Черная дыра — одно из самых загадочных космических тел, с которым связано много вопросов и заблуждений. Почему черную дыру неправильно сравнивать с пылесосом? Почему, вопреки расхожему представлению, в нее очень сложно попасть? Как выглядит предмет, «упавший» в нее? Об этом и многом другом рассказывает кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Государственного астрономического института им. П. К. Штернберга Московского государственного университета, Сергей Попов.
- Сергей Борисович, что такое гравитационное притяжение, как оно связано с черными дырами?
Современной стандартной теорией гравитации является Общая теория относительности (ОТО). Это геометрическая теория гравитации. Ученые при этом понимают, что любая современная теория гравитации и ОТО в частности — это не последний шаг. Не надо думать, что ОТО для ученых это священная корова, которую они лелеют и не трогают. Физика, как и любая другая область, делится на две части. Одни ученые используют уже имеющийся результат, то есть самую стандартную, самую проверенную теорию на сегодняшний день, и сейчас это ОТО. И есть люди, которые занимаются изучением теории гравитации. И они пытаются продвинуться дальше, сделать более общую, проверенную модель.
Так вот современная теория гравитации — геометрическая. С точки зрения этого подхода, массивные тела искажают геометрию пространства. Чтобы объяснить, что такое черная дыра, уместно привести следующий образ. Представьте резиновую плоскость, на которую положили шарик, и он продавил воронку. В реальности примерно так же возникает «яма» в пространстве, и когда тела притягиваются, они как бы скатываются в нее. С такой иллюстрацией очень легко объяснить, что такое черная дыра. Вы кладете на эту резиновую плоскость шарик, потом кладете более тяжелый шарик такого же размера или более маленький той же массы, он продавливает сильнее, и, наконец, область пространства-времени, как капелька, отделяется, замыкается от этой плоскости и становится обособленной областью. В некотором смысле это и есть черная дыра. Черная дыра — это область пространства-времени, которая вот так замкнулась, в нее можно попасть, а выбраться из нее уже нельзя. Геометрический образ наиболее адекватен. Гравитация действительно сворачивает пространство-время так, что образуется замкнутая полость, с точки зрения стороннего наблюдателя похожая на сферу. Это, пожалуй, самый близкий образ, который можно дать в рамках современных геометрических теорий.
- Как образуются черные дыры?
Образуются черные дыры одним основным способом: каким-то образом в маленький объем помещается большая масса. В принципе, конечно, любое тяжелое тело всегда стремится схлопнуться, поэтому природа образует черные дыры. С другой стороны, есть силы давления, которые этому противодействуют. Мы сидим на стульях и не проваливаемся к центру Земли, потому что не только мы давим на пол, но и пол давит на нас. Чтобы сделать черную дыру, нужно каким-то образом выключить эти силы давления. В твердых телах это сделать тяжело. Вот оно, давление, куда его деть? Его, правда, можно превзойти. А «выключить» давление в звездах немного проще. Звезда имеет внутреннее давление, то есть высокую температуру и плотность, в ней происходят термоядерные реакции, и они идут до определенного предела: топливо закончится, и конец. Так вот, самый простой способ сделать черную дыру — это взять достаточно массивную звезду, подождать, пока она использует все доступное топливо (а ждать придется недолго, массивные звезды живут несколько миллионов лет), тогда ядро звезды потеряет устойчивость, давление внутри будет уже слишком низкое, они начнут схлопываться. Это самый обычный путь образования черных дыр, и в галактике типа нашей черные дыры образуются примерно раз в тысячу лет, что, в общем, по галактическим меркам часто. В видимой части Вселенной примерно сто миллиардов крупных галактик. Получается, чаще чем раз в секунду в видимой части Вселенной образуется черная дыра. Это достаточно много.
- Что происходит с телами, попавшими в черную дыру? Можно ли сделать предположение о том, что происходит за горизонтом событий?
Горизонт событий не является, как говорят, истинной особенностью. То есть если протон попадает с «закрытыми глазами» в черную дыру, то он пересечет горизонт событий и не заметит, что с ним что-то произошло. Поэтому когда люди моделируют коллапс звезды, то они легко могут посчитать, как вещество уходит под горизонт. Проблема начинается уже с сингулярностью, то есть с достижением очень экстремальных условий, где уравнения перестают работать. Горизонт с точки зрения падающего тела не представляет собой что-то особенное.
- Это же не проверено экспериментально, откуда вы тогда знаете, что там, в сингулярности, уравнения перестают работать?
Совершенно верно. Какова, действительно, ситуация? У нас есть в качестве стандартной модели Общая теория относительности. Мы знаем, где она работает, более того, мы не знаем, где она не работает в доступной для наблюдения области. Мы можем посчитать, как двигаются тела в этой модели. Если модель стандартная, это означает, что не найдены условия, где она заведомо дает ложный результат. Не найдены именно в природе, в эксперименте, а не в теории. Поэтому мы пользуемся уравнениями этой модели и можем просчитывать разные ситуации. Действительно, с экспериментальной точки зрения мы не знаем, как ведут себя уравнения сразу за горизонтом событий, но есть хорошо подкрепленное мнение, что ничего удивительного там не происходит. Конечно, меняется внешний вид падающего в черную дыру тела, на которое гипотетический наблюдатель смотрит со стороны. Но важно то, что мы знаем, как это посчитать. Если мы продолжаем траекторию движения частиц, упавших в черную дыру, дальше, до самого центра, то так или иначе, они попадают в точку с экстремальными параметрами. По уравнениям тела, попавшие за горизонт событий, должны падать в самый центр, туда, где достигается бесконечная плотность. А как только появляется бесконечность, модель перестает работать, и что происходит в центре, мы не знаем. Существующие модели не адекватны для описания условий в центре черной дыры. Конечно, природа должна каким-то образом избегать бесконечных плотностей, но что происходит, мы не знаем, во многом это связано с тем, что у нас нет наблюдательных данных, и любую теорию приходится именно экстраполировать в эту точку и, естественно, происходит расхождение.
- А есть планы или мечты по экспериментальному изучению?
На мой взгляд, в ближайшем времени — нет. Теоретики надеются, что им удастся построить что-то типа квантовой гравитации, модель которой будет учитывать квантовые эффекты для гравитационных полей, и тогда, может быть, проблема сингулярности исчезнет, и можно будет давать конечные предсказания для таких ситуаций. Но подтверждать расчеты экспериментально, в конечном счете, тоже надо, и мне пока трудно
