Парадокс «огненной стены»
Если черная дыра в конце концов истончается и превращается в ничто, что тогда происходит с веществом, которое падает на нее? На фундаментальном уровне материя и энергия несут информацию, а квантовая механика утверждает, что информация не может быть уничтожена. Возможно, закодированная информация ускользает наружу вместе с излучением Хокинга, но эта идея упирается в другую проблему: это приводит к тому, что черную дыру должна окружать «огненная стена» из пылающих частиц с большой энергией, что опять-таки противоречит общей теории относительности.
Парадокс «огненной стены» (файервол) до сих пор является предметом жарких споров. Одним из перспективных и заманчивых предположений по поводу того, как можно разрешить парадокс, является следующее: гладкая ткань эйнштейновского пространства-времени возникает из частиц внутри и вне горизонта событий, квантово-механически связанных друг с другом через структуры, известные как кротовые норы. В августе 2015 года Хокинг выдвинул еще одну идею, согласно которой информация никогда на самом деле не поглощается черной дырой. Она продолжает упрямо присутствовать на горизонте событий черной дыры в искаженной форме, трудно поддающейся расшифровке. Через месяц после этого Нобелевский лауреат Герард’т Хоофт (род. 1946) из Утрехтского университета в Нидерландах предположил, что при падении материи и энергии внутрь горизонта событий содержащаяся в них информация просто отскакивает назад.
Исследуя невидимое
Измерение параметров черных дыр вызывает большие затруднения. По определению черная дыра не может излучать свет, поэтому мы не можем просто наблюдать ее в телескоп. Но мы можем видеть ее гравитационные эффекты.
В 1971 году было объявлено, что объект под названием Лебедь X-1 является черной дырой звездной массы (возникшей в результате гравитационного коллапса массивной звезды), так как этот объект оказывал сильное гравитационное влияние на соседнюю звезду. Три года спустя последовало открытие Стрельца A*, сверхмассивной черной дыры в центре нашей галактики. Орбиты окружающих ее звезд свидетельствуют о том, что там находится нечто очень массивное, что-то, чья масса в четыре миллиона раз превосходит массу Солнца.
Существуют и другие способы обнаружения черных дыр. Хотя горизонт событий не может излучать свет, многие черные дыры окружены аккреционными дисками из газа, падающего по спирали на черную дыру. Эти горячие диски излучают в широком диапазоне частот, от радиоволн до видимого и рентгеновского диапазона. А если черная дыра вращается вокруг своей оси, она может испускать огромные струи вещества.
Вскоре мы сумеем подобраться гораздо ближе к тому, чтобы реально увидеть черную дыру. Проект под названием «Телескоп горизонта событий» имеет своей целью сделать снимки Стрельца A* и других сверхмассивных черных дыр (см. интервью о фотографировании черных дыр ниже). И мы собираемся многое узнать о черных дырах с помощью гравитационных волн (см. главу 4). Возможно, этого окажется достаточно, чтобы узнать, что реально происходит на горизонте событий.
Некоторые ученые вообще избегали исследования этих проблем, по-прежнему считая, вслед за Эддингтоном и Эйнштейном, что черных дыр не существует. В 2014 году Лаура Мерсини-Хоутон из Университета Северной Каролины (Чапел Хилл) выступила с заявлением, что массивные звезды не могут коллапсировать в черные дыры, – излучение Хокинга во время коллапса просто не дает звезде превратиться в черную дыру. Следовательно, горизонта событий и сингулярностей не существует.
Но мало кто согласен с этим мнением. Напротив, парадокс «огненной стены» открыл новые возможности тем, кто пытается объединить общую теорию относительности с квантовой механикой. В этой схватке между квантовой механикой и общей теорией относительности чаша весов, по-видимому, склоняется в сторону первой, так как, за исключением гравитации, она вполне успешно описывает все остальные силы природы. Наверное, это не порадовало бы Эйнштейна, который считал и черные дыры, и квантовую механику излишним мудрствованием. Не исключено, что черные дыры окажутся тем самым предсказанием, которое уничтожит его теорию.
Когда сталкиваются черные дыры
Представьте ситуацию: по соседству с нами возникла совершенно новая, никому не знакомая черная дыра с массой 140 миллионов солнечных масс. Эта «дерзкая выскочка» в 35 раз массивнее черной дыры, которая правит бал в центре Млечного Пути. А теперь давайте познакомимся с реальным чемпионом: с черной дырой, чья масса составляет 18 миллиардов солнечных масс.
Чтобы попасть в первые ряды зрителей этого космического матча по боксу, вам надо (осторожно) приблизиться к объекту OJ 287 в центре галактики, находящейся на расстоянии 3,5 миллиарда световых лет от нас. Здесь более мелкая черная дыра вращается вокруг своего крупного противника. С каждым витком она все больше и больше приближается к нему с тем, чтобы полностью раствориться в его объятиях через 10 000 лет. Но пока у нас еще есть возможность полюбоваться восхитительным поединком.
Несмотря на то, что эта двойная система из черных дыр находится так далеко, OJ 287 выделяет достаточно энергии, чтобы быть видимой на небе так же хорошо, как и Плутон. Астрономы снимают ее на фотопластинки начиная с 1880-х годов, но впервые она привлекла внимание Маури Валтонена в обсерватории Туорла в Турку (Финляндия) почти столетие спустя. Группа астрономов под его руководством обратила внимание на то, что в отличие от других объектов в центрах галактик, которые вспыхивают и затухают спорадически, этот объект придерживался строгого расписания. Примерно через каждые 12 лет на его месте наблюдается вспышка. Интервал между вспышками становится короче на 20 дней с каждым циклом. За те несколько десятков лет, в течение которых мы наблюдаем эту картину, мы проделали большой путь к выяснению того, за счет чего это происходит.
Объект OJ 287 – это своеобразная витрина того, что происходит в галактиках по всей Вселенной. Галактики растут, поедая себе подобных, и почти все они имеют в своем центре сверхмассивную черную дыру. Когда две галактики объединяются, их черные дыры либо вступают в схватку и борются до тех пор, пока одна из них не будет отброшена гравитационным толчком соперницы, либо они начинают по спирали приближаться друг к другу, пока не сольются в еще более крупную черную дыру.
Меньшая черная дыра в OJ 287 находится на пути полного слияния с более крупной черной дырой. Более массивная черная дыра растет также за счет окружающего диска из газа и пыли, которые постепенно оседают на ней. Каждый раз, когда менее массивная черная дыра заканчивает виток по орбите, она с грохотом проносится через этот диск на сверхзвуковых скоростях. Этот мощный удар раздувает пузырь горячего газа, который затем расширяется, истончается и испускает поток ультрафиолетового излучения. Даже если вы находитесь на расстоянии 36 световых лет от этого источника, вы загорите быстрее, чем на Земле от солнечных лучей.
Хотя эти вспышки и производят огромное впечатление, орбитальный танец черных дыр излучает энергию в десятки тысяч раз более мощную, чем волнообразные колебания в пространстве-времени, называемые гравитационными волнами (см. главу 4). Конец менее массивной черной дыры предрешен. Гравитационные волны уносят энергию с орбиты двойной системы, пара черных дыр сближается друг с другом, и каждый последующий виток становится короче.
