приливный заряд

Сверхпроводник выталкивает магнитное поле, как губка выжимает воду. Этот эффект Мейсснера известен почти век, но обычно его рассматривают в плоском пространстве-времени — без учёта гравитации. В сильном гравитационном поле, например, вблизи чёрной дыры, или при релятивистских скоростях картина меняется.

Когда два массивных тела сливаются в одно, по ткани пространства-времени расходятся гравитационные волны — рябь, подобная кругам на воде от брошенного камня. После слияния чёрная дыра ещё некоторое время «звенит», испуская особые колебания — квазинормальные моды. Обычно этот звон быстро затухает, как эхо в пустом зале.

Бросьте в пруд два камня разной формы — круги на воде расскажут, какой из них был гладким, а какой угловатым. Так же работают гравитационные волны — рябь пространства-времени, предсказанная общей теорией относительности: когда два сверхплотных объекта сливаются, дрожь пространства-времени разносит подробности об их внутреннем устройстве.

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.

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, раскрученная почти до максимальной скорости вращения, подобна спортсмену, балансирующему на грани рекорда. Наиболее интригующие эффекты возникают не в самой сингулярности, а в тончайшей плёнке пространства-времени у горизонта событий.

Чёрная дыра в классическом представлении напоминает идеально гладкий шар: у неё нет никаких деталей, кроме массы, заряда и вращения. Это свойство называют «отсутствием волос» — теоремой об отсутствии волос.

Космический объект вращается, но его тень — область, откуда не выходит свет, — не обладает идеальной округлостью. Астрофизики рассмотрели чёрную дыру в рамках нестандартной теории гравитации — так называемого мира на бране, где наша Вселенная представляет собой трёхмерную поверхность, погружённую в пространство большего числа измерений.

За 10⁻³⁵ секунды после Большого взрыва разыгралась самая стремительная часть. Пространство раздувалось быстрее света — это инфляция. Почти всю партитуру исполняло одно поле, инфлатон, дирижировавшее темпом и тональностью.

Чёрная дыра, сидящая на тонкой вселенской мембране (бране), напоминает тяжёлый шар, натянувший эластичную плёнку. В классической физике она лысая — только масса, заряд и вращение. Но стоит добавить скалярное поле (невидимую субстанцию вроде температуры) — и дыра может самопроизвольно обрасти «мехом» из этого поля. Это и есть спонтанная скаляризация.

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.

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.

В центре большинства галактик прячутся сверхмассивные чёрные дыры — властелины гравитации. С 2019 года, благодаря интерферометрии со сверхдлинными базами, мы видим их тени: тёмные силуэты на фоне сияющего газа. Но что именно рисует эту тень? Два сценария, как две куклы в театре теней, могут отбросить почти неотличимые очертания.

В центре обычной чёрной дыры, по классическим представлениям, прячется сингулярность — точка бесконечной плотности, где законы физики перестают работать. Но некоторые теории, вдохновлённые идеей дуальности из теории струн, предлагают заменить точку на крошечную «размазанную» область.

В крикете есть особый бросок — гугли. Мяч летит так, что вращение обманывает отбивающего. В физике тоже был свой гугли: почти полвека математики не могли заставить теорию твисторов работать с реальной гравитацией. Она отлично описывала «удобные» поля, где всё закручено в одну сторону. Но стоило появиться «неудобной» составляющей — и аппарат ломался.

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.

В сердце почти каждой галактики дремлет сверхмассивная чёрная дыра — невидимый дирижёр звёздного оркестра. Когда галактики сталкиваются, их центральные монстры сближаются, закручиваясь в гравитационном танце. Иногда к дуэту присоединяется третий партнёр, и тогда начинается тройной вальс, исход которого непредсказуем.

Чёрная дыра похожа на идеально тёмную комнату: снаружи не видно, что внутри, а пересекающий порог словно исчезает для внешнего мира. Но что чувствует сам падающий наблюдатель? В классической физике — ничего особенного: горизонт событий не отмечен никакой табличкой. Квантовая гравитация добавляет неожиданный штрих.

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.

Кротовая нора — это туннель, соединяющий две далёкие области Вселенной. Если бы такая нора существовала и была проходимой, частица внутри неё чувствовала бы не только гравитацию, но и силу от собственного электрического поля. Эта сила зависит от того, как искривлено пространство-время вокруг.

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная была наполнена горячей, почти однородной плазмой. Но в некоторых местах плотность могла случайно оказаться чуть выше. Если такой сгусток набирал критическую массу, он схлопывался в чёрную дыру — так рождались первичные чёрные дыры.

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.

Свет далёкой звезды на мгновение усиливается, когда между ней и телескопом проходит массивный невидимый объект. Это явление — гравитационное микролинзирование — работает как природный телескоп. Обычно в роли такой линзы выступает чёрная дыра, искажающая пространство-время вокруг себя.

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.

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.

Космологическая постоянная Эйнштейна — досадная ошибка или прозрение, вернувшееся бумерангом? Ускорение Вселенной застало физиков врасплох: ΛCDM работает, но почему энергия вакуума столь нелепо мала? Вообразите океан, штормящий квантовыми флуктуациями, но на поверхности — лишь микроскопическая рябь.

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.

В начале XX века Эйнштейн показал, что гравитация — это искривление пространства и времени. Чуть раньше Максвелл объединил электричество и магнетизм в единую теорию.

Чёрная дыра похожа на идеальный пылесос: всё, что пересекает её горизонт, исчезает без следа. Но у этого пылесоса есть странная черта — его «мешок для пыли» увеличивается, и по размеру мешка можно судить о том, сколько всего туда попало. В физике чёрных дыр этот размер связан с энтропией энтропией — мерой скрытой информации о том, что упало внутрь.

Океан под Луной вздымается на целый метр — это прилив. Если рядом с чёрной дырой окажется массивное тело, дыра тоже почувствует приливное воздействие. В обычной эйнштейновской гравитации она на такой статический прилив не отвечает: её «приливные числа» (показатели податливости) равны нулю.

Чёрная дыра — не просто тёмное пятно в небе. Это сложный объект, чьи свойства зависят от геометрии пространства-времени вокруг него. В пяти измерениях такие объекты могут принимать причудливые формы: не только шары, но и кольца, и даже «линзы» — как если бы капля чернил в воде могла застыть не просто шаром, а бубликом или двояковыпуклым диском.

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.

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.

Бросьте камешек в пруд — по воде побегут круги. Примерно так же массивное тело, кружащее вокруг чёрной дыры, возмущает ткань пространства-времени, порождая гравитационные волны. Но что, если сам пруд не плоский, а имеет скрытые складки — дополнительные измерения, невидимые глазу?

Световой луч скользит вдоль горизонта чёрной дыры — той невидимой границы, откуда ничто не может вырваться. Чем ближе луч к горизонту, тем медленнее тянется его собственное «время» — особая мера пути, называемая аффинным параметром. Этот параметр нарастает не плавно, а взрывным образом, как снежный ком, катящийся с горы: каждый следующий миг приносит всё больший прирост.

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

Чёрная дыра похожа на водоворот в океане: всё, что попадает внутрь, исчезает навсегда. Но если водоворот крутится и слегка наэлектризован, а вокруг него носятся невидимые частицы аксионы (кандидаты на роль тёмной материи), его поверхность перестаёт быть гладкой.

Вокруг невидимого костра кружится светящийся газ. Сам костёр скрыт, но его очертания угадываются по тому, как пляшет пламя. Примерно так астрономы «видят» чёрные дыры — не сам объект, а раскалённое вещество, которое перед падением в бездну разгоняется до огромных скоростей и светится.

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.

Кротовая нора — это гипотетический туннель сквозь ткань пространства-времени, концепцию которого развивали Джон Уилер и Кип Торн.