Концептуальное изображение аккреционного диска и струй сверхмассивной чёрной дыры
Самая важная особенность чёрной дыры – горизонт событий. Это регион пространства, внутри которого гравитационное поле настолько сильно, что ничто, даже свет, не может оттуда вырваться. Как же объяснить предсказанное нами убегание материи и излучения от чёрных дыр? Это хочет выяснить наш читатель:
Везде, где читаешь информацию о чёрных дырах, написано, что «ничто, даже свет, не может оттуда вырваться». А затем встречаешь информацию об излучении Хокинга, «излучение чёрного тела, которое, как предсказано учёными, испускают чёрные дыры». А ещё есть релятивистские струи, которые «чёрные дыры выстреливают со скоростью, близкой к световой». Очевидно, что-то всё же убегает из чёрных дыр, так ведь?
Материя и излучение, находившиеся вблизи чёрных дыр, действительно могут приходить к нам. Но значит ли это, что что-то убегает из чёрной дыры? Давайте разбираться.
Удалённые галактики, в которых находятся квазары и активные ядра, часто лучше наблюдать в видимом или инфракрасном свете, но сами струи и сопутствующие выбросы лучше всего видно в рентгеновском и радиодиапазоне – как показано на фото галактики Геркулес А. Такую активность может развернуть только чёрная дыра, но это не значит, что вся наблюдаемая материя и излучение приходят к нам изнутри горизонта событий.
Рассказывая о ЧД, важно понимать, что мы имеем в виду. Если собрать в достаточно небольшом регионе пространства достаточное количество массы, кривизна пространства-времени возрастёт настолько, что появившийся там луч света, вне зависимости от направления распространения, всё равно прибудет обратно к центральной сингулярности. Скорость убегания – скорость, с которой необходимо двигаться, чтобы преодолеть гравитационное притяжение ЧД – превышает скорость света. Следствием этого является горизонт событий – критический регион, пересекая границу которого, уже невозможно выбраться. И всё, что находится внутри горизонта событий, всегда оказывается в сингулярности; всё, что находится снаружи, может либо избежать его, либо упасть внутрь, в зависимости от имеющихся свойств.
Прорывы в технологии изготовления оптических устройств и получения изображений позволяют нам всё лучше зондировать и понимать физику и свойства удалённых квазаров – включая и свойства центральных ЧД
Однако существуют настоящие частицы и излучения, как теоретические, так и наблюдаемые, источником которых служат ЧД. Блестящим примером является аккреционный диск. Представьте себе, что вы – частица, находящаяся вне горизонта событий ЧД, но гравитационно связанная с ней. Сильное гравитационное притяжение приведёт к тому, что вы будете двигаться по эллиптической орбите, и самая высокая скорость при движении по ней будет соответствовать самому сильному приближению к ЧД. И пока вы не пересекаете горизонт, вы не должны упасть внутрь. Если на орбите оказывается достаточно частиц, вы можете взаимодействовать с другими, испытывая неэластичные столкновения и трение. Вы будете разогреваться, двигаться по всё более круговой орбите и, в конце концов, начнёте излучать.
Это излучение происходит не изнутри ЧД, а от материи, движущейся по орбите вокруг неё, снаружи горизонта событий.
Иллюстрация активной чёрной дыры, осуществляющей аккрецию материи и ускоряющей частью её, выстреливая наружу две струи, перпендикулярные диску. Можно соответствовать ЧД, находящейся в центре нашей Галактики, и вообще все наиболее активные ЧД
Конечно, часть материи в итоге потеряет достаточно энергии для того, чтобы пересечь горизонт событий и попасть в сингулярность, увеличив массу ЧД. Но вблизи ЧД много чего происходит. Там есть заряженные частицы с противоположными знаками и количеством заряда, довольно быстро перемещающиеся в пространстве: со скоростью, близкой к световой. Заряженные объекты при движении создают магнитные поля, что заставляет многие ионизированные частицы ускоряться по спирали, прочь от плоскости аккреционного диска. Эти ускоряющиеся частицы и порождают релятивистские струи, выбрасывая в избытке частиц и излучения во время столкновений с материей, расположенной дальше от ЧД.
Галактика Центавр A, показанная в композитном изображении на основе видимого света, инфракрасного света и рентгеновских лучей
Релятивистские струи – зрелище примечательное, и, в некоторых случаях, настолько яркое, что их даже бывает видно в видимом свете. У галактики Центавр А есть две струи, направленные в разные стороны, которые превращаются в большое рассеянное пятно; у галактики Messier 87 есть одна коллимированная струя, простирающаяся более чем на 5000 световых лет. Все эти струи порождаются активными сверхмассивными ЧД, во много раз превышающими даже того монстра массой в четыре миллиона солнечных, что притаился в центре Млечного Пути.
Вторая в списке крупнейших ЧД, наблюдаемых с Земли, расположенная в центре галактики M87, примерно в 1000 раз превышает массу ЧД в центре Млечного Пути, но расположена в 2000 раз дальше от нас. Исходящие из центра релятивистские струи – одни из крупнейших и коллимированных струй, когда-либо наблюдавшихся человеком.
В случае аккреционных дисков и релятивистских струй все наблюдаемые явления происходят вблизи ЧД, но при этом ничто не убегает изнутри ЧД наружу. В случае излучения Хокинга всё становится более запутанным. В теории можно представить себе ЧД, расположенную в вакууме, не имеющую вблизи ни материи, ни излучения. И если бы этой ЧД там не было, вы бы наблюдали только вакуум плоского, неискривлённого пространства, управляемый фундаментальными законами Вселенной. Но если разместить там ЧД, вы получите искривлённое пространство, горизонт событий и законы физики. В результате будет возникать направленное во все стороны излучение со спектром чёрного тела: излучение Хокинга.
Горизонт событий ЧД – сферический или сфероидный регион, из которого не может убежать ничто, даже свет. Но снаружи горизонта событий предсказано наличие излучения ЧД.
Проблема с осмыслением излучения Хокинга состоит в следующем: всё излучение происходит извне горизонта событий, но энергию оно получает только от массы ЧД. Для каждого кванта энергии (Е), испускаемого в виде излучения Хокинга, масса ЧД (m) должна уменьшиться на эквивалентное значение. И на сколько именно? Ровно на столько, как диктует самое знаменитое уравнение Эйнштейна, E = mc2. Но каким образом излучение снаружи ЧД может быть вызвано массой ЧД, находящейся внутри её, в особенности, если ничто не может убежать из-за горизонта событий?
Визуализация того, как выглядела бы ЧД на фоне Млечного Пути
Самое распространённое объяснение, данное самим Хокингом, одновременно и самое неправильное. Один из способов представить себе энергию вакуума, присущую самому пространству – это пары частица-античастица. Пустое пространство, обладающее положительной нулевой энергией, нельзя представлять себе как полностью пустое; его что-то должно занимать. Комбинируя этот факт с принципом неопределённости Гейзенберга, вы приходите к представлению, в котором пары частица-античастица возникают на короткое время, а затем аннигилируют обратно в пустоту пространства. Когда один член пары оказывается вне горизонта событий, а другой попадает внутрь, то внешний может убежать, унося энергию, а внутренний, переносящий отрицательную энергию, уменьшает массу чёрной дыры.
Пары частица-античастица постоянно появляются и исчезают, как внутри, так и снаружи горизонта событий ЧД
Но, во-первых, это представление работает не для реальных частиц, а виртуальных. Это просто методы ведения расчётов, а не какие-то физически наблюдаемые сущности. Во-вторых, излучение Хокинга, покидающее ЧД, по большей части представляет собой фотоны, а не частицы материи или антиматерии. В-третьих, большая часть этого излучения появляется не на горизонте событий, а в довольно большом регионе, окружающем чёрную дыру. Если уж пользоваться объяснением на основе пар частица-античастица, то лучше попытаться представить их в виде набора из четырёх типов пар:
- Снаружи-снаружи,
- Снаружи-внутри,
- Внутри-снаружи,
- Внутри-внутри.
Среди них пары снаружи-внутри и внутри-снаружи виртуально взаимодействуют, порождают фотоны, уносящие энергию, а недостающая энергия происходит из кривизны пространства, в результате чего и уменьшается масса ЧД.
Излучение Хокинга неизбежно следует из предсказаний квантовой физики в искривлённом пространстве-времени, окружающем горизонт событий ЧД. Излучение порождает энергия снаружи горизонта событий, поэтому ЧД должна терять массу для компенсации
Но истинное объяснение не очень легко представить, что и запутывает многих. На самом деле необходимо подсчитать, как квантовая теория пустого пространства ведёт себя в сильно искривлённом регионе, окружающем ЧД. Не обязательно прямо на горизонте событий, а в большом сферическом регионе снаружи. Если провести вычисления квантовой теории поля в искривлённом пространстве, то найдётся неожиданное решение: тепловое излучение чёрного тела испускается пространством, окружающем горизонт событий ЧД. И чем меньше горизонт событий, тем больше кривизна пространства рядом с ним, и тем больше скорость излучения Хокинга.
С уменьшением массы и радиуса ЧД излучение Хокинга становится всё больше по температуре и мощности
Но ни при каких условиях нельзя будет заключить, чтобы что-либо пересекало горизонт событий, двигаясь изнутри наружу. Излучение Хокинга появляется в пространстве, окружающем горизонт событий, и распространяется прочь от ЧД. Потеря энергии уменьшает массу ЧД, в результате чего она испаряется. Излучение Хокинга – процесс невероятно медленный, и у ЧД массой с Солнце на испарение должно уйти порядка 1067 лет. А у ЧД в центре Млечного Пути на это уйдёт 1087 лет, а у самых массивных ЧД во Вселенной это может занять даже 10100 лет! И последнее, что вы увидите в процессе уменьшения ЧД – это яркая, энергичная вспышка излучения и высокоэнергетических частиц.
На вроде бы вечном фоне непрерывной черноты появится единственная вспышка света: это будет испарение последней ЧД во Вселенной
Эти последние этапы распада, которые случатся спустя много времени после того, как сгорит последняя звезда, будут последними вспышками энергии, которые выдаст Вселенная. Это будет последняя попытка Вселенной создать дисбаланс энергии и возможность создать сложные структуры. Испарение последней ЧД будет последней попыткой Вселенной сказать то же самое, что она сказала в начале горячего Большого взрыва: «Да будет свет!»
Комментарии (23)
4erdak
01.05.2018 04:09ЧД массой с Солнце на испарение должно уйти порядка 10^67 лет.
Что бы тут понимали, энергия покоя массы солнца — 1,8*10^47 Дж, делим это на 10^67 лет, переводим на ВАТТЫ, вспоминаем о том что это только СРЕДНЯЯ мощность на протяжении всего существования этой ЧД, которая растет в геометрической прогрессии, еще нужно разбить по площади поверхности и полученное в итоге число это и будет вероятность того, что «излучение Хоккинга» это не бред сивой кобылы. Ах да, еще вероятность обнаружить ЧД массой с солнце также в раене зеро.
DrZlodberg
01.05.2018 08:43А может кто-нибудь объяснить такой момент:
Допустим у нас образовались частица и античастица в плоском пространстве. Обычно они имеют разный заряд и благополучно притягиваются, после чего аннигилируют. Почему бесследно — тоже непонятно (вроде как фотоны должны оставаться?), но пока не в этом вопрос.
Если нас образовались 2 фотона, то они (вроде как) должны разлетаться в противоположные стороны. Каким образом они самоуничтожаются в плоском вакууме? Почему нет «излучения вакуума»? Или им даже скорости света не хватает, чтобы успеть отойти друг от друга и только достаточная кривизна помогает? Но ведь кривизна скорость им увеличить не может?Shkaff
01.05.2018 10:33Я думаю, тут есть несколько составляющих ответа: во-первых, виртуальные частицы — это просто наш способ описывать взаимодействия, это не настоящие частицы; как следствие, во-вторых, законы сохранения могут не выполняться для этих "частиц" (за их время существования, после аннигиляции энергия не возникает из ниоткуда). В-третьих, фотон является античастицей самому себе, поэтому в принципе ему не нужна пара — он может "возникнуть" и исчезнуть в вакууме один. В-четвертых, фотоны очень слабо взаимодействуют друг с другом (можно сказать, что не взаимодействуют вообще), так что концепция "аннигиляции" фотонов не работает и на этом уровне.
DrZlodberg
01.05.2018 10:49Ответ добавил больше вопросов, чем решил. Про виртуальные частицы это понятно… с одной стороны (название такое у них не просто так). Однако:
- Если возникают «массовые» частицы — то им в обще не обязательно куда-то двигаться, а вот безмассовые, вроде фотона, так не умеют. Как он тогда выбирает направление? Тем более одиночный фотоню
- Если идея появления из ничего ещё с грехом пополам впихивается в голову, то идея исчезновения одиночной частицы уже не влезает. Чем эта частица отличается от обычного фотона, что ей позволяется просто исчезнуть?
- Какое влияние на подобное поведение оказывает кривизна пространства? Если он и так один — почему в плоском он исчезает, а в искривлённом — нет? Как можно искривить одиночный фотон?
Shkaff
01.05.2018 11:30Как он тогда выбирает направление?
Случайно. Есть понятие вакуумного состояния электромагнитного поля. Такое, что в среднем фотонов нет, но есть случайные колебания. Они могут приводить к реальным физическим эффектам, таким, как эффект Казимира. Более того, этот вакуум можно "сжимать" для уменьшения неопределенности фазы или амплитуды света.
Чем эта частица отличается от обычного фотона, что ей позволяется просто исчезнуть?Согласно соотношению неопределенности Гейзенберга, ?E?t ~ h, и если временной интервал ?t очень мал, неопределенность энергии может быть достаточно велика, что значит возможность возникновения "виртуальных" частиц на этот момент ?t. Очень важно, что это не настоящие частицы, поэтому они могут возникнуть из ниоткуда и исчезнуть никуда. По сути дела, это просто наш способ описания результатов измерения в следствие принципа неопределенности.
Какое влияние на подобное поведение оказывает кривизна пространства?
Тут дело не в кривизне, а в ускорении. Может возникать излучение Унру, когда при ускоренном движении наблюдатель видит не вакуум, а тепловой фон. По сути дела излучение Унру и Хокинга очень близки, и одно можно понимать через другое.
Если он и так один — почему в плоском он исчезает, а в искривлённом — нет?
В искривленном оказывается сложно определять, что есть вакуум вообще, и какова энергия виртуальной частицы в частности. Я снова дам ссылку, которая есть в статье, так как там довольно подробно обсуждается излучение Хокинга.
Как можно искривить одиночный фотон?
Искривить фотон нельзя вообще, искривляется пространство-время, а фотон летит по геодезической. Например, его частота (наблюдаемая издалека) может возрастать, или направление движения "искривляться".
DrZlodberg
01.05.2018 12:01К сожалению моё знание английского сильно ограничено. Попробую почитать, но это будет сложно и не быстро. А вот за эффект Унру спасибо. Про него не слышал. Т.е. получается, ускоритель может производить материю из вакуума, я правильно понял? А сзади ускоряющегося тела образуется вакуум из вакуума?
Интересно, какие параметры в этом плане будут у естественный ускорителей вроде тех-же ЧД.
Блин, промахнулся веткой. Это было в ответом сюда.Shkaff
01.05.2018 12:26+1К сожалению моё знание английского сильно ограничено.
Хммм, я думаю, попробую сегодня перевести статью и запостить отдельно, кажется, это важный момент.
Т.е. получается, ускоритель может производить материю из вакуума, я правильно понял?
Не уверен, что можно говорить так. Потому что это только с точки зрения ускоряющегося наблюдателя он увидит температуру, неподвижный наблюдатель будет по-прежнему видеть вакуум. Так что это скорее вопрос о том, что в теории относительности вакуум можно определить только относительно какой-то системы отсчета. Равно как и понятие "частицы".
А сзади ускоряющегося тела образуется вакуум из вакуума?
Это я не очень понял.
Интересно, какие параметры в этом плане будут у естественный ускорителей вроде тех-же ЧД.
Я повторюсь, тк это важно: издалека это излучение Унру не будет видно, только в ускоренной системе отсчета. В этом разница с ЧД — они как раз излучают для удаленного наблюдателя, хотя суть эффекта примерно та же.
DrZlodberg
01.05.2018 13:11Хммм, я думаю, попробую сегодня перевести статью и запостить отдельно, кажется, это важный момент.
Было бы очень здорово.
Потому что это только с точки зрения ускоряющегося наблюдателя он увидит температуру, неподвижный наблюдатель будет по-прежнему видеть вакуум
В вики написано про распад протона, который при равномерном движении невозможен. Как я понимаю — при ускоренном движении элементарные частицы могут взаимодействовать с виртуальными, что может сделать их реальными.
Это я не очень понял.
Тут и я не очень понял. Меня немного сбивает с толку вот эта фраза из вики:
>При равноускоренном движении позади ускоряющегося тела тоже возникает горизонт событий
По логике при ускорении больше вирт. частиц будет спереди (из-за них тело и теряет энергию при ускорении), т.е сзади их будет меньше. Своего рода вакуум в вакууме.
С ЧД имелось ввиду как раз взаимодействие вирт. и реальных частиц, которое может быть вполне измеримо, как я понял. Особенно на таких мощных ускорителях, как чд.Shkaff
01.05.2018 13:22Как я понимаю — при ускоренном движении элементарные частицы могут взаимодействовать с виртуальными, что может сделать их реальными.
Да, это верно. Но это следствие того, что понятие реальности частицы по сути дела зависит от системы отсчета. Для ускоренного протона "виртуальные" частицы становятся вполне реальным излучением Унру.
т.е сзади их будет меньше. Своего рода вакуум в вакууме.
Вакуум это уже ноль частиц, так что меньше быть не может:) И потом, совсем не обязательно позади должно быть меньше. Не думаю, что фразу из вики стоит принимать близко к сердцу, это довольно математическое описание, насколько я понимаю.
Особенно на таких мощных ускорителях, как чд.
Пожалуй, можно было бы наблюдать тот же распад протона, сложно сказать.
DrZlodberg
01.05.2018 13:42Вакуум это уже ноль частиц, так что меньше быть не может
Однако эффект Казимира показывает другое, как я понимаю.Shkaff
01.05.2018 13:47Нет, эффект Казимира показывает другое. В среднем частиц в вакууме нет, есть только флуктуации поля около нуля. В принципе эти флуктуации существуют на всех частотах. Если поставить две пластинки очень близко друг около друга, некоторые длины волн не смогут "поместиться" между этими пластинками, так что распределение по частотам окажется другим. Так что случайная сила снаружи оказывается сильнее таковой внутри, и мы видим, как пластинки притягиваются. Это все о флуктуациях, среднее количество частиц остается неизменным и равным нулю.
4erdak
01.05.2018 14:14-1Извиняюсь, что вмешиваюсь в ваш «продуктивный» спор, но мне здается все, что вы тут обсуждаете с применением термина «энергия вакуума» это никакая не энергия вакуума, а скорее относится к «темной материи» и ее проявлениям у черных дыр. Но собственно энергия вакуума это стоимость существования самого пространства и в однородном «плоском» времени единица обьема пространства содержит в себе одинаковое количество энергии, которая не дискретна и не квантуется. Для того, что-бы вы лучше поняли, это как энергия массы покоя+кинетическая энергия, аналогично энергия покоя единицы обьема вакуума+гравитационные волны как флуктуации этой энергии. Но гравитационные волны это и есть движущаяся флуктуация неоднородностм хода времени в пространстве.
Shkaff
01.05.2018 14:19Святой Хокинг, самоустранитесь вы уже отсюда, ваш бред слушать никому не интересно.
Shkaff
01.05.2018 15:08К сожалению моё знание английского сильно ограничено.
Готово! ;)
DrZlodberg
01.05.2018 16:29+1Благодарю. Тоже честно думал, что оно только на границе получается, хотя и смущала явная необходимость в огромной скорости частиц. Теперь это всё обрело пусть и странный, но смысл. Относительность — хитрая штука!
Shkaff
Удивительно, как много людей думает, что излучение Хокинга происходит прямо на горизонте событий. И везде и всюду в сети встречаются именно неправильные объяснения, что только вредит пониманию и приводит ко всяким "парадоксам".
apiksDen
Мне кажется ничего удивительного, ведь это же объяснение дал сам Хокинг
Shkaff
Да, я неправильно выразился: не удивительно, что не-физики этого не знают, и повторяют, условно слова Хокинга. Удивительно, что и сами ученые зачастую этого не знают (как и я сам до недавнего времени) — это заблуждение встречается повсеместно в кругах физиков. Что в дальнейшем тиражируется на всяких форумах и в научно-популярных материалах.
aliencash
Я — не-физик. И я на обывательском уровне расцениваю, что образование системы частицы-античастицы на горизонте событий приводит к притяжению (падению) любой частицы ее составляющей на ЧД и удалению ее анти-частицы от ЧД, что есть суть испарение ЧД. Очевидно, по вашему, что обыватель в моем лице кардинально ошибается. Объясните, пожалуйста, в чем я не прав. Заранее спасибо.
Shkaff
Хм, а вы вообще пост читали? Половина его как раз про это. И по ссылке в изначальном комменте еще один большой пост, где все в подробностях объясняется.
aliencash
Я ваш комментарий понял так, что вы не согласны с описанным с статье и мной процессом. Хотел уточнить ваше видение.
Shkaff
Ваш процесс — не описанный в статье, а как раз то, что называется неправильным:
Я не знаю, что еще мне объяснить, перейдите по ссылке и прочитайте, там в подробностях все написано, почему это неправильно, к каким проблемам приводит, и как все происходит на самом деле.