FAQ: Гравитационные волны и черные дыры

Черные дыры как идея были придуманы довольно давно. Сделали это Лаплас и Мичелл несколько веков назад. Они догадались, что можно рассмотреть обычные ньютоновские законы (других тогда не было) и сделать очень большой вторую космическую скорость, то есть скорость, которую надо единомоментно сообщить какому-нибудь предмету, чтобы он навсегда улетел с какого-то тела, например, с Земли. Мы берем известную формулу из школьного учебника физики, — вторая космическая скорость равна квадратному корню из удвоенного произведения постоянной тяготения на массу тела, деленного на его радиус, — и видим, что мы можем или, сохраняя радиус тела, увеличивать массу, и тогда будет расти скорость, или, наоборот, сохраняя массу, сжимать это тело, с которого все улетает, и тоже будет увеличиваться скорость. В конце концов, мы дойдем до скорости света. То есть согласно этой формуле можно сделать такой объект — или такой тяжелый, или такой компактный, маленький, — что скорость убегания от него будет равна скорости света.

1

Черные дыры в современном понимании возникли уже в рамках Общей теории относительности. Там картина немного иная, и нам в дальнейшем понадобится геометрическая теория гравитации. В этой теории массивные тела искажают пространство–время вокруг себя. Обычно это иллюстрируют самым простым способом: представьте себе резиновую плоскость. Вы кладете разные предметы — чем тяжелее предмет, тем больше прогнется плоскость, и, соответственно, возникнет ямка, все объекты будут туда притягиваться. Вы просто кидаете какие-нибудь другие шарики, и они в эту ямку скатываются. Хороший образ. Действительно, так модель и выглядит, и мы думаем, что все примерно так и работает. Можно такой тяжелый предмет положить или такой маленький, что он в том месте, где лежит, настолько сильно продавит плоскость, что возникнет область пространства, которая как бы «окуклится», и из нее наружу ничего выходить не будет. Вот это и есть, в первом приближении, черная дыра в Общей теории относительности.

Черная дыра — это область пространства. У нее нет поверхности, по ней нельзя постучать-походить, есть только горизонт, граница, отделяющая недра черной дыры от остального мира. А все, что попало внутрь, уже внутри останется навсегда (хотя ниже мы поговорим об испарении черных дыр). Как дыра устроена внутри — это большой сложный вопрос (проблема в том, что у нас нет по этому поводу никаких наблюдательных данных — ведь сигналы наружу не выходят!). Есть много интересных работ на эту тему. Например, можно сделать предположение о замкнутых орбитах под горизонтом. В таком сценарии некоторые частицы не упадут в самый центр черной дыры, а будут вращаться, всегда оставаясь под горизонтом. Но если это исключить, т. к. такой вариант развития событий является экзотикой, все действительно должно сваливаться в самый центр черной дыры, и мы не знаем, что там происходит, потому что формально многие параметры достигают бесконечных значений, что означает, что наши физические законы там перестают работать.

Есть проблема: существуют ли вообще черные дыры? Потому что, во-первых, общая теория относительности, будучи хорошей стандартной теорией гравитации, заведомо неполна, все это хорошо понимают. Она хороша в определенной области применимости, и там у нее серьезных конкурентов нет, но развивать теорию гравитации необходимо, и, видимо, нам нужна теория, куда эта общая теория относительности войдет как часть. Будут ли существовать черные дыры в такой расширенной теории — вопрос.

2

Черные дыры очень трудно открыть. Она дыра и она черная — собственно, что там можно увидеть? Единственный, сразу приходящий в голову способ — это излучение Хокинга. Черные дыры должны понемногу испаряться. Но это процесс очень медленный. Обычно процесс испарения черных дыр иллюстрируют таким образом. В вакууме постоянно рождаются пары частиц. Это ничему не противоречит. Вы как бы на короткое время берете взаймы энергию, рождаете пару частиц, а потом они аннигилируют. Ну, представьте такую полукриминальную ситуацию: вы работаете в банке, и вы периодически берете деньги из кассы, а на следующий день возвращаете. Ничего не произошло, никто не знает — вы взяли на короткое время и вернули. А теперь представьте, что у вас есть рядом черная дыра. То есть, например, случился какой-то кризис: вы взяли деньги, а вернуть уже ничего не можете, у вас остался долг, и, значит, банк немножко испарился, — для внешнего наблюдателя это выглядит как испарение банка. Если есть черная дыра, рядом возникла пара частиц: одна упала в дыру, а другая улетела. Глядя на это с какого-то расстояния, мы просто увидим, что родилась частица и улетела. Единственный источник энергии для того, чтобы получить эту частицу, — это масса черной дыры. Таким образом, для внешнего наблюдателя масса дыры начинает уменьшаться.

Казалось бы, надо искать такое испарение черных дыр — вот вам и доказательство их существования! Но здесь, если мы к реалиям вернемся, проблема такова: в природе есть два основных типа черных дыр. Первый, самый известный — это черные дыры звездных масс, возникающие на финальных стадиях эволюции самых массивных звезд. Живет большая массивная звезда, она пережигает водород в гелий, гелий в углерод, азот, кислород, наконец, доходит до элементов группы железа. Дальше горение идти не может, и ядро схлопывается. Если это схлопывание ничем не остановить, образуется черная дыра. Типичная масса такого объекта раз в десять больше солнечной. Это массивная черная дыра, она испаряется очень медленно, вокруг постоянно летает какой-нибудь мусор, реликтовое излучение, и это все попадает в черную дыру, поэтому ее масса все-таки в среднем растет, испарение несущественно.

3

Второй тип черных дыр — это сверхмассивные объекты в центрах галактик. Есть два основных сценария их образования: или большие облака газа сразу схлопывались в дыры, а потом они постепенно росли, поглощая вещество из окружающего пространства; или самые первые звезды в конце своей жизни давали довольно большие, по сто-двести масс Солнца, черные дыры, и они становились зародышами для будущих сверхмассивных объектов. Мы не знаем пока, какой из сценариев верен, но существенно, что эти дыры испаряются крайне медленно, т. е. увидеть это фактически невозможно, т. к. снова масса растет из-за поглощения вещества.

Поэтому непосредственно увидеть черную дыру тяжело, и есть такой простой факт: нет никакой Нобелевской премии, выданной за открытие черных дыр. Значит, нет окончательного подтверждения. Практически все астрофизики готовы поспорить тысяча к одному, что они существуют, но полной уверенности нет. Мы наблюдаем объекты, называемые кандидатами в черные дыры. Можно изучать поведение вещества вокруг них — это пока единственный способ что-то узнать о самих дырах. Например, самая известная, самая цитируемая научная статья, когда-либо написанная в нашей стране, — это работа Николая Шакуры и Рашида Сюняева, опубликованная в 1973 году. Она посвящена течению вещества вокруг черных дыр. Это всем нужно, очень востребовано, и поэтому статья долгое время была самой цитируемой астрофизической работой в мире. Благодаря таким исследованиям мы довольно много знаем о свойствах кандидатов в черные дыры. Но все равно полной уверенности в существовании дыр нет, и, может быть, через буквально несколько лет ключевым моментом в доказательстве их существования станет обнаружение гравитационных волн.

4

Мы помним, что у нас есть геометрическая теория гравитации. И мы иллюстрируем ее резиновой плоскостью. Теперь представьте, что вы пальцем периодически тыкаете в эту плоскость. Вы тыкаете, и по ней бежит рябь. В некотором смысле это и есть гравитационные волны. В принципе, даже если вы станете просто размахивать руками, вы будете испускать гравитационные волны, потому что руки массивны, они как-то искажают пространство вокруг себя, вы ими двигаете, и по пространству бежит рябь. Но это очень слабый эффект. Сильный эффект достигается, если мы имеем быстро двигающиеся массивные и достаточно компактные объекты, потому что нужен не просто тяжелый объект, нужно в данном месте очень сильно исказить пространство-время и быстро менять гравитационное поле. Именно черные дыры — идеальный объект для таких целей.

Чтобы возникало существенное гравитационное излучение, нужна определенная асимметрия в движении тела, или само тело, если оно вращается, должно быть несимметричным. Например, вращающийся вокруг короткой оси огурец подойдет. Но черные дыры — это довольно симметричны объекты. Вращающаяся вокруг своей оси одиночная черная дыра ничего излучать не будет, нужна какая-то асимметрия. К счастью, в природе есть подходящие процессы с участием черных дыр. Они происходят в двойных системах.

Звезды чаще всего рождаются не поодиночке, а парами. Например, пусть возникла пара из двух массивных звезд. Затем обе поочередно взорвались как сверхновые и дали две черных дыры, и они крутятся друг вокруг друга. Представим, как два шарика катаются по нашей резиновой плоскости — от них обязательно побежит рябь. В случае пары черных дыр это очень хороший процесс для испускания гравитационных волн, потому что у нас сразу есть большие массы, заключенные в компактные области и двигающиеся с огромными скоростями.

5

Вспомним, что если мы берем любой предмет и кидаем его в черную дыру, он пересекает горизонт со скоростью света. Значит, у него в этот момент колоссальная скорость и энергия. Теперь представим такой экстремальный случай: мы берем одну черную дыру и кидаем в другую черную дыру. Вроде бы должна выделиться куча энергии, и она выделяется! Но только в виде чего? Вся эта огромная энергия выделяется в виде гравитационных волн. Если в системе сливаются две черные дыры, то возникает очень мощный гравитационно-волновой сигнал. Вот его как раз хотят поймать, и, наверное, в ближайшее время это самый реалистичный, самый хороший способ открыть черные дыры.

6

Одним подобным открытием ученые убьют двух зайцев сразу. Во-первых, будет напрямую доказано существование гравитационных волн. Ведь пока у нас есть пусть и очень хорошее, но лишь косвенное подтверждение: астрономы наблюдают тесную двойную систему, но не из двух черных дыр, а из двух нейтронных звезд. Одна из них излучает, как пульсар, т. к. мы как бы имеем в этой двойной системе очень точные часы, посылающие нам регулярные сигналы. Изучая вариации времени прихода этих сигналов, мы понимаем, что эти нейтронные звезды в этой двойной системе сближаются. И единственный разумный механизм, который это все объясняет, — гравитационные волны. Они уносят энергию и угловой момент из системы, что и приводит к уменьшению размера орбиты. За это открытие дали Нобелевскую премию, поскольку это отличная проверка предсказаний Общей теории относительности и лучшее на сегодняшний день косвенное подтверждение существования гравитационных волн.

Но если ученые все-таки зафиксируют сигнал от слияния черных дыр, то, во-первых, мы напрямую увидим сигнал, докажем, что есть гравитационные волны, что геометрическая теория гравитации верна. Это будет очень важно для фундаментальной физики. И, во-вторых, одновременно мы откроем черные дыры, потому что это будет действительно взаимодействие двух горизонтов. Сигнал от процесса слияния позволит сказать, что у взаимодействующих объектов нет твердых поверхностей. Две дыры сольются, образуют единую дыру, ее горизонт будет дрожать какое-то время, от этого также можно зарегистрировать гравитационно-волновой сигнал. Поэтому задачи, связанные с регистрацией гравитационных волн, являются очень важными и перспективными.

7

Как ученые собираются это осуществить? Когда гравитационная волна где-то проходит, она сжимает-растягивает все на своем пути. Эффект слабый, но измеримый. Вначале, еще в 70-е гг. 20 века, ученые пытались ставить металлические болванки, увешанные датчиками, и смотреть, как они будут сжиматься-растягиваться. Это были не очень чувствительные детекторы, поэтому сейчас разработаны и созданы другие. Представьте, на расстоянии нескольких километров друг от друга в тоннеле, где создан вакуум, висят тяжелые зеркала. Между зеркалами бегает лазерный луч. Когда проходит гравитационная волна, зеркала немного смещаются друг относительно друга, и это можно заметить. Заставляя лазерные лучи взаимодействовать друг с другом, мы получаем интерференционную картинку, которая изменяется, если сдвигаются зеркала. Есть надежда, что спустя сто лет после создания Общей теории относительности, примерно в 2015-2016-м году, слияния черных дыр будут обнаружены. Тогда будет доказано существование гравитационных волн, и мы одновременно получим надежное подтверждение существования черных дыр.