Космические исследователи могут моделировать черные дыры на основе самой свежей информации.Очень немногое о черных дырах, среди самых странных объектов во Вселенной, прямолинейно. Ученые получили более полное представление об этих умопомрачительных объектах, чем когда-либо прежде, изучая массивную рябь, которую черные дыры создают в пространстве-времени, и узнавая о том, как они формируются. Но краткая история понимания человечеством черных дыр была сотрясена крупными поворотами на этом пути.
Хотя о существовании черных дыр почти ничего не известно, всего полвека назад эксперты не были так уверены. Роберт Манн, физик из Университета Ватерлоо, изучающий черные дыры и квантовую информацию, говорит, что когда он был аспирантом в 1970-х годах, «профессора сильно в этом сомневались».
Еще в 1783 году преподобный Джон Мичелл, британский ученый, представил черные дыры как «темные звезды». Мичелл спросил, как бы выглядела звезда, если бы она была настолько тяжелой, что скорость, необходимая для того, чтобы избежать гравитационного притяжения, была бы «больше скорости света», — говорит Манн.
Вопрос Мичелла был хорошим. Но несколько лет спустя, в 1790-х годах, известный французский математик Пьер-Симон Лаплас и другие мыслители-новаторы убедили научное сообщество в том, что свет ведет себя как волна и, следовательно, не подвержен влиянию гравитации, говорит Манн. Эта новая концепция света сделала теорию Мичелла неуместной.
Но идея возродилась после 1915 года, когда Альберт Эйнштейн предложил свою общую теорию относительности. Теория гласит, что любой объект с массой искривляет пространство-время пропорционально тому, насколько он тяжел, и позволяет определенному количеству материи стать настолько плотной, что она коллапсирует в бесконечно плотную точку, называемую сингулярностью — сердцем черной дыры.
Люди часто говорят, что Эйнштейн предсказал появление черных дыр, но это не совсем так, говорит Хавьер Гарсия, астрофизик из Калифорнийского технологического института, который использует рентгеновские лучи для изучения фундаментальных свойств черных дыр. «Эйнштейн разработал теорию», которая необходима для их существования, говорит Гарсия, но не предсказал сами объекты.
В 1915 году Эйнштейн использовал общую теорию относительности для объяснения движения Меркурия вокруг Солнца. Это и другие успешные применения теории Эйнштейна побудили ученых исследовать ее более глубокие последствия.
В течение года Карл Шварцшильд, который был «лейтенантом немецкой армии по призыву, но астрономом-теоретиком по профессии», как выразился Манн, услышал о теории Эйнштейна. Он был первым, кто нашел решение уравнений Эйнштейна, которое показало, что сингулярность может образоваться — и ничто, подойдя слишком близко, не может двигаться достаточно быстро, чтобы избежать притяжения сингулярности.
Затем, в 1939 году, физики Робер Оппенгеймер (известный или позорный «Манхэттенский проект») и Хартланд Снайдер попытались выяснить, может ли звезда создать невозможный объект Шварцшильда. Они рассудили, что при наличии достаточно большой сферы пыли гравитация вызовет коллапс массы и образование сингулярности, что и показали их расчеты. Но как только разразилась Вторая мировая война, прогресс в этой области застопорился до конца 1950-х годов, когда люди снова начали пытаться проверить теории Эйнштейна.
Физик Джон Уилер, размышляя о последствиях появления черной дыры, задал одному из своих аспирантов Джейкобу Бекенштейну вопрос, который поставил ученых в тупик в конце 1950-х годов. Как перефразировал это Манн: «Что произойдет, если вы нальете горячий чай в черную дыру?»
Ответ: черная дыра, конечно, выпивает. Но горячий чай вызывает парадокс.
Обратите внимание: Что такое старость? Марсоход Curiosity сделал селфи, на котором видно как машину потрепала жизнь.
Все, что имеет некоторую температуру, излучает тепло. А смешивание горячих и холодных предметов вызывает обмен — например, когда вы кладете кубики льда в горячую ванну, кубики льда нагреваются, а ванна охлаждается.Если черная дыра поглощает все и ничего не излучает, значит, она не излучает тепла и должна иметь нулевую температуру. Черная дыра, которая всасывает горячую материю и никогда не становится теплее, «противоречит всему, что мы знаем о термодинамике», — говорит Манн.
К 1960-м годам у этих объектов было броское название «черная дыра». Этот термин объяснял две особенности: это были дыры в том смысле, что предметы могли падать в них, но никогда не вылезали наружу, и они казались совершенно темными для любого наблюдателя.
Ученик Уилера Бекенштейн вместе со Стивеном Хокингом обнаружил, что черные дыры действительно излучают энергию. Это излучение, вызванное квантовыми флуктуациями в пространстве, высвобождает лишь крошечную часть энергии. Но их исследование доказало, что черные дыры обладают теплом, что окончательно ответило на вопрос, заданный Уилером полтора десятилетия назад.
По словам Манна, их введение в квантовую физику черных дыр разрешило один парадокс, но создало другой. Квантовая механика требует, чтобы информация не могла быть уничтожена. И в настоящее время у ученых нет способа что-либо сказать о веществе, которое попало в черную дыру из-за небольшого излучения, которое она испускает, — эта информация утеряна.
«До сих пор нет единого мнения о том, как решить эту проблему», — говорит Манн, хотя некоторые исследователи считают, что они близки к ее решению.
Хокинг помог решить еще одну загадку, которая с самого начала цеплялась за черные дыры. Решение проблемы черной дыры, предложенное Шварцшильдом в начале 20-го века, не просто предотвратило утечку света. Он также включал дыру в пространстве-времени в ядре черной дыры — сингулярность. Но в то время ученые не были уверены, было ли это общим свойством черных дыр или просто причудой конкретных систем, которые Шварцшильд, а позже Оппенгеймер и Снайдер выбрали для расчетов.
Хокинг и Роджер Пенроуз показали, что решение Шварцшильда, которое создало сингулярность, было не просто единственным случаем для невероятно круглых звезд — это могло произойти с любой достаточно большой массой.
Рентгеновские наблюдения потенциальных черных дыр накапливались на протяжении десятилетий, но только после первых открытий LIGO, объявленных в 2016 году, астрономы получили прямые доказательства существования черных дыр. И не только это, они сталкиваются друг с другом, образуя большие черные дыры и излучая гравитационные волны, говорит Манн.
Ученые до сих пор не знают, что делать с информационным парадоксом или сингулярностями. «И все же мы видим эти объекты. И мы также сделали снимок одного из них», — говорит Манн, имея в виду первое изображение светящейся материи вокруг черной дыры, сделанное телескопом «Горизонт событий» в 2019 году.
Новые телескопы продолжают проливать свет на самые темные объекты Вселенной. И когда основные обновления будут готовы, команда Event Horizon Telescope надеется снять первое видео черной дыры.
#черная дыра #космос #космос исследования #злой космос #научно-популярно
Еще по теме здесь: Космос.
Источник: Что такое черная дыра. Вклад известных ученых в их изучение.