сверхизлучение чёрной дыры

Зеркало мчится со скоростью почти сорок тысяч километров в секунду — это около одной восьмой скорости света. Свет, упавший на него, отскакивает обратно, но уже другим: его частота увеличивается, как мяч, отбитый ракеткой на лету, приобретает дополнительную энергию. Именно такое зеркало учёные построили внутри тончайшей стеклянной нити, заполненной водородом.

Волчок крутится так быстро, что воздух вокруг него начинает вращаться в унисон. Примерно так же ведёт себя чёрная дыра: если она вращается, то может передавать свою энергию частицам, которые окажутся рядом. Этот процесс называют сверхизлучением — он похож на эхо в горах, только вместо звука рождаются новые частицы.

Чёрная дыра — не просто космический пылесос. Если она вращается, то способна усиливать волны вокруг себя, как горное эхо повторяет звук. Для сверхлёгкой тёмной материи — гипотетических частиц в миллиарды раз легче электрона — этот эффект, называемый сверхизлучением, может создать огромное облако.

Чёрная дыра — не абсолютно чёрный мешок. В 1974 году Стивен Хокинг показал, что она светится — слабо, но непрерывно. Это излучение Хокинга рождается не внутри, а снаружи, у самой границы — горизонта событий, откуда даже свет не вырывается. Новая работа уточняет картину.

Камень падает в спокойную воду — по поверхности расходятся круги. Похоже ведёт себя чёрная дыра, когда в неё что-то падает или она сливается с другой. Дыра начинает колебаться, и эти колебания уходят в пространство гравитационными волнами. Астрофизики называют этот процесс «звоном» чёрной дыры.

Когда две чёрные дыры сливаются вдалеке, до нас доходит дрожь пространства — гравитационные волны. Обычно их описывают уравнениями Эйнштейна, но что, если на самых крошечных расстояниях гравитация работает иначе? Авторы работы взяли одну из таких гипотез — гравитацию Хоржавы-Лифшица.

Агония одинокой чёрной дыры длится вечность. Но в последние мгновения, когда масса испаряется по закону, открытому Хокингом, она успевает послать радиопрощальный сигнал. Не квантовый шёпот, а классический гул — если только рядом есть магнитное поле.

В центрах далёких галактик иногда загораются рентгеновские «маяки». Они вспыхивают не хаотично, а строго по расписанию — раз в несколько часов или дней. Эти всплески называют квазипериодическими извержениями (повторяющимися почти через равные промежутки).

В первые мгновения после Большого взрыва материи и антиматерии было почти поровну. Но что-то нарушило равновесие — иначе всё аннигилировало бы в излучение, и мир остался бы пустым. Один из кандидатов на роль «нарушителя» — сверхтяжёлые правые нейтрино. Это частицы-близнецы обычных нейтрино, только массивнее в миллиарды раз.

В ранней Вселенной могли рождаться крошечные чёрные дыры — с гору массой, но размером с атомное ядро. Сегодня они способны служить фабриками тёмной материи. Механизмов два: привычное испарение (излучение Хокинга) и менее известное сверхизлучение.

В центре внимания — чёрная дыра с двумя рубежами невозврата: внешним и внутренним горизонтами. За внешним горизонтом пространство и время меняются ролями, но путь ещё не окончен. Дальше, у внутреннего горизонта, гравитация готовит новый сюрприз.

Свет пробивается сквозь мятую плёнку — и выходит слегка иным. Примерно так же гравитационные волны, рождённые в ранней Вселенной, ощущают на себе комковатое распределение галактик и тёмной материи.

Когда рояль падает в пропасть, мы думаем о пропасти. А о том, что на рояле надет чехол, — нет. Примерно так же астрофизики десятилетиями смотрели на экстремальные сближения малых тел с большими черными дырами. Их интересовала сама черная дыра и то, что крутится вокруг нее. А вот что надето на саму «пулю» — на маленький объект, который летит к гибели, — почти никто не спрашивал.

В центре почти каждой большой галактики живёт сверхмассивная чёрная дыра — молчаливый гигант, вокруг которого кружат звёзды, газ и другие, менее крупные чёрные дыры. Время от времени один из этих объектов срывается со своей орбиты и начинает падать на центрального монстра по сужающейся спирали.

Если чёрная дыра быстро вращается, она способна удерживать вокруг себя облако из сверхлёгких частиц — настолько лёгких, что их масса почти исчезает. Вместе они выстраиваются слоями, словно электроны в атоме, только вместо электрических сил работает гравитация. Такая конструкция копит энергию, подобно взведённой пружине.

Гравитационные волны — это колебания самой ткани пространства-времени, подобные вибрациям гигантской космической струны. Обычные детекторы, такие как LIGO и Virgo, улавливают низкочастотные «ноты» — возмущения от слияния массивных чёрных дыр звёздных масс.

Кузнечные меха раздувают огонь, резко выталкивая воздух. В космосе роль таких мехов играет ударная волна от сверхновой — взрыва массивной звезды, термин для которого ввёл Фриц Цвикки.

Гравитационные волны — рябь пространства-времени, порождённая далёкими катастрофами вроде слияния чёрных дыр, — настолько слабы, что зарегистрировать их напрямую всё равно что различить шёпот посреди урагана. Однако чёрная дыра способна многократно усилить этот сигнал.

В стандартном представлении чёрная дыра — это лишь безликий провал в пространстве-времени, область, где гравитация настолько сильна, что даже свет не может её покинуть.

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.

Качели раскачиваются всё сильнее, если толкать их в такт. Похожий механизм включается, когда мёртвая звезда кружит вокруг массивной чёрной дыры, окутанной облаком сверхлёгких частиц. Эти частицы — кандидаты на роль тёмной материи (невидимого вещества, которое держит галактики от разлёта).

Пара фигуристов кружится, держась за руки. Если траектория — идеальный круг, каждый толчок партнёра предсказуем. Но стоит вытянуть её в овал, и усилия становятся неравномерными: на сближении рывок, на отдалении затишье. Примерно так же ведут себя две чёрные дыры в последние минуты перед слиянием.

Вода, текущая в трубе, может стать ловушкой для звука. Если скорость потока превышает скорость звука в воде, то звуковые волны, пытающиеся пойти против течения, уже не могут вырваться — их уносит прочь, как свет за горизонтом черной дыры.

Камертон, начав звучать, заставляет вибрировать соседние струны. Примерно так же ведёт себя облако сверхлёгких частиц (их ещё называют аксионами) вокруг быстро вращающейся чёрной дыры. Дыра, словно мотор, раскручивает частицы, и те начинают излучать гравитационные волны — дрожь самого пространства.

Гамма-всплеск — это короткая, но очень мощная вспышка света, какие рождаются при слиянии нейтронных звёзд или коллапсе массивной звезды. Внутри такой вспышки потоки плазмы несутся с огромной скоростью и сталкиваются друг с другом.

Крошечные первичные чёрные дыры, рождённые сразу после Большого взрыва, должны постепенно испаряться — терять массу, излучая частицы-призраки, которые почти не взаимодействуют с веществом.

Чёрные дыры — не безмолвные провалы в ткани мироздания, а природные камертоны, чьё стремительное вращение, предсказанное Роджером Пенроузом в рамках механизма Пенроуза, заставляет вибрировать само пространство-время.

Большой взрыв был подобен космическому раскату грома, заставившему ткань пространства-времени вибрировать. Эти вибрации — гравитационные волны — до сих пор расходятся по Вселенной, словно эхо от давнего события.

Множество атомов способны действовать подобно слаженному оркестру: когда каждый атом излучает свет в унисон с остальными, результирующая вспышка оказывается многократно ярче, чем сумма отдельных излучений. Это явление, известное как сверхизлучение, детально исследовано в лабораторных условиях, однако в космическом пространстве его почти не искали.

Свет от обычной лампы — это хаос: фотоны разлетаются кто куда, без всякого порядка. Но если заставить множество атомов испускать свет одновременно и в такт, получается короткая мощная вспышка — как аплодисменты, которые из отдельных хлопков складываются в единый залп. Такое согласованное излучение называют сверхизлучением.

Черная дыра в двойной системе V4641 Стрельца ведет себя как гигантский миксер. Она засасывает вещество соседней звезды и выбрасывает его обратно в космос двумя узкими струями. Эти струи бьют в окружающий газ, как струя воды в песок, и постепенно выдувают вокруг дыры огромную полость. Радиотелескоп MeerKAT в Южной Африке смотрел на эту систему несколько часов.

Луна — не просто безжизненный каменный шар, а естественный гравитационно-волновой резонатор, подобный гигантскому колоколу. Проходя сквозь неё, гравитационные волны — рябь в ткани пространства-времени — вызывают слабые, почти неуловимые колебания всей лунной массы.