Про черные дыры
Apr. 29th, 2019 07:32 am![[personal profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/user.png){kind=small}
luz_das_estrelasРешил написать небольшой текст про черные дыры (правда, не касаясь темы потери информации в ЧД).
Итак, черные дыры. Один из самых необычных объектов науки — ведь так трудно представить себе и небесное тело, с которого нельзя улететь, и физическую величину, достигающую бесконечного значения. Собственно, идея, что вторая космическая скорость, скорость убегания, для некоторого космического объекта может быть равна скорости света (а значит. свет не может покинуть такой объект), высказывалась еще в 18 веке, но в современной форме идею черной дыры сформулировал Шварцшильд в 1916 году в рамках общей теории относительности. Суть идеи очень простая —черная дыра (ЧД) обладает сферической симметрией (все направления равноправны), при этом с одной стороны, у ЧД есть горизонт событий — радиус, на котором скорость убегания равна скорости света (поэтому никакой объект, попавший под горизонт событий, уже не сможет вырваться обратно, а с другой стороны, никакой такой объект не может наблюдаться извне черной дыры), а с другой — сингулярность, то есть та точка, где бесконечной становится кривизна пространства-времени, а значит, и сила тяготения. Интересно отметить, что с точки зрения внешнего наблюдателя, падение объекта на ЧД будет длиться бесконечное время, в то время, как по часам падающего наблюдателя, он достигнет горизонта за конечное время (этот мотив очень красиво обыгран в рассказе Пола Андерсона «Литания»).
Это естественно привело к вопросам: в-1-х, как быть с тем, что бесконечные величины должны быть естественно ненаблюдаемы, в-2-х, могут ли быть другие примеры ЧД, а в-3-х, обязательно ли в ЧД есть сингулярность?
По первому вопросу ответ сначала казался наиболее простым — сингулярность в «обычной» черной дыре всегда скрыта горизонтом событий. поэтому непосредственно наблюдать ее невозможно. Этот принцип получил название «космической цензуры». Впрочем, появляется следующий вопрос — а может ли открытая, или как говорят, «голая» сингулярность (это официальный термин!) образовываться при каких-то процессах и быть устойчивой, т.е. доступной наблюдениям хоть в течение какого-то времени? Оказывается, что, согласно расчетам, при некоторых процессах (например, при коллапсе несферических звезд) такие сингулярности вполне могут появляться! Про это рассказано здесь: http://www.modcos.com/articles.php?id=63 . Впрочем, в этом случае должны вступать в игру квантовые эффекты — а именно, вакуум начал бы постоянно порождать пары частиц и античастиц, и естественно предположить, что на самом деле энергия ЧД на самом деле никогда не станет бесконечной. Интересно отметить. что именно за счет порождения частиц и античастиц из вакуума и их аннигиляции ЧД постепенно теряют энергию и в конечном счете полностью испаряются (хотя время полного испарения много больше, чем нынешний возраст Вселенной — до 10^66 лет).
Могут ли быть ЧД, отличающиеся от шварцшильдовского типа? Да. Вскоре после решения Шварцшильда появилось решение Райснера-Нордстрема, описывающее заряженную черную дыру, а потом и решение Керра, отвечающее вращающейся ЧД. Интересной чертой этого решения оказывается так называемое увлечение системы отсчета — на некотором расстоянии от горизонта, объекты вблизи черной дыры не могут покоиться, а могут только вращаться вместе с ней (это явление называется frame-dragging, что можно перевести как увлечение системы отсчета вращающейся ЧД). Более того, этот эффект был подтвержден с помощью астрономических измерений.
Обязательно ли в ЧД есть сингулярность? Недавно были опубликованы работы, показывающие, что — не всегда. Существуют такие решения типа ЧД, что горизонт событий у них — есть, но сингулярности в таких ЧД нет, то есть плотность и кривизна не обращаются в бесконечность.
Как наблюдать ЧД? Только косвенно, именно этот сценарий и был недавно реализован. Основной метод наблюдений состоит в исследовании вещества вокруг ЧД. Это вещество захватывается ЧД и падает на нее, и часть его энергии переходит в энергию вращения ЧД, а часть — в энергию излучения, испускаемого при падении. Собственно, именно этому излучению мы и обязаны знаменитой картинкой светящегося кольца вокруг ЧД. Впрочем, стоит сказать, что вокруг ЧД есть и кольцо из двигающихся по орбитам фотонов — сила гравитации вблизи горизонта столь велика, что фотоны становятся спутниками ЧД (конечно, часть из них покидает гравитационное поле ЧД за счет туннельного эффекта. но эта часть весьма мала). Впрочем, такие орбиты будут неустойчивы — при небольшом изменении энергии фотон либо упадет в ЧД, либо улетит от нее.
А общий вывод, однако, состоит в том, что в исследовании ЧД вопросов много больше. чем ответов.
И вот достаточно хороший текст по ЧД: http://www.astronet.ru/db/msg/1174703/kaufman-08/kaufman-08.html .
Upd. Проблема возможного нарушения космической цензуры обсуждается, например, здесь: https://arxiv.org/pdf/1812.05017.pdf . И аргументы из этой работы требуют повышенного внимания.
Итак, черные дыры. Один из самых необычных объектов науки — ведь так трудно представить себе и небесное тело, с которого нельзя улететь, и физическую величину, достигающую бесконечного значения. Собственно, идея, что вторая космическая скорость, скорость убегания, для некоторого космического объекта может быть равна скорости света (а значит. свет не может покинуть такой объект), высказывалась еще в 18 веке, но в современной форме идею черной дыры сформулировал Шварцшильд в 1916 году в рамках общей теории относительности. Суть идеи очень простая —черная дыра (ЧД) обладает сферической симметрией (все направления равноправны), при этом с одной стороны, у ЧД есть горизонт событий — радиус, на котором скорость убегания равна скорости света (поэтому никакой объект, попавший под горизонт событий, уже не сможет вырваться обратно, а с другой стороны, никакой такой объект не может наблюдаться извне черной дыры), а с другой — сингулярность, то есть та точка, где бесконечной становится кривизна пространства-времени, а значит, и сила тяготения. Интересно отметить, что с точки зрения внешнего наблюдателя, падение объекта на ЧД будет длиться бесконечное время, в то время, как по часам падающего наблюдателя, он достигнет горизонта за конечное время (этот мотив очень красиво обыгран в рассказе Пола Андерсона «Литания»).
Это естественно привело к вопросам: в-1-х, как быть с тем, что бесконечные величины должны быть естественно ненаблюдаемы, в-2-х, могут ли быть другие примеры ЧД, а в-3-х, обязательно ли в ЧД есть сингулярность?
По первому вопросу ответ сначала казался наиболее простым — сингулярность в «обычной» черной дыре всегда скрыта горизонтом событий. поэтому непосредственно наблюдать ее невозможно. Этот принцип получил название «космической цензуры». Впрочем, появляется следующий вопрос — а может ли открытая, или как говорят, «голая» сингулярность (это официальный термин!) образовываться при каких-то процессах и быть устойчивой, т.е. доступной наблюдениям хоть в течение какого-то времени? Оказывается, что, согласно расчетам, при некоторых процессах (например, при коллапсе несферических звезд) такие сингулярности вполне могут появляться! Про это рассказано здесь: http://www.modcos.com/articles.php?id=63 . Впрочем, в этом случае должны вступать в игру квантовые эффекты — а именно, вакуум начал бы постоянно порождать пары частиц и античастиц, и естественно предположить, что на самом деле энергия ЧД на самом деле никогда не станет бесконечной. Интересно отметить. что именно за счет порождения частиц и античастиц из вакуума и их аннигиляции ЧД постепенно теряют энергию и в конечном счете полностью испаряются (хотя время полного испарения много больше, чем нынешний возраст Вселенной — до 10^66 лет).
Могут ли быть ЧД, отличающиеся от шварцшильдовского типа? Да. Вскоре после решения Шварцшильда появилось решение Райснера-Нордстрема, описывающее заряженную черную дыру, а потом и решение Керра, отвечающее вращающейся ЧД. Интересной чертой этого решения оказывается так называемое увлечение системы отсчета — на некотором расстоянии от горизонта, объекты вблизи черной дыры не могут покоиться, а могут только вращаться вместе с ней (это явление называется frame-dragging, что можно перевести как увлечение системы отсчета вращающейся ЧД). Более того, этот эффект был подтвержден с помощью астрономических измерений.
Обязательно ли в ЧД есть сингулярность? Недавно были опубликованы работы, показывающие, что — не всегда. Существуют такие решения типа ЧД, что горизонт событий у них — есть, но сингулярности в таких ЧД нет, то есть плотность и кривизна не обращаются в бесконечность.
Как наблюдать ЧД? Только косвенно, именно этот сценарий и был недавно реализован. Основной метод наблюдений состоит в исследовании вещества вокруг ЧД. Это вещество захватывается ЧД и падает на нее, и часть его энергии переходит в энергию вращения ЧД, а часть — в энергию излучения, испускаемого при падении. Собственно, именно этому излучению мы и обязаны знаменитой картинкой светящегося кольца вокруг ЧД. Впрочем, стоит сказать, что вокруг ЧД есть и кольцо из двигающихся по орбитам фотонов — сила гравитации вблизи горизонта столь велика, что фотоны становятся спутниками ЧД (конечно, часть из них покидает гравитационное поле ЧД за счет туннельного эффекта. но эта часть весьма мала). Впрочем, такие орбиты будут неустойчивы — при небольшом изменении энергии фотон либо упадет в ЧД, либо улетит от нее.
А общий вывод, однако, состоит в том, что в исследовании ЧД вопросов много больше. чем ответов.
И вот достаточно хороший текст по ЧД: http://www.astronet.ru/db/msg/1174703/kaufman-08/kaufman-08.html .
Upd. Проблема возможного нарушения космической цензуры обсуждается, например, здесь: https://arxiv.org/pdf/1812.05017.pdf . И аргументы из этой работы требуют повышенного внимания.
