Когда Купер – главный герой знаменитого «Интерстеллар»,
пересекает горизонт событий черной дыры и попадает в четырехмерное
пространство, то ̶з̶а̶с̶т̶р̶е̶в̶а̶е̶т̶ ̶в̶ ̶к̶о̶м̶н̶а̶т̶е̶
̶с̶в̶о̶е̶й̶ ̶д̶о̶ч̶е̶р̶и̶ может видеть любые объекты и исходящие от
них «нити» времени. Но что на самом деле происходит внутри этих
космических монстров? Общая теории относительности (ОТО) гласит,
что за горизонтом событий скрывается сингулярность, а значит
пространство и время сжимаются. Формально, сингулярность – это
точка, в которую сколлапсировал материал, образующий черную дыру, а
известные нам законы физики там попросту не работают. Ученые,
однако, не исключают и другие варианты. Стивен Хокинг, например, не
исключал, что черные дыры могут быть порталами в другие вселенные.
Но как узнать что находится внутри, если ни один человек никогда не
сможет там оказаться? Ответ на этот вопрос могут подсказать
гравитационные волны и компьютерное моделирование.
Во
Вселенной происходи множество космических катастроф, например,
столкновение сверхмассивных черных дыр
Что такое сингулярность и «точка
невозврата»?
В 2015 году ученые из лабораторий LARGO и VIRGO сообщили об
обнаружении гравитационных волн в результате столкновения двух
черных дыр
До этого момента черные дыры считались гипотетическими объектами, а
в способность доказать их существование не верил даже Эйнштейн (то
же можно сказать и о гравитационных волнах). Однако на дворе 2023
год, а у человечества «в кармане» не только гравитационные волны,
но и снимки горизонта событий двух черных дыр.
Напомним, что черные дыры представляют собой
объекты в пространстве-времени, сила гравитации которых настолько
велика, что вся поглощенная ими материя исчезает навеки. Мы знаем
об этом благодаря горизонту событий – светящемуся
кольцу этих космических монстров. Когда материя пересекает так
называемую точку невозврата, то навсегда становится пленницей
черных дыр.
Внешний
круг черной дыры называется горизонтом событий, а в центре
космического монстра располагается сингулярность.
То, как выглядит горизонт событий
мы увидели весной 2019 года, после публикации снимка
"Стрельца А* – центрального объекта галактики Messier 87,
расположенной на расстоянии 54 миллионов световых лет от Земли.
Следующим изображением,
опубликованном
в мае 2022 года, стал снимок черной дыры в сердце Млечного
Пути.
Освежив в памяти открытия последних лет, не будем забывать о
сингулярности – центральной области черной дыры,
расположенной за горизонтом событий. Считается, что в этой точке
сосредоточена масса черной дыры с бесконечной плотностью, однако
что именно там происходит неизвестно.
Черные дыры и компьютерные модели
Но вернемся к гравитационным волнам – «ряби» в
пространстве времени, которая распространяется подобно волнам в
результате космических катастроф – столкновений нейтронных звезд
или черных дыр: чем больше масса и скорость движения объектов, тем
больше колебания гравитационных волн.
Обнаружение гравитационных волн в очередной раз подтвердило ОТО
Эйнштейна, а за прошедшие с тех пор годы было обнаружено около 100
сливающихся черных дыр. Теперь, благодаря работе команды 14 ученых
во главе профессором Колумбийского университета Ламом Хуэем,
моделирование космических катастроф прокладывает путь к более
глубокому пониманию структуры черных дыр во время столкновений.
Столкновение таких массивных объектов как нейтронные звезды и
черные дыры порождает гравитационные волны, сотрясающие
пространство-время
В работе, опубликованной
в журнале Physical Review Letters, команда описывает усложненный
способ моделирования сигнала, излучаемого гравитационными волнами,
путем включения в модель нелинейных взаимодействий. Ранее модели
гравитационных волн включали только линейные взаимодействия,
которые хорошо работают, но не учитывают различные виды поведения
наблюдаемых космических объектов. Новое исследование улучшает
модели на 10% (а это много).
Это большой шаг в подготовке к следующему этапу обнаружения
гравитационных волн и пониманию гравитации и явлений, наблюдаемых в
дальних уголках космоса, –
пишут авторы научной работы.
Отметим, что нелинейность моделей для описания гравитационных
волн можно сравнить с волнами в океане: спокойно поднимающиеся и
опускающиеся описаны линейными уравнениями, а крупные и
разбивающиеся – нелинейными. Последние демонстрируют движение воды
в волне, включая капли воды, что содержатся в воздухе.
Перед
вами процесс поглощения звезды черной дырой
Новый метод также дает подсказки о том, что происходит внутри
черных дыр, описывая гравитацию в экстремальных астрофизических
условиях. «В попытках докопаться до истины мы наблюдаем за
рябью пространства-времени как детективы. И это – лучший
способ узнать как можно больше об их таинственной природе», –
отметил один из 14 авторов научной работы.
Исследование пришлось как нельзя кстати: в марте обсерватория
LIGO вновь приступит к работе после закрытия в 2020 году из-за
пандемии COVID-19. Ожидается, что в ближайшие годы сбором данных
займутся несколько крупных детекторов гравитационных волн, а
наличие улучшенных компьютерных моделей может привести к новым
открытиям.
Улучшенные компьютерные модели позволяют оценить
пространственно-временную структуру черных дыр и их содержимое, так
как «прислушиваются» к звуку, исходящему от столкновения и слияния
этих космических монстров. Ожидается, что в будущем эти модели
помогут составить карту внутренней структуры черных
дыр и того, что происходит с оказавшейся там материей.
В модели
используются новые методы для анализа волн, испускаемых черными
дырами при столкновении.
Нелейные взаимодействия можно сравнить с встряхиванием коробки и
издаваемом в результате звуком, который позволяет узнать о ее
содержимом. В данном случае тряска – столкновение
двух черных дыр, а звук – издаваемые в процессе
гравитационные волны. Результат, как ожидают специалисты, позволит
обнаружить еще больше космических катастроф в самых отдаленных
уголках Вселенной.
Дальнейшая работа над улучшением компьютерных моделей – это
большой шаг в подготовке к следующему этапу
обнаружения гравитационных волн и изучению самой главной (и
загадочной) силы природы – гравитации и ее поведения на просторах
бесконечной Вселенной. Но компьютерное моделирование – лишь малая
часть этой колоссальной работы.
Как объяснить сингулряность?
Пролить свет на тайну содержимого черных дыр может
темная энергия – сила, благодаря которой Вселенная
расширяется со все возрастающей скоростью (что, на секунду,
противоречит ОТО). О том, что ключ к пониманию структуры черных дыр
связан с темной энергией, говорят результаты новых исследований, в
ходе которых ученые измерили массу черных дыр в гигантской
эллиптической галактике.
Звездообразование в таких галактиках как правило
останавливается, а «строительного» материала катастрофически не
хватает. Это означает, что черным дырам в центре таких
галактик нечего поглощать, а значит набирать массу эти
объекты не могут, – объясняют специалисты.
В центре
черной дыры располагается сингулярность. Верхняя и нижняя точки –
горизонт событий, поглощающий все вокруг и не выпускающий материю
за пределы черной дыры
Как показали результаты сразу двух исследований физиков из
Гавайского университета, опубликованных в журнале Astrophysical
Journal и Astrophysical
Journal Letters, в отдаленных эллиптических
галактиках без звездообразования, сверхмассивные черные дыры
продолжали расти. Более того, эти таинственные объекты становились
все более массивными примерно с той же скоростью, с которой
расширялась Вселенная. «Это наводит на мысль о том, что черные
дыры могут играть определенную роль в создании темной
энергии», – говорится в статье.
В нашем сегодняшнем понимании центр черной дыры – это точка, в
которой известные законы физики не работают из-за чрезмерной силы
гравитации. При этом сингулярность математически
невозможна. «Когда физика внутри черной дыры становится странной, ее масса
оказывается связанной с расширением всей Вселенной», –
сообщают исследователи.
Некоторые
физики полагают, что черные дыры являются источником таинственной
темной энергии, ответственной, как считается, за расширение
Вселенной
Многие физики также высказывали предположения о том, что вместо
сингулярности центр черной дыры может содержать так называемую
вакуумную энергию – одну из возможных форм
загадочной темной энергии. И все же, утверждать, что физики
разгадали как тайну темной энергии и знают что находится внутри
черных дыр, нельзя. Однако использование обновленных компьютерных
моделей наряду с дальнейшими наблюдениями и сбором данных, позволят
ответить на многие фундаментальные вопросы о мире и Вселенной, в
котором мы живем.
О том, могут ли черные дыры оказаться
порталами для путешествий сквозь пространство и время
мы рассказывали в этой статье, не
пропустите!
А как вы думаете, что находится внутри черных дыр? Могут ли они
быть порталами в другие миры или являются источником таинственной
темной энергии? Ответ, как и всегда, ждем в нашем Telegram
чате и комментариях к этой статье!
Комментарии