​Конец времени и тяжелое сердце галактики

Как черная дыра подтвердила правоту Эйнштейна. Комментарии экспертов

​Конец времени и тяжелое сердце галактики


Визуализация черной дыры. Иллюстрация: ТАСС

В этом году Нобелевская премия по физике была присуждена британскому математическому физику Роджеру Пенроузу, немецкому астрофизику Райнхарду Генцелю и американской ученой — астроному Андрее Гез. Математическую физику и астрономию объединило одно из наиболее экзотических явлений во Вселенной — черные дыры. Как сообщил Нобелевский комитет, «Роджер Пенроуз показал, что черные дыры в самом деле могут формироваться», в то время как «Райнхард Генцель и Андреа Гез обнаружили, что невидимый и сверхмассивный объект задает орбиты звезд в центре нашей галактики…».

Роджер Пенроуз, Андрея Гез и Райнхард Генцель. Фото: EPA

Под этим «сверхмассивным объектом» нужно понимать будоражащую воображение картину более четырех миллионов масс Солнца, сжатых на масштабах меньше Солнечной системы. Именно таковы характерные размеры орбит звезд, полученные из астрономических наблюдений, отмеченных Нобелевской премией в этом году. При этом, как оказалось, одна из этих звезд обращается вокруг центра нашей Галактики, так называемого объекта Стрелец A*, всего лишь за 16 лет, в то время как Солнце делает полный подобный оборот за 200 миллионов лет. Чтобы обеспечить подобную скорость вращения и нужна гигантская масса, сконцентрированная в центре нашей галактики.

Движение звезд, которое очень аккуратно пронаблюдали нынешние нобелевские лауреаты-экспериментаторы, в точности описывается общей теорией относительности Эйнштейна. На настоящий момент науке неизвестна какая-либо материя, которая могла бы создать подобное притяжение в столь малом для такой исполинской массы объеме. Так что

единственное доступное объяснение для подобного движения звезд — это то, что данное сильнейшее притяжение происходит от «пустоты», а именно от черной дыры —

области настолько сильного искривления самого пространства-времени, что даже свет не способен ее покинуть.

Граница такой области называется горизонтом черной дыры. Горизонт работает как односторонняя мембрана или ловушка — пропускает все внутрь, но, чтобы ускользнуть из области, окруженной горизонтом, необходимо двигаться назад по времени, что невозможно. Внутри черная дыра напоминает сжимающуюся анизотропную вселенную и не имеет ничего общего с простым стационарным пространством-временем, находящимся снаружи. Горизонт черной дыры, соответствующий массе Солнца, имел бы размер всего лишь в три километра, в то время как вся масса нашей Земли уместилась бы за горизонтом в скромных девять миллиметров.

Черная дыра является наиболее компактным из всех возможных источников для притяжения заданной силы. Гигантские черные дыры массой в миллионы и иногда миллиарды масс Солнца находятся в центрах почти всех миллионов галактик, наблюдаемых астрономами, а не только в сердце нашего дома — Млечного пути. Однако происхождение подобных сверхмассивных черных дыр является одной из основных загадок современной астрофизики. К счастью, мы имеем неплохое представление о том, как формируются намного более распространенные «легкие» черные дыры с массой всего лишь в несколько раз тяжелее Солнца. Только в нашей галактике существует от нескольких миллионов до миллиарда подобных объектов.

Во многом благодаря теоретическим работам обладателя половины нынешней Нобелевской премии, Роджера Пенроуза, мы можем быть уверены, что уравнения общей теории относительности допускают решения, описывающие возникновение подобных объектов в природе.

В его трехстраничной статье 1965 года было впервые показано, что формирование горизонта не останавливает коллапс звезд. Обычная звезда — это непрерывно происходящий термоядерный взрыв, чье давление сдерживает гравитационное притяжение. Однако, когда ядерное топливо выгорает, давления больше не хватает, и достаточно массивная звезда схлопывается под своей тяжестью, сжимаясь без какого-либо предела — как будто бы точку — в сингулярность.

Первые теоретические исследования подобного коллапса были предприняты для идеально сферических невращающихся звезд в 1939 году будущим отцом американской атомной бомбы Робертом Оппенгеймером. Оказалось, что перед формированием сингулярности коллапсирующая звезда так искривляет пространство-время, что создает горизонт, скрывающий сингулярность внутри него. Выяснилось, что сингулярность — это совсем не точка в пространстве, а «конец времени», аналогично тому, как Большой Взрыв — это «начало времени» в космологии. На тот момент существенная часть научного сообщества, включая Эйнштейна, предполагала, что горизонт и образование сингулярности являются артефактами идеальной сферической симметрии, использованной при решении уравнений. Это ставило под вопрос также и физический смысл вечных сферических черных дыр, которые были теоретически открыты менее чем через два месяца после создания общей теории относительности в 1915 году. Их открыл немецкий астроном Карл Шварцшильд, воюя на Русском фронте во время Первой мировой войны. Это были первые в истории решения уравнений Эйнштейна, но их интерпретация оставалась открытой следующие 40 лет.

Решение сильно нелинейных уравнений общей теории относительности — нелегкий хлеб. Видимо, поэтому первые решения для вращающихся вечных черных дыр были получены новозеландским математиком Роем Керром только в 1963 году. Преимущество математических методов, использованных Пенроузом в 1965 году, в том, что они позволяют доказывать глобальные свойства решений уравнений, не решая их.

В реальной Вселенной звезды вращаются, и, более того, коллапс приводит, в частности, к излучению (только недавно обнаруженных экспериментально) гравитационных волн, нарушающих идеальную сферическую симметрию. Это ставило вопрос: могут ли реальные звезды в природе превращаться в конце своей эволюции в черные дыры. Пенроуз продемонстрировал, что после формирования горизонта материя с неотрицательной энергией всегда продолжает коллапс и формирует сингулярность, так что часть лучей света и траекторий массивных частиц никогда не смогут распространяться бесконечно долго, оказываясь в «конце времени».

В последующем нобелевский лауреат открыл «процесс Пенроуза», уменьшающий энергию вращающейся черной дыры, совместно с Хокингом развил теоремы о более общих сингулярностях в общей теории относительности и выдвинул гипотезу «космической цензуры» о том, что подобные проблемы всегда скрыты горизонтом, а также плодотворно работал в других областях: разработал теорию твисторов, изобрел «мозаику Пенроуза», играющую важную роль в описании квазикристаллов, и многое другое.

Dr. rer. nat., ведущий научный сотрудник Центральноевропейского института космологии и фундаментальной физики при Физическом институте Академии наук Чешской Республики Александр Викман — специально для Новой

В формулировке Нобелевского комитета, посвященной вкладу Генцеля и Гез, сказано, что они открыли сверхмассивный компактный объект в центре нашей Галактики. Такая формулировка представляется не очень точной, так как данные, указывающие на существование такого объекта, имелись и раньше. Однако коллективам ученых, в которые входили Генцель и Гез, удалось обнаружить с помощью сложнейших наблюдений на мощнейших телескопах движение нескольких ярких звезд вокруг очень массивного и компактного тела в центре нашей галактики, которое, по всей вероятности, является сверхмассивной черной дырой. Эти звезды были открыты в конце 90-х годов прошлого века и в начале текущего столетия, одна из них имеет период обращения, приблизительно равный 16, а другая — 11 годам, и в течение последующего времени астрономам удалось наблюдать их полное обращение вокруг центра нашей галактики. Это позволило как определить, с хорошей точностью, массу предполагаемой черной дыры, которая оказалась чуть большей четырех миллионов масс Солнца, так и проверить некоторые предсказания Общей теории относительности.

В последнее время происходит ренессанс астрофизики черных дыр. Нобелевская премия 2017 года была присуждена Райнеру Вайссу, Кипу Торну и Барри Бэришу за открытие гравитационных волн, которые образовались в результате слияния пар черных дыр с массой с несколько десятков масс Солнца.

В ближайшее время весьма вероятна Нобелевская премия за недавнее обнаружение тени (образа) гигантской черной дыры в центре галактики М87.

Бурно развиваются и другие области астрофизики, связанные с черными дырами, например, поиск источников мощного излучения в дальней Вселенной и поиск событий, связанных с разрушением звезд сверхмассивными черными дырами. В последнее время было запущено и в настоящее время готовится к запуску, в том числе и в нашей стране, несколько космических обсерваторий, нацеленных на поиск явлений, связанных с черными дырами.

Главный научный сотрудник Физического института им. П.Н. Лебедева, д.ф.-м.н. Павел Иванов — специально для Новой