Черные дыры набирают популярность

Несмотря на то, что черные дыры теоретически изучаются уже давно, они постоянно преподносят новые сюрпризы исследователям. Но сейчас черные дыры снова вошли в моду, причем настолько, что в 2020 году Нобелевскую премию по физике отдали трем учеными, которые их изучают.

Нобелевская премия стала очередным доказательством того, что отвергнутая Эйнштейном в 1939 году идея стала одной из самых популярных тем в физике

 черными дырами далеко не все так, как кажется. Кольцо видимого света по окружности черной дыры имеет радиус 5GM/c2, где G — гравитационная постоянная Ньютона, М — масса черной дыры, а с — скорость света. Это кольцо больше горизонта событий невращающейся черной дыры в два с половиной раза, и до пяти раз, если добавить вращение. Таким образом, правда в рекламе требует рассказать о том, что телескоп горизонта событий на самом деле не дал намизображение супермассивной черной дыры в галактике M87. Он дал изображение света, находящегося гораздо дальше.

Для стороннего наблюдателя разница между кольцом света и горизонтом событий (его еще называют сферой Шварцшильда) носит чисто теоретический характер. Но для астронавта, летящего в черную дыру, разница жизненно важна. Когда он попадает в стены этой невероятной тюрьмы, которая связана с горизонтом, это становится для него смертным приговором, причем он не сможет поделиться впечатлениями с внешним миром. Пройдет менее суток, и тело астронавта достигнет сингулярности и будет разорвано на части гравитационными силами.

В 1939 году Альберт Эйнштейн написал работу для журнала «Анналы математики», где усомнился в существовании черных дыр. Но сейчас черные дыры снова вошли в моду, причем настолько, что в 2020 году Нобелевскую премию по физике отдали трем учеными, которые их изучают. Это дало мне повод для торжества, так как я являюсь директором-учредителем программы по исследованию черных дыр, которая создана при Гарвардском университете и объединяет астрономов, физиков, математиков и философов, изучающих черные дыры.

Карл Шварцшильд (Karl Schwarzschild) с радостью присоединился бы к нашему торжеству. К сожалению, он погиб на русско-германском фронте в годы Первой мировой войны больше 100 лет тому назад, буквально через полгода после того, как нашел решение уравнений Эйнштейна для невращающихся черных дыр.

Один из лауреатов Нобелевской премии за 2020 год Роджер Пенроуз (Roger Penrose) продемонстрировал, что черные дыры являются здравым предсказанием общей теории относительности Эйнштейна. Он изобрел новый математический метод для отображения пространственно-временного континуума под названием диаграмма Пенроуза. Он также показал, что из вращающейся черной дыры возможно извлекать энергию, как если бы она была маховиком. Такое извлечение энергии назвали процессом Пенроуза. Его гипотеза космической цензуры дает нам возможность делать прогнозы о будущем вселенной, исходя из патологии сингулярности черных дыр, где искривление пространства-времени взрывается, а теория Эйнштейна разваливается. Эта гипотеза гласит, что все сингулярности спрятаны за горизонтом событий, и поэтому приближающаяся к ним материя не оказывает причинно-следственного влияния на происходящее за пределами горизонта. Поэтому здесь применима фраза о Лас-Вегасе: «Что бы ни происходило внутри горизонта, остается внутри горизонта».

Два других нобелевских лауреата этого года по физике Рейнхард Гензель (Reinhard Genzel) и Андреа Гез (Andrea Ghez) удостоились этой почетной награды, показав, что в центре нашей галактики Млечный Путь находится черная дыра весом в четыре миллиона солнц. Открытие полвека назад квазаров указало на то, что сверхмассивные черные дыры в общем формируются в центрах галактик. Наблюдение в режиме реального времени за перемещением массивных звезд у центра нашей галактики, как если бы они являлись планетами, обращающимися по орбите вокруг звезды, указало на существование там черной дыры. До проведения этой работы было непонятно, связана ли черная дыра со стационарным радиоисточником Стрелец А.

Но они не только измерили массу черной дыры. Они также проверили теорию тяготения Эйнштейна. Обнаруженные ими звезды движутся по двум орбитальным плоскостям. В новой работе, написанной совместно с Джакомо Фраджионе (Giacomo Fragione), мы показали, что вращение черной дыры по этой причине должно быть незначительным, потому что иначе оно лишит четкости строгие орбитальные плоскости звезд во время их существования. Коллективы ученых во главе с Гензелем и Гез напряженно соперничали, возвысив свои усилия до огромных высот. Это был замечательный пример того, как конкуренция содействует развитию честной науки.

Одна из звезд, за которыми следили Гензель и Гез, это S2. Она совершает орбитальный виток вокруг центра галактики каждые 16 лет. Я дал совет своим студентам-астрономам: посвятить свои диссертационные исследования источникам типа S2, которые формируются и претерпевают изменения в пределах временных рамок в 10-20 лет. Так они смогут узнавать что-то новое об объекте своего исследования на всем протяжении карьеры.

Будь жив Стивен Хокинг, он стал бы достойным претендентом на Нобелевскую премию этого года, поскольку его работа не уступает работе Пенроуза по классической общей относительности с добавлением аспекта квантовой механики, связанного с испарением черных дыр.

Черные дыры одновременно простые и сложные. У них три характеристики: масса, заряд и вращение. Но как показал Яаков Бекенштейн (Jacob Bekenstein), они также обладают колоссальной энтропией. Было бы интересно отправиться в научную командировку до ближайшей черной дыры и изучить ее вблизи. Жизни человека на такой полет хватило бы, но в нашей солнечной системе такой дыры нет.

Хотя сами по себе черные дыры являются самыми темными объектами, они кажутся ярчайшими источниками света, надев на себя мантию из материи и превратившись в идеальный символ Хэллоуина. Исходящие из сверхмассивных черных дыр потоки формируют целые галактики. Расти они прекращают только из-за того, что получают огромный запас энергии и начинают разбрасывать еду со своего обеденного стола.

Из этих черных дыр мы получаем гораздо больше, чем можно было бы ожидать. Поэтому неудивительно, что мы без устали думаем и говорим о них.