Чорні діри проміжних мас

 

Популяризація науки:

Гокінг активно займається популяризацією науки. У квітні 1988 року вийшла його книга «Коротка історія  часу», яка стала бестселером. Завдяки  цій книзі Гокінг став відомим  на весь світ. У передмові він писав:

Мені сказали, що кожна  поміщена у книзі формула зменшить удвічі кількість покупців. Тоді я  вирішив взагалі обходитись без формул. Щоправда, наприкінці я таки написав одне рівняння - знамените рівняння Ейнштейна E=mc².

Потім були написані книги  «Чорні діри та молоді всесвіти» (1993) та «Світ у горіховій шкаралупці» (2001). У 2005 році вийшло нове видання «Короткої історії часу» — «Найкоротша історія часу», написане у співавторстві з Леонардом Млодиновим.

 
Відомий за працями з дослідження чорних дір, теоретичної космології, квантової гравітації.

Визначні нагороди: Prince of Asturias Award (1989), Медаль Коплі (2006)

На честь вченого названо астероїд головного поясу 7672 Гокінг, відкритий 24 жовтня 1995 року.

 

Чорні діри проміжних мас:

Оскільки спостерігаються  чорні діри зоряних мас до 20 мас  сонця і надмасивні чорні діри у ядрах галактик з масою більше 2 мільйонів мас сонця, постає питання, чи є у всесвіті чорні діри проміжних мас, з масою кілька тисяч мас сонця? Найкращим спостережним свідченням про існування таких чорних дір є ультраяскраві рентгенівські джерела, що спостерігаються у багатьох галактиках як близьких до нас так і в віддалених. Якщо пояснювати ці джерела, як результат акреції речовини на чорну діру, то з характеру акреції можна зробити припущення про масу чорної діри.

Чорні діри проміжних мас  можуть утворюватись у центрі кулястого  скупчення, крім того вони можуть бути у гало галактики. Такі об'єкти можуть спостерігатися завдяки гравітаційному мікролінзуванню: якщо чорна діра проміжної маси з гало галактики опиниться на промені зору до якоїсь зорі, то буде спостерігатися спалах зорі, за характером якого можна визначити масу чорної діри. Зараз проводять такі спостереження, але чорні діри проміжних мас поки не виявлено.

 

Механізми утворення  чорних дір проміжних мас:

1)Утворення чорної діри  під час Великого вибуху у ранньому всесвіті. Під час Великого вибуху могли утворитися первинні чорні діри будь-яких мас, у тому числі і багато тисяч мас сонця.

2)Залишки зірок третього  типу населення. Зорі третього  типу населення — це перші зорі у всесвіті, які виникли у перші сотні мільйонів років його існування. Вони мали великі маси що могло призвести до утворення досить масивних чорних дір.

3)Зіткнення зірок і чорних дір у кулястому зоряному скупчені. Також чорні діри проміжних мас можуть існувати у ядрах галактик. При утворення галактики речовина колапсує і в її центрі можуть утворюватися чорні діри проміжних мас, з яких з часом утворюється гігантська надмасивна чорна діра.

Альтернативні пояснення  ультраяскравих рентгенівських джерел. Замість чорних дір проміжних мас ультраяскраві рентгенівські джерела можуть пояснюватись за допомогою явища мікроблазара. Мікроблазар- це подвійна система з чорною дірою зоряної маси в якій є акреаційний диск і джет (струмінь речовини вздовж осі обертання чорної діри) причому цей джет спрямований на спостерігача (на нашу галактику, на сонячну систему). Також ультраяскраві рентгенівські джерела можуть пояснюватись супер-Едингтонівським випромінюванням, в результаті акреції речовини на чорну діру зоряної маси, але ці моделі недостатньо розвинені.

 

Місце чорних дір проміжних мас:

1)Утворення надмасивних  чорних дір у ядрах галактик.

2)Чорні діри проміжних  мас можуть бути джерелами  гравітаційних хвиль. Якщо будуть  зареєстровані гравітаційні хвилі,  то за допомогою них можна  буде безпосередньо відкрити  чорні діри проміжних мас.

 

Падіння в чорну діру:

Тіло, яке вільно падає  під дією сил гравітації, перебуває в стані невагомості. Воно відчуватиме дію приливних сил, котрі його розтягують в радіальному напрямку і стискають — в тангенціальному. Величина цих сил зростає і прямує до нескінченності при  . У певний момент власного часу тіло перетне горизонт подій. З точки зору спостерігача, котрий падає разом із тілом, цей момент нічим не відзначений, однак повернення назад тепер вже немає. Тіло опиняється в горловині (її радіус у точці, де знаходиться тіло, і є  ), де стискається настільки швидко, що вилетіти з неї до моменту остаточного схлопування (це і є сингулярність) вже не можна, навіть рухаючись зі швидкістю світла.

З точки зору віддаленого спостерігача, падіння в чорну діру буде виглядати інакше. Нехай, наприклад, тіло світитиметься і, крім того, посилатиме сигнали назад з певною частотою. Спочатку віддалений спостерігач бачитиме, що тіло, перебуваючи в процесі вільного падіння, поступово розганяється під дією сил тяжіння у напрямку до центру. Колір тіла не змінюється, частота фіксованих сигналів практично постійна. Однак, коли тіло почне наближатися до горизонту подій, фотони, що йдуть від тіла, будуть зазнавати все більшого і більшого гравітаційного червоного зміщення.

Крім того, через дію гравітаційного поля всі фізичні процеси з точки зору віддаленого спостерігача уповільнюватимуться через гравітаційне уповільнення часу: годинник, закріплений на радіальній координаті   без обертання ( ) йтиме повільніше нескінченно віддалених в   раз. Здаватиметься, що тіло — в надзвичайно сплющеному вигляді — буде сповільнюватися, наближаючись до горизонту подій, і, врешті-решт, практично зупиниться. Частота сигналу різко падатиме. Довжина хвиль, що їх виппромінюватиме тіло, стрімко зростатиме, так, що світло швидко перетвориться на радіохвилі, і далі - в низькочастотні електромагнітні коливання, зафіксувати які буде вже неможливо. Перетинання тілом горизонту подій спостерігач не побачить ніколи, і в цьому сенсі падіння в чорну діру триватиме нескінченно довго. Є, однак, момент, починаючи з якого вплинути на падаюче тіло віддалений спостерігач уже не зможе. Промінь світла, посланий слідом за цим тілом, його або взагалі ніколи не наздожене, або наздожене вже за горизонтом подій. Крім того, відстань між тілом і горизонтом подій, а також «товщина» сплющенного (з точки зору стороннього спостерігача) тіла досить швидко досягнуть планківської довжини і (з математичної точки зору) зменшуватимуться і далі. Для реального фізичного спостерігача (який здійснює вимірювання з планківською похибкою) це рівнозначно тому, що маса чорної діри збільшиться на масу падаючого тіла, а, значить, радіус горизонту подій зросте, і падаюче тіло виявиться «всередині» горизонту подій за кінечний час.

Аналогічно буде виглядати  для віддаленого спостерігача і процес гравітаційного колапсу. Спочатку речовина кинеться до центру, але поблизу горизонту подій воно стане різко сповільнюватися, його випромінювання піде в радіодіапазон, і в результаті віддалений спостерігач побачить, що зірка згасла^[4].

Модель  на базі теорії струн:

Тео́рія струн — напрямок математичної фізики, що вивчає динаміку не точкових частинок, а одновимірних протяжних об'єктів —квантових струн.

В рамках цієї теорії постулюється, що всі елементарні частинки та їхні фундаментальні взаємодії виникають в результаті коливань та в результаті взаємодії ультрамікроскопічних струн, довжина яких становить біля 10^-35 м (довжина Планка). Цей підхід, з одного боку, дозволяє уникнути таких труднощів квантової теорії поля, як необхідність перенормування, а з другого боку, призводить до більш глибокого погляду вглиб структури матерії, сил та самого простору та часу, оскільки мова теорії струн дозволяє описувати об'єкти, як мікроскопічного так і макроскопічного світу.

Теорія струн виникла  в середині 1960-х років у результаті розвитку струнної моделі будови адронів. Середина 1980-х та середина 1990-х визначилися стрімким розвитком теорії струн. Очікувалося, що найближчим часом на її основі виникне так звана «єдина теорія», або «теорія усього», пошукам якої Ейнштейн безуспішно присвятив десятиліття. Останнім часом теорія струн наштовхнулася на серйозну проблему, названу проблемою ландшафту, суть якої полягає у тому, що теорія струн дозволяє рівноправно існувати необмеженій кількості різноманітних Всесвітів, а не тільки того, у якому ми з вами існуємо. Проте розробка теорії струн стимулювала розвиток математичних теорій, в основному алгебраїчної та диференціальної геометрії, топології.

…

Теорія струн дозволяє вибудовування виключно щільних і дрібномасштабних структур з самих струн та інших описуваних теорією об'єктів, частина з яких мають більше трьох вимірів. Кількість способів організації струн всередині чорних дір величезне. І, що характерно, ця величина збігається з величиною ентропії чорної діри, яку Хокінг і його колега Бекенштейн прогнозували в 1970-і роки.

У 1996 р. струнні теоретики Ендрю Стромінджер і Кумрун Вафа, спираючись на більш ранні результати Сасскінд і Сена, опублікували роботу «Мікроскопічна природа ентропії Бекенштейна і Хокінга». У цій роботі Стромінджеру і Вафе вдалося використати теорію струн для знаходження мікроскопічних компонентів певного класу чорних дір, а також для точного обчислення вкладів цих компонентів в ентропію. Робота була заснована на застосуванні нового методу, частково виходить за рамки теорії збурень, яку використовували в 1980-х і на початку 1990-х рр.. Результат роботи в точності збігався з прогнозами Бекенштейна і Гокінга, зробленими більш ніж за двадцять років до цього.

Реальним процесам утворення  чорних дір Стромінджер і Вафа протиставили конструктивний підхід. Суть в тому, що вони змінили точку зору на утворення чорних дір, показавши, що їх можна конструювати шляхом копіткої збірки в один механізм точного набору бран, відкритих під час другої суперструнної революції^[5].

Стромінджер і Вафа змогли обчислити число перестановок мікроскопічних компонентів чорної діри, при яких загальні спостережувані характеристики, наприклад маса і заряд, залишаються незмінними. Тоді ентропія цього стану за визначенням дорівнює логарифму отриманого числа — числа можливих мікростанів термодинамічної системи. Потім вони порівняли результат з площею горизонту подій чорної діри — ця площа пропорційна ентропії чорної діри, як передбачено Бекенштейном і Хокінгом на основі класичного розуміння, — і отримали ідеальне згоду. По крайній мірі, для класу екстремальних чорних дір Стромінджеру і Вафе вдалося знайти додаток теорії струн для аналізу мікроскопічних компонентів і точного обчислення відповідної ентропії.

У 2004 році команда Саміра Матура з університету Огайо взялася за прояснення питання можливого розташування струн всередині чорної діри^[6]. З'ясувалося, що майже завжди струни з'єднуються так, що утворюють єдину — велику і дуже гнучку — струну, але куди більшого розміру, ніж точкова сингулярність.

Група Саміра Матура розрахувала  розміри декількох моделей чорних дір за своєю методикою. Отримані результати збігалися з розмірами «горизонту подій» у традиційній теорії.

У зв'язку з цим матур  припустив, що горизонт подій насправді являє собою пінливу масу струн, а не жорстко окреслену межу. Отже, відповідно до цієї моделі, чорна діра насправді не знищує інформацію, тому що ніякої сингулярності в чорних дірах немає. Маса струн розподіляється по всьому об'єму до горизонту подій, і інформація може зберігатися в струнах і передаватися виходить випромінюванням Хокінга (а отже виходити за горизонт подій).

Проте, автори визнають, що ця картина носить досить попередній характер. Їм ще належить перевірити, як модель підходить до великих чорних дірок, або зрозуміти, як чорні діри еволюціонують.

Ще один варіант запропонували  Гері Горовиць з Університету Каліфорнії в Санта-Барбарі і Хуан Малдасена  з прінстоновского Інституту передових досліджень. На думку цих дослідників, сингулярність в центрі чорної діри існує, проте інформація в неї просто не потрапляє: матерія йде в сингулярність, а інформація — шляхом квантової телепортації — друкується на випромінюванні Гокінга.

 

Чорні діри у Всесвіті:

З часу теоретичного передбачення чорних дір залишалося відкритим питання про їх існування, тому що наявність рішення типу «чорна діра» ще не гарантує, що існують механізми утворення подібних об'єктів у Всесвіті. З математичної точки зору відомо, що як мінімум колапс гравітаційних хвиль в загальній теорії відносності стійко веде до формування пасткових поверхонь, а отже, і чорної діри, як доведено Деметріосом Крістодулу в 2000-х роках (Премія Шоу за 2011 рік).

З фізичної точки зору відомі механізми, які можуть призводити до того, що деяка область простору-часу буде мати ті ж властивості (ту ж геометрію), що і відповідна область у чорної діри.

В реальності через аккреції речовини, з одного боку, і (можливо) випромінювання Хокінга, з іншого, простір-час навколо колапсара відхиляється від наведених вище точних розв'язків рівнянь Ейнштейна. І хоча в будь-якій невеликій області (крім околиць сингулярності) метрика спотворена не надто сильно, глобальна причинна структура простору-часу може відрізнятися кардинально. Зокрема, даний простір-час може, за деякими теоріями, вже й не мати горизонту подій. Це пов'язано з тим, що наявність або відсутність горизонту подій визначається, серед іншого, і подіями, що відбуваються в нескінченно віддаленому майбутньому спостерігача^[7].

Чорні діри зоряних  мас

Чорні діри зоряних мас утворюються  як кінцевий етап життя зірки, після  повного вигоряння термоядерного  палива та припинення реакції зірка  теоретично повинна почати охолоджуватися, що призведе до зменшення внутрішнього тиску і стиснення зірки під  дією гравітації. Стиснення може зупинитися на певному етапі, а може перейти в стрімкий гравітаційний колапс.

Залежно від маси зірки і обертального моменту можливі наступні кінцеві  стани:

• Згасла дуже щільна зірка, що складається в основному, залежно від маси, з гелію, вуглецю, кисню, неону, магнію, кремнію або заліза (основні елементи перераховані в порядку зростання маси залишку зірки). Такі залишки називають білими карликами, маса їх обмежується зверху межею Чандрасекара.
• Нейтронна зірка, маса якої обмежена межею Оппенгеймера — Волкова.
• Чорна діра.

 

У міру збільшення маси залишку зірки  відбувається рух рівноважної конфігурації вниз по викладеній послідовності. Обертальний момент збільшує граничні маси на кожному ступені, але не якісно, ​​а кількісно (максимум в 2-3 рази).

Умови (головним чином, маса), при яких кінцевим станом еволюції зірки є  чорна діра, вивчені недостатньо  добре, так як для цього необхідно  знати поведінку і стан речовини при надзвичайно високих щільності, недоступних експериментальному вивченню. Додаткові труднощі становить моделювання  зірок на пізніх етапах їх еволюції через складність виникає хімічного складу і різкого зменшення характерного часу протікання процесів. Досить згадати, що одні з найбільших космічних катастроф, спалахи найновіших, виникають саме на цих етапах еволюції зірок. Різні моделі дають нижню оцінку маси чорної діри, що виходить в результаті гравітаційного колапсу, від 2,5 до 5,6 мас Сонця. Радіус чорної діри при цьому дуже малий — кілька десятків кілометрів.