Черная дыра

Основной источник статьи: Большая российская энциклопедия

ЧЁРНЫЕ ДЫ́РЫ – общее название сколлапсировавших объектов, не имеющих материальной поверхности; их границей является горизонт событий.

История изучения

В рамках ньютоновской физики ранние идеи о существовании столь массивных или столь компактных объектов, что никакие тела и даже частицы света под действием гравитации не могут уйти далеко от их поверхности, относятся ещё к 18 веку [Дж. Мичелл (Англия), П. С. Лаплас].

Современный взгляд на природу таких объектов возник с созданием общей теории относительности (ОТО).

Первые работы по этому вопросу принадлежат К. Шварцшильду.

Всплеск интереса к развитию физики черных дыр (конец 1950-х – начало 1960-х годов) был вызван работами американского учёного Д. Финкельштейна.

Термин «черная дыра», по всей видимости, впервые использовала американская журналистка Э. Эвинг в 1964; через несколько лет это словосочетание стало популярным благодаря американскому физику Дж. Уилеру. В начале 1970-х годов термин стал общеупотребительным.

Черные дыры в различных физических теориях

Прямого наблюдательного подтверждения существования черных дыр нет, однако существует ряд астрономических объектов, свойства которых наиболее точно описываются в рамках этой гипотезы. Кроме того, основные теории гравитации предсказывают неизбежность формирования черных дыр при определённых реалистичных условиях. В разных теориях гравитации свойства черные дыры могут различаться. Наиболее распространённым является описание черных дыр в рамках ОТО.

Черные дыры в Общей теории относительности

Согласно ОТО, внутри черной дыры существует так называемая сингулярность, в которой кривизна пространства-времени и плотность материи формально достигают бесконечного значения. В случае невращающейся черной дыры сингулярность является точкой в центре черной дыры; всё попавшее в черную дыру вещество оказывается в сингулярности. В случае вращающихся черной дыры сингулярность имеет структуру бесконечно тонкого кольца, и при некоторых условиях частицы могут избежать попадания в неё. В рамках ОТО черная дыра описывается тремя параметрами: массой, моментом импульса и электрическим зарядом. Зарядом черной дыры, как правило, можно пренебречь, поскольку даже в случае возникновения заряженной черной дыры приток частиц с зарядом противоположного знака быстро сделает макроскопический объект электрически нейтральным. Размер черной дыры прямо пропорционален её массе. При массе, равной 10 массам Солнца, радиус невращающейся незаряженной черной дыры составляет около 30 км.

Механизмы формирования черных дыр

Основные механизмы формирования черных дыр в природе – астрофизические. Во-первых, это гравитационный коллапс ядер массивных звёзд на конечной стадии звёздной эволюции. В результате формируются черные дыры с массами от нескольких единиц до нескольких десятков масс Солнца. Во-вторых, это коллапс облаков газа на ранней стадии формирования галактик, приводящий к появлению черных дыр с массами свыше нескольких тысяч масс Солнца. В дальнейшем они в основном становятся сверхмассивными черными дырами в ядрах галактик. Наконец, существует гипотетический механизм формирования так называемых первичных черных дыр в ранней Вселенной за счёт флуктуаций плотности.

Особенности наблюдения черных дыр

Наблюдения черных дыр связаны с проявлениями материи вне этих объектов. В первую очередь, это аккреция вещества на черную дыру. Кроме того, есть кандидаты в события гравитационного микролинзирования на одиночные черные дыры звёздных масс. Особое место занимает регистрация гравитационно-волновых всплесков при слияниях черных дыр. В этом случае наблюдаются гравитационные волны, возникающие при сильных возмущениях метрики.

Хокинговое испарение черных дыр

В 1974 С. Хокинг предположил, что черная дыра, с учётом квантовых эффектов, должна непрерывно испускать частицы (так называемое излучение Хокинга) и за счёт этого терять свою энергию и массу («испарение» черной дыры). Прямым доказательством существования черных дыр стало бы обнаружение финальных (взрывных) стадий хокинговского испарения этих объектов.

Массы черных дыр

На 2017 г. существовало несколько десятков аккрецирующих компактных объектов в тесных двойных системах, наблюдаемых в рентгеновском диапазоне, которые являются надёжными кандидатами в черные дыры. Это связано в первую очередь с измерениями их масс, превосходящих предел устойчивости для нейтронных звёзд. Кроме того, спектральные и другие характеристики этих источников наилучшим образом описываются в модели черных дыр. Измеренные массы черных дыр звёздных масс в основном заключены в пределах от 5 до 15 масс Солнца.

Существует большое количество кандидатов в сверхмассивные черные дыры. Во-первых, феномен активных ядер галактик (квазары и др.) получает хорошую интерпретацию лишь в модели с черными дырами. Поэтому формально можно считать, что в каждой галактике с активным ядром находится сверхмассивная черная дыра. Во-вторых, для некоторых центральных объектов галактик есть надёжные измерения масс и ограничения на размеры. Вместе эти характеристики чрезвычайно трудно проинтерпретировать, не прибегая к гипотезе черных дыр. Измерения масс сверхмассивных черных дыр дают величины от нескольких тысяч (как правило, в карликовых галактиках) до примерно 20 млрд. масс Солнца.

Регистрация в сентябре 2015 г. детекторами LIGO гравитационно-волнового сигнала дала новый аргумент в пользу существования черных дыр, поскольку форма зарегистрированного импульса соответствует ожидаемому от слияния двух черных дыр с массами в несколько десятков масс Солнца.

Литература статьи Большой российской энциклопедии

• Новиков И. Д., Фролов В. П. Физика черных дыр. М., 1986.
• Новиков И. Д., Фролов В. П. Черные дыры во Вселенной // Успехи физических наук. 2001. Т. 171. № 3.
• Черепащук А. М. Черные дыры в двойных звездных системах и ядрах галактик // Успехи физических наук. 2014. Т. 184. № 4.

Видео

• Охотники за черными дырами (2019).
• Анимация того, как черная дыра разрывает звезду — Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY).

Ссылки

• Николай Воронин. Темная лошадка: ближайшую к Земле черную дыру нашли в созвездии Единорога. — BBC, 24.04.2021.
• В паутину гигантской черной дыры попали целые галактики. Ученые разглядели это в гигантский телескоп. — BBC, 01.10.2020.
• Николай Воронин. Астрономы увидели в небе яркую вспышку. Это столкнулись две черные дыры. — BBC, 28.06.2020.
• Квантовые черные дыры. Отрывок из книги Карло Ровелли, посвященный физике черных звезд, квантовой гравитации и возможностям теоретической физики. — ПостНаука, 23.07.2019.
• Что будет, если попасть в черную дыру? Откуда они вообще берутся? Для чего их изучают? Стыдные вопросы о черных дырах. — Meduza, 17.04.2019.
• Николай Воронин. "Абсолютный монстр": ученым впервые удалось сфотографировать горизонт событий черной дыры.— BBC, 10.04.2019.
• Астрофизики впервые покажут изображение черной дыры. — Meduza, 10.04.2019.
• Николай Воронин "Пушистая черная дыра". Последняя работа Стивена Хокинга опубликована посмертно. — BBC, 11.09.2018.
• Николай Воронин. Черные дыры не только пожирают звезды, они могут зажигать их заново. — BBC, 04.09.2018.
• Аманда Гефтер. Что с вами произойдет внутри черной дыры? — BBC, 06.07.2015.