процесс Пенроуза

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.

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.

Когда воздушный шарик надувают слишком быстро, его стенки начинают дрожать. Примерно то же самое происходило с пространством в первые мгновения после Большого взрыва: Вселенная раздувалась стремительно, и сама её ткань пошла рябью.

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.

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.

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.

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.

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.

Свет издалека огибает чёрную дыру, как велосипедист — крутой поворот. Чуть ближе — и он уже наматывает круги по невидимой сфере из фотонов, которую физики называют фотонной сферой. Такая сфера есть у каждой чёрной дыры, но обычно она шаткая: малейший толчок — и свет улетает прочь или падает внутрь.

Представьте завод, способный выпускать миллион деталей в час, но по какой-то причине производящий лишь сотню. Примерно так ведёт себя наша Вселенная, если рассматривать её через призму энтропии — физической величины, характеризующей степень беспорядка, которая, согласно второму началу термодинамики, в замкнутой системе должна только возрастать.

295 000 метров в секунду. С такой скоростью не мчатся даже частицы в корональных выбросах Солнца. Но в центре скопления галактик H1821+643 горячий газ движется именно так. Квазар в его сердце делает выдох — и его дыхание взбаламучивает всё вокруг на расстоянии в 60 тысяч световых лет.

Самый быстрый ветер во Вселенной несётся со скоростью 0,58 скорости света. Расстояние от Земли до Луны он покрывает за две секунды. Этот ветер — не струя из джета, а широкий поток газа, вырывающийся из центра галактики. Не все чёрные дыры работают одинаково: одни порождают такие ураганы, а другие — узкие плазменные лучи. Ответ напоминает зацепление шестерёнок.

Чёрная дыра — это место, откуда ничто не может вырваться. Но некоторые теории допускают, что в глубине, на квантовом уровне, она может отскочить и превратиться в свою противоположность — белую дыру, которая только извергает материю и свет. Группа физиков построила компьютерную модель такого превращения.

Вода превращается в лёд при нуле градусов — резко, без промежуточных состояний. Нечто похожее происходит со сложностью, когда мы берём случайное квантовое состояние целой системы и смотрим только на её часть. Пока эта часть занимает меньше половины системы, её сложность растёт плавно. Но как только доля переваливает за 50%, происходит скачок.

В центре далёкой галактики, где вращается сверхмассивная чёрная дыра массой в сто миллионов солнц, пространство пронизано магнитными полями. Они закручены в тугие вихри — словно воронка в раковине, только вместо воды там плазма, разогнанная до околосветовых скоростей.

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.

Долгое время в космологии царило убеждение, идущее от Хокинга: в радиационную эпоху первичные чёрные дыры не растут.

Квантовый вакуум — не абсолютная пустота. Это скорее натянутая мембрана, которая постоянно колеблется от невидимых частиц, рождающихся и исчезающих. Даже в полной темноте эта мембрана дрожит. Физики решили посмотреть, как она поведёт себя вокруг тонкой сферической скорлупы, внутри которой — обычное плоское пространство, как у нас в комнате.

Представьте паровую машину, где вместо стального поршня — горизонт событий, а цилиндром служит само искривлённое пространство. Эта метафора обрела математическую плоть: физики впервые построили полный набор обратимых тепловых циклов с чёрной дырой Шварцшильда, запертой в сферическую полость.

Чёрная дыра — не просто гравитационный пылесос, безвозвратно затягивающий материю. Она слабо светится, испуская частицы — эту идею предложил Якоб Бекенштейн, связав температуру дыры с её энтропией — мерой беспорядка системы. Засечь такое излучение в космосе невероятно трудно: сигнал тонет в шуме реликтового фона.

Космический луч подлетает к чёрной дыре почти по касательной. Он не падает сразу, а задерживается на неустойчивой орбите — как акробат, балансирующий на канате над пропастью. Сделав несколько витков, свет всё же уходит к далёкому наблюдателю. Такие лучи рождают многократные изображения одного и того же источника — их называют изображениями высшего порядка.

Наблюдения Джеймса Уэбба показали: уже через 500 миллионов лет после Большого взрыва (на красных смещениях z~10) во Вселенной сияли чёрные дыры с массами в миллиарды солнечных. Это ставит в тупик теории постепенного роста: вещество не успевало бы «скармливать» зародышам с нужной скоростью.

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 с магнитным полем напоминает водоворот в реке, где вода не утекает в воронку, а закручивается на месте. Обычно вращение дыры подхватывает волны и усиливает их — это называют сверхизлучением. Но если добавить магнитное поле, всё меняется.

В центре многих галактик прячутся гигантские вращающиеся чёрные дыры. Астрофизики давно подозревали, что эти объекты удивительно живучи: проглотив звезду или слившись с другой дырой, они быстро успокаиваются и забывают о катастрофе.

В раскалённой плазме младенческой Вселенной, сразу после инфляционного расширения, придуманного Аланом Гутом, царила эпоха кинетического доминирования.

В центре галактики огромная чёрная дыра окутана невидимым облаком — роем сверхлёгких частиц, которые она сама и породила. В это облако ныряет другая чёрная дыра, размером со звезду, и начинает долгий танец по спирали. Сближение длится миллионы лет, но самые драматичные события разворачиваются у самого горизонта. Орбита маленькой дыры редко бывает идеальным кругом.

Обычная гравитация, описываемая общей теорией относительности, подобна мягкой резиновой мембране. Когда массивная звезда исчерпывает своё топливо и коллапсирует, она прогибает эту мембрану настолько сильно, что формируется чёрная дыра — область, где искривление пространства-времени становится бесконечным, и ничто, даже…

Чёрные дыры умеют испускать тепло. У них есть температура, энтропия (мера беспорядка) и другие термодинамические характеристики. Обычно, чтобы их вычислить, приходится сначала построить саму чёрную дыру — решить сложные уравнения искривлённого пространства-времени. Это как узнавать вес блюда, каждый раз готовя его с нуля.

Стремительно вращающаяся чёрная дыра — область, где пространство-время искривлено до предела, — напоминает колокол, способный гудеть веками. Её особые колебания, или квазинормальные моды, почти не затухают, теряя энергию невероятно медленно.

Две чёрные дыры кружатся в медленном танце, постепенно сближаясь. Их движение возмущает само пространство-время — как если бы два тяжёлых шара катились по натянутой простыне, заставляя её дрожать. Эти дрожания мы называем гравитационными волнами.

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.

Сверхмассивная чёрная дыра плывёт в облаке тёмной материи. В привычной картине эта невидимая субстанция просто добавляет массу и почти не трогает обычное вещество. Но частицы тёмной материи могут обладать собственным вращением — спином.

Чёрная дыра — не просто тёмное пятно в космосе. Это область, где гравитация сжимает материю так сильно, что даже свет не вырывается наружу. Среди всех возможных чёрных дыр выделяется одна — вращающаяся дыра Керра. Её описание долго считали привязанным к уравнениям Эйнштейна, словно рецепт блюда к конкретной поваренной книге.

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.

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.

Гравитационные волны от крошечного тела, падающего на чёрную дыру, работают как рентгеновский снимок. Только просвечивают не кость, а само искривлённое пространство-время.

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.

Почти 12 миллиардов лет назад, когда Вселенная переживала бурный «космический полдень» — эпоху рекордного звездообразования, — в сердце одной из галактик разгорался квазар WISSH13.