В запутанных чертогах черных дыр сталкиваются две фундаментальные теории, описывающие наш мир. Существуют ли черные дыры на самом деле? Похоже, что да. Можно ли разрешить фундаментальные проблемы, которые всплывают при ближайшем рассмотрении черных дыр? Неизвестно. Чтобы понять, с чем имеют дело ученые, придется немного погрузиться в историю изучения этих необычных объектов. И начнем мы с того, что из всех сил, которые существуют в физике, есть одна, которую мы не понимаем вовсе: гравитация.

Гравитация — точка пересечения фундаментальной физики и астрономии, граница, на которой сталкиваются две самых фундаментальных теории, описывающих наш мир: квантовая теория и теория пространства-времени и гравитации Эйнштейна, она же общая теория относительности.

Черные дыры и гравитация

Две эти теории кажутся несовместимыми. И это даже не проблема. Они существуют в разных мирах, квантовая механика описывает очень малое, а ОТО описывает очень большое.

Только когда вы доходите до чрезвычайно малых масштабов и экстремальной гравитации, эти две теории сталкиваются и каким-то образом одна из них оказывается неверной. Во всяком случае, так следует из теории.

Но есть во Вселенной одно место, где мы могли бы фактически засвидетельствовать эту проблему, а может быть даже и решить: граница черной дыры. Именно здесь мы встречаем самую экстремальную гравитацию. Только вот есть одна проблема: никто никогда не «видел» черной дыры.

Что такое черная дыра?

Представьте, что вся драма в физическом мире разворачивается в театре пространства-времени, но гравитация — это единственная сила, которая фактически изменяет театр, в котором играет.

Сила гравитации управляет Вселенной, однако может даже и не быть силой в традиционном понимании. Эйнштейн описывал ее как следствие деформации пространства-времени. И, возможно, она просто не вписывается в Стандартную модель физики частиц.

Когда очень большая звезда взрывается в конце своего срока жизни, ее самая внутренняя часть обрушивается под действием собственной гравитации, поскольку для поддержания давления, действующего против силы тяжести, больше не хватает топлива. В конце концов, гравитация все-таки способна оказывать силу, похоже на это.

Материя коллапсирует и никакая сила в природе не может оставить этот коллапс.

За бесконечное время звезда коллапсирует в бесконечно малую точку: сингулярность, либо давайте назовем ее черной дырой. Но за конечное время, конечно, звездное ядро коллапсирует в нечто, имеющее конечные размеры, и все еще будет обладать огромной массой в бесконечно малой области. И тоже будет называться черной дырой.

Черные дыры не засасывают все вокруг

Примечательно то, что идея того, что черная дыра неизбежно засосет все в себя, — неверна

На самом деле, независимо от того, вращаетесь вы вокруг звезды или черной дыры, сформировавшейся из звезды, это не имеет значения, если масса остается прежней. Старая добрая центробежная сила и ваш угловой момент сохранят вас в безопасности и не дадут вам упасть.

И только когда вы включите свои ракетные тормоза, чтобы прервать вращение, вы начнете падать внутрь.

Однако, как только вы начнете падать в черную дыры, постепенно вы будете ускоряться до все более высоких скоростей, пока, наконец, не достигнете скорости света.

Почему квантовая теория и общая теория относительности несовместимы?

На данный момент все идет прахом, поскольку в соответствии с ОТО ничто не может двигаться быстрее скорости света.

Свет — это субстрат, используемый в квантовом мире для обмена силами и транспортировки информации в макромир. Свет определяет, как быстро вы можете соединить причину и следствия. Если вы будете двигаться быстрее света, вы сможете увидеть события и изменить вещи до того, как они произойдут. И у этого есть два последствия:

• В точке, где вы достигаете скорости света, падая внутрь, вам также необходимо вылететь из этой точки на еще большей скорости, что кажется невозможным. Следовательно, обыкновенная физическая мудрость скажет вам, что ничто не может покинуть черную дыру, преодолев этот барьер, который мы называем также «горизонтом событий».
• Из этого также следует, что внезапно нарушаются базовые принципы сохранения квантовой информации.

Верно ли это и как нам модифицировать теорию гравитации (или квантовой физики) — это вопросы, на которые ищут ответы очень многие физики. И никто из нас не может сказать, к каким аргументам мы придем в итоге.

Существуют ли черные дыры?

Очевидно, все это волнение было бы оправдано только в том случае, если бы черные дыры реально существовали в этой Вселенной. Так существуют ли они?

В прошлом столетии убедительно доказали, что некоторые двойные звезды с интенсивным рентгеновским излучением на самом деле являются звездами, коллапсировавшими в черные дыры.

Более того, в центрах галактик мы часто находим доказательства огромных, темных концентраций массы. Это могут быть сверхмассивные версии черных дыр, вероятно, образованных в процессе слияния множества звезд и газовых облаков, которые погрузились в центр галактики.

Доказательства убедительные, но косвенные. Гравитационные волны позволили нам хотя бы «услышать» слияние черных дыр, но сигнатура горизонта событий все еще неуловима и мы никогда не «видели» черных дыр до сих пор — они просто слишком малы, слишком далеки и, в большинстве случаев, слишком черные.

Как же выглядит черная дыра?

Если посмотреть прямо в черную дыру, вы увидите самую темную темноту, которую только можно представить.

Но непосредственное окружение черной дыры может быть достаточно ярким, поскольку газы закручиваются по спирали внутрь — замедляясь за счет сопротивления магнитных полей, которые они переносят.

Из-за магнитного трения газ нагревается до огромных температур в несколько десятков миллиардов градусов и начинает излучать ультрафиолетовое и рентгеновское излучение.

Ультрагорячие электроны, взаимодействующие с магнитным полем в газе, начинают производить интенсивное радиоизлучение. Таким образом, черные дыры могут светиться и могут быть окружены огненным кольцом, излучающим на разных длинах волн.

Кольцо огня с черным-черным центром

И все же, в самом центре горизонт событий улавливает, как хищная птица, каждый фотон, который подходит слишком близко.

Поскольку пространство искривлено огромной массой черной дыры, дорожки света также искривляются и даже образуют почти концентрические круги вокруг черной дыры, подобно серпантинам вокруг глубокой долины. Этот эффект кольца света был рассчитан уже в 1916 году известным математиком Дэвидом Гильбертом всего через несколько месяцев после того, как Альберт Эйнштейн завершил свою общую теорию относительности.

После многократного обхода черной дыры, некоторые из лучей света могут сбежать, а другие окажутся в горизонте событий. На этом замысловатом пути света вы буквально можете заглянуть в черную дыру. И «ничто», которое предстанет вашему взгляду, будет горизонтом событий.

Если бы вы сделали снимок черной дыры, вы бы увидели черную тень в окружении светящегося тумана света. Мы назвали эту особенность тенью черной дыры.

Что примечательно, эта тень кажется больше, чем можно было бы ожидать, если взять за исходную точку диаметр горизонта событий. Причина в том, что черная дыра действует как гигантская линза, усиливая себя.

Окружение тени будет представлено крошечным «фотонным кольцом» из-за света, который кружит вокруг черной дыры почти вечно. Кроме того, вы увидите больше колец света, возникающих вблизи горизонта событий, однако концентрирующихся вокруг тени черной дыры из-за эффекта линзирования.

Фантазия или реальность?

Может ли черная дыра быть сущей выдумкой, которую разве что на компьютере можно смоделировать? Или же ее можно увидеть на практике? Ответ: возможно.

Во Вселенной есть две относительно близлежащие сверхмассивные черные дыры, которые настолько велики и близки, что их тени могут быть запечатлены с использованием современных технологий.

В центре нашего Млечного Пути есть черные дыры на расстоянии 26 000 световых лет с массой в 4 миллиона раз больше массы Солнца и черная дыра в гигантской эллиптической галактике M87 (Messier 87) с массой в 3-6 миллиардов солнечных.

M87 в тысячу раз дальше, однако в тысячу раз массивнее и в тысячу раз больше, поэтому оба объекта будут иметь примерно один диаметр тени, проецируемой на небо.

Разглядеть зерно горчицы в Нью-Йорке из Европы

По случайному совпадению, простые теории излучения предсказывают, что для обоих объектов излучение, генерируемое вблизи горизонта событий, будет излучаться на радиочастотах 230 Гц и выше.

Большинство из нас сталкивается с этими частотами только тогда, когда нам приходится проходить через сканер в современном аэропорту. Черные дыры же постоянно в них купаются.

У этого излучения очень короткая длина волны — порядка миллиметра — которая легко поглощается водой. Для того, чтобы телескоп мог наблюдать космические миллиметровые волны, он должен быть размещен высоко на сухой горе, чтобы избежать поглощения излучения в тропосфере Земли.

По сути, нам понадобится миллиметровый телескоп, который сможет увидеть объект размером с горчичное зерно в Нью-Йорке, находясь где-нибудь в Нидерландах. Этот телескоп будет в тысячу раз зорче космического телескопа «Хаббл», а для миллиметрового диапазона волн размер такого телескопа будет с Атлантический океан или больше.

Виртуальный телескоп размером с Землю

К счастью, нам не нужно покрывать Землю одной-единственной радиотарелкой, потому что мы можем построить виртуальный телескоп с таким же разрешением, объединив данные с телескопов в разных горах по всей Земле.

Этот метод называется апертурным синтезом и очень длинной базовой интерферометрией (VLBI). Идея достаточно старая и проверенная несколькими десятилетиями, однако только сейчас ее стало возможно применять на высоких радиочастотах.

Первые успешные эксперименты показали, что структуры горизонта событий могут быть исследованы в таких частотах. Теперь же есть все необходимое для проведения такого эксперимента в больших масштабах.

Работы уже ведутся

Проект BlackHoleCam — это европейский проект окончательного изображения, измерения и понимания астрофизических черных дыр. Европейский проект является частью глобальной коллаборации — консорциума Event Horizon Telescope, в который входит больше 200 ученых из Европы, Америк, Азии и Африки. Вместе они хотят сделать первый снимок черной дыры.

В апреле 2017 года они наблюдали галактический центр и M87 при помощи восьми телескопах на шести различных горах в Испании, Аризоне, Гавайях, Мексике, Чили и Южном полюсе.

Все телескопы были оснащены точными атомными часами для точной синхронизации их данных. Ученые записали несколько петабайт сырых данных, благодаря удивительно хорошим погодным условиям по всему миру в то время.

Фото черной дыры

Если ученым удастся увидеть горизонт событий, они будут знать, что проблемы, которые возникают на стыке квантовой теории и ОТО, не абстрактны, а очень даже реальны. Возможно, именно тогда их можно будет разрешить.

Сделать это можно, если получить более четкие изображения теней черных дыр, либо отследить звезды и пульсары на их пути вокруг черных дыр, используя все доступные методы для исследования этих объектов.

Возможно, именно черные дыры станут нашими экзотическими лабораториями в будущем.