спин чёрной дыры

В 2015 году детекторы LIGO впервые поймали дрожь пространства от слияния двух чёрных дыр. С тех пор таких событий накопились сотни, и каждое несёт отпечаток своей родословной: родились ли дыры рядом, из одной пары звёзд, или встретились случайно в тесном скоплении. Разница видна по тому, куда смотрят их оси вращения. Если звёзды росли вместе, приливные силы выстраивают их спины, как стрелки компаса на север.

Чёрная дыра — область пространства-времени, гравитация которой столь сильна, что покинуть её не может даже свет, — затягивает всё, что подходит слишком близко. Но если бросить туда не один предмет, а пару, один из них может вылететь обратно, забрав часть энергии вращения дыры.

В привычной картине мира событие — это точка на карте пространства-времени: «здесь и сейчас», без размера и внутреннего устройства.

В центре галактики сидит сверхмассивная чёрная дыра, а вокруг неё раскинулось огромное разреженное облако тёмной материи. Оно не светится, не греет, но своей тяжестью искривляет пространство и меняет правила игры для всего, что крутится рядом.

В двумерной вселенной чёрная дыра похожа на воронку в пространстве-времени. Но авторы новой работы пошли дальше: они предположили, что само пространство, где «живут» импульсы частиц, тоже изогнуто — как седло. Они взяли обычную чёрную дыру BTZ (трёхмерный родственник реальных чёрных дыр) и добавили квантовую рябь в геометрию импульсов.

В центре многих галактик вращаются космические волчки невероятной мощи — сверхмассивные чёрные дыры. Их природу первым описал Шварцшильд сразу после того, как Эйнштейн подарил миру общую теорию относительности. Спин — такой же фундаментальный параметр, как масса, но куда более неуловимый.

Раскалённый газ, закручиваясь в спираль, падает на невидимый сверхплотный объект. Такой диск похож на гигантскую воронку, но часто он наклонён — его ось не совпадает с осью вращения центрального тела. Гравитация массивного объекта заставляет диск слегка покачиваться, словно волчок, теряющий равновесие.

Астрофизики десятилетиями выстраивали стройную картину: галактика, подобно гигантской карусели, вращается в едином ритме, и расположенная в её центре сверхмассивная чёрная дыра наследует этот танец.

Слияния чёрных дыр, предсказанных ещё Карлом Шварцшильдом, — главный источник гравитационных волн, улавливаемых детекторами LIGO. За годы набралось 259 событий, и каждое — зашифрованная история рождения пары. Но есть ли в этих данных скрытая система?

Кротовая нора — это туннель, соединяющий две далёкие области Вселенной. Если бы такая нора существовала и была проходимой, частица внутри неё чувствовала бы не только гравитацию, но и силу от собственного электрического поля. Эта сила зависит от того, как искривлено пространство-время вокруг.

Фигуристка кружится на льду, постепенно сходя с орбиты. Так и маленькая звезда или чёрная дыра, обращаясь вокруг массивной чёрной дыры, теряет энергию. Она испускает гравитационные волны — рябь пространства-времени, которую улавливают детекторы на Земле. Но танец этой пары сложнее, чем кажется. Маленький компаньон не просто точка.

Чёрная дыра — не просто тёмное пятно на небе. Её тень ложится на светящийся фон из падающего вещества и хранит отпечаток самой геометрии пространства. Если гравитация устроена хоть немного иначе, чем мы привыкли думать, тень это выдаст. В новой работе физики проследили за лучами света в окрестностях вращающейся чёрной дыры в так называемой гравитации Расталла.

Волчок, который крутится так быстро, что заставляет свет вокруг себя заворачиваться в спирали, — удачный образ того, что происходит у горизонта черной дыры. Раскаленная плазма падает в нее и испускает радиоволны. Их поляризация (то, в какой плоскости колеблется волна) становится стрелкой, указывающей направление потока энергии.

Массивный волчок крутится так быстро, что само пространство вокруг него закручивается в спираль. Это чёрная дыра — только вместо дерева и металла она сделана из чистой гравитации. Добавим к ней необычное электромагнитное поле, которое слегка меняет правила игры. Получится «деформированная» чёрная дыра: её форма и поведение чуть отличаются от привычных, описанных ещё полвека назад.

Когда свет проходит вблизи чёрной дыры, он попадает в мощную гравитационную ловушку: траектория фотонов искривляется так сильно, что частицы начинают метаться по почти замкнутым орбитам, словно шарики в пинбольном автомате.

Когда чёрная дыра попадает в объектив, она оставляет на снимке идеальную тьму — гравитационный колодец, куда безвозвратно падает свет. Снимки Телескопа горизонта событий показали тени сверхмассивных объектов, и они идеально вписались в предсказания общей теории относительности Эйнштейна.

Тени сверхмассивных объектов в центрах галактик — М87 и Млечного Пути — стали иконами современной астрофизики. Но что, если эти тени — след не поглощения, а прохода? Уравнения Эйнштейна разрешают существование проходимых кротовых нор — тоннелей в ткани пространства-времени.

Тень чёрной дыры — икона астрофизики, — но вглядитесь пристальнее: её бархатистый край подрагивает в такт поляризации света. Это не оптическая иллюзия, а гравитационный спин-Холл эффект: вращающаяся чёрная дыра превращается в поляризационную призму, сортируя фотоны по направлению вращения их электрического поля.

Волчок, раскрученный до предела, меняет движение воздуха вокруг себя — тот закручивается иначе, чем у едва вращающегося. С чёрными дырами в некоторых расширенных теориях гравитации происходит похожее. Когда дыра вращается достаточно быстро, само искривлённое пространство-время у её полюсов приобретает новые свойства.

Падающий на чёрную дыру газ закручивается в спираль, как вода в воронке. В этом потоке постоянно рождаются и лопаются магнитные петли — примерно как солнечные вспышки, но гораздо мощнее. Каждая такая петля — крошечный магнит, который живёт своей жизнью. Когда их много, они начинают влиять друг на друга: их северные и южные полюса то притягиваются, то отталкиваются.

Фигурист скользит по льду, постепенно приближаясь к центру арены. Лёгкий поворот корпуса — и плавная спираль ломается, траектория становится непредсказуемой. Нечто похожее происходит, когда маленькая чёрная дыра с собственным вращением (спином) падает на гигантскую чёрную дыру. Долгое время считалось, что для такого хаоса нужен нереально быстрый спин.

Свет, отражённый от раскалённого диска вокруг чёрной дыры, может рассказать о ней больше, чем мы думали. Когда диск излучает тепло, часть этого света отражается обратно на диск и рассеивается, приобретая необычное распределение энергии — как будто к обычному свечению добавляется новый компонент, похожий на степенной закон.

Раскрученный волчок на столе покачивается: ось вращения наклонена, и движение становится неровным. Похоже ведут себя чёрные дыры, вокруг которых крутится диск из газа и пыли. Если оси вращения чёрной дыры и диска не совпадают, вся система начинает вибрировать, порождая рябь в пространстве-времени — гравитационные волны.

Чёрные дыры подобны космическим волчкам. Их вращение искривляет пространство-время — как и предсказывал Эйнштейн в общей теории относительности, — и характеризуется безразмерным параметром спина, принимающим значения от 0 до 1.

Кротовая нора — гипотетический туннель в пространстве-времени, соединяющий удалённые области Вселенной. Долгое время считалось, что тень, отбрасываемая таким объектом на фоне яркого аккреционного газа, должна быть идеально круглой, подобно тени чёрной дыры.

Тёмная материя — невидимая субстанция, проявляющая себя только через гравитационное влияние на движение звёзд и галактик. Впервые гипотезу о её существовании выдвинул Фриц Цвикки в 1930-х годах, а Вера Рубин позже подтвердила её реальность, измерив скорости вращения галактик.

Чёрная дыра в двойной системе Swift J1727.8-1613 мерцает в рентгеновских лучах, как костёр на ветру. Но если приглядеться к ритму этого мерцания, можно увидеть чёткие «горбы» — всплески на определённых частотах, похожие на удары барабана в шуме толпы.

В 2019 году астрономы показали первый в истории снимок тени чёрной дыры — тёмный провал, окружённый неровным оранжевым кольцом. Это сверхмассивная чёрная дыра в центре галактики M87, в 55 миллионах световых лет от нас. Кольцо не просто светится: одна его сторона заметно ярче другой. Как будто костёр горит неровно — с одной стороны пламя выше.

Вортоны — это гипотетические замкнутые петли искривлённого пространства-времени, своего рода невидимые космические обручи, возникающие как реликты Большого взрыва. Толщиной меньше атомного ядра, но с массой, превосходящей звёздную, они вращаются, подобно гигантским каруселям, увлекая за собой окружающее пространство.