Астрофизик Сергей Попов (ГАИШ) о чёрных дырах

АрхивИнтерактив

Старший научный сотрудник Государственного астрономического института им. П. К. Штернберга рассказывает о физике чёрных дыр и о том, почему БАК безопасен.

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 представить, как можно проверить условия сингулярности. Сингулярности без горизонта, видимо, не существует, а изучать что-то под горизонтом запрещают законы природы. То есть мы можем слетать и изучить, но не можем передать информацию обратно, в этом и есть определенные сложности.

- Расскажите, пожалуйста, об излучении Хокинга.

Излучение Хокинга - это очень интересное предсказание, еще говорят об испарении черных дыр, которое происходит за счет этого эффекта. Обычно это иллюстрируют таким образом. Вакуум - это не пустое пространство, у него есть энергия, в нем происходят различные интересные процессы, в нем рождаются пары частиц и античастиц, которые потом аннигилируют и исчезают. Такие недолго живущие частицы называются виртуальными. Свойства вакуума как непустой среды, где постоянно бурлят виртуальные частицы, - это наблюдаемый эффект. А если рождение виртуальных частиц начинает происходить близко от горизонта событий, то одна из частиц пары может исчезнуть под горизонтом, и тогда вторая не сможет с ней проаннигилировать. Получается, что из вакуума как бы рождается новая частица. На самом деле, откуда-то энергию надо брать. Предположим, у этого процесса есть наблюдатель. Издалека ему будет казаться, что от черной дыры к нему летят частицы. Мы знаем, что энергия сохраняется, значит, наблюдатель должен решить, что она возникает из черной дыры. А если черная дыра не заряжена и не вращается, у нее есть один-единственный источник энергии - ее масса. Значит, частицы должны рождаться за счет уменьшения массы черной дыры. Она как бы испаряется, как капля воды, молекулы потихонечку из нее улетают.

- А почему она не пополняется извне?

Конечно, в обычных условиях, она как раз пополняется. Представьте, что не было бы никакого излучения Хокинга. Берем черную дыру, помещаем её в реальное межзвездное пространство, межзвездный газ на нее падает, масса черной дыры растет. Так и должно происходить. Плюс всё-таки есть процесс излучения частиц, который существует просто в силу природы черной дыры. Так вот, важно, что именно в конкретной ситуации превалирует. Если речь идет о черной дыре, которая образовалась из массивной звезды, то оказывается, что излучение Хокинга для неё очень слабо, и её масса растет за счет того, что в чёрную дыру попадает межзвездный газ или ещё что-то. Но чем меньше черная дыра, тем важнее излучение Хокинга относительно захвата частиц. Это можно объяснить так: чем меньше черная дыра (пусть она будет сферическая), тем меньше радиус, тем больше кривизна поверхности. Люди жили тысячи лет на Земле, и не знали, что она круглая, потому что ее размер достаточно большой. Нам кажется, что Земля плоская, а если бы ее радиус был не 6 400 км, а 640 км, люди бы всегда знали, что она круглая, потому что, передвигаясь, убедились бы в этом. Так вот, чем меньше радиус, тем больше кривизна, и именно этот параметр важен для излучения Хокинга. Поэтому маленькие черные дыры испарялись бы очень быстро, но где взять маленькие черные дыры? Сейчас они в природе естественным образом не должны возникать. Из звезд сделать маленькие черные дыры нельзя, астероиды никогда не схлопываются, а чтобы на наших глазах черная дыра испарилась, нужна ее начальная масса, как у астероида.

Есть модели, в которых предсказывается, что на самых ранних этапах жизни Вселенной образовывались маленькие черные дыры, и если это так, сейчас они должны активно испаряться из-за излучения Хокинга. Ученые пытаются найти его, это должно быть гамма-излучение. Пока есть только верхние пределы, хорошие кандидаты в первичные черные дыры, которые сейчас испарялись бы, не найдены. Если они будут обнаружены, это станет самым прямым доказательством, что мы имеем дело именно с черными дырами.

- Как черные дыры были обнаружены? Как их наблюдают?

С одной стороны, о черной дыре можно говорить как о физическом объекте, который обладает определенными внутренними свойствами, с другой стороны, можно рассматривать черную дыру как астрономический объект. Астрономия - наука необычная, это единственная естественная наука, где мы не можем прямо экспериментировать, а можем только наблюдать издалека. Поэтому для астрофизика черная дыра - это объект, который выглядит как черная дыра, что, в общем-то, не одно и то же, ведь могут быть настоящие дорогие швейцарские часы, а может быть их дешевая имитация. Так и астрофизикам бывает трудно отличить одно от другого. Поэтому когда ученые говорят о черных дырах, они имеют в виду массивные компактные объекты, которые демонстрируют определенные наблюдательные свойства, например, видимое отсутствие поверхности и малое излучение. Сейчас самая надежная черная дыра - это та, которая находится в центре нашей галактики.

- Надежная в каком смысле?

В том смысле, что это объект, астрофизические свойства которого наиболее близки к тому, что мы думаем о черных дырах. Что мы имеем? Мы имеем объект с массой примерно три-четыре миллиона солнечных масс (это напрямую измерено) с размером, меньшим, чем несколько астрономических единиц, который излучает очень мало. Если мы подумаем, как мы еще можем сделать объект, который при такой большой массе имеет такой маленький размер, и который ничего не излучает, то окажется, что сделать это крайне сложно. Черная дыра - это консервативная гипотеза. Одна из самых важных характеристик черной дыры, повторюсь, это массивность и компактность. Другим способом, без теории черной дыры, таких характеристик достичь очень сложно. Вы, например, можете сказать, что там сидит объект относительно холодный и не светится, но если вы попробуете сделать железный объект такой массы, то ничего не получится, гравитация победит, он схлопнется, и все равно превратится в черную дыру. Если вы будете делать такой объект из звездного вещества, он будет ярко светить, и, перебирая разные варианты из того, что предлагает нам стандартная модель, черная дыра - это единственное, что нам подходит. Мало того, мы видим, как газ течет на этот объект. Он падает в гравитационное поле, разгоняется, и если бы внизу была поверхность, газ бы при ударе об эту стенку нагрелся, и мы увидели бы излучение, но мы его не видим. То есть он действительно падает как в дыру, отчасти отсюда и название. И действительно очень сложно придумать модель, которая бы описала такое явление без привлечения черной дыры. Поэтому можно сказать, что вот так мы и наблюдаем черные дыры.

В центрах других галактик мы видим массивные объекты, и тоже достаточно компактные. Поскольку другие галактики дальше, ограничения на размер менее жесткие, но все равно, если мы знаем, что в центре галактики сидит массивный и компактный объект с массой миллиард солнечных, очень трудно придумать, как еще он мог образоваться. Считается, что это черные дыры. Есть еще черные дыры в двойных звездных системах, это когда одна из двойных звезд превращается в черную дыру.

Теоретически, мы можем наблюдать черные дыры просто как невидимые массивные спутники звезд, но чаще их наблюдают по излучению газа, падающего в дыру. Поскольку они обладают очень сильным гравитационным полем, то объекты, падающие в черную дыру, разгоняются до очень большой скорости и формально пересекают горизонт со скоростью света. Так вот если мы просто бросаем предмет в черную дыру, то он туда падает, и практически ничего не излучается. Но мы можем себе представить другую ситуацию. Мы кидаем два предмета в черную дыру, они сталкиваются друг с другом незадолго до падения под горизонт. То есть получается, что у нас сталкиваются два объекта, двигающиеся с очень высокой скоростью. При этом каждый для другого является стенкой, и выделяется очень большая энергия. В реальности на черную дыру может течь газ, поэтому газ сталкивается сам с собой. Например, если в начале был момент вращения, вокруг черной дыры может образоваться диск, и из-за трения этот быстро движущийся газ разогревается до миллионов градусов, при этом выделяется очень много энергии. Это простой, но очень эффективный способ генерации энергии, и черные дыры наблюдаются по излучению этого падающего газа. Такая схема реализуется, например, в двойных системах, если вещество из одной звезды течет в другую, которая в данном случае является черной дырой. Черная дыра, на которую идет мощный поток вещества в центре галактики, называется квазаром. Квазаров очень много, мы знаем как минимум десятки тысяч штук, на самом деле их больше, но это вопрос обнаружения и классификации большого количества объектов. В двойных системах мы в основном изучаем черные дыры все-таки в нашей галактике, хотя есть примеры и в других. В нашей же таких систем известно несколько десятков. Так что можно сказать, что по большей части астрофизики изучают сверхмассивные черные дыры, но это просто наблюдательный эффект, на самом деле маленьких черных дыр больше, просто их труднее найти.

- Много ли черных дыр во Вселенной?

Тут вопрос - каких? Мы знаем два основных типа черных дыр - это дыры из звезд и сверхмассивные. Плюс есть два обсуждаемых типа черных дыр - это маленькие первичные черные дыры и черные дыры промежуточных масс. Последние связаны с объектами, природу которых легко объяснить, если в них находится черная дыра не сверхмассивная, а с массой тысяча масс солнц, скажем. Это пока остается моделью, нет достаточно прямых данных. Важно, что есть разные типы черных дыр, и поэтому, отвечая на вопрос "Сколько?", нужно уточнять, каких. Сверхмассивных черных дыр должно быть (грубо говоря) столько же, сколько галактик, а их сто миллиардов в видимой части Вселенной. Черных дыр звездных масс в нашей галактике примерно сто миллионов. Соответственно, в каждой галактике типа нашей должно быть примерно столько же.

- А почему первых столько же, сколько и галактик? Какая здесь связь?

Во-первых, мы видим, что практически в любой массивной галактике, которую мы можем достаточно хорошо изучить, есть своя черная дыра. При этом ей не обязательно выглядеть так, будто горит что-то яркое. В центре нашей, например, практически ничего не светит. Более того, видно, что чем больше масса сферической составляющей галактики, тем больше масса черной дыры. То есть такое ощущение, что черные дыры образуются вместе со сферической частью галактики. Строятся соответствующие модели, и чтобы хорошо объяснить эту связь, нужно предположить, что в каждой галактике на каком-то этапе возникает сверхмассивная черная дыра. Есть, конечно, детали, например, она может вылететь из галактики, но это исключение. Согласно современной модели в каждой галактике уже на самых ранних этапах есть черная дыра, это достаточно легко объяснить на пальцах. Звезды образуются раньше галактик, первое, что у Вселенной зажглось, это звезды. Образовались небольшие облака газа, в которых зажглась одна массивная звезда, может быть две. А массивные звезды превращаются в черные дыры. Поэтому достаточно быстро появились первые черные дыры. Они, конечно, не обнаружены напрямую. Масса у них была, как мы думаем, примерно двести масс Солнца. Потом шел процесс образования структуры. Первые сгустки вещества объединились, и стали образовываться галактики. Получается, что поскольку галактики состоят из большого числа блоков, то к моменту образования галактики было уже много черных дыр с массой двести-триста масс Солнца. Часть этих черных дыр может попадать в центр, они начинают быстро расти, сливаются друг с другом, на них течет газ, темное вещество, и таким образом в центре образующейся галактики появляется зародыш сверхмассивной черной дыры, вместе с галактикой растет и черная дыра. Поэтому мы думаем, что в центре каждой галактики должна быть черная дыра, но галактика должна быть определенного типа, достаточно массивной. Скажем, в Магеллановых облаках не должно быть черных дыр. Соответственно, в видимой части Вселенной насчитывается сто миллиардов сверхмассивных черных дыр (по числу крупных галактик), и сто миллионов черных дыр звездных масс в каждой крупной галактике. Первичных дыр должно быть очень много, если они вообще есть. С черными дырами промежуточных масс ситуация менее ясна, поскольку это модельный объект. Но если верна картина образования галактик, как я ее описал, значит, в каждой галактике кроме сверхмассивной дыры в центре и дыр, образовавшихся из звезд уже этой галактики, болтается несколько сотен черных дыр с массой двести-триста (может быть тысяча) солнечных масс.

- Как далеко от нас черные дыры?

Узнать это достаточно просто. Нужно оценить размер галактики, посчитать ее объем, прикинуть количество черных дыр, разделить одно на другое. Если вы это проделаете, то окажется, что ближайшая черная дыра находится на расстоянии примерно ста световых лет от нас. По галактическим меркам это немного. Но обнаружить такой объект достаточно трудно (к сожалению астрофизиков, которые хотели бы ее изучать), поскольку это должна быть одиночная черная дыра звездной массы. Вроде бы до черных дыр рукой подать, но наблюдать их непросто. При этом отмечу, что, несмотря на то, что черные дыры находятся от нас относительно близко, ничего страшного в этом нет, не нужно представлять себе черную дыру как пылесос, который все засасывает.

- Не нужно? Она же и правда втягивает.

Это не очень удачный образ. Вот представьте. Есть черная дыра массой десять масс Солнца, а есть звезда с массой десять масс Солнца. Вы с закрытыми глазами крутитесь вокруг того и другого объекта, и не видите никакой разницы, важна только масса, и всё. Представлять себе, что черная дыра будет тихонечко засасывать все объекты, которые вокруг нее находятся, не правильно. Точно так же, как мы все не падаем на звезды и Солнце, мы не падаем в эти многочисленные черные дыры. Черная дыра находится в центре нашей галактики, вокруг этого центра мы крутимся вместе со звездами. Звезды находятся гораздо ближе к центру, и даже это не поможет им попасть в черную дыру. Точно также как Земля не падает на Солнце, Луна не падает на Землю, так и звезды, вращающиеся вокруг черной дыры, не падают на нее. Естественно, упасть туда можно, как можно упасть на Солнце или Землю (что еще проще), но для этого нужны особые условия. Скажем, запустить спутник, и сделать так, чтобы он упал на Солнце - очень дорого. Хотя, казалось бы, Солнце близко и массивное, но Земля крутится вокруг него со скоростью 30 км в секунду. Чтобы упасть на Солнце, вам нужно погасить эту скорость. Поэтому лететь к Меркурию гораздо дороже, чем к Юпитеру. Меркурий значительно ближе, но чтобы на него попасть, вам нужно очень сильно затормозить, а чтобы полететь к Юпитеру, нужно чуть-чуть разогнаться. Так что если вы со страшной скоростью летите на звездолете, и знаете, что рядом черная дыра, чтобы в нее попасть, вам нужно будет остановить звездолет, что очень трудно сделать, или же направить его прямо внутрь черной дыры, что тоже непросто. А вот мимо вы пролетите сами собой, без особых усилий.

- Какие направления в исследовании физики черных дыр, на Ваш взгляд, являются наиболее интересными?

Сложно сказать, потому что это вопрос личного вкуса. В исследовании черных дыр есть несколько аспектов. Есть теоретические исследования, где можно решать очень сложные и увлекательные задачи, например, в моделировании образования черных дыр. С другой стороны, есть астрофизика, где люди в разных условиях наблюдают разные типы черных дыр. Кому-то интересно заниматься сложной задачей, которая, возможно, никогда не сможет быть решена. Но зато если получится добиться результата, будет очень здорово. А кому-то интересно наблюдать квазар прямо сейчас. Но, на мой взгляд, наиболее перспективные исследования связаны с поиском и изучением гравитационных волн от сливающихся черных дыр. Возможны красивые ситуации, когда обе звезды двойной системы превращаются в черные дыры, или одна в нейтронную звезду, другая в черную дыру, неважно. Так вот такая пара звезд потихонечку будет сближаться из-за излучения гравитационных волн. И, в конечном счете, они сольются. При этом выделится много энергии в такой удивительной форме, как гравитационные волны. Гравитационные волны были предсказаны ОТО, по многим свидетельствам мы знаем, что они есть, и пытаемся найти непосредственно сигнал слияния. Для этого строят большие сложные детекторы, и если сигнал будет найден, это станет серьезным механизмом исследования самих черных дыр, а не процессов, происходящих в газе вокруг них. Но в реальности в этом направлении исследований нет результатов: пока ничего не видно, потому что установке не хватает чувствительности. На мой взгляд, из ближайших ожиданий это - самое интересное.

- Почему опасения, что на Большом адронном коллайдере образуются черные дыры, необоснованны?

Это самый простой вопрос. Потому что тут природа за нас провела все эксперименты. Почему безопасно сидеть на стуле? Потому что миллиарды людей до нас сидели на стуле и не умерли. С черными дырами на БАК то же самое. Там энергия будет несколько ТэВ, ТэВ - это 10¹² эВ. На Землю прилетает огромное количество частиц космических лучей, которые обладают в миллионы раз большей энергией. БАК строят не потому, что в природе нет энергичных частиц, а потому, что на ускорителе можно сделать очень много частиц. Поэтому, если какое-то событие с ТэВными частицами космических лучей происходит с маленькой вероятностью, то на БАК вы его точно получите, а наблюдая одну частицу из космоса - вряд ли. Зато в космических лучах есть гораздо более энергичные частицы, а кроме того, в природе, во-первых, "эксперимент" идет уже очень долго, более 10 миллиардов лет, во-вторых, есть тела, гораздо более плотные, чем Земля. Например, белые карлики. Представьте себе очень плотное остывшее ядро звезды, которое миллиарды лет обстреливается частицами в сотни миллионов раз более энергичными, чем на БАК. Если бы при столкновениях как на БАК рождались бы маленькие черные дыры, которые бы в себя "всасывали" что-то, то никаких белых карликов просто не было бы. И это было детально подсчитано, поэтому я говорю именно о белых карликах. Получается, с одной стороны, мы знаем космические лучи с очень высокой энергией, с другой: нам известно большое количество белых карликов. Это говорит о том, что опасные реакции просто не возможны. Это экспериментальный факт, природа за нас 10 миллиардов лет ставила эксперимент, который нам не под силу, и показала полную безопасность работ на БАК.