Черная дыра: сингулярность и структура черной дыры
Недавнее изображение Стрельца A* – сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути, полученное телескопом Event Horizon Telescope (EHT) – вновь привлекло внимание общественности к этим чрезвычайно массивным событиям в пространстве-времени. Однако, как это изображение и изображение сверхмассивной черной дыры в центре галактики M87, имеют свои пределы. Внутреннее устройство черных дыр остается областью теоретических и математических исследований. К счастью, влияние черных дыр на окружающую среду предоставляет телескопам множество возможностей для наблюдений – часто настолько мощных, что они затмевают все звезды в галактике, в которой они находятся.
Как рождаются черные дыры? Наличие черной дыры звездной массы указывает на то, что звезда достигла конца своей главной последовательности, жизни, сжигающей водород, и проиграла битву против гравитационного коллапса. Жизнь звезд характеризуется постоянным балансом между силой собственной гравитации и силами, возникающими в результате ядерного синтеза. По мере развития коллапса звезды, обладающие достаточной массой – превышающей так называемый предел Чандрасекара – могут вызвать дальнейшие реакции синтеза, создавая более тяжелые элементы и останавливая коллапс. Этот процесс повторяется для звезд, масса которых как минимум в 1,4 раза превышает массу Солнца, пока квантовые свойства плотной жидкости нейтронов не защитят мертвую звезду от дальнейшего коллапса. В результате образуется звездный остаток, называемый нейтронной звездой. Но некоторые звезды достаточно массивны – или могут захватить достаточно материала от звезды-компаньона – чтобы превысить даже этот предел. Это приводит к полному гравитационному коллапсу звезды и образованию так называемой черной дыры звездной массы.
Однако этот процесс не может объяснить наличие сверхмассивных черных дыр в центре большинства крупных галактик. Это связано с тем, что не существует звезды, достаточно большой, чтобы коллапсировать и образовать сверхмассивную черную дыру – некоторые из них имеют массу в 66 миллиардов раз больше массы Солнца. Астрофизики и космологи считают, что сверхмассивные черные дыры формируются в результате серии иерархических слияний. Это включает в себя либо аккрецию большого количества массы черной дырой, либо столкновение и слияние все более крупных черных дыр – вероятно, когда сливаются галактики, в которых они находятся, или когда двойные черные дыры спирально сближаются друг с другом, – или даже комбинацию обоих процессов.
К счастью, считается, что свойства черных дыр на самом деле довольно просты. В рамках так называемой теоремы об отсутствии волос они могут обладать только тремя характеристиками: массой, как описано выше, угловым моментом или электрическим зарядом. Это означает, что описание фактического внутреннего устройства любой черной дыры довольно прямолинейно, хотя и математически сложно.
История двух сингулярностей: структура черной дыры
Чтобы понять, что происходит в черных дырах, необходимо обратиться к главному достижению физика Альберта Эйнштейна – геометрической теории гравитации, более известной как общая теория относительности. Эта теория предсказывает, что масса оказывает влияние на саму ткань пространства-времени, искривляя ее. Чем больше масса, тем более экстремальна «вмятина» в пространстве-времени. И, как вы уже видели выше, некоторые черные дыры имеют поразительно большую массу. Наиболее распространенная аналогия для визуализации этого – размещение шаров возрастающей массы на натянутом резиновом листе, где шар для боулинга создает более значительную вмятину, чем теннисный мяч или шарик.
Общая теория относительности также говорит о том, что в области экстремальной плотности возникают две сингулярности – точки, в которых математические вычисления сводятся к нулю или уходят в бесконечность, что всегда является плохой новостью для физиков. Одна из этих сингулярностей является координатной сингулярностью, что означает, что физики могут устранить ее с помощью умного выбора систем координат. Другая – истинная сингулярность – не может быть обработана таким образом, что означает, что в настоящее время она представляет собой точку во Вселенной, в которой все физические законы нарушаются. Неудивительно, что эти две сингулярности имеют жизненно важное значение для структуры черных дыр.
Координатная сингулярность представляет собой то, что известно как горизонт событий черной дыры. Это поверхность, которая ограничивает эти массивные события в пространстве-времени и является пределом того, насколько глубоко мы можем заглянуть внутрь них. Это связано с тем, что горизонт событий – это точка, в которой гравитационное влияние черной дыры настолько велико, что даже свет не может двигаться достаточно быстро, чтобы вырваться. Это означает, что любой фотон за этой поверхностью оказывается в ловушке и никогда не может быть обнаружен наблюдателями с другой стороны горизонта событий. Фотоны или любая другая форма материи, оказавшиеся по неверную сторону горизонта событий, испытают путешествие в один конец к центру черной дыры, к истинной сингулярности. Что происходит с материей или энергией, оказавшейся там, в сингулярности, в настоящее время остается загадкой, и мы, возможно, никогда этого не узнаем.
Непосредственно за пределами вращающейся, или черной дыры Керра, находится область пространства-времени, которая фактически увлекается за собой в направлении движения черной дыры. Этот эффект, называемый увлечением пространства-времени или прецессией Лензе-Тирринга, приводит к области, называемой эргосферой. Материя, оказавшаяся в эргосфере, не сможет оставаться неподвижной, а также будет увлекаться за черной дырой. Однако частицы здесь могут не оставаться вокруг черной дыры, поскольку это увлечение может привести к выбросу материи на высоких скоростях.
К счастью, как бы ни были темны внутренние области черных дыр, их внешние области могут быть очень заметными. Фактически, черные дыры могут создавать настолько мощные условия, что они могут создавать двигатели, питающие целые галактики.
Структура внешних областей черной дыры
В то время как внутреннее устройство черных дыр может показаться почти тревожно простым, именно в их непосредственной близости происходят самые интересные события. Особенно это верно, когда центральная черная дыра «питается». Точнее говоря, это называется аккрецией и происходит, когда черные дыры окружены диском газа и пыли – уместно называемым аккреционным диском. Материя в аккреционном диске сглаживается и не может упасть прямо в черную дыру из-за своего углового момента. В результате она постепенно падает на поверхность черной дыры, процесс, который приводит к множеству энергетических явлений.
Частицы в аккреционном диске разгоняются до огромных скоростей под действием огромной гравитации черной дыры, часто приближаясь к скорости света. Эти турбулентные условия приводят к их нагреву до сверхвысоких температур, оцениваемых до 10 миллионов градусов, и излучению мощных рентгеновских и гамма-лучей. Эти излучения были обнаружены астрономами задолго до того, как EHT смог получить первое прямое изображение черной дыры – сверхмассивной черной дыры в центре M87.
Но аккреционные диски порождают еще более мощные и энергетические излучения. Не вся материя в аккреционном диске обречена достичь черной дыры. Скрученное магнитное поле черной дыры Керра может выталкивать газ и пыль к полюсам. В результате некоторые черные дыры выбрасывают струи материи вдоль своей оси вращения со скоростью, приближающейся к скорости света. Эти струи могут простираться на тысячи световых лет. Сверхмассивная черная дыра в центре M87, например, выбрасывает струи, которые простираются на 6000 световых лет вверх и вниз от галактического диска. Астрономы в настоящее время не уверены, что приводит в действие эти струи и позволяет им поддерживаться на таких огромных расстояниях, но несомненно, что этот процесс требует огромного количества энергии.
Эти струи также сталкиваются с межзвездной материей и другими частицами, вызывая рентгеновское и другое электромагнитное излучение, которое может быть обнаружено телескопами на Земле или в космосе. Это делает питающиеся черные дыры в центре этих областей – называемые активными галактическими ядрами (AGN) – гораздо более заметными, чем их тихие, непитающиеся собратья. AGN могут быть настолько яркими в некоторых диапазонах длин волн, что их излучение может затмить миллиарды звезд в их галактике-хозяине.