Главная Астрономия Сингулярность, черные дыры и Роджер Пенроуз: как миф стал реальностью

Как миф стал реальностью

Восточный фронт, Первая мировая война. Гибнут целые полки, однако немецкий лейтенант штудирует новые статьи Альберта Эйнштейна. Через два месяца после их публикации Карл Шварцшильд находит способ использовать теорию относительности для описания пространства-времени, а также стационарной звезды или планеты. По сути, рождается математическая модель черной дыры. Он умирает в мае 1916 года, однако благодаря ему другой физик получает Нобелевскую премию 2020 года.

Премия была присуждена Роджеру Пенроузу за то, что «образование черной дыры является надежным предсказанием общей теории относительности». Еще нобелевку дали Андреа Гез и Рейнхарду Гензелю «за открытие сверхмассивного компактного объекта в центре нашей галактики». Это означает признание безошибочного существования неких гипотетических объектов.

Призрак черно дыры

Но так было не всегда. На протяжении десятилетий понятие "черная дыра" была не более чем математической аберрацией. В 1916 году решение Шварцшильда вызвало ужас среди математиков и физиков. Его работа предсказала "радиус Шварцшильда" - радиус, обозначающий, насколько компактным должен быть объект, чтобы предотвратить выход света за прелы его гравитационного притяжения. Солнце, например, имеет реальный радиус около 700 тысяч километров с радиусом Шварцшильда всего 3 километра.

Кривые пространства-времени строятся на соотношении радиуса Шварцшильда и радиуса анализируемого объекта. Чем ближе эти два значения, тем больше «изгиб» пространства-времени. Так что же происходит, когда радиус объекта тождественен радиусу Шварцшильда? А что произойдет, если радиус объекта будет нулевым? Получается, что сингулярность – это состояние физической неопределенности, эквивалентное разделению на ноль на калькуляторе. А математики говорят, делить на 0 нельзя.

Сверхмассивная черная дыра

Прошло 50 лет, и физики добились некоторого прогресса: математически, без связи с реальным миром. В то же время экзотические и полностью теоретические объекты, предложенные работой Шварцшильда, оставались инструментально неуловимыми. Астрофизики только знали, что они могут быть тяжлыми, как солнце, но миниатюрными до предела.

Чудовищная математика

В 1960-х годах решения Шварцшильда показалисьболее актуальными. Астрономы наблюдали далекие галактики, открыли квазары, физическая природа которых непонятна до сих пор. В то же время теоретики приступили к моделированию динамики сверхкомпактных космических тел, избегая ловушек сингулярности.

«Физики будут спорить. Они будут получать ответы, которые не согласуются друг с другом", - утверждает Даниэль Кеннефик, астрофизик и историк науки в Университете Арканзаса. - Причина в том, что они действительно не понимают структуру бесконечности, и Пенроуз решил эту проблему".

Роджер пенроуз модернизировал ОТО Эйнштейна

Чтобы справиться со сложностями общей теории относительности, Пенроуз добавил новый набор математических инструментов. В частности, он ввел математическое понятие «захваченных поверхностей», которое позволило физикам определять горизонт событий – точку, из которой даже свет никогда не выберется наружу. Слишком велика гравитации. При этом горизонт событий постоянно сравнивается с сингулярностью как с недостижимой физической реальностью.

«Нам действительно не нравится идея сингулярности, — поясняет соратник Пенроуза, Штайн. - На самом деле, мы могли бы вырезать внутри черной дыры пространство-время и заменить его ... розовыми слонами или что у вас там. Со стороны вы никогда не сможете определить разницу, потому что все это скрыто за горизонтом".

Идея Пенроуза о «космической цензуре» заключается в том, что не может быть «голой» сингулярности: все объекты должны быть «одеты» горизонтом событий. Даже когда «сливаются» черные дыры, сингулярность или розовые слоны остаются скрытыми горизонтами событий.

Увлечение геометрией и художниками-сюрреалистами привело Пенроуза к разработке мощных, интуитивно понятных диаграмм, которые описывали динамику пространства-времени. Его диаграммы «уплотнили» пространство и время, бесконечность уместилась на странице бумаги. Новый инструментарий физики был прописан к концу 60-х. Тогда же термин «черная дыра» стал общепринятой номенклатурой для описания все тех же гипотетических следствий из общей теории относительности Эйнштейна.

Астрофизический прыжок

Трудно точно определить, когда большинство физиков стали верующими, но к середине 1990-х черные дыры вощли в обиход прямых астрономических наблюдений. Работы вышеуказанных Андреа Гез и Рейнхарда Гензеля, описывающих галактику Стрельцом АЗ, доказывали существование сверхмассивной черной дырой в центре Млечного Пути.

"Часто, когда мы интерпретируем астрономические наблюдения, возникает место для других возможностей", - говорит Суви Гезари, астроном из Университета штата Мэриленд, Колледж-Парк.

"Есть нечто, что мы не можем измерить, но это не четыре миллиона солнечной массы черной дыры".

Гез и Генцель не работали вместе. Каждый из них самостоятельно возглавлял команды, наблюдавшие за S02, звездой с короткой эллиптической орбитой вокруг Стрельца АЗ. За 16 лет, которые понадобились S02 для обхода галактического центра, исследователи обзавелись адаптивной оптикой, полученные данные уточнялись несколько десятков раз.

Диаграмма Роджера Пенроуза

Когда S02 совершила свой круговорот, «черная дыра» так и осталась молчаливой темнотой.

В 2012 году Гезари возглавил группу, которая наблюдала за разрушением звезды в соседней галактике, Предположительно «черной дырой», но реальных доказательств тому ученые не предоставили .

Слияние черных дыр

Другое событие, якобы слияние двух черных дыр и последующий гравитационный коллапс — зафиксировано обсерваторией LIGO. Тут действительно мы можем говорить о существовании, по крайней мере, двух объектов.

Правда, имеется изображение от телескопа Event Horizon Telescope (EHT) сверхмассивной черной дыры с миллиардами солнечных масс, расположена в центре галактики Messier 87. Однако мы видим нечто, интерпретируемое как аккреционный диск размером с нашу Солнечную систему.

Сомнения отброшены

Считается, что эти наблюдения теней - не просто подтверждением теории Эйнштейна. По мере того, как разрешение EHT прогрессирует, испытания проходят альтернативные теории. Астрономы не исключают выход на более глубокую теорию, нежели ОТО, так как есть точки совпадения с «альтернативщиками».

Для астрономов, астрофизиков и математиков черные дыры представляют собой нечто чудовищное и прекрасное; они необычны в своей физике, но обычное в своей повсеместности. По крайне мере, до тех пор, пока наблюдения согласуются с теоретическими предсказаниями.

Дата: 2021-04-07

Автор: Всеволод Гордиенко

Поделиться с друзьями: