Александр Петров - Гравитация. От хрустальных сфер до кротовых нор

Сейчас с увеличением точности и надежности наблюдений производят переоценки масс сверхмассивных черных дыр – как оказалось, они могут быть значительно недооценены. Например, для того, чтобы в галактике М 87 (расположена на расстоянии 50 миллионов световых лет от Земли) звезды двигались так, как это наблюдается сейчас, масса центральной черной дыры должна быть как минимум 6,4 миллиарда солнечных масс, что значительно превышает предыдущие оценки.

Обсудим более детально вопрос о существовании черных дыр. Проблема во многом связана с тем, насколько верна теория гравитации, из которой существование таких объектов следует. В современной физике стандартной теорией гравитации, лучше всего подтвержденной наблюдениями, является ОТО. Но, строго говоря, эта теория не проверена для условий в непосредственной близости от черной дыры. С другой стороны, попытки описать сверхплотные и свехкомпактные объекты в центрах галактик не так, как это предлагает ОТО, приводят к экзотическим моделям, которые вызывают больше вопросов, чем дают ответов.

Черные дыры промежуточных масс определяются массами от сотен до тысяч солнечных масс, а их гравитационные радиусы могут быть от сотен до тысяч километров. Нижней границей считается масса порядка 200 М ⊙, как предел для отдельной звезды. Они предлагаются как возможные источники энергии сверхъярких источников рентгеновского излучения. В качестве механизма формирования таких черных дыр рассматриваются, прежде всего, ассоциации молодых звезд и, возможно, ядра шаровых скоплений. В 2002 году космический телескоп «Хаббл» производил наблюдения, показавшие вероятность существования в шаровых скоплениях M 15 (в созвездии Пегаса) и Mayall II (в галактике Андромеды) именно среднемассивных черных дыр. Такая интерпретация точно так же основывается на размерах и периодах орбит звезд в данных шаровых скоплениях. Однако в этом случае нет той уверенности, как в существовании сверхмассивных черных дыр. Оказывается, что вместо черных дыр в центрах шаровых скоплений вполне могут быть и группы нейтронных звезд, давая тот же результат наблюдений. В нашей Галактике среднемассивная черная дыра с массой порядка 1300 солнечных масс, возможно, находится внутри группы из семи массивных звезд на расстоянии 3 световых лет от Стрельца А*.

Наконец, кратко обсудим черные микродыры , их массы много меньше звездных, а минимальная величина ограничивается только квантовыми принципами. Их часто и называют квантовыми черными дырами , поскольку они (возможно) должны подчиняться законам квантовой механики. Такие дыры, мы уже понимаем, не могут образоваться обычным образом в результате коллапса. Но тогда как? Одним из наиболее вероятных механизмов является генерация черных дыр на ранних стадиях эволюции Вселенной, когда плотность материи и ее флуктуации были чрезвычайно велики. Такие черные дыры называют первичными. Некоторые варианты теории квантовой гравитации не исключают рождение микродыр при высокоэнергичных взаимодействиях в современную эпоху. Предполагается, что это могут быть взаимодействия космических лучей с атмосферой, либо взаимодействия частиц в ускорителях типа Большого адронного коллайдера. Но все эти предсказания пока остаются гипотетическими.

Упомянув о черных микродырах, нельзя не сказать несколько слов об излучении, теоретически предсказанном Стивеном Хокингом, известным английским теоретиком. Это излучение, правда, имеет больше отношения к квантовой теории поля и термодинамике, чем к чисто гравитационным явлениям, но прямо связано с черными дырами. Что же это такое? Квантовая теория поля утверждает, что, в согласии с принципом неопределенности, в физическом вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные частицы. Гравитационное поле рядом с горизонтом увеличивает энергию виртуальных (короткоживущих) пар в вакууме, превращая их в реальные (долгоживущие). Один из компонентов пары становится реальной частицей снаружи (и вблизи) горизонта событий и, имея положительную энергию, может уйти в бесконечность; другой появляется внутри (и вблизи) горизонта и падает с отрицательной энергией внутрь черной дыры (см. рис. 8.5). В итоге черная дыра становится источником непрерывного потока частиц, уходящего в бесконечность. При формировании такого излучения никакая частица не пересекает горизонта событий, который тем самым по-прежнему обладает свойствами клапана.