черные дыры

[Anton2003]

Мне понравился журнал "В мире науки", который выходит совместно с Scientific American. Много материалов по астрономии - в 10-м номере 20 страниц (из 96)посвящено черным дырам и Марсу. Прекрасно иллюстрирован, короче, рекомендую.

"Классическая теория представляет черную дыру в виде точки бесконечно большой плотности (сингулярности), которая втягивает в себя вещество (в том числе звезды), и окружающего ее горизонта событий. Если представлять черную дыру в виде шара «темной энергии» («гравастара»), падающее на нее вещество разрушается при ударе о твердую скорлупу.
Что будет, если вы начнете падать в черную дыру? Согласно общей теории относительности, даже при пересечении горизонта событий вы будете пребывать в невесомости и блаженном неведении, поскольку все вокруг будет падать вместе с вами. Приливные силы, делающие черную дыру столь гибельной, возможно, подействуют позднее. Осознать происходящее сможет только сторонний наблюдатель. В рамках общей теории относительности невозможно создать автономный датчик, способный предупредить: «Внимание! Вы только что упали в черную дыру! Готовьтесь к смерти». Согласно новой модели, при падении горизонт событий нельзя не заметить: вы разобьетесь о скорлупу из сверхплотного вещества, а частицы вашего тела распадутся на гамма-лучи.

Большинство исследователей считает, что это микроскопические сингулярности - остатки звезд, сжатых собственным тяготения. Однако есть мнение, что черные дыры представляют собой протяженные тела и состоят из вещества в необычном состоянии, застывшего в процессе коллапса подобно воде, превратившейся в лед. Такое смелое предположение помогает объединить общую теорию относительности и квантовую механику.
Согласно учебникам, сингулярность окружена горизонтом событий. Эта воображаемая поверхность - рубеж невозврата для любого вещества, устремляющегося в черную дыру. Впрочем, ничего особенного на ней не происходит: законы физики одинаковы повсюду. Однако с точки зрения квантовой механики горизонт событий глубоко парадоксален, поскольку допускает потерю информации из нашего мира.
В новой концепции черной дыры понятие горизонта событий отсутствует. Идея в том, что существует сила, способная остановить коллапс звезды: в веществе с определенными свойствами сила тяготения меняет знак, становясь не силой притяжения, а силой отталкивания. Предполагается, что такое вещество - «темная энергия» - вызывает ускорение расширения Вселенной.
В прошлом году Pawel О. Mazur и Emil Mottola высказали мнение, что в ходе коллапса вещество может затвердеть подобно кристаллам льда. В результате образуется так называемый гравастар, похожий на жареное мороженое: твердая корка из очень плотного, но все же обычного вещества, стабилизированная необычным содержимым. Эта скорлупа заменяет горизонт событий.
Более смелое предположение предусматривает не только «вымерзание» темной энергии, но и отказ от теории относительности. Акустические уравнения для движущихся жидкостей во многом схожи с уравнениями общей теории относительности. Звуковые волны могут захватываться жидкостью почти так же, как свет захватывается черной дырой. Возможно, пространство-время является своеобразной жидкостью.
В конденсированных средах (жидкостях и твердых телах) многое определяется коллективными взаимодействиями, т.е. агрегацией молекул, а не их индивидуальными свойствами. Когда вода замерзает, молекулы остаются прежними, а их коллективное поведение изменяется, и законы, применимые к жидкости, перестают действовать.
При определенных условиях жидкость становится сверхтекучей, и тогда даже на макроскопическом уровне ее свойства определяются законами квантовой механики. George Chapline и др. предположили, что подобный процесс происходит на горизонте событий. Уравнения теории относительности перестают действовать, появляются новые законы. «Если принять, что пространство-время - это сверхтекучая жидкость, то совершенно естественно предположить, что на горизонте событий некоторые физические законы теряют силу, т.е. классический горизонт событий заменяется квантовым фазовым переходом», - считает Чаплин. Пока все эти идеи вилами на воде писаны, и у критиков есть масса возражений. Например, каким именно образом изменяется состояние вещества или пространства-времени в процессе коллапса звезды? Scott A. Hughes отметил: «Не представляю, как массивная звезда, состоящая из обычного газа, плотность и давление которого связаны простым соотношением, может превратиться в объект со столь странной структурой, как гравастар». Традиционные теории квантовой гравитации разработаны гораздо глубже. Например, теория струн объясняет парадоксы черных дыр без отказа от горизонта событий и теории относительности.
По данным наблюдений будет трудно выяснить, какая концепция, новая или классическая, больше подходит для описания черных дыр. Тем не менее это возможно. Гравитационные волны позволяют определить форму пространства-времени в окрестностях предполагаемых черных дыр. Для классической сингулярности, простого объекта без реальной поверхности, возможны только два случая, и если при наблюдении гравитационных волн будет обнаружена какая-то иная форма, то очередной жертвой черных дыр станут современные физические теории".  (В мире науки, № 10 2003)

[polar]

Если кому интересно, то вот оригинaл собственно нaучной стaтьи Mazur, Mottela: http://it.arxiv.org/abs/gr-qc/0109035

Немного подозрительно, что не видно, чтобы они ее в кaком-то нормaльном журнaле опубликовaли...

[Дмитрий Вибе]

Немного подозрительно, что не видно, чтобы они ее в кaком-то нормaльном журнaле опубликовaли...

Они, скорее всего, просто не написали об этом. Фраза в комментарии "Title, Abstract, Introduction slightly rewritten to comply with referee suggestions" говорит о том, что статью рецензировали. Раз RevTEX, значит, Physical Review.

[polar]

Ja voobsche-to cherez NASA ADS dogadalsja esche posmotret'.......

[bob]

Да, вот это уже ближе к истине. Такая ЧД не противоречит даже моим взглядам.    Разумно.

[Anton2003]

ОБЗОР: АЯГ И ВСПЫШКИ ЗВЕЗДООБРАЗОВАНИЯ
• Активные ядра галактик (АЯГ) и вспышки звездообразования - одни их самых значимых явлений в галактиках. АЯГ представляют собой интенсивные сосредоточенные источники света, испускаемого, вероятно, веществом, которое падает в сверхмассивную черную дыру (квазары), а вспышки звездообразования - это галактические фейерверки, в которых бурно рождаются звезды.
•  Астрономы полагали, что АЯГ и вспышки звездообразования, часто разделенные огромными расстояниями, не имеют между собой ничего общего. Однако оказалось, что часто оба явления идут рука об руку.
• Служат ли АЯГ причиной возникновения вспышек звездообразования или, наоборот, вспышки звездообразования порождают АЯГ? Возможно, оба явления вызваны какой-то третьей, общей причиной? Ответ на эти вопросы важен для понимания эволюции галактик.

Можно представить четыре варианта взаимосвязи АЯГ - вспышка звездообразования:
1) и то и другое - одно и то же;
2) оба явления - результат какого-то третьего процесса;
3) АЯГ является причиной вспышки звездообразования;
4) наоборот - вспышка звездообразования становится причиной АЯГ.
1-й вариант представляет собой предположение, что АЯГ - это всего лишь разновидность вспышки звездообразования. Хотя в большинстве случаев предположение может быть ошибочным. В частности, слабые АЯГ могут создаваться высокой активностью звезд, проявляющейся в столь малой области, что телескопы могут принять ее за черную дыру.
2-й вариант подразумевает, что рассматриваемая взаимосвязь - совпадение. Ее причиной могут быть одни и те же процессы. Например, при слиянии галактик газ приливными силами может стягиваться к центру той или иной вновь образующейся структуры, вызывая нспышку звездообразования и поставляя энергию для черной дыры, запускающей образование АЯГ. Согласно теории, время роста черной дыры до размера сверхмассивной (около 10 млн. лет) близко к длительности вспышки звездообразования, которая, в свою очередь, почти соответствует времени, которое требуется для слияния двух галактик.
3-й вариант. Однако большинство исследователей склоняется к варианту, подразумевающему существование причинно-следственной связи между АЯГ и вспышками звездообразования. Еще в одном из вариантов предполагается, что сверхмассивные черные дыры оказывают сильное влияние на свои галактики. Возможно, дыра стягивает вещество к центру  галактики, создавая возможность для формирования звезд. Такую версию поддерживает Francoise Combes, которая считает, что если есть черная дыра, то газ непременно стягивается к центру галактики, питая энергией АЯГ. Собирающийся газ служит исходным материалом для вспышек звездообразования. Эта теория вполне правдоподобна: многие близкие к нам галактики, в которых есть АЯГ, содержат в своих ядрах и пылевые структуры, которые могут быть материалом, втянутым извне. Однако многие из подобных структур не имеют той формы, которую предполагает теория.
Вспышка звездообразования может быть вызвана потоком вещества не внутрь, к черной дыре, а наружу, от нее. Когда сверхмассивная черная дыра начинает пожирать вещество и создавать АЯГ, возникают ударные волны и струи вещества, прорывающиеся через галактику. Во фронте ударной волны газ уплотняется и конденсируется, образуя звезды. Активно растущая черная дыра выбрасывает струи, которые бьют в окружающий газ, повышая давление и вызывая его сжатие в звезды. Данные наблюдений, проведенных обсерваторией «Чандра» галактики А в созвездии Кентавра, в которой темп образования звезд чрезвычайно высок, дают основания предполагать, что 10 млн. лет назад там произошел взрыв массивного АЯГ. На окраинах этой галактики находится кольцевой источник рентгеновского излучения, имеющий диаметр около 25 тыс. световых лет, который мог образоваться ударными волнами от указанного взрыва, совпавшего по времени с периодом формирования звезд, а кольцевой источник рентгеновского излучения мог быть перекрыт дугами молодых звезд.
Если черная дыра образуется первой, то возможно, что первыми маяками в абсолютной темноте ранней Вселенной были не звезды, а черные дыры. Более того, некоторые астрономы высказали предположение, что наше Солнце возникло в процессе вспышки звездообразования. Если она была вызвана активным ядром в нашей Галактике, мы, возможно, обязаны своим существованием черной дыре.
4-й вариант. Однако теоретически более правдоподобным представляется сценарий, согласно которому вспышка звездообразования появляется раньше черной дыры, взаимосвязь между ними может зародиться в ходе эволюции звезд. Вспышка звездообразования создает плотные скопления звезд, где их столкновения нередки. Массивные звезды в скоплениях быстро умирают, становясь нейтронными или черными дырами с массами, типичными для звезд, а эти объекты сливаются друг с другом. В период, насчитывающий от десятков до сотен миллионов лет, они образуют
более массивную черную дыру, которая может образоваться и из легких звезд типа нашего Солнца, которые обычно не превращаются в черные дыры. В плотном звездном скоплении они могут испытывать ряд последовательных слияний, образуя более массивные, которые затем также сливаются, в результате чего создаются гигантские звезды с массами от нескольких сотен до нескольких тысяч масс Солнца. Эти гигантские звезды в конечном итоге коллапсируют, превращаясь в черные дыры сравнимых с ними масс. Такой процесс должен занимать 100 млн. лет, что гораздо меньше времени существования галактики, и достаточно стремителен, чтобы им можно было объяснить возникновение первых квазаров.
Черные дыры, независимо от того, как они образовались, собираются
к центру галактики. Некоторые из них могут слиться в одну сверхмассивную, что подкрепляется данными наблюдения галактики NGC6240, в которой две сверхмассивные черные дыры кружатся одна вокруг другой, обреченные на слияние. Возможно, они продолжают расти, захватывая окружающее вещество. Вследствие трения, обусловленного динамическими и гравитационными взаимодействиями с остальной частью галактики, звездные скопления, образовавшиеся на окраинах галактики, теряют кинетическую энергию и момент импульса. Они двигаются по спирали к центру галактики и постепенно разрушаются приливными силами. За миллиарды лет этот процесс может привести к «вливанию» в центральную черную дыру массы порядка  сотен миллионов масс Солнца. (Kimberly Weaver, "В мире науки", №10 2003.)

[Anton2003]

(Продолжение предыдущей статьи)
Модель, подразумевающая первичность вспышки звездообразования, предполагает существование совершенно новой группы черных дыр, промежуточных между дырами с массами порядка звездных и сверхмассивными. За последние 10 лет были получены косвенные доказательства существования черных дыр (называемых сверхяркими рентгеновскими источниками), обнаруженных в нескольких ближайших галактиках. Интенсивность их рентгеновского излучения в десятки и сотни раз больше интенсивности рентгеновского излучения нейтронных звезд или черных дыр с массами порядка звездных. Это могут быть нейтронные звезды, излучение которых сконцентрировано в направлении Земли, отчего они и выглядят аномально мощными. Однако появляется все больше свидетельств в пользу того, что это черные дыры с массами до нескольких сотен масс Солнца.
Roeland P. van der Marel и Michael Rich обнаружили следы черных дыр промежуточной массы в центрах двух плотных звездных скоплений, Ml5 и M31-G1. Звезды в них движутся так быстро, что для их удержания требуются тела с массами, составляющими от 2 тыс. до 20 тыс. масс Солнца, которые могут быть не большими черными дырами, а группами нейтронных звезд или небольших черных дыр. В таком случае эти объекты должны со временем слиться в одну большую черную дыру. Недавно Tod Strohmayer и Richard Mushotzky обнаружили, что один из сверхъярких источников вблизи центра галактики М82, в которой происходит вспышка звездообразования, мерцает с периодом около 18 сек. Он слишком велик, а само мерцание слишком нерегулярно, чтобы источником излучения могла быть поверхность нейтронной звезды, а интенсивность излучения слишком обширна, чтобы его источником могло быть вещество на орбите такой звезды. Это излучение исходит из вещества на орбите вокруг черной дыры, которая может иметь массу в несколько тысяч масс Солнца. В спиральной галактике NGC 1313 Jon Miller обнаружил два сверхъярких рентгеновских источника, более холодных, чем черные дыры с массами порядка звездных. Теория предполагает, что чем больше масса черной дыры, тем ниже температура в ее окрестностях. Следовательно, массы черных дыр в галактике NGC 1313 должны быть больше звездных.
Возможно, черные дыры промежуточной массы располагаются не в центрах своих галактик, поэтому их отношение к вспышкам звездообразования не установлено. Однако исследования близкой галактики МУС 253, в которой происходит вспышка звездообразования, дали некоторые подсказки. До 1995 г. астрономы считали, что источником рентгеновского излучения высоких энергий в этой галактике служит протяженное облако горячего газа, ассоциируемое со вспышкой звездообразования. Автору удалось найти в рентгеновском спектре указание на существование черных дыр. Однако получить в обсерватории «Чандра» рентгеновское изображение этой галактики автор смог только в 2001 г. ,обнаружив во внутренней части галактики NGC 253 (поперечником около 3 тыс. световых лет) пять сверхъярких рентгеновских источников. Один из них, находящийся точно в ее центре, примерно в 100 раз интенсивнее нейтронной звезды или черной дыры с массой порядка масс звезд, что позволяет считать его массу эквивалентной 100 массам Солнца. Он может быть черной дырой, застигнутой в процессе ее эволюции в полностью развившееся АЯГ. Последовательность событий может быть такой. Вблизи центра галактики произошла вспышка звездообразования. Образовавшиеся при этом массивные звезды коллапси-руют и сливаются, формируя черные дыры небольших масс, которые затем приближаются по спиралям к центру галактики и тоже сливаются, образуя зародыш сверхмассивной черной дыры, которая после затухания вспышки звездообразования начинает питать АЯГ.
Изучение того, как влияет активность вспышки звездообразования на питание и рост сверхмассивной черной дыры, должно пролить свет на происхождение наиболее мощных из всех АЯГ, а именно квазаров. Астрономам не понятно, почему они на ранних этапах эволюции Вселенной были мощнее сегодняшних АЯГ. Возможно, причина кроется в том, что в молодой Вселенной периоды интенсивного образования звезд были более частыми, что порождало интенсивные АЯГ.
Разумеется, все может быть гораздо сложнее, чем прямой «запуск» одного вида активности другим. Галактики могут претерпевать циклические переходы между фазами АЯГ и вспышками звездообразования. Когда циклы накладываются, астрономы видят одновременно оба явления. Сегодня наблюдения еще не позволяют сделать окончательный вывод, что возникает раньше - АЯГ или вспышка звездообразования (или они возникают одновременно). Ответ на этот вопрос должны будут дать телескопы следующего поколения.
Наблюдения с помощью космического инфракрасного телескопа, которые NASA планирует начать в этом году, позволят осветить взаимосвязь АЯГ - вспышка звездообразования в первых галактиках. Ученые смогут сравнить данные, полученные в инфракрасном излучении, в видимом свете и в рентгеновском излучении, чтобы выяснить, чья активность преобладает в эпоху формирования галактик - АЯГ или вспышек звездообразования, что, в свою очередь, позволит узнать, какой из этих объектов возник раньше. Может быть, появится возможность обнаружить галактики, подобные NGC 253. Взаимосвязь АЯГ - вспышка звездообразования, возможно, является, ключевым звеном связи поколений во Вселенной. Черные дыры представляются слившимися останками умерших звезд, а вспышки звездообразования - процессом рождения трепетных молодых. Вероятно, что для формирования галактик, включая нашу, требовалось «сотрудничество» старого и нового. (Kimberly Weaver. "В мире науки", № 10, 2003)

[polar]

http://xray.sai.msu.ru/~polar/sci_rev/current.html#gr-qc/0310107

Tam zhe ssylka na original v Scientific American

[Anton2003]

...
ТЕРМОДИНАМИКА ЧЕРНЫХ ДЫР
Согласно уравнениям общей теории относительности, разработанной Альбертом Эйнштейном в 1915 г., достаточно большая концентрация вещества или энергии может искривить пространство-время настолько, что оно разорвется, образовав черную дыру. Законы относительности не позволяют чему бы то ни было, попавшему внутрь нее, появиться вновь, по крайней мере, в рамках представлений классической (неквантовой) физики. Важнейшее значение имеет рубеж невозврата, называемый горизонтом событий черной дыры. В простейшем варианте он представляет собой сферу, радиус которой тем больше, чем больше масса черной дыры.
Узнать, что находится внутри нее, невозможно, т.к. никакая информация не может преодолеть этот горизонт. Однако, исчезая навсегда, вещество оставляет некоторые следы: его энергия (в соответствии с уравнением Эйнштейна  считаем массу энергией) навсегда увеличивает ее массу. Если перед захватом вещество обращалось вокруг черной дыры, его момент импульса добавляется к моменту импульса дыры. И массу, и момент импульса черной дыры можно определить по их влиянию па пространство-время в ее окрестности.
Таким образом, законы сохранения энергии и импульса применимы к черной дыре. Но второй закон термодинамики, кажется, нарушается. Этот закон запрещает обратимые процессы, а значит, энтропия изолированной физической системы не может уменьшаться - в лучшем случае она остается постоянной, но обычно растет. Этот закон — основа физической химии и техники. Как впервые отметил Уилер, когда вещество исчезает в черной дыре, его энтропия тоже пропадает навсегда, что представляется нарушением второго закона термодинамики. Ключ к этой разгадке появился в 1970 г., когда Demetrious Christodoulou и Stephen W. Hawking доказали, что при слиянии черных дыр общая площадь горизонта событий никогда не уменьшается. Это навело автора в 1972 г. на мысль, что энтропия черной дыры пропорциональна площади поверхности ее горизонта событий. Он предположил, что при падении вещества в черную дыру возрастание ее энтропии компенсирует или превосходит «потерю» энтропии вещества. Сумма энтропии черной дыры и обычной энтропии вне ее не может уменьшаться. Таков обобщенный второй закон (ОВЗ) термодинамики.
Когда звезда коллапсирует, превращаясь в черную дыру, энтропия дыры оказывается гораздо больше энтропии звезды. В 1974г. Хокинг показал, что черная дыра спонтанно испускает тепловое излучение, известное сегодня как излучение Хокинга. Это явление не согласуется с теоремой Христодулу-Хокинга (масса черной дыры и, следовательно, площадь ее горизонта уменьшается), но ОВЗ разрешает противоречие: энтропия испускаемого излучения компенсирует уменьшение энтропии черной дыры, так что ОВЗ соблюдается. В 1986 г. Rafael D. Sorkin сравнил роль горизонта событий черной дыры с барьером, не допускающим влияния информации, находящейся внутри дыры, на события вне ее, чтобы показать, что ОВЗ должен соблюдаться во всех процессах, касающихся черной дыры. Его глубокие рассуждения ясно показывают, что энтропия ОВЗ учитывает все уровни до X включительно, как бы глубоко тот ни лежал. Процесс излучения Хокинга позволил ему определить коэффициент пропорциональности между энтропией черной дыры и площадью горизонта событий: энтропия равна одной четверти площади горизонта, выраженной в план-ковских единицах (планковская единица площади - это квадрат длины Планка, фундаментальной константы, связанной с тяготением и квантовой механикой, близкой к 10^-33 см). Это огромная величина даже по термодинамическим представлениям. Энтропия черной дыры диаметром 1 см составляет около 10^66 бит, что примерно равно термодинамической энтропии водяного куба с ребром в 10 млрд. км.
МИР КАК ГОЛОГРАММА
Обобщенный второй закон термодинамики позволяет найти предел информационной емкости любой изолированной физической системы, т.е. предельный объем информации, которая может храниться на всех уровнях ее структуры до уровня X включительно. В 1980 г. автор начал изучать универсальный энтропийный предел, определяющий максимальный объем информации для данной массы данного размера. Связанный с ним голографический предел, устанавливающий максимальное значение энтропии, которая может содержаться в веществе и энергии, занимающих данный объем пространства, был рассмотрен в 1995 г. Leonard Susskind. Если изолированная масса приблизительно сферической формы, не являющаяся черной дырой и ограниченная замкнутой поверхностью с площадью А, коллапсирует, превращаясь в черную дыру, то площадь ее горизонта событий станет меньше А. Следовательно, энтропия черной дыры будет меньше А/4. Согласно ОВЗ, энтропия не может уменьшаться, значит, первоначальная энтропия рассматриваемой массы не могла быть больше А/4. Из этого следует, что энтропия изолированной физической системы, ограниченной поверхностью площади А, всегда меньше А/4. А что если масса спонтанно не коллапсирует? В 2000 г. автор показал, что маленькая черная дыра может быть использована для превращения системы в черную дыру, мало чем отличающуюся от рассмотренной Зускиндом. Таким образом, предел зависит только от ОВЗ, а не от строения системы или природы уровня X.
Теперь мы можем ответить на некоторые вопросы о пределах возможности хранения информации. Устройство поперечником в 1 см может хранить до 10^66 бит, в то время как вся видимая Вселенная содержит не менее 10^100 бит энтропии. Это количество может, в принципе, быть размещено в пределах сферы диаметром 0,1 светового года. Но оценка энтропии Вселенной -трудная задача, для решения которой понадобятся гораздо большие числа, требующие сферы размером с саму Вселенную.
У голографического предела есть и другой аспект: максимум возможной энтропии определяется площадью границы, а не заключенным в ней объемом. ...

ОБЗОР: МИР КАК ГОЛОГРАММА
• Теория, называемая голографическим принципом, утверждает, что Вселенная подобна голограмме: подобно тому, как луч света позволяет «записать» трехмерное изображение на плоской пленке, так и воспринимаемая нами трехмерная Вселенная может быть эквивалентна иной системе квантовых полей и законов, «нарисованной» на далекой огромной поверхности.
•  Физика черных дыр дает основания полагать, что голографический принцип верен. Изучение черных дыр показывает, что максимальное информационное содержание любой области пространства определяется не ее объемом, а площадью ограничивающей ее поверхности, как бы это ни противоречило здравому смыслу,
•  Физики надеются, что голографический принцип даст ключ к построению окончательной теории реального мира.

(Jacob D.Bekenstein. "В мире науки" №11, 2003.)

[Anton2003]

http://www.space.com/scienceastronomy/star_destroyed_040218.html

http://www.echo.msk.ru/headings/granit.html