Главная Новости Ученые: теоретически для некоторых наблюдателей черные дыры не существуют

Что такое черные дыры и гравитационные волны?

Альберту Эйнштейну потребовалось 10 лет, чтобы найти уравнения общей теории относительности, но немецкому астрофизику Карлу Шварцшильду понадобилось всего несколько месяцев, чтобы решить их.

Астрономические открытия

Решение Шварцшильда описывает гравитацию изолированного, сферического и неизменного объекта - загадочной черной дыры - хотя оно не было понято в течение многих лет.

Карл Шварцшильд - человек, придумавший черную дыру

Черные дыры объяснили новые астрономические открытия, став важнейшими составляющими астрофизики. До 1960-х годов наука рассматривала такие объекты как математическую абстракцию. Недавнее экспериментальное открытие гравитационных волн изменило наше представление о том, что такое черные дыры.

В 2016 году коллаборация LIGO-Virgo обнаружила гравитационные волны, порожденные двумя сливающимися черными дырами, что открыло новую эру в астрономии, отмеченную Нобелевской премией по физике 2017 года.

В 2019 году телескоп Event Horizon Telescope зафиксировал изображение сверхмассивной черной дыры в близлежащей галактике M87. В следующем году Нобелевская премия по физике отметила новаторские теоретические исследования Роджера Пенроуза и Рейнхарда Гензеля.

Что такое черная дыра?

Понятие черной дыры, отраженное в научно-популярной литературе, основывается на идее горизонта событий - это когда скорость, необходимая для того, чтобы избежать гравитационное притяжение, должна превышает скорость света. Все, что попадает в горизонт событий, теряется навсегда.

Радиус Шварцшильда - это радиус горизонта событий, который пропорционален массе черной дыры.

Но у определения Шварцшильда есть подводный камень: оно требует, чтобы мы знали, что из черной дыры ничего не выйдет. Это означает, что за черной дырой нужно наблюдать вечно, чтобы знать, что из нее ничего не выйдет. На практике это невозможно.

Новые черные дыры

Другое математическое решение уравнений Эйнштейна описывает образование черной дыры в результате коллапса сферической оболочки света. В центре образуется горизонт событий, который расширяется наружу, встречает падающий свет и «останавливает» его. Таким образом возникает черная дыра.

Идеально изолированных или неизменных, сточки зрения логики Шварцшильда, черных дыр не существует. В реальном мире они окружены дисками, вращающимися вокруг них, звездными ветрами и, возможно, темной материей. Все они производят падающее вещество, которое увеличивает массу центрального объекта.

Черные дыры часто существуют парами, вращаясь по спирали все ближе и ближе друг к другу и испуская гравитационные волны, пока не сольются в более крупную структуру, горизонт которой меняется во времени.

Что такое кажущийся горизонт?

Гравитационные волны LIGO/Virgo 2016 года возникли в результате впечатляющего слияния двух черных дыр. К тому времени, когда эти волны достигли Земли, они оказались слабее окружающего шума, и их можно было идентифицировать только путем сопоставления теоретических шаблонов ожидаемого сигнала с полученными данными.

apparent black hole horizon

Большие банки шаблонов создаются в компьютерных симуляциях, которые, очевидно, не могут работат, как это необходимо - теоретически горизонт событий вечен. Вместо этого в симуляциях используется кажущийся горизонт, - реальных доказательств того, что свет не способен покинуть ЧД, нет.

Тем не менее, кажущиеся горизонты сыграли решающую роль в недавно зародившейся гравитационно-волновой астрономии.

Черные дыры меняются, потому что они живут в расширяющейся Вселенной. Физик-теоретик Стивен Хокинг предсказывал, что все ЧД излучают энергию в силу квантовой механики, что заставляет их сжиматься. Хотя для практических целей это излучение незначительно, но неизбежно.

Новое понимание видимого горизонта

Наше понимание черных дыр основано на математическом определении горизонта. Кажущийся горизонт определяется поведением световых лучей в его окрестностях: свет не может убежать (а поскольку ничто не движется быстрее света, ничто и не убегает).

Но поведение световых лучей зависит от наблюдателя, описывающего их с помощью математического моделирования. Поскольку в теории относительности время и пространство зависят от ТО, место, где лучи останавливаются, и текущее время для разных наблюдателей различаются. Таким образом, видимый горизонт сам по себе зависит от наблюдателя.

Само существование черной дыры также зависимо от наблюдателя, в то время как старый горизонт событий универсален.

Математика, выражающая новую концепцию черной дыры, говорит нам, что даже в случае Шварцшильда существуют определенные наблюдатели, для которых нет никакого видимого горизонта и, следовательно, никакой черной дыры!

Правда, эти математические наблюдатели очень искусственны. Все естественные наблюдения, воспринимающие геометрию Шварцшильда как сферическую, согласны с существованием и расположением видимого горизонта.

Ученые наконец-то обнаружили гравитационные волны от черных дыр, но им пришлось изменить способ их понимания. Суть теории черных дыр стала иной.