Chernye dyry: kratkii obzor
10.10.2022 20:46 | S. B. Popov/GAISh, Moskva

Chto takoe chernaya dyra? Eto ne takoi prostoi vopros, kak mozhet pokazat'sya. Obychno my dumaem, chto u uchenyh dlya vsego est' chetkoe odnoznachnoe opredelenie. Odnako okazyvaetsya, chto ne vsegda. Chernye dyry ochen' uzh trudno opredelimye ob'ekty. Ili dazhe ne ob'ekty? V svoei stat'e [1] Erik K'yuriel sobral mneniya mnozhestva uchenyh, rabotayushih v raznyh oblastyah (astronomiya, matematika, fizika) i zanimayushihsya izucheniem nashih geroev. Shirota diapazona opredelenii porazhaet! I ne udivitel'no. Kto-to pohodit k opredeleniyu s astrofizicheskoi tochki zreniya, ottalkivayas' ot (hotya by potencial'no) nablyudaemyh svoistv, kto-to, naoborot ishodit iz sugubo matematicheskogo podhoda, kto-to osnovyvaet opredelenie na Obshei teorii otnositel'nosti (OTO), drugie srazu dumayut o bolee obshih podhodah.

Davaite privedem opredelenie iz Bol'shoi rossiiskoi enciklopedii [2]: Chernye dyry obshee nazvanie skollapsirovavshih ob'ektov, ne imeyushih material'noi poverhnosti. Ih granicei yavlyaetsya t.n. gorizont sobytii. Eto skoree astrofizicheskoe opredelenie (hotya ono bylo by primenimo i k dyram, sozdannym v laboratorii), potomu chto s tochki zreniya nablyudenii my ishem, v pervuyu ochered', kompaktnye ob'ekty (bol'shaya massa v malen'kom dlya nee ob'eme), u kotoryh ne vidno nikakih effektov, svyazannyh s nalichiem poverhnosti. Pravda, nadezhno napryamuyu dokazat' samo nalichie gorizonta sobytii kraine slozhno.

Chernye dyry yavlyayutsya ochen' populyarnym ob'ektom issledovanii. V god poyavlyaetsya bolee 5000 nauchnyh publikacii, posvyashennyh chernym dyram. Eto i nablyudatel'nye raboty, i teoreticheskie. Hotya formal'no chernodyrnost' kandidatov v chernye dyry poka ne dokazana, net somnenii, chto sushestvuet klass ob'ektov, radikal'no otlichayushihsya ot drugih nebesnyh tel. Mozhno skazat', chto eto i est' chernye dyry. Prosto my ne znaem tochno, kak oni ustroeny.

Hotya privychnye nam chernye dyry porozhdenie 20 veka, tem ne menee, u nih est' predshestvenniki v Novom vremeni. Rannie idei v ramkah n'yutonovskoi fiziki o sushestvovanii kraine massivnyh ili kraine kompaktnyh ob'ektov, kotorye svet ne mozhet ih pokinut', otnosyatsya eshe k 18 veku. Ih nezavisimo pridumali Dzhon Michell v Velikobritanii i P'er-Simon Laplas vo Francii. No, konechno, sovremennyi vzglyad na prirodu podobnyh ob'ektov mog vozniknut' lish' s sozdaniem geometricheskoi teorii gravitacii - Obshei teorii otnositel'nosti. Pervaya rabota po etoi tema v ramkah OTO prinadlezhit Karlu Shvarcshil'du (Germaniya). Ona byla napisana v 1915 g., srazu posle poyavleniya OTO.

V techenie neskol'kih desyatiletii o chernyh dyrah hotya i vspominali, no rabot vyhodilo nemnogo. I, razumeetsya, vse oni byli teoreticheskimi. Vsplesk interesa k razvitiyu fiziki chernyh dyr proizoshel v konce 50-h nachale 60-h gg. 20 v. posle rabot Davida Finkel'shteina i Martina Kruskala. Stali aktivno obsuzhdat' vozmozhnost' astronomicheskogo obnaruzheniya chernyh dyr (naprimer, v dvoinyh sistemah, gde vtorym komponentom yavlyaetsya obychnaya zvezda).

Termin chernaya dyra v primenenii k obsuzhdaemym nami ob'ektam, po vsei vidimosti vpervye ispol'zovala Enn Eving (Ann Ewing) v 1964 g. Zatem, cherez neskol'ko let, eto slovosochetanie stalo populyarnym blagodarya izvestnomu fiziku Dzhonu Uilleru. I primerno v nachale 70-h gg. termin stal obsheupotrebitel'nym.

Na segodnyashnii den' pryamogo nablyudatel'nogo podtverzhdeniya sushestvovaniya chernyh dyr net, odnako sushestvuet ryad astronomicheskih ob'ektov, ch'i svoistva nailuchshim obrazom opisyvayutsya imenno s ispol'zovaniem etoi gipotezy. Krome togo, osnovnye teorii gravitacii predskazyvayut neizbezhnost' formirovaniya chernyh dyr pri opredelennyh realistichnyh usloviyah, voznikayushih v ryade astrofizicheskih situacii (kollaps yader zvezd, kollaps oblakov gaza, fluktuacii plotnosti v molodoi vselennoi). V raznyh modelyah gravitacii svoistva chernyh dyr mogut znachitel'no otlichat'sya (naprimer, v petlevoi kvantovoi gravitacii estestvennym obrazom udaetsya izbavit'sya ot singulyarnosti). Naibolee rasprostranennym yavlyaetsya opisanie chernyh dyr v ramkah Obshei teorii otnositel'nosti. Imenno ego obychno mozhno naiti v nauchno-populyarnyh knigah.

Soglasno OTO vnutri chernoi dyry sushestvuet t.n. singulyarnost'. Eto istinnaya osobennost', v otlichie ot gorizonta sobytii, kotoryi padayushii nablyudatel', provodyashii nablyudeniya v izolirovannoi kabine, prosto ne zametit, esli chernaya dyra dostatochno massivnaya (t.e., esli prilivnye effekty maly). Formal'no krivizna prostranstva vremeni i plotnost' dostigayut v nei beskonechnogo znacheniya, chto svidetel'stvuet o tom, chto v nastoyashii moment my ne mozhem opisat' fizicheskie usloviya tam. V sluchae nevrashayusheisya chernoi dyry singulyarnost' yavlyaetsya tochkoi v centre chernoi dyry. Vse popavshee v chernuyu dyru veshestvo v konce koncov okazyvaetsya v singulyarnosti. Nemnogo uproshaya, mozhno skazat', chto v sluchae vrashayushihsya chernyh dyr singulyarnost' imeet strukturu beskonechno tonkogo kol'ca, i pri nekotoryh usloviyah chasticy mogut izbezhat' popadaniya v nee. Vazhno podcherknut', chto real'nye chernye dyry vsegda obladayut vrasheniem.

V ramkah OTO chernaya dyra opisyvaetsya tremya parametrami: massoi, momentom impul'sa i elektricheskim zaryadom. Kak pravilo, v real'nyh situaciyah zaryadom chernoi dyry mozhno prenebrech', poskol'ku dazhe v sluchae vozniknoveniya zaryazhennoi chernoi dyry pritok chastic s zaryadom protivopolozhnogo znaka bystro sdelaet makroskopicheskii ob'ekt elektricheski neitral'nym. Razmer chernoi dyry pryamo proporcionalen masse. Pri masse, ravnoi 10 solnechnym, radius nevrashayusheisya nezaryazhennoi chernoi dyry sostavlyaet okolo 30 km.

V prirode osnovnymi mehanizmami formirovaniya chernyh dyr yavlyayutsya astrofizicheskie. Vo-pervyh, eto kollaps yader massivnyh zvezd na final'noi stadii evolyucii. V rezul'tate formiruyutsya chernye dyry s massami ot neskol'kih do neskol'kih desyatkov mass Solnca. Vo-vtoryh, eto kollaps oblakov gaza na rannei stadii formirovaniya galaktik, privodyashii k poyavleniyu chernyh dyr s massami ot neskol'kih tysyach solnechnyh. V dal'neishem oni v osnovnom stanovyatsya sverhmassivnymi chernymi dyrami v yadrah galaktik. Nakonec, sushestvuet gipoteticheskii mehanizm formirovaniya t.n. pervichnyh chernyh dyr v rannei vselennoi (primerno v techenie pervoi sekundy) za schet fluktuacii plotnosti v masshtabah poryadka tekushego razmera gorizonta.

Nablyudeniya chernyh dyr svyazany s proyavleniyami materii vne etih ob'ektov. V pervuyu ochered', rech' idet ob akkrecii na chernye dyry, t.e. o techenie gravitacionno-zahvachennogo veshestva v chernuyu dyru. Krome togo, est' kandidaty v sobytiya gravitacionnogo mikrolinzirovaniya na odinochnyh chernyh dyrah zvezdnyh mass. Sovershenno osoboe mesto zanimaet registraciya gravitacionno-volnovyh vspleskov pri sliyaniyah chernyh dyr. V dannom sluchae nablyudayutsya gravitacionnye volny, voznikayushie pri sil'nyh vozmusheniyah metriki.

Pryamym dokazatel'stvom sushestvovaniya chernyh dyr bylo by obnaruzhenie final'nyh stadii hokingovskogo ispareniya etih ob'ektov. Takoe otkrytie mozhet stat' vozmozhnym blagodarya registracii gamma-vspleskov na poslednih sekundah zhizni chernyh dyr. Poka zhe tshatel'nye poiski s pomosh'yu kosmicheskoi gamma-observatorii im. Fermi ne priveli k obnaruzheniyu takih sobytii. Krome togo, idut poiski izbytka antichastic (naprimer, antiprotonov), svyazannogo s ispareniem chernyh dyr, a takzhe poiski dopolnitel'nogo fonovogo gamma-signala ot isparyayushihsya chernyh dyr.

Poka zhe osnovnaya dolya astronomicheskoi informacii o chernyh dyrah svyazana s akkreciei. Na segodnyashnii den' sushestvuet neskol'ko desyatkov akkreciruyushih kompaktnyh ob'ektov v tesnyh dvoinyh sistemah, nablyudayushihsya v rentgenovskom diapazone i yavlyayushihsya ochen' nadezhnymi kandidatami v chernye dyry. V pervuyu ochered', eto svyazano s izmereniyami ih mass, prevoshodyashimi predel ustoichivosti dlya neitronnyh zvezd [3]. Krome togo, spektral'nye i prochie harakteristiki etih istochnikov (naprimer, svyazannye s fluktuaciyami potoka izlucheniya ot nih) nailuchshim obrazov opisyvayutsya v modeli chernyh dyr. Izmerennye massy chernyh dyr zvezdnyh mass v osnovnom zaklyucheny v predelah ot 5 do 15 solnechnyh.

Izvestno bol'shoe kolichestvo kandidatov v sverhmassivnye chernye dyry. Vo-pervyh, fenomen aktivnogo yadra galaktiki (kvazary, blazary i dr.) poluchaet horoshuyu interpretaciyu lish' v modeli s chernoi dyroi. Poetomu formal'no my mozhem schitat', chto v kazhdoi galaktike s aktivnym yadrom nahoditsya sverhmassivnaya chernaya dyra, dazhe esli informaciya o konkretnyh parametrah central'nogo istochnika dovol'no skudna. Vo-vtoryh, dlya nekotoryh central'nyh ob'ektov galaktik est' nadezhnye izmereniya mass i ogranicheniya na razmery. Vmeste eti harakteristiki chrezvychaino trudno prointerpretirovat', ne pribegaya k gipoteze chernoi dyry (takie al'ternativy kak chasto upominaemaya bozonnaya zvezda imeyut znachitel'nye nedostatki i, po suti, yavlyayutsya eshe bolee ekzoticheskimi i maloveroyatnymi gipotezami). Naprimer, v centre nashei Galaktiki nahoditsya kompaktnyi massivnyi ob'ekt Sgr A* s massoi okolo 4 mln mass Solnce. On yavlyaetsya odnim iz naibolee izuchennyh kandidatov v chernye dyry. Izmereniya mass sverhmassivnyh chernyh dyr dayut velichiny ot neskol'kih tysyach (kak pravilo, v karlikovyh galaktikah) do primerno 20 mlrd mass Solnca. Blagodarya rabote t.n. Teleskopa gorizonta sobytii dlya sverhmassivnoi chernoi dyry v centre galaktiki M87 i dlya chernoi dyry v centre nashei Galaktiki udalos' poluchit' izobrazheniya okrestnostei, neposredstvenno prilegayushih k gorizontu (t.n. fotografii chernyh dyr).

Nakonec, registraciya v sentyabre 2015 g. gravitacionno-volnovogo signala na ustanovkah LIGO dala novye argumenty v pol'zu sushestvovaniya chernyh dyr. Chernye dyry, uchastvovavshie v pervyh zaregistrirovannyh sliyaniyah, imeyut neskol'ko bolee vysokie massy, chem akkreciruyushie ob'ekty v dvoinyh sistemah do neskol'kih desyatkov mass Solnca. Na konec 2022 g. na ustanovkah LIGO i Virgo zaregistrirovano uzhe pod sotnyu gravitacionno-volnovyh vspleskov, podavlyayushee bol'shinstvo kotoryh svyazano s chernymi dyrami. Ustanovki novogo pokoleniya (Einstein Telescope, Cosmic explorer), kotorye dolzhny byt' sozdany v seredine 21 veka, dadut vozmozhnost' izuchat' neposredstvennye okrestnosti gorizonta na novom urovne tochnosti.

V blizhaishie gody dannyh po chernym dyram, poluchaemyh raznymi metodami, budet vse bol'she i bol'she. Odnako chernye dyry budut ostavat'sya formal'no gipoteticheskimi ob'ektami, vozmozhno vplot' do registracii final'nyh stadii hokingovskogo ispareniya.

[1] Curiel E., Nature Astronomy, v.3, p.27 (2019). arXiv: 1808.01507
[2] Popov S.B., Bol'shaya rossiiskaya enciklopediya. https://bigenc.ru/physics/text/4683379
[3] Popov S.B., Bol'shaya rossiiskaya enciklopediya. https://bigenc.ru/physics/text/2257123

Publikacii s klyuchevymi slovami: chernye dyry Publikacii so slovami: chernye dyry
Sm. takzhe: Porfirion: samyi dlinnyi dzhet ot chernoi dyry Tumannost' Tyul'pan i chernaya dyra Lebed' X-1 Chernaya dyra razrushaet zvezdu: animaciya Sliyanie dvuh chernyh dyr: modelirovanie Galaktika, dzhet i znamenitaya chernaya dyra Akkrecionnyi disk chernoi dyry: vizualizaciya Akkreciruyushaya chernaya dyra s dzhetom Vse publikacii na tu zhe temu >>