Четыре года назад сверхмассивная чёрная дыра, скрытая в сердце галактики SDSS1335+0728, проснулась и объявила о своём присутствии взрывом излучения. Это первый случай, когда астрономы наблюдали внезапную активацию сверхмассивной чёрной дыры в режиме реального времени.
Звездное скопление Омега Центавра (Рис.1) с массой в 4 миллиона солнечных имеет радиус около 90 световых. 10 июля 2024 года в журнале Nature была опубликована сенсационная статья об открытии в этом скоплении черной дыры с массой в 8200 раз больше массы Солнца. Главными свидетелями существования этого невидимого объекта оказались быстрые звезды, которые без гравитационного поля массивной дыры должны были покинуть скопление очень быстро - в течение тысячи лет.
Учёные указали на потенциальную связь между тёмной энергией и чёрными дырами. Новое исследование предполагает, что по мере того, как всё больше чёрных дыр рождалось в «небольших эпизодах обратного воспроизведения Большого взрыва» в космосе возрастом 14,6 миллиарда лет, сила тёмной энергии становилась всё более доминирующей и продолжает меняться до сих пор.
Тёмная энергия — это условное название таинственной силы, ускоряющей расширение Вселенной в нынешнюю эпоху. Она вызывает беспокойство, потому что учёные понятия не имеют, что такое тёмная энергия, при том, что она доминирует в нашей Вселенной, составляя около 70 % космического бюджета материи и энергии. Однако так было не всегда. До наступления эпохи доминирования тёмной энергии Вселенной управляли материя и гравитация. Они сумели замедлить её первоначальное расширение, вызванное Большим взрывом, до почти полной остановки. Затем, около 5 миллиардов лет назад, тёмная энергия совершила свой космический переворот, снова «ударив по газам» в процессе расширения Вселенной. Проблема в том, что никто не знает, откуда она взялась и как произошёл этот переход от доминирования материи к тёмной энергии.
В 1963 году математик Рой Керр нашёл для уравнений Эйнштейна такое решение, которое в точности описывало пространство-время в окрестностях такой области пространства, которую мы сегодня называем «вращающейся чёрной дырой». Сам этот термин появился несколькими годами позже. В течение почти шестидесяти лет с тех пор удалось показать, что так называемые керровские чёрные дыры стабильны. По словам Жереми Шефтеля, математика из Сорбонны, «можно представить, что мы берём нечто, напоминающее керровскую чёрную дыру, и немного её подталкиваем – например, зарядив в неё гравитационными волнами. В таком случае можно ожидать, что в будущем возникшая рябь уляжется, и объект снова будет выглядеть точно как керровское решение»
Противоположная ситуация — математическая нестабильность — «привела бы к глубоким противоречиям в теоретической физике и означала бы, что физическая картина мира требует уточнения на самом фундаментальном уровне – то есть, в пределах эйнштейновской теории гравитации.
29 мая 2023 года детектор LIGO Livingston наблюдал загадочный сигнал, названный GW230529. Он возник в результате слияния нейтронной звезды с неизвестным компактным объектом, скорее всего, необычайно лёгкой чёрной дырой. Имея массу, лишь в несколько раз превышающую массу нашего Солнца, объект попадает в «зазор меньшей массы» между самыми тяжёлыми нейтронными звёздами и самыми лёгкими чёрными дырами. Исследователи из Института гравитационной физики имени Макса Планка способствовали открытию благодаря точным моделям волновых форм, новым методам анализа данных и сложной технологии детекторов. Хотя это событие было замечено только благодаря гравитационным волнам, оно даёт основания ожидать, что в будущем больше подобных событий будет наблюдаться и с помощью электромагнитных волн.
Около 30 лет исследователи спорили о том, существуют ли объекты, масса которых попадает в «зазор» между массой самых тяжёлых нейтронных звёзд и массой самых лёгких чёрных дыр. Теперь учёные впервые обнаружили объект, чья масса попадает прямо в этот зазор, который считался практически пустым. «Это очень захватывающее время для исследований гравитационных волн, поскольку мы погружаемся в области, которые обещают изменить наше теоретическое понимание астрофизических явлений, в которых доминирует гравитация», — говорит Алессандра Буонанно, директор Института гравитационной физики Макса Планка в Потсдамском научном парке.
Наше время на Земле подошло к концу, команда исследователей берет на себя самую важную миссию в истории человечества; путешествуя за пределами нашей галактики, чтобы узнать есть ли у человечества будущее среди звезд.Трейлеры и реклама по ТВ также мало о чём нам рассказали. Складывалось лишь впечатление, что это очередной захватывающий голливудский боевичок в космосе.
Когда что-то падает в чёрную дыру, куда оно девается и выйдет ли когда-нибудь обратно? Согласно общей теории относительности Эйнштейна, ответы на эти вопросы просты: как только что-либо физическое — материя, антиматерия, излучение и т. д. — пересекает горизонт событий, оно исчезает. Оно может добавить чёрной дыре массу, электрический заряд и угловой момент, но не более того. Она стремительно движется к центральной сингулярности и в конце концов попадает в неё, и больше никогда не вырвется наружу.
Но наша Вселенная управляется не только ОТО, но и квантовой физикой. Согласно нашему лучшему пониманию квантовой реальности, необходимо учитывать гораздо больше. Во-первых, у исходных ингредиентов чёрной дыры существуют свои квантовые свойства: барионное число, лептонное число, цветовой заряд, спин, номер семейства лептонов, слабый изоспин и гиперзаряд и т. д.. Во-вторых, сама ткань пространства-времени, в которой находится чёрная дыра, является квантовой по своей природе. Благодаря этим квантовым свойствам чёрные дыры не остаются статичными, а скорее испаряются со временем, испуская при этом излучение Хокинга (и, возможно, даже что-то ещё).
С помощью космического телескопа имени Джеймса Уэбба астрономы обнаружили «чрезвычайно красную» сверхмассивную чёрную дыру, растущую в ранней, довольно тёмной ещё Вселенной.
Красный оттенок сверхмассивной чёрной дыры, которую мы видим примерно через 700 миллионов лет после Большого взрыва, является результатом расширения Вселенной. Когда Вселенная расширяется во всех направлениях, свет, идущий к нам, «краснеет», и в данном случае красное смещение света указывает на пелену из плотного газа и пыли, окутывающую чёрную дыру.
Сразу предупреждаю. Будет много текста и картинок.
В ноябре 2023 года я опубликовал в этом блоге статью «Информационный парадокс чёрных дыр теоретически разрешим на квантовом компьютере», которая получила сравнительно невысокую оценку +18, но собрала интереснейшую дискуссию (60 комментариев). Мне особенно понравился вклад уважаемого Михаила Рашковецкого @MishaRash, который вскоре подписался на мой блог.
Суть моей статьи заключалась в том, что мы не вполне понимаем, как может выглядеть вблизи горизонт событий чёрной дыры. На Хабре также публиковались статьи с рассуждениями о том, каковы механизмы образования хокинговского излучения (перевод @Shkaff автор оригинала — Сабина Хоссенфельдер) и не является ли чёрная дыра квантовым объектом (перевод @SLY_G автор оригинала — Пол Саттер). Тем интереснее, что трактовка чёрной дыры как сверхплотного остатка звезды, сколлапсировавшего под действием гравитации далеко не единственная. Ниже мы рассмотрим некоторые крайне экзотические гипотезы о природе чёрных дыр, и в особенности остановимся на свойствах гипотетических гравастаров — гравитационных вакуумных звёзд.
Эта статья является конспектом книги «Маленькая книга о черных дырах». Материал посвящен таким астрономическим объектам, как рентгеновские двойные и квазары.
В 1960-е и 1970-е годы в понимании черных дыр произошла настоящая революция. Современное теоретическое представление о черных дырах было в целом построено именно тогда благодаря математическим достижениям и глубоким прозрениям многих исследователей. В то же самое время астрономы все глубже и дальше вглядывались во Вселенную, используя все более чувствительные оптические и радиотелескопы. Были открыты два новых класса астрономических объектов: квазары и рентгеновские двойные системы. Именно там, как сейчас думают ученые, и находятся черные дыры.
