний, недавно сделанных известным специалистом по черным дырам Фроловым, состоит в том, что при испарении такой черной дыры она будет испаряться, в частности, и в дополнительное измерение, вот в это пятое измерение, и может быть эффект отдачи. Вот, скажем, есть какая-то достаточно энергичная частица, которую испускает черная дыра, возникает эффект отдачи, и черная дыра может уйти в противоположную сторону, в это самое пятое измерение; тогда она исчезает из нашего мира и таким образом теряется часть энергии, которую она не успела испарить...
А. Ч. Нарушается формальный закон сохранения энергии в нашем, четырехмерном пространстве.
Д. Г. Вот такого рода события, действительно, предлагается искать на ускорителях, и эти опыты будут проведены в ближайшие годы. Конечно, мало кто верит, что это действительно будет наблюдено, потому что все же модель выглядит слишком фантастично даже с точки зрения той теории черных дыр, о которой мы говорим и ее астрофизических предсказаниях, которые теперь уже вроде бы всеми воспринимаются как вполне реальные. Здесь, конечно, все гораздо более гипотетично.
А. Г. У меня вот какой вопрос. Я понимаю, что, будучи сторонним наблюдателем и пытаясь проследить эволюционный процесс, происходящий внутри черной дыры, самой черной дыры, мы до многого недосмотримся, потому что время для нас будет тянуться бесконечно. Но если мы окажемся за горизонтом событий, чем заканчивается жизнь черной дыры, во что она эволюционирует потом, если можно задавать такой вопрос?
Д. Г. Да, это то, что называют в теории относительности проблемой сингулярности, и надо сказать, что она не решена. Предполагают, что в будущей теории квантовой гравитации ее проблема будет разрешена. Но, действительно, проблема существует. С одной стороны, действительно, наблюдаемые свойства черных дыр не имеют к этому никакого отношения. За наше время наблюдений образовалось во вселенной черная дыра по нашим часам она ведь так и не сколлапсировала в эту сингулярность, тело колапсирует до гравитационного радиуса, поэтому для нас никаких проблем нет.
А. Ч. То есть действует принцип космической цензуры. Сингулярность от нас скрывается.
Д. Г. Это одна из тех парадоксальных вещей, которые до сих пор вызывают большое сопротивление у многих ученых.
А. Ч. Многие не верят в существование черных дыр, приходится доказывать наблюдения свидетельствуют, что черные дыры скорее всего есть.
Д. Г. С другой стороны, есть тот наблюдатель, который находится на поверхности это тоже физика, это не какой-нибудь мысленный эксперимент. Пожалуйста, нужно уметь объяснить и что с ним будет происходить. Ясности в этом вопросе нет. Есть некоторые модели в теории суперструн, когда сингулярность сглаживается, но они, как правило, относятся к таким малым масштабам и к таким расстояниям, что применить их к реальным астрофизическим черным дырам пока никто не пытался. Так что, наверное, здесь мы вряд ли сможем дать какую-то наглядную картину, что же там происходит.
Есть точка зрения, что и в будущей квантовой теории сингулярности тоже должны остаться, потому что их полное отсутствие, сглаживание таких вот особенностей, оно порождает другие проблемы. Ну, например, есть проблема квантовой когерентности. В квантовой механике все предсказывается вероятностным образом, но вот сама эта вероятность, она в некотором смысле полна, то есть всегда полная вероятность всех событий должна быть сто процентов. Так вот, если есть черная дыра и если она такой вполне регулярный объект и никакой там сингулярности нет...
А. Ч. В центре черной дыры...
Д. Г. Да. И все равно будут нарушения из-за горизонта событий, и черная дыра – она образуется в результате колапса, потом испаряется она нарушает этот процесс квантовой когерентности. Поэтому здесь пока не все понятно, может быть, сингулярности как раз здесь и играют определенную положительную роль.
Другая квантовая проблема с черными дырами связана с тем, что энтропия, мы знаем, имеет геометрическое происхождение, но вместе с тем она должна иметь и какое-то микроскопическое происхождение. Проблема в этих состояниях, когда почему-то энтропия равна площади поверхности горизонта события, то есть является поверхностным эффектом, а не объемным. Если бы мы исходили из обычной физики, то мы как раз бы ожидали, что будет что-то пропорциональное объему черной дыры, а не ее поверхности. Вот это породило еще некоторые гипотезы, называемые принципом квантовой голографии: может быть, гравитация действительно такова, что она существует в пространстве большего числа измерений, чем другая квантовая теория какая-то квантовая теория, которая есть на поверхности черной дыры, а гравитация трехмерна. Таких соответствий сейчас уже обнаружено много не только в черных дырах, но и в космологических пространствах с горизонтами, в пространствах антидеситтра.
Короче говоря, физика черных дыр послужила мощным стимулом развития квантовой физики, и развития представлений в квантовой гравитации, и вообще в объединенных моделях всего.
А. Г. Вы сказали, что приходится доказывать существование черных дыр, то есть скептики есть. А как эти скептики объясняют эти видимые эффекты в парных системах, если с их точки зрения это не черная дыра?
А. Ч. Это могут быть какие-то объекты, имеющие поверхность, но не имеющие магнитного поля, не имеющие быстрого вращения, которые не дают нам наблюдательных признаков поверхности.
А. Г. А что это за объекты?
А. Ч. Есть теория гравитации, которая предсказывает существование объектов, которые могут иметь наблюдаемую поверхность, будучи компактными. Такие теории критикуются физиками с точки зрения основных принципов, но, тем не менее, они имеют право на существование. Для нас, наблюдателей, наличие таких теорий являются дополнительным стимулом; нам интереснее искать черные дыры, потому что есть разнообразие возможностей.
Но я хотел бы еще два слова сказать о сверхмассивных черных дырах, которые еще более убеждают нас в том, что черные дыры существуют. Я уже говорил, что наблюдаются два десятка черных дыр звездной массы, все наблюдательные свойства которых согласуются с общей теорией относительности; и есть уже около сотни сверхмассивных черных дыр в ядрах галактик. Масса их меряются по движению звезд вблизи ядра. Например, у нашей галактики с помощью специальных методов в инфракрасном диапазоне удалось померить движение отдельных звезд. Орбиту построить, орбиту звезды. Три миллиона солнечных масс – это ядро нашей галактики, и звезда (десять масс Солнца), которая на эллиптической орбите вокруг этой черной дыры ходит, двигается. И можно точно измерить массу ядра нашей галактики это три миллиона солнечных масс. А радиус меньше двадцати гравитационных радиусов, и доказано, что это не может быть скоплением тел, а это единое тело радиусом меньше 20 гравитационных радиусов. Если это не черная дыра, то что это такое? Вот.
Конечно, эта черная дыра в нашей галактике, несмотря на то, что она черная дыра, она не влияет на нас, потому что расстояние до нее очень велико, восемь килопарсек, то есть примерно 24 тысячи световых лет, свет идет 24 тысячи лет от этой черной дыры. И на таких больших расстояниях влияние черной дыры эквивалентно нормальной массе; и не надо опасаться, что наша черная дыра поглотит нас и так далее. Так что наша галактика имеет черную дыру. И есть четкая коррелляция: чем больше масса так называемого балджа галактики... Это старое звездное население галактики, которое сохранилось еще со времен образования галактики: у галактики есть спирали, молодые звезды, с возрастом десятки, сотни миллионов лет, и балдж галактики это старые звезды с большими скоростями, возраст которых многие миллиарды лет. Так вот, чем больше масса наблюдаемого балджа галактики, тем больше масса центральной черной дыры. Сейчас просто по виду галактики можно сразу сказать, какая масса центральной черной дыры. И люди приходят к выводу, что практически каждая галактика имеет в своем центре сверхмассивную черную дыру. И вот когда мы наблюдаем снимок с космического телескопа "Хаббл" это много-много галактик, то фактически мы видим черные дыры. Только масса черной дыры составляет от одной десятой процента до примерно одной тысячной процента от всей массы звездного населения галактики.
А. Г. Эта сверхмассивная черная дыра, которая находится в центре нашей галактики, это ближайшая к нам черная дыра?
А. Ч. Это ближайшая к нам сверхмассивная черная дыра. Остальные находятся в центрах других галактик, например, в Туманности Андромеды в центре галактики. Примерно сто миллионов солнечных масс, в сто раз более массивная черная дыра, чем у нас.
А. Г. А ближайшая к нам черная дыра звездной массы?
А. Ч. Ближайшая черная дыра звездной массы на расстоянии примерно один килопарсек, это примерно три тысячи световых лет. То есть тоже не надо бояться, это очень далеко и масса ее всего десять масс Солнца, а не три миллиона масс Солнца. Гравитационное поле черной дыры на больших расстояниях много больше, чем гравитационный радиус оно подчиняется Ньютоновскому закону, обычному Ньютоновскому закону, так что ничего бояться не надо. А то иногда бывают в прессе такие штучки...
А. Г. Черные дыры как пылесосы, которые засосут...
А. Ч. На больших расстояниях она ничего не сделает. Только когда мы приближаемся к гравитационному радиусу, там уже начинается сказываться специфические эффекты в общей теории относительности.
А. Г. Эволюция звезд может привести к тому, что количество черных дыр будет все большим и большим?
А. Ч. Так вот, если эти 20 черных дыр взять, и учесть все эффекты наблюдательной селекции, и пересчитать, то получается, что в нашей галактике примерно десять миллионов черных дыр. И масса, заключенная в виде черных дыр, составляет примерно одну десятую процента от массы всей видимой материи нашей галактики. Это немало, одна десятая процента.
А. Г. Но она будет расти?
А. Ч. Она со временем будет расти. Но не очень сильно, потому что в черные дыры превращаются наиболее массивные звезды, а их как раз немного. Звезды, в основном, в Галактике с массой, близкой к массе солнца, а чем больше масса звезды, тем их относительно этих звезд меньше. Так что абсолютная масса вещества в виде черных дыр будет расти, но доля по отношению к звездной компании всегда будет не более одной десятой процента, скорее всего. Но одна десятая процента это очень большое количество вещества. Мы имеем сейчас несколько агрегатных состояний: есть жидкая форма, газообразная и так далее... Черные дыры – это отдельная форма существования вещества...
Вверх