Есть ли жизнь внутри черных дыр?

«Пошевелить» пространство – время можно путем резких движений или колебаний массивных объектов, создающих, как мы помним, искривления пространства – времени. В частности, две черные дыры, которые образуют пару и обращаются по орбите друг вокруг друга, являются источником гравитационных волн. Такие пары черных дыр достаточно часто образуются в результате эволюции звезд. Сначала имелась пара обычных звезд, которые последовательно вспыхнули как сверхновые и превратились в черные дыры. Излучая гравитационные волны, двойная система черных дыр теряет энергию, и ее компоненты сближаются. Наиболее сильный гравитационный всплеск возникает в момент столкновения двух черных дыр, после чего они объединяются вместе и становятся одной черной дырой.

Двойная черная дыра генерирует гравитационные волны

В 2015г. с помощью сложнейших лазерных интерферометров LIGO/Virgo физики сумели зарегистрировать гравитационные волны, генерируемые слияниями пар черных дыр в далеких галактиках. Массы этих черных дыр были примерно в 30 раз больше масс Солнца, поэтому они образовались, вероятно, при взрывах очень массивных звезд. Или же они могут быть первичными черными дырами, образовавшимися в ранней Вселенной. Гравитационные волны были достоверно зарегистрированы несколько раз. При этом оказалось, что в большинстве случаев никакой другой объект, кроме черной дыры, не может обеспечить наблюдавшуюся форму сигнала. Форма сигнала определяется быстрым движением двух черных дыр по орбите непосредственно перед слиянием и последующими колебаниями горизонта образующейся после слияния единой черной дыры. А слияния объектов с твердой поверхностью генерировали бы сигналы иной формы. И это тоже было подтверждено в 2017г., когда был зарегистрирован гравитационно – волновой сигнал и от слияния двух нейтронных звезд. Строго говоря, в этом слиянии как минимум один объект точно является нейтронной звездой, а второй может быть нейтронной звездой или черной дырой. При слиянии двух черных дыр пространство – время возмущено сильно, поэтому наблюдение гравитационных волн от слияний черных дыр дало проверку Общей теории относительности в области сильных полей. К настоящему моменту зарегистрированы уже десятки всплесков гравитационных волн. Таким образом, удалось окончательно установить, что гравитационные волны действительно существуют.

Также ожидается, что мощные сигналы в форме гравитационных волн генерируется и во время взрывов сверхновых. В нашей Галактике примерно раз в 50 лет взрываются сверхновые, поэтому в обозримом будущем появится возможность наблюдать гравитационные волны и от таких взрывов.

Вселенная

Окружающее нас вещество распределено неоднородно, оно образует множество отдельных объектов и предметов – от атомов до сверхскоплений галактик. Но если мысленно переходить от малых ко все большим и большим масштабам, то мы перестанем видеть эти неоднородности. Точно так же мы не видим неровности штукатурки на стене дома, если отошли от стены достаточно далеко. На масштабах, превышающих размеры сверхскоплений галактик, Вселенная начнет выглядеть как однородная, имеющая во всех местах одинаковую плотность. С течением времени эта плотность уменьшается из-за расширения пространства. Вселенная расширяется!

Во времена Ньютона Вселенную в целом представляли, чем – то неподвижным и неизменным с момента ее создания. Неподвижно на своих местах располагались звезды. И только планеты обращались по орбитам вокруг Солнца (при Ньютоне гелиоцентрическая точка зрения уже получила распространение), и лишь на Земле в мелких по космическим меркам масштабах копошилась разнообразная жизнь. Дальний космос же был величественен и неподвижен. Интересно, что представление о неизменной Вселенной дожило до XX – го века: Эйнштейн тоже сначала считал Вселенную статической. Он разработал модель однородной, но не расширяющейся Вселенной. При этом ему пришлось ввести в свои уравнения гравитации искусственную добавку – космологическую постоянную, называемую также лямбда – членом. Иначе статическая неподвижная Вселенная из уравнений не получалась. А чуть позже А. Фридман, используя уравнения Эйнштейна, построил модель расширяющейся Вселенной. Оказалось, что совсем не обязательно требовать неподвижности. Расширение Вселенной было подтверждено Э. Хабблом в 1920—х годах при наблюдении разлета галактик. Для расширения Вселенной в согласии с имеющимися тогда данными лямбда – члена не требовалось. Лишь в 1990—х годах с увеличением точности наблюдений было установлено, что лямбда – член во Вселенной все – таки существует. Но не в форме новой фундаментальной константы, как предполагал Эйнштейн, а в виде темной энергии.

В каком бы месте мы ни находились, расширение будет выглядеть примерно одинаково. Нам будет казаться, что другие далекие галактики разлетаются от нас словно от центра. Но как такое может быть? Ведь не может же каждая точка пространства быть центром Вселенной? Противоречия здесь нет. Это легко понять, если представить себе поверхность надуваемого воздушного шарика. Все точки на поверхности шарика удаляются друг от друга, и каждая из них может считать себя центром расширения, хотя единого центра на поверхности нет. Поверхность воздушного шарика двумерная. На ней, как и на глобусе, положение любой точки можно задать двумя числами: широтой и долготой. Примерно так же расширяется и трехмерное пространство Вселенной. Единого центра нет, но наблюдатель в каждой точке видит разлет вещества во всех направлениях. Все выглядит так, будто наблюдатель находится в центре расширения.

Пространство Вселенной расширяется подобно поверхности воздушного шарика

Трехмерное пространство нашей Вселенной можно формально математически представить как сферическую поверхность во вспомогательном четырехмерном пространстве. Но, в отличие от воздушного шарика, эту поверхность нельзя, например, проткнуть иголкой извне, так как внешнего по отношению к ней пространства просто не существует. Любой предмет мы привыкли представлять в окружающем его более протяженном пространстве. Даже если орех находится в своей скорлупе, за пределами скорлупы всегда что – то есть. Но в случае со всей Вселенной нет никакого внешнего по отношению к ней пространства, хотя математики и могут его условно «дорисовать», используя дополнительные измерения. Дополнительные по отношению к обычным измерениям: к длине, ширине и высоте. Математики добавляют к ним другие измерения, у которых даже нет названия. Кстати, в некоторых не доказанных пока физических теориях дополнительные измерения рассматриваются как реально существующие. Но в данном случае, о котором мы здесь говорим, трехмерное пространство Вселенной представляется вложенным в формальное математическое 4—мерное пространство, которое существует лишь как математическая конструкция и не более того.

Из уравнений Эйнштейна, исследованных Фридманом, следует, что пространство Вселенной может быть трех типов: оно может быть конечным по размеру и иметь положительную кривизну, может быть бесконечным и плоским, либо оно может быть бесконечным и иметь отрицательную кривизну. Знак кривизны говорит о том, как искривлено пространство. Глобальная кривизна определяется наличием тяготеющих тел, точнее, их средней плотностью – плотностью, которая получается, если массу всех тел равномерно размазать по всему пространству. В первом из указанных случаев оно похоже на поверхность шара, если представлять его вложенным во вспомогательное четырехмерное пространство. Во втором случае пространство напоминает бесконечную ровную плоскость. В третьем случае форма пространственной поверхности похожа на лошадиное седло, загибаясь в разных направлениях. От знака кривизны зависит дальнейшая судьба Вселенной. В простейших космологических моделях Вселенная с отрицательной и нулевой кривизной будет расширяться вечно, а расширение Вселенной с положительной кривизной в некоторый момент сменится сжатием, и Вселенная в итоге сожмется почти в точку. Какой из этих трех вариантов реализован в природе, пока неизвестно, но Вселенная с большой точностью является плоской, ее средняя пространственная кривизна близка к нулю, хотя может слегка отличаться от нуля в любую сторону.

Модификации и обобщения Общей теории относительности

После создания Общей теории относительности появились несколько ее модификаций. Вейль, Калуца и Клейн, а также сам Эйнштейн пытались объяснить электромагнетизм через усложнение геометрии пространства – времени. Ставился вопрос, не являются ли электрическое и магнитное поле просто проявлением дополнительных измерений пространства – времени или каких – то других геометрических структур? Главной целью в этой деятельности является построение единой универсальной и, желательно, простой теории, которая объясняла бы все физические явления. К сожалению, до сих пор попытки построить такую теорию не принесли удовлетворительного результата.

В частности, с помощью модифицированной теории гравитации пытаются объяснить темную материю во Вселенной. Темную материю мы более подробно будем обсуждать позже. Сейчас лишь скажем, что это невидимое вещество в галактиках и скоплениях галактик, создающее гравитационное поле, которое является дополнительным к гравитации звезд и других видимых объектов. Пока неясно, из чего состоит темная материя. Идея модифицированной гравитации заключается в том, что темной материи нет вообще, а более быстрое, чем в ньютоновской теории, движение звезд и галактик объясняется поправками к уравнениям Эйнштейна и, как следствие, поправками к закону тяготения Ньютона на больших масштабах. Логически такая возможность не исключена. Вопрос в том, можно ли в рамках таких модифицированных теорий объяснить всю совокупность наблюдательных данных? Отдельные данные теория модифицированной гравитации объясняет хорошо, а другие – с трудом.

Предпринимались попытки построить теорию тяготения как теорию поля в плоском пространстве – времени, т.к. в этом случае проще проводить квантование гравитации. Однако всеобщего признания эти теории не получили. В частности, в таких теориях невозможно образование черных дыр. При сжатии звезды вещество, согласно таким теориям, должно сжиматься и стабилизироваться на некотором радиусе, не допуская образование горизонта событий черной дыры.

Сложно предугадать, как дальше будет развиваться наука, но пока эйнштейновская теория в ее первоначальном виде прекрасно описывает природу.

Ученые мечтают построить такую теорию, которая сможет объяснить все фундаментальные процессы во Вселенной, объединить все поля и частицы. Так, теория Максвелла объединяет электрические и магнитные явления, которые становятся просто разным проявлением единого электромагнитного поля. Набор уравнений Единой теории поля будет задавать правила игры, подобно правилам в шахматах или футболе, но гораздо более сложные. По этим единым универсальным правилам рождаются, взаимодействуют и взаимно превращаются все частицы и поля.

Большинство исследователей сходится в том, что гравитация среди этого всеобщего единства не останется в стороне, а будет играть, возможно, принципиальную и определяющую роль. Что искривленное пространство – время – это не просто сцена, на которой разворачиваются события. Оно само будет квантоваться, бурлить, распадаться на частицы – гравитоны. В общем, жить сложной и активной жизнью. Общая теория относительности уже показала, что пространство – время имеет динамику – оно искривляется в зависимости от имеющегося в нем вещества, а в квантовой теории от гравитации ожидается еще большее. Калуца, Клейн, Эйнштейн и другие исследователи уже пытались объяснить электромагнетизм как одно из свойств искривленного пространства – времени, но подобные усилия пока к успеху не привели. Однако нельзя исключать, что в рамках какого – то более хитроумного подхода мечта физиков об окончательной единой теории все – таки сбудется.

Черные дыры

Общая теория относительности предсказывает существование черных дыр, которые с математической точки зрения являются решениями уравнений Эйнштейна. Пространство – время способно так сильно искривиться, что из отдельных его областей свет не сможет выйти наружу, возникает как бы ловушка для света и всех других частиц. Это и есть черная дыра.

Кстати говоря, объект, притяжение которого столь велико, что скорость убегания с его поверхности равна скорости света, обсуждал английский священник Джон Мичелл (1724—1793) еще в 1784 г. – задолго до создания Общей теории относительности. Мичелл пользовался тогда теорией Ньютона и пришел к выводу, что такой объект будет невидимым, поскольку он не отпускает от себя свет. Он назвал их темными звездами. Через 14 лет после появления статьи Мичелла знаменитый французский ученый Пьер Симон Лапласс вычислил радиус такой темной звезды, удивительным образом совпадающий с радиусом незаряженной и невращающейся сферически симметричной черной дыры в Общей теории относительности.

Особый всплеск интереса к черным дырам возник тогда, когда во Вселенной были открыты очень мощные источники излучения – квазары (квазизвездные объекты, что в переводе на обычный язык означает «как бы звездные»). Сейчас уже надежно установлено, что это аккрецирующие черные дыры с массами в миллионы и миллиарды масс Солнца, расположенные в центрах очень далеких галактик. Исследование этих объектов подстегнуло теоретические исследования по гравитации и физике черных дыр. Квазарами называют наиболее мощные и далекие активные ядра галактик, т.е. квазары – это подкласс активных ядер галактик. Также теория звездной эволюции предсказывает существование многочисленных черных дыр звездных масс. Таким образом, черные дыры могут иметь массы в очень широком диапазоне – от масс элементарных частиц, до звездных и еще больших масс. Одна из наиболее интересных для нас черных дыр – это черная дыра в центре нашей Галактики – Млечного пути. Ее масса в миллионы раз превышает массу Солнца.

В последние 20 лет черные дыры стали необычайно популярны и начали широко обсуждаться благодаря тому, что с развитием техники астрономических наблюдений появились убедительные свидетельства их реального существования. На наших глазах черные дыры превращаются из формальных математических конструкций, рассматриваемых теоретиками, в реально существующие объекты. Но они станут окончательно реальными, когда путем очень точных астрономических наблюдений будет доказано наличие у них горизонта, из-под которого наружу не выходит даже свет.

Напомним еще раз, что такое черная дыра. Это очень сильно сжавшийся массивный объект, например ядро звезды. Объект имеет настолько сильное гравитационное поле, что никакое тело не может из него вылететь. По – простому говоря, вторая космическая скорость у черной дыры больше скорости света. Поэтому есть некая область, окружающая этот объект, внутренность которой недоступна наблюдениям извне. Граница этой области называется горизонтом событий черной дыры. Чтобы увидеть, что находится внутри горизонта, необходимо пересечь горизонт, то есть, залететь внутрь черной дыры, но без надежды вернуться обратно. Когда корабли уплывают за линию горизонта на земном шаре, мы перестаем их видеть. А в случае черной дыры свет не может доходить до нас из-под горизонта черной дыры.