Още за черните дупки

Черните дупки в съвременните разбирания са възникнали още в рамките на Общата теория на относителността. Там картината е малко по-различна и ще ни бъде от полза геометричната теория за гравитацията.  В тази теория масивните тела изкривяват пространство-времето около себе си. Това може да се илюстрира по следния начин – представете си еластична плоскост. Вие поставяте разни предмети – колкото по-тежък е предметът, толкова повече се огъва плоскостта и се образува ямка, към която се привличат всички предмети. Наистина моделът изглежда така и ние смятаме, че той така и работи. Поставеният предмет така силно може да „продъни” пространството, че от него вече нищо да не може да излезе. Това е грубо казано черната дупка в общата теория на относителността.

Черната дупка е област в пространството. Тя няма повърхност, има само хоризонт – граница, отделяща недрата й от останалия свят. А всичко, което попадне вътре, завинаги си остава там. Как изглежда черната дупка отвътре, е доста сложен въпрос. Проблемът е, че няма наблюдателни данни. Но има много интересни работи на тази тема. Например може да се направи предположение за затворени орбити под хоризонта. В този сценарий някои частици не попадат в самия център на черната дупка, а се въртят и винаги остават под хоризонта. Но ако се изключи това, тъй като такъв вариант на развитие на събитията е екзотика, всичко би трябвало да се озовава в самия център на черната дупка и ние не знаем какво се случва там, тъй като формално много параметри достигат безкрайни значения. Това означава, че нашите физични закони престават да работят там.

Има един проблем – съществуват ли изобщо черните дупки? Защото, първо, общата теория на относителността е добра в определена област на приложение, но теорията за гравитацията трябва да се развива. Ще съществуват ли черните дупки в такава разширена теория, е под въпрос. Черните дупки много трудно може да се открият. Дупка и черна – какво може да се види там? Единственият веднага идващ ни на ума начин е лъчението на Хокинг. Черните дупки се изпаряват, но този процес е много бавен. Обикновено този процес се илюстрира по следния начин. Във вакуума постоянно се раждат двойки частици. Вие за кратко вземате назаем енергия, раждате двойки частици, а след това те анихилират (анихилация – превръщане на двойка частица-античастица при сблъсък в други частици с по-малка или нулева маса).

Представете си една полукриминална ситуация: вие работите в банка и периодично вземате пари от касата, а на следващия ден ги връщате. Нищо не се е случило, никой не знае – взели сте ги за кратко и сте ги върнали. А сега си представете, че имате наблизо черна дупка. Тоест например случва се някаква криза – взели сте парите, а вече не можете да ги върнете, останал ви е дълг и значи банката малко се е „изпарила”. Същото е ако има черна дупка, а наблизо двойка частици – едната е попаднала в дупката, а другата е отлетяла. Гледайки това от разстояние, ние просто виждаме, че се е родила частица и е отлетяла. По такъв начин за външния наблюдател масата на дупката започва да намалява.

Изглежда, трябва да търсим изпарението на черните дупки – ето го и доказателството за тяхното съществуване. Но тук проблемът е следният – в природата има два основни типа черни дупки. Първият, най-известният, са черните дупки със звездна маса, възникващи на финалните стадии от еволюцията на най-масивните звезди. Живее голяма масивна звезда, превръща водорода в хелий, хелия – във въглерод, азот, кислород и стига до елементите от желязната група. По-нататък горенето не може да продължи и ядрото се свива. Ако нищо не спре това свиване, се образува черна дупка. Типичната маса на такъв обект е десет пъти над тази на слънцето. Това е масивна черна дупка, тя се изпарява много бавно, около нея постоянно лети някакъв боклук, има реликтово излъчване, и всичко това попада в черната дупка, затова нейната маса все пак средно расте и изпарението е несъществено.

Вторият тип черни дупки са свръхмасивни обекти в центровете на галактиките. Има два основни сценария за тяхното образуване – или големи облаци газ едновременно са попадали в дупките, а след това те постепенно са расли, поглъщайки веществото от околното пространство, или най-първите звезди в края на своя живот са образували големи, по сто-двеста слънчеви маси, черни дупки и те са станали зародиш за бъдещи свръхмасивни обекти. Ние още не знаем кой от сценариите е верен, но тези дупки се изпаряват крайно бавно, тоест това е фактически невъзможно да се види, тъй като масата им продължава да расте поради поглъщането на вещество.

Затова е трудно непосредствено да се види черна дупка и има един прост факт – все още не е дадена Нобелова награда за откриване на черна дупка. Значи няма окончателно потвърждение. Практически всички астрофизици са готови да заложат хиляда към едно, че те съществуват, но пълна сигурност няма. Ние наблюдаваме обекти, наречени кандидати за черни дупки. Може да изучаваме поведението на веществото около тях – единственият начин да разберем за съществуването на самите черни дупки. Може би след няколко години ключов момент за доказването на съществуването им ще стане откриването на гравитационни вълни.

Да се върнем на геометричната теория за гравитацията. Нека я илюстрираме с еластичната плоскост. Сега си представете, че от време на време натискате с пръсти тази плоскост. Вие натискате и по нея пробягват вълни. В известен смисъл така може да се опишат гравитационните вълни. По принцип дори ако просто размахвате с ръце, ще изпускате гравитационни вълни, тъй като ръцете са масивни и изкривяват пространството около себе си, вие ги движите и по пространството пробягват вълни. Но това е много слаб ефект.

Силен ефект се постига, ако имаме бързо движещи се масивни и достатъчно компактни обекти, затова е необходим не просто тежък обект, необходимо е на даденото място много силно да се изкриви пространство-времето и бързо да промени гравитационното поле. Именно черните дупки са идеален обект за такива цели.

За да възникне съществено гравитационно излъчване, е необходима определена асиметрия в движението на тялото или самото тяло, ако то се върти, да бъде несиметрично. Но черните дупки са доста симетрични обекти. Въртяща се около оста си единична черна дупка няма да излъчва нищо и е необходима някаква асиметрия. За щастие в природата има подходящи процеси с участието на черни дупки. Те протичат в двойните системи.

Звездите най-често не се раждат сами, а по двойки. Например нека е възникнала двойка масивни звезди. След това двете една след друга са се взривили като свръхнови и са образували две черни дупки, които се въртят една около друга. Да си представим, че две топки се търкалят по нашата еластична плоскост – от тях задължително ще пробягват вълни. В случая с двойката черни дупки това е доста добър процес за изпускане на гравитационни вълни, тъй като имаме едновременно големи маси, затворени в компактни области и движещи се с огромни скорости.

Да си спомним, че ако вземем даден предмет и го захвърлим в черната дупка, той пресича хоризонта на събитията със скоростта на светлината. Значи в този момент той има колосална скорост и енергия. Сега да си представим, че вземаме една черна дупка и я хвърляме в друга черна дупка. Трябва да се отдели много енергия и тя се отделя! Цялата тази огромна енергия се отделя във вид на гравитационни вълни. Ако в системата се сливат две черни дупки, то възниква мощен гравитационно-вълнови сигнал. Навярно в близко време това ще бъде най-реалистичният и най-добрият начин да се откриват черни дупки.
С такова подобно откритие учените ще уцелят два заека. Първо, пряко ще бъде доказано съществуването на гравитационни вълни. Тъй като засега имаме макар и много хубави, но само косвени потвърждения – астрономите наблюдават тясна двойна система, но не от две черни дупки, а от две неутронни звезди. Едната от тях излъчва като пулсар и ние сякаш имаме в тази двойна система много точен часовник, изпращащ ни периодични сигнали.

Изучавайки вариациите на времето на идване на тези сигнали, ние разбираме, че тези неутронни звезди се сближават. И единственият разумен механизъм, който обяснява това, са гравитационните вълни. Те носят енергията и ъгловия момент от системата, което и води до намаляване на размера на орбитата. За това откритие е дадена Нобелова награда, тъй като то е отлична проверка на предсказанията на общата теория на относителността и най-доброто до днес косвено потвърждение за съществуването на гравитационни вълни.

Ако учените фиксират сигнал от сливането на черни дупки, то първо, ние пряко ще регистрираме сигнала и ще докажем, че има гравитационни вълни и че геометричната теория за гравитацията е вярна. Това ще бъде много важно за фундаменталната физика. И второ, едновременно ще открием черните дупки, защото това ще бъде действително взаимодействие между два хоризонта. 
Сигналът от процеса на сливане ще ни позволи да кажем, че при взаимодействащите си обекти няма твърди повърхности. Две дупки се сливат, образувайки една, нейният хоризонт ще бъде разклатен за известно време и от това също може да се регистрира гравитационно-вълнови сигнал. Затова задачите, свързани с регистрацията на гравитационните вълни, са много важни и перспективни.

Има надежда, че сто години след създаването на общата теория на относителността, да речем към 2015-2016 година, сливане на черни дупки ще бъде открито. Тогава ще бъде доказано съществуването на гравитационни вълни и ние едновременно ще получим сигурно потвърждение за съществуването на черните дупки.

Източник: NASA E/PO, Sonoma State University, Aurore Simonnet