Вселенная. Краткий путеводитель по пространству и времени: от Солнечной системы до самых далеких галактик и от Большого взрыва до будущего Вселенной

Начиная с конца 1960-х – начала 1970-х гг., с работ Дональда Линден-Белла (Donald Lynden-Bell), астрономы полагают, что в центре каждой галактики с достаточно крупным балджем должна находиться сверхмассивная черная дыра. Наблюдения в целом подтверждают эту картину.

Однако в редких случаях сверхмассивные черные дыры могут покидать центральные части галактик. В результате слияния двух черных дыр происходит излучение гравитационных волн, которые уносят энергию и импульс из системы. Если массы дыр не равны, этот процесс не будет симметричным. После слияния получившаяся дыра приобретает импульс (выполнение закона сохранения импульса достигается тем, что равный и противоположно направленный импульс унесен гравитационными волнами). Такой эффект гравитационно-волновой ракеты может разогнать объект до скоростей в сотни километров в секунду, что достаточно для покидания центральной части галактики. А если масса галактики невелика, то объект может полностью ее покинуть.

Две черные дыры могут оказаться в центре галактики в результате слияния двух звездных систем, каждая из которых имела по сверхмассивной черной дыре. На определенном этапе эволюции это достаточно частый процесс, и в настоящее время известны наблюдаемые кандидаты в двойные сверхмассивные черные дыры. По мере сближения эти объекты испускают гравитационные волны, а в момент слияния происходит мощный гравитационно-волновой всплеск. Для обнаружения таких событий планируется создать космический эксперимент eLISA, подобный наземным установкам LIGO и Virgo (назван в честь созвездия Девы). Также свой вклад в поиск длинноволнового гравитационного излучения от пар сверхмассивных черных дыр могут внести астрометрические наблюдения и тайминг миллисекундных радиопульсаров.

Исследование непосредственных окрестностей сверхмассивных черных дыр сопряжено с большими трудностями. Два наиболее исследованных объекта – это черная дыра в центре нашей Галактики (сверхмассивная и самая близкая, поэтому ее угловой размер достаточно велик), а также черная дыра в галактике М87 (сочетает очень большую массу с относительно небольшим расстоянием от нас).

Черная дыра в центре галактики М87 имеет массу 4–5 млрд масс Солнца. До этой галактики примерно 50–55 млн световых лет.

Изучение окрестностей черных дыр возможно в радиодиапазоне методами интерферометрии. С этой целью создан проект Event Horizon Telescope, объединяющий несколько инструментов, разбросанных по всему земному шару. Наблюдения в миллиметровом диапазоне с помощью этой системы телескопов позволяют изучать ближайшие (несколько радиусов черных дыр) окрестности Sgr A* и М87. Свой вклад смогут внести и космические проекты, в которых один из радиотелескопов, составляющих интерферометрическую систему, находится на расстоянии в сотни тысяч километров от Земли.

Первым успешным проектом такого типа является «Радиоастрон», основой которого является российский спутник «Спектр-Р».

7.4. Первичные черные дыры и испарение Хокинга

В настоящий момент в астрономических наблюдениях мы не можем непосредственно исследовать области, прилегающие к горизонту событий. Кроме того, современные физические теории не позволяют с достаточной точностью и надежностью одновременно учитывать эффекты квантовой физики и сильного искривления пространства-времени. Это приводит к тому, что в физике черных дыр остается много неясного, и разные теоретические подходы предлагают очень разные ответы. В еще большей степени это применимо к недрам черных дыр, откуда информация принципиально не может попасть во внешний мир. Существуют разные модели объектов, которые мы объединяем под общим термином «черные дыры» и которые с астрофизической точки зрения выглядят как классические черные дыры ОТО.

Наиболее важные результаты по физике черных дыр сейчас получают с помощью гравитационно-волновых детекторов. Значительные надежды можно связывать и с интерферометрическими наблюдениями окрестностей сверхмассивных черных дыр большого углового размера. В перспективе можно ожидать, что будет обнаружен крайне интересный эффект испарения черных дыр. Это позволит существенно продвинуться и в понимании физики этих объектов, и в понимании природы гравитации и квантовых процессов.

Гипотеза об испарении черных дыр была развита в статье Стивена Хокинга (1975). Эта работа во многом основана на обсуждении (с Яковом Зельдовичем и Александром Старобинским) квантовых эффектов вблизи черных дыр во время визита Хокинга в Москву в 1973 г.

Процесс испарения черных дыр – квантовый эффект. Рождение частиц и излучения происходит снаружи горизонта, т. е. частицы и излучение не пересекают горизонт. Для рождения частиц необходима энергия, которая черпается из массы черной дыры, так что по мере генерации частиц размер и масса компактного объекта уменьшаются.