заряженная чёрная дыра

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.

Чёрная дыра — область пространства с настолько сильной гравитацией, что даже свет не может её покинуть, — не молчит. После возмущения она звенит, как колокол, и этот звон — её квазинормальные моды, то есть затухающие колебания, характерные для каждой чёрной дыры.

Электрический заряд — величина ускользающая. Мы можем измерить полный заряд Вселенной или заряд отдельной частицы, но попытка указать пальцем: «Вот здесь, в этом кубическом сантиметре, прямо сейчас находится столько-то заряда» — наталкивается на фундаментальное препятствие.

10⁻¹²⁰. Это не просто малое число — это пропасть. Именно столько составляет отношение плотности тёмной энергии к планковской плотности, естественному масштабу квантовой гравитации. Колоссальная разница в сто двадцать порядков долго казалась неразрешимой загадкой. Но, возможно, разгадка кроется в спектакле, разыгранном на заре времён.

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.

У классической чёрной дыры есть температура и другие термодинамические свойства. Когда физики стали учитывать изменение космологической постоянной — энергии пустого пространства, — в уравнениях возникла странная склейка.

Чёрная дыра — не вечный пылесос. Она медленно испаряется, излучая энергию, и вместе с ней, как считают физики, должна возвращать проглоченную информацию. Но когда именно это начинает происходить? Ответ даёт так называемая кривая Пейджа — график, который показывает, сколько информации дыра уже отдала, а сколько ещё держит внутри.

Обычная чёрная дыра — как печка, которая греет тем сильнее, чем меньше её масса. Крошечная дыра должна раскаляться до немыслимых температур и мгновенно испаряться. Но этот сценарий не учитывает квантовых поправок — того, что происходит, когда сама ткань пространства-времени начинает дрожать.

Когда массивная звезда исчерпывает топливо, её ядро схлопывается под собственной тяжестью. Внутри образуется чёрная дыра — область, где гравитация настолько сильна, что даже свет не может выбраться. Долгое время считалось, что в самом центре скрывается точка бесконечной плотности — сингулярность.

Надувной шар сначала раздувается медленно, а потом вдруг — всё быстрее и быстрее, словно кто-то подкачивает его изнутри. Примерно так ведёт себя наша Вселенная: галактики разбегаются с ускорением. Виновницу этого разгона называют тёмной энергией. В простейшем варианте она похожа на ровный гул — космологическую постоянную, которая не меняется со временем.

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.

Обычный лист чёрного фосфора похож на слоёный пирог из атомов. Если посветить на него обычной лампой, ничего особенного не произойдёт: электроны в нём сидят ровно, как зрители в тёмном зале. Но короткая вспышка лазера, длящаяся миллионные доли миллиардной секунды, встряхивает этот зал.

В центре чёрной дыры находится сингулярность — точка, где пространство-время под действием гравитации сминается бесконечно, а известные нам законы физики теряют предсказательную силу. Чёрные дыры способны менять своё состояние, подобно тому как вода замерзает или закипает — это фазовые переходы.

Тёмную энергию считают врождённым свойством космоса, работающим с первых мгновений. Но новая модель предполагает, что она вела себя как вода на пороге кипения: долго оставалась незаметной, а в критический момент резко начала действовать.

В классической механике электрон, обращаясь вокруг ядра, должен непрерывно терять энергию на излучение и по спирали падать на ядро — подобно сёрферу, который, теряя скорость, соскальзывает с доски. Однако атомы стабильны на протяжении миллиардов лет. Причина в том, что космос не является пустым.

Горячая цепочка атомов, выстроенных в линию, ведёт себя как крошечная чёрная дыра. Такая цепочка — это ряд частиц, каждая из которых похожа на крошечный магнит. При обычной температуре магнитики хаотично переворачиваются, но если их охладить, они выстраиваются в едином порядке. Физики обнаружили, что при нагреве эта простая система повторяет странные свойства чёрных дыр.

Представьте чёрную дыру как воронку в натянутой простыне — классическая аналогия для искривления пространства-времени массивным телом. Но если допустить существование пятого измерения, эта простая картина усложняется: простыня обзаводится скрытыми пружинами.

Исследователи применили нетрадиционный математический аппарат к уравнениям искривления пространства-времени и обнаружили новый класс заряженных чёрных дыр. Их термодинамическое поведение поразительно напоминает знакомый процесс: фазовый переход воды при закипании.

Чёрная дыра — не бездонная воронка, а космическая кастрюля. Вещество внутри неё подчиняется законам, напоминающим поведение воды: при одних условиях оно подобно кипящему пару, при других — остывающей жидкости.

Телескоп горизонта событий смотрит на M87* и видит не просто кольцо света вокруг тёмного провала. Этот свет закручен, как штопор. Волновой фронт несёт винтовую структуру, которую физики называют орбитальным угловым моментом.

Два телескопа смотрят в одну Вселенную и видят разные скорости. Локальные измерения на сверхновых дают 73.04 ± 1.04 км/с/Мпк, а данные реликтового излучения в стандартной модели предсказывают 67.36 ± 0.54. Расхождение в 5.7σ не похоже на случайность — это напряжение Хаббла, трещина в фундаменте космологии.