чёрная дыра Рейсснера-Нордстрёма

Чёрная дыра — это не просто тёмный объект с горизонтом событий. В теории струн у неё могут появляться «волосы» — дополнительные скалярные поля, такие как аксион и дилатон. Эти поля мягко изменяют геометрию пространства-времени вокруг дыры.

Колокол помнит форму металла: после удара он звенит на частотах, которые нельзя подделать. Чёрная дыра после слияния тоже звенит — испускает затухающие гравитационные волны, и их тон зависит от геометрии пространства-времени. Если в эту геометрию добавить скрытые измерения, звон изменится.

Невидимый гравитационный каркас удерживает галактики от разлёта. Это тёмная материя — субстанция, которая не излучает свет и почти не взаимодействует с обычным веществом, кроме как через гравитацию. Астрофизики давно спорят о её природе.

В далёком космосе существует гипотетический объект — ультрахолодная чёрная дыра. Она несёт электрический заряд и находится в расширяющейся вселенной — пространстве де Ситтера, где доминирует космологическая постоянная. Её температура близка к абсолютному нулю — примерно на одну триллионную градуса выше него.

Камень падает в спокойное озеро — и по воде расходятся ровные кольца. Пространство вокруг массивного тела ведёт себя похоже: если тело идеально круглое, возмущения от него симметричны. Чёрная дыра в общей теории относительности напоминает идеально гладкое зеркало воды.

Чёрная дыра — не пылесос. Сама по себе она не притягивает всё подряд сильнее, чем обычная звезда той же массы. Но если рядом с ней есть магнитное поле, а вокруг летают заряженные частицы, начинается интересная игра. Можно вообразить карусель с магнитами: вы сидите на лошадке, а пол под вами усеян железными шариками.

Чёрная дыра подобна идеальному сейфу: всё, что пересекает её горизонт, исчезает для внешнего наблюдателя без видимого следа. Однако квантовая механика утверждает, что на микроскопическом уровне информация не уничтожается, а сохраняется в закодированном виде на невидимой «поверхности» — голографическом экране.

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.

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.

Обычно чёрную дыру описывают как застывший кадр: масса есть, заряд есть, и всё это неподвижно. Но настоящие объекты живут во времени. Они излучают, теряют энергию, меняются. Авторы новой работы взяли статичное решение для заряженной чёрной дыры в сложной теории гравитации и «оживили» его.

Две металлические пластины в вакууме притягиваются без всяких магнитов и зарядов. Это эффект Казимира: пустота не пуста, в ней постоянно рождаются и исчезают частицы, и между пластинами их меньше, чем снаружи. Разница в давлении толкает пластины друг к другу.

Пара чёрных дыр кружится в танце, постепенно сближаясь. Они теряют энергию и вращение — этот процесс называют излучением углового момента. В обычной теории Эйнштейна момент уносят только гравитационные волны.

Вращающаяся чёрная дыра похожа на водоворот в реке — пространство-время закручивается вокруг неё, увлекая за собой всё, что окажется рядом. В некоторых теориях гравитации к этому водовороту добавляется ещё одно поле — векторное. Оно в каждой точке имеет направление и длину, как стрелка компаса.

Натянутое полотно батута прогибается под тяжёлым шаром. Если шар быстро вращается, полотно начинает закручиваться вокруг него. Похоже ведёт себя пространство-время возле вращающейся чёрной дыры: оно не просто искривлено, но и увлекается вращением, словно вода вокруг водоворота.

Чёрная дыра обычно прячет свою сингулярность под горизонтом событий — невидимой границей, из-за которой не вырывается даже свет. Но иногда этот «плащ» отсутствует, и сингулярность — точка, где привычная физика перестаёт работать, — оказывается открытой для внешнего наблюдателя. Такие объекты называют голыми сингулярностями, и они доставляют теоретикам массу хлопот.

Камень падает в пруд — круги разбегаются и гаснут. Удар по колоколу — и тот гудит на своей ноте. Чёрная дыра после возмущения тоже «звенит», испуская гравитационные волны затухающего тона. Этот звон называют квазинормальными модами (особыми колебаниями пространства-времени), и его частота зависит от того, что у дыры внутри.

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.

У любой реки есть устье — место, где вода встречается с морем. У пространства-времени тоже есть свой «берег»: его называют бесконечностью будущего, и находится он там, куда уходят все сигналы, свет и гравитационные волны. Физики решили разобраться, как устроена геометрия на этом берегу в пустой Вселенной — без звёзд и планет, только само поле тяготения.

Чёрная дыра — это место, где привычные правила ломаются. В центре, согласно классической физике, прячется сингулярность: точка бесконечной плотности, куда стягивается всё, что попало внутрь. Квантовая теория должна была смягчить эту картину. Многие надеялись, что квантовые эффекты размоют сингулярность, как волны размывают рисунок на песке.

Обычная чёрная дыра окружена тонкой фотонной сферой — местом, где свет может нарезать круги, прежде чем упасть внутрь или улететь прочь. В новой работе эта область раздулась до целого слоя, набитого частицами без массы, которые носятся почти со скоростью света и не давят на стенки.

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.

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.

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.

Камертон ударили молоточком — и он вибрирует, а звук постепенно затихает. Примерно так же ведёт себя чёрная дыра, если её возмутить: она испускает гравитационные волны — рябь самого пространства — и успокаивается.

Чёрная дыра — не глухая стена. Если по ней слегка ударить, она отзовётся. Физики называют это «приливной деформируемостью» — способностью объекта менять форму под действием внешней силы. Для покоящейся чёрной дыры эта способность равна нулю: статическое поле её не прогибает. Но стоит полю зависеть от времени — и дыра начинает «звучать». Авторы новой работы выписали этот отклик в явном виде.

В недрах звезды, сжатой до предела, частицы ведут себя как струны необычного музыкального инструмента. Их колебания подчиняются сложному уравнению, которое почти век никто не мог решить точно.

Луч фонарика уходит в темноту по прямой — так мы привыкли думать о свете. Но рядом с массивным телом, звездой или чёрной дырой, пространство искривлено, и луч плавно изгибается, словно его ведёт невидимая рука. Авторы новой работы разобрали, как именно гравитация меняет привычные законы электричества и магнетизма.

Нейтронная звезда — это огрызок взорвавшегося гиганта, сжатый до размеров города. Чайная ложка её вещества весит миллиард тонн. Внутри такой звезды частицы упакованы так плотно, что начинают проявляться квантовые эффекты. Один из них — собственное вращение частиц, или спин.

В квантовом мире частицы тёмной материи могут сливаться в единую сверхтекучую каплю — состояние, известное как конденсат Бозе–Эйнштейна, где вещество течёт без трения, подобно идеальной жидкости.

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.

Если бросить в кипящую воду кусок льда, он будет таять, пока не исчезнет. Примерно так же ведёт себя чёрная дыра в космосе — только «кипятком» здесь служит само пространство, которое непрерывно вытягивает из неё энергию. В новой работе физики разобрали судьбу особого типа чёрных дыр — тех, что не только обладают массой, но и несут электрический заряд.

Два наэлектризованных шарика притягиваются друг к другу с определённой силой. Если заменить их заряды на магнитные полюса, пружинные весы покажут ровно ту же силу. С чёрными дырами, оказывается, та же история — только вместо пружин работает сама ткань пространства-времени.

Сразу после Большого взрыва пространство раздувалось с немыслимой скоростью — этот процесс называют инфляцией. Сегодня расширение Вселенной замедлилось, но галактики разбегаются всё быстрее.

Современные детекторы гравитационных волн подтверждают, что чёрные дыры — не математическая абстракция, а реальные объекты. Пространство-время можно сравнить с гигантским батутом: массивные звёзды продавливают его, искривляя ткань реальности.

В раскалённой плазме новорождённой Вселенной, когда само пространство ещё звенело эхом Большого взрыва, могли возникнуть объекты, бросающие вызов самой гравитации. Не привычные чёрные дыры — электрически заряженные исполины, астроны.

Магнит, поднесённый к горсти железных опилок, выстраивает их вдоль невидимых линий — так поле огибает магнит от полюса к полюсу. Похожим образом можно увидеть и гравитацию вокруг массивных тел: только вместо опилок — само пространство, а вместо магнита — звезда или чёрная дыра. Авторы работы предложили разложить гравитацию на два поля. Одно похоже на электрическое — оно тянет.

Камень падает в пруд, и по воде расходятся круги. Если же пруд неспокойный, со встречными волнами, картина усложняется. Примерно так ведет себя пространство вокруг черной дыры, когда ее что-то возмущает: она вибрирует, излучая гравитационные волны.

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.

Сложенный лист бумаги можно проткнуть карандашом — и путь между двумя точками станет короче. Примерно так работает идея кротовой норы: туннеля в пространстве, соединяющего далёкие области. Но гравитация стремится схлопнуть такой туннель, если его не удерживает нечто с отрицательным давлением — как надутый изнутри воздушный шарик не даёт стенкам сомкнуться.