Черные дыры сожрут все, что встретят. Хотя это отличный способ для роста черных дыр, это кажется парадоксальным, поскольку с точки зрения стороннего наблюдателя никакая материя никогда не пересекает горизонт событий. X-ray: NASA/CXC/UNH/D.Lin et al, Optical: CFHT, Illustration: NASA/CXC/M.Weiss
Каждая галактика размером с Млечный Путь должна содержать сотни миллионов черных дыр, образованных в основном в результате гибели самых массивных звезд. В центрах этих галактик сверхмассивные черные дыры поглотили достаточно материи, чтобы вырасти до массы в миллионы или миллиарды раз больше массы Солнца, иногда они попадают в период питания материей, испуская радиацию и релятивистские струи. Но со стороны кажется, что любой падающей массе потребуется бесконечное время, чтобы упасть внутрь, предотвращает ли это рост черных дыр? Олаф Шлютер хочет это знать, спрашивая:
Для любого объекта, падающего в черную дыру, время замедляется при приближении и останавливается, когда объект достигает горизонта событий. Достижение и прохождение этой границы потребует бесконечного количества времени, измеряемого удаленным наблюдателем ... если «поедание» материи займет бесконечное время ... как могли возникнуть сверхмассивные черные дыры?
Это звучит парадоксально, но теория относительности объясняет, как все это происходит на самом деле.
В апреле 2017 года все 8 телескопов/массивов телескопов, связанных с телескопом «Event Horizon», были нацелены на Мессье 87. Так выглядит сверхмассивная черная дыра снаружи, и горизонт событий четко виден.
Event Horizon Telescope collaboration et al.
Когда вы думаете о черной дыре, есть два совершенно разных способа делать это. Первый способ - рассмотреть это с точки зрения внешнего наблюдателя: представить черную дыру такой, какой ее увидел бы кто-то вроде нас. С этой точки зрения черная дыра - это просто область пространства, в которой в заданном объеме содержится достаточно массы, чтобы скорость убегания, или скорость, которую вам нужно было бы достичь, чтобы вырваться из ее гравитационного притяжения, превышала скорость света.
За пределами этой конкретной области пространство может быть сильно искривлено, но частицы, которые движутся или ускоряются достаточно быстро, как и сам свет, могут распространяться в любое произвольное место во Вселенной. Однако внутри этого региона выхода нет, поскольку граница между внутренним и внешним миром определяется как горизонт событий черной дыры.
С внешней стороны черной дыры вся падающая материя будет излучать свет и всегда будет видна, в то время как ничто из-за горизонта событий не может выйти наружу. Но если бы вы были тем, кто упал в черную дыру, то, что вы бы увидели, было бы интересно и нелогично, и мы знаем, как это будет выглядеть на самом деле. Andrew Hamilton, JILA, University of Colorado
Однако второй способ думать о черной дыре: с точки зрения частицы, массивной или безмассовой, которая пересекает горизонт событий снаружи внутрь и, следовательно, падает в черную дыру. Снаружи горизонта событий падающая сущность видит внешнюю Вселенную, а также черноту горизонта событий, которая становится все больше и больше по мере приближения к ней.
Но как только они пересекают горизонт событий, происходит что-то забавное. Независимо от того, в каком направлении они движутся или ускоряются, независимо от того, насколько быстро и насколько мощно они это делают, они всегда неизбежно будут направляться к центральной сингулярности. Сингулярность - это либо нульмерная точка (для невращающихся черных дыр), либо одномерное кольцо (для вращающихся черных дыр), и ее нельзя избежать после пересечения горизонта событий.
Как внутри, так и за пределами горизонта событий черной дыры Шварцшильда пространство течет как движущаяся дорожка или водопад, в зависимости от того, как вы хотите его визуализировать. На горизонте событий, даже если вы бежите (или плывете) со скоростью света, вы не сможете преодолеть поток пространства-времени, который втягивает вас в сингулярность в центре. Однако за пределами горизонта событий другие силы (например, электромагнетизм) часто могут преодолевать притяжение гравитации, вызывая улетучивание даже падающей материи. Andrew Hamilton / JILA / University of Colorado
Важно не смешивать эти точки зрения. Хотя они обе действительны, на самом деле невозможно выполнить простое преобразование с одной точки зрения на другую. Причина проста: извне черной дыры вы никогда не сможете получить какую-либо информацию о том, что происходит внутри горизонта событий, а изнутри черной дыры вы никогда не сможете послать какую-либо информацию наружу.
И все же частицы, содержащие энергию, угловой момент и, возможно, заряд, действительно падают в черные дыры, увеличивают их массу и вызывают рост этих черных дыр. Чтобы понять, как именно это происходит, нам нужно взглянуть на проблему с обеих сторон независимо друг от друга, и только тогда мы сможем увидеть, как примирить кажущиеся парадоксальными аспекты этой головоломки.
Все, что находится внутри горизонта событий, окружающего черную дыру, независимо от того, что еще происходит во Вселенной, окажется втянутым в центральную сингулярность. Bob Gardner / ETSU
Физику немного легче понять, если посмотреть на нее с точки зрения падающей частицы. Если частица, находящаяся в искривленном пространстве поблизости от ранее существовавшей черной дыры, оказывается на траектории, пересекающей горизонт событий, существует четкий сценарий «до и после».
Прежде чем она пересечет горизонт событий, черная дыра имеет определенную массу, момент вращения и радиус горизонта событий, в то время как падающая частица также добавляет небольшую деформацию в пространство, которое она занимает. Когда она переходит внутрь горизонта событий, ее масса и угловой момент теперь добавляют дополнительный вклад к предыдущим параметрам черной дыры, вызывая рост горизонта событий. С точки зрения самой падающей частицы все имеет ясный смысл.
Вблизи черной дыры пространство течет как движущаяся дорожка или водопад, в зависимости от того, как вы хотите это визуализировать. На горизонте событий, даже если вы бежите (или плывете) со скоростью света, вы не сможете преодолеть поток пространства-времени, который втягивает вас в сингулярность в центре. Однако за пределами горизонта событий другие силы (например, электромагнетизм) часто могут преодолевать притяжение гравитации, вызывая улетучивание даже падающей материи. Andrew Hamilton / JILA / University of Colorado
Но с точки зрения стороннего наблюдателя все гораздо сложнее. Чем ближе вы подходите к горизонту событий черной дыры, тем сильнее искривляется пространство, и поскольку теория относительности Эйнштейна связывает пространство со временем, это означает, что такие эффекты, как гравитационное красное смещение и гравитационное замедление времени, становятся все более и более выраженными, чем ближе падающая частица приближается к горизонту.
Другими словами, для стороннего наблюдателя, который видит материю, падающую в черную дыру, будет казаться, что вещество:
- приобретает более красный цвет (поскольку фотоны смещаются в красную область под действием силы тяжести);
- падает все медленнее и медленнее по мере асимптотического приближения к горизонту событий (из-за замедления времени);
- со временем становится все тусклее (по мере того, как количество фотонов на «количество замедленного времени» постепенно уменьшается);
- и в конце концов «замораживается» бесконечно близко к горизонту событий, но все еще за его пределами.
Художественное изображение звезды, похожей на Солнце, разрываемой на части в результате приливных волн, когда она приближается к черной дыре. Объекты, которые упали ранее, по-прежнему будут видны, хотя их свет будет казаться все более слабым и красным (легко переходя в инфракрасный цвет, который невидим для человеческого глаза) пропорционально времени, прошедшему с тех пор, как они, с точки зрения падающего вещества, пересекли горизонт событий. ESO, ESA/Hubble, M. Kornmesser
С точки зрения внешнего наблюдателя можно даже возразить, что, возможно, черные дыры не могут расти. Если какое-либо количество материала, каким бы массивным оно ни было, не может перейти за пределы горизонта событий внутрь горизонта событий, как может черная дыра когда-либо стать более массивной?
Забудьте о превращении в сверхмассивную, похоже, что черная дыра вообще не может расти!
Но мы обманываем себя, если рассуждаем так. Помните, что с точки зрения внешнего наблюдателя мы никогда не сможем получить никакой информации о том, что происходит внутри горизонта событий черной дыры. Хотя мы можем проводить теоретические расчеты, чтобы определить, что, по предсказанию Эйнштейна, должно быть внутри черной дыры, где и с какими свойствами мы должны найти горизонты событий, эргосферы, сингулярности и многое другое, внешний наблюдатель не может получить эту информацию никакими средствами.
Точное решение для черной дыры с массой и угловым моментом было найдено Роем Керром в 1963 году и выявило вместо единого горизонта событий с точечной сингулярностью внутренний и внешний горизонт событий, а также внутреннюю и внешнюю эргосферу плюс кольцевая сингулярность значительного радиуса. Внешний наблюдатель не может видеть ничего за пределами внешнего горизонта событий. Matt Visser, arxiv:0706.0622
Все, что внешний наблюдатель может когда-либо воспринимать, приходит извне горизонта событий, и это ключ к более глубокой истине: горизонт событий сам по себе не является местом, где физика рушится (истинная сингулярность), это просто место, где внешний наблюдатель «защищен» от получения информации о том, что происходит внутри (координатная сингулярность). Это означает, что то, что испытывает падающий наблюдатель, должно быть на каком-то уровне правильным для всех наблюдателей. Каким-то образом черные дыры должны действительно расти, и внешний наблюдатель также должен видеть этот рост.
Тогда как они могут увидеть этот рост, учитывая этот очевидный парадокс?
Ключ состоит в том, чтобы помнить, что для внешнего наблюдателя черная дыра - это просто область пространства с большим количеством материи и энергии (а также угловым моментом, зарядом и всем остальным, что определяет черную дыру), из которой не может выйти свет. Если мы примем это простое определение, мы сможем провести мысленный эксперимент, который полностью разрешит этот парадокс. Представьте, что мы начинаем с черной дыры в одну солнечную массу, которая не вращается, с горизонтом событий точно такого же размера, каким было бы наше Солнце, если бы оно коллапсировало в черную дыру Шварцшильда: сфера радиусом около 3 километров.
Масса черной дыры является единственным определяющим фактором радиуса горизонта событий для невращающейся изолированной черной дыры. Для черной дыры массой ~ 1 солнечная ее горизонт событий будет около 3 километров в радиусе. SXS team; Bohn et al 2015
Теперь давайте возьмем еще один объект с солнечной массой, возможно, другую звезду, такую же, как наше Солнце, и позволим ему упасть в эту черную дыру.
Что произойдет?
Вещество звезды будет:
- разорванно;
- растянуто и сжато приливными силами черной дыры;
- разбросано по огромному пространству;
- и будет асимптотически приближаться к горизонту событий, при этом каждая частица будет бесконечно приближаться к исходному горизонту событий, но никогда не пересечет его.
Дело в том, что с дополнительной солнечной массой материала, находящейся всего в 3 км от предсказанной центральной сингулярности, теперь у нас есть две солнечные массы материала в этой конкретной области пространства. Горизонт событий объекта с массой две Солнца составляет 6 километров в радиусе, а это означает, в конце концов, что весь этот материал сейчас находится внутри горизонта событий!
Когда материя падает в черную дыру, она увеличивает плотность (количество материи на единицу объема) в области пространства, окружающей горизонт событий. Когда общая масса в этом объеме увеличивается на достаточно большую величину, этот новый материал теперь будет находиться за новым горизонтом событий с увеличенным радиусом. ESA/Hubble, ESO, M. Kornmesser
Это решение парадокса: когда материя падает на черную дыру, с точки зрения стороннего наблюдателя, она только асимптотически приближается к горизонту событий. Но поскольку материя имеет массу, эта масса теперь содержится в критическом объеме пространства, и это заставляет новый горизонт событий теперь включать в себя дополнительный материал, который недавно накопился вокруг черной дыры.
Это правда, что извне черной дыры, материя, даже если она падает по неизбежной траектории, никогда не будет казаться пересекающей исходный горизонт событий с точки зрения внешнего наблюдателя. Но чем больше массы и энергии накапливает черная дыра, тем больше становится горизонт событий, а это означает, что недавно падающий материал может легко оказаться внутри горизонта событий, как он появляется после того, как эта материя попала в достаточно небольшой объем пространства: достаточно близко к достаточно старому горизонту событий, чтобы вызвать его рост.
Черные дыры действительно растут со временем, и все наблюдатели могут прийти к единому мнению, когда и насколько именно.
Комментариев нет:
Отправить комментарий