отношение заряда к массе

Где-то в центре галактики кружится чёрная дыра — объект с гравитацией настолько сильной, что даже свет не может её покинуть. Она не висит в пустоте: вокруг неё — невидимый рой частиц тёмной материи, загадочной субстанции, которая не излучает и не поглощает свет, но выдаёт себя гравитационным влиянием.

Чёрная дыра — не вечный пылесос. Она медленно теряет массу, испуская частицы, словно нагретый камень, который остывает, отдавая тепло. Этот процесс, открытый Стивеном Хокингом, для больших дыр идёт еле заметно, но для крошечных — массой с гору — превращается в бурное испарение.

Классическая чёрная дыра — это бездонный колодец: всё, что падает за горизонт событий, исчезает в точке бесконечной плотности — сингулярности.

Вращающаяся чёрная дыра — не статичный объект, а динамическая система: пространство-время вокруг неё испытывает колебания, подобно гитарной струне после щипка. Эти возмущения описывает уравнение Тьюкольского — сложное дифференциальное уравнение, которое физики изучают уже полвека.

Представьте старый дом. Фасад свежевыкрашен, лестница не скрипит — красивая картинка. Но стоит внести тяжёлую мебель, и половицы проваливаются. Красота фасада ничего не говорит о прочности перекрытий. Примерно так же обстоит дело с чёрными дырами без сингулярности — гипотетическими объектами, где коллапс вещества не приводит к бесконечной плотности в точке.

Водоворот заглатывает воду, но большую её часть разбрызгивает вокруг. Примерно так ведёт себя чёрная дыра — область пространства-времени с гравитацией столь мощной, что даже свет не может её покинуть, — когда на неё падает слишком много вещества.

Чёрная дыра — не идеальный космический пылесос, а динамический объект, окружённый сложной средой из частиц и полей, которая влияет на её эволюцию. В новом исследовании астрофизики смоделировали поведение массивного векторного поля — гипотетической формы тёмной материи, состоящей из частиц с ненулевым спином, — в окрестности вращающейся чёрной дыры.

Кастрюля с кипящей водой накрыта двумя крышками — внутренней и внешней. Термометр под каждой показывает свою температуру, но их гармоническое среднее (особый способ усреднения, когда складывают обратные величины) всегда остаётся неизменным. Тепло словно подчиняется невидимому правилу.

Три миллисекунды до слияния. Огромная чёрная дыра с бешеной скоростью вращения втягивает в себя нейтронную звезду — шар размером с город, но с массой в полтора Солнца. Приливные силы растягивают звезду в тонкую, как игла, нить и расшвыривают вещество прочь.

Рой крошечных невидимых частиц — как облако пыльцы — дрейфует в космосе. На его пути оказывается чёрная дыра. Одни частицы падают в неё и исчезают навсегда, другие огибают ловушку и улетают прочь. Физики построили карту, которая показывает, сколько именно вещества будет проглочено, а сколько уцелеет.

Гравитация — невидимый клей, который держит звёзды и планеты. Но что, если у этого клея есть крошечная масса? В теории массивной гравитации частицы-переносчики (их называют гравитонами) весят ничтожно мало, но не ноль. Это меняет правила игры вблизи чёрных дыр. Авторы новой работы взяли за основу математический инструмент — разложение по собственным значениям.

Газ, проходя через узкий клапан, может нагреться или остыть — это эффект Джоуля–Томсона, на нём работают холодильники и сжижители воздуха. Оказывается, чёрные дыры тоже умеют так себя вести.

Чёрная дыра с электрическим зарядом напоминает пылесос, который не только всасывает всё вокруг, но и может удерживать лёгкие частицы на своей орбите. Такие частицы образуют вокруг дыры нечто вроде размытого облака — физики называют его квазисвязанным состоянием. Оно похоже на электрон в атоме: частица кружится, но не падает внутрь сразу, а постепенно теряет энергию.

В центре галактики M87, в 55 миллионах световых лет от нас, притаилась чёрная дыра массой как 6,5 миллиардов Солнц. В 2019 году телескоп Event Horizon Telescope (EHT) впервые показал её портрет: оранжевый бублик с тёмной сердцевиной. Но бублик — не сама бездна. Это светящийся газ, разогретый до миллиардов градусов, который кружится перед тем, как исчезнуть навсегда.

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.

В поисках природы тёмной материи одна из самых интригующих гипотез уходит корнями в первые мгновения после Большого взрыва. Тогда из квантовых флуктуаций инфляционного поля рождались сгустки вещества, способные сколлапсировать в первичные чёрные дыры.

Картина мироздания, знакомая нам по учебникам Эйнштейна, — гладкий четырёхмерный холст. Но теория струн добавляет раму из дополнительных измерений — незримую, но ощутимую для гравитации. Представьте нашу Вселенную мембраной, что дрожит под напором скрытых слоёв.

Когда массивные тела движутся с ускорением — скажем, две звезды кружатся друг вокруг друга, — пространство вокруг них не остаётся спокойным. Оно дрожит, как поверхность пруда от брошенного камня. Эти дрожания называют гравитационными волнами. Они уносят энергию прочь, и источник постепенно теряет массу.

В центре внимания — черная дыра, но не простая. Она несет в себе магнитный монополь и окружена дилатоном — полем, которое размывает привычные границы пространства. Авторы проверили, насколько такая система устойчива к тепловым толчкам. Магнитный монополь — гипотетическая частица с одним магнитным полюсом.

Два магнита сталкиваются в тёмной комнате, слипаются в комок — и раздаётся глухой стук. Примерно так же ведут себя чёрные дыры, только вместо магнитов у них электрический заряд, а вместо стука — всплеск гравитационных волн. Но в этой истории есть третий участник — невидимое поле, которое физики называют скалярным.

Чёрная дыра — это место, где гравитация настолько сильна, что даже свет не может вырваться. Но вокруг неё есть светящееся кольцо из газа, а в центре — тёмный провал, который называют тенью. Размер этой тени зависит от того, как искривлено пространство-время.

Чёрная дыра похожа на волчок: чем быстрее она крутится, тем заметнее её поведение. У неё есть два рубежа — внешний и внутренний горизонты, границы, из-за которых не возвращается даже свет. В новой работе физики заглянули внутрь вращающейся заряженной дыры и перемножили площади этих двух поверхностей.

Стая крошечных ледяных шариков разбросана в тёплой комнате. Одни тают быстрее, другие — медленнее, но когда от них остаются лишь мокрые пятнышки, все они исчезают одинаково: последняя капля испаряется по одному и тому же закону. Примерно так ведут себя первичные чёрные дыры — гипотетические объекты, родившиеся в первые мгновения после Большого взрыва.

Чёрная дыра похожа на колодец без дна. Можно измерить, сколько воды в него утекло, глядя на уровень снаружи. Но как узнать массу самой воды, если стоишь внутри колодца? Примерно эту задачу решают авторы новой работы. Они построили «весы» для массы, заключённой в ограниченной области пространства — например, вокруг горизонта чёрной дыры. Такую массу называют квазилокальной (почти местной).

Свет, проходя мимо чёрной дыры, закручивается, как вода вокруг сливного отверстия в ванной. Самое интересное — тонкое кольцо, где лучи могут кружить вечно, не падая внутрь и не улетая прочь. Это фотонная сфера — невидимая граница, которая рисует тень дыры на небе.

Если сжать горсть песка, она станет плотнее, но в какой-то момент песчинки упрутся друг в друга — дальше сжимать некуда. Примерно так же, по мнению некоторых теоретиков, ведёт себя пространство на сверхмалых расстояниях: у него есть предел делимости, своеобразное «зерно».

Чёрная дыра — область пространства-времени, где гравитация настолько сильна, что покинуть её не может ничто, включая свет.

Свет, падающий в чёрную дыру, несёт информацию — например, каким путём шёл фотон. Горизонт (поверхность, из-под которой ничто не возвращается) реагирует на это изменением своей энтропии — меры неупорядоченности, похожей на число перемешанных страниц в книге.

Представьте надувной матрас, который равномерно растягивают в стороны, а на его поверхности крутится водяная воронка. При растяжении матраса воронка стягивается — её размер относительно всей поверхности уменьшается.

Классическая картина чёрной дыры, заложенная Эйнштейном и Шварцшильдом, рисует бездну с точечной сингулярностью в центре — областью, где плотность обращается в бесконечность, а известные законы физики теряют силу.

Физики освоили изящный математический приём, позволяющий переводить уравнения гравитации на язык электричества. Этот метод — двойное копирование — работает как своего рода словарь: он заменяет сложную геометрию искривлённого пространства-времени, описываемую тензорными полями высокой размерности, на более простые правила…

Водоворот в реке затягивает всё вокруг. Если добавить в воду невидимый кисель, который густеет у самой воронки и внезапно исчезает на её краю, получится примерное устройство чёрной дыры в новой математической модели. Вокруг неё — плотное облако тёмной материи, резко обрывающееся у горизонта событий (границы, за которую уже ничто не возвращается).

Когда массивная звезда исчерпывает топливо, коллапс ядра может породить сверхновую и нейтронную звезду, но при достаточной массе ничто не останавливает сжатие — рождается чёрная дыра.

Чёрные дыры — не безликие поглотители. Порой они ведут себя подобно воде: способны испытывать фазовые переходы, меняя своё внутреннее состояние, словно лёд, жидкость и пар. Учёные описали это, представив электромагнитное излучение вблизи чёрной дыры как газ.

Магнитное поле способно удерживать звезду от полного сжатия — так работает идея новой чёрной дыры. Вместо привычной точки бесконечной плотности внутри оказывается поле, которое не даёт пространству схлопнуться до нуля. Это похоже на пружину: чем сильнее сжимаешь, тем больше она сопротивляется.

Классическая общая теория относительности предрекает: внутри каждой чёрной дыры прячется сингулярность. В этой области кривизна пространства-времени взлетает до бесконечности, и уравнения Эйнштейна теряют смысл.

Камень падает в пруд — и по воде расходятся круги. Так и чёрная дыра, покоясь в пустоте, может встретить гравитационную волну или облако газа. Она не остаётся безучастной: её поверхность (горизонт событий) слегка прогибается, словно натянутая плёнка под весом капли.

Чёрная дыра — не просто пустота, а массивный объект, который искривляет пространство вокруг себя. Если она оказывается в облаке невидимой тёмной материи (вещества, которое не излучает свет, но ощущается по гравитации), её поведение меняется. В этой работе учёные рассмотрели чёрную дыру с зарядом и квантовыми поправками, погружённую в такое облако.

Чёрная дыра, окружённая тёмной материей — загадочной субстанцией, проявляющей себя исключительно через гравитационное взаимодействие, — напоминает водоворот в невидимой воде. Эта аналогия упрощает картину, ведь тёмная материя не образует жидкость в привычном смысле, но её гравитационное влияние столь же вездесуще.

Чёрная дыра подобна тёмному мячу в космосе, на который падает светящееся вещество. У чёрной дыры есть тень — область, откуда лучи не вырываются. Но из-за искривления света тень оказывается больше самой дыры: как тень мяча на стене увеличивается, если фонарь далеко. Некоторые теории добавляют дырам «волосы» — дополнительные поля, меняющие внешность.