Самые сильные тесты искривленного пространства возможны только вокруг черных дыр с наименьшей массой. Ключом к успеху является их небольшой горизонт событий.
Ключевые выводы
- Если мы хотим подвергнуть общую теорию относительности самым строгим возможным испытаниям, мы должны отправиться в самые сильно искривленные области пространства, которые существуют во Вселенной.
- Черные дыры создают самые сильные пространственные искривления среди всех объектов в известной Вселенной и имеют массу от нескольких масс Солнца до масс в десятки миллиардов раз больше массы нашего Солнца.
- Но, как это ни удивительно, области наибольшей кривизны находятся прямо возле горизонтов событий черных дыр с наименьшей массой. Вот как они больше всего искривляют пространство.
Одна из самых ошеломляющих концепций о самой Вселенной состоит в том, что гравитация возникает не из-за какой-то невидимой, невидимой силы, а из-за того, что материя и энергия во Вселенной искривляют и искажают саму ткань самого пространства. Материя и энергия указывают пространству, как искривляться, и это искривленное пространство прокладывает путь, по которому движутся материя и энергия. Расстояние между двумя точками - это не прямая линия, а кривая, определяемая самой тканью пространства.
Так куда бы вы отправились, если бы захотели найти области пространства с наибольшей кривизной? Вы бы выбрали места, где у вас была сосредоточена наибольшая масса в наименьших объемах: черные дыры. Но не все черные дыры одинаковы. Как это ни парадоксально, именно самые маленькие черные дыры с наименьшей массой создают самое сильно искривленное пространство из всех. Вот удивительная наука, почему.
Во время полного затмения кажется, что звезды находятся в положении, отличном от их фактического местоположения, из-за отклонения света от промежуточной массы: Солнца. Величина отклонения будет определяться силой гравитационных эффектов в точках пространства, через которые проходят световые лучи.
Когда мы смотрим на Вселенную, особенно в больших космических масштабах, она ведет себя так, как будто пространство практически неотличимо от плоского. Массы искривляют пространство, и это искривленное пространство отклоняет свет, но степень отклонения ничтожно мала даже для самых концентрированных количеств массы, о которых мы знаем.
Солнечное затмение 1919 года, когда свет от далеких звезд был отклонен Солнцем, привело к тому, что путь света искривился менее чем на одну тысячную градуса. Это было первое наблюдательное подтверждение общей теории относительности, вызванное самой большой массой в нашей Солнечной системе.
Гравитационное линзирование идет еще дальше, когда очень большая масса (например, квазар или скопление галактик) искривляет пространство настолько сильно, что фоновый свет искажается, увеличивается и растягивается в несколько изображений. Тем не менее, даже триллионы солнечных масс вызывают эффекты в масштабах крошечных долей градуса.
Иллюстрация гравитационного линзирования демонстрирует, как фоновые галактики - или любой световой путь - искажается из-за наличия промежуточной массы, но также показывает, как само пространство искривляется и искажается из-за присутствия переднего плана сама масса. Когда несколько фоновых объектов выровнены с одной и той же линзой переднего плана, правильно настроенный наблюдатель может увидеть несколько наборов нескольких изображений.
Но ни наша близость к массе, ни общее количество массы не определяют, насколько сильно искривлено пространство. Скорее, это общее количество массы, присутствующей в данном объеме пространства. Лучший способ визуализировать это - представить себе наше Солнце: объект массой в 1 солнечную с радиусом около 700 000 километров. На самом краю Солнца, в 700 000 км от его центра, свет отклоняется примерно на 0,0005 градуса.
- Вы можете сжать Солнце до размеров Земли (похожих на белого карлика): около 6 400 км в радиусе. Свет, касающийся конечности этого объекта, отклоняется примерно в 100 раз больше: 0,05 градуса.
- Вы можете сжать Солнце до радиуса примерно 35 км (аналогично нейтронной звезде). Свет, касающийся его конечности, сильно отклонялся: примерно на дюжину градусов.
- Или вы можете сжать Солнце так сильно, что оно станет черной дырой: с радиусом около 3 км. Свет, касающийся его конечности, будет проглочен, а свет снаружи может отклониться на 180° или даже больше.
Как только вы переступаете порог образования черной дыры, все внутри горизонта событий сжимается до сингулярности, которая в лучшем случае является одномерной. Никакие трехмерные структуры не могут уцелеть.
Но есть кое-что важное, о чем следует подумать во всех этих сценариях. Общее количество массы , независимо от того, есть ли у вас солнцеподобная звезда, белый карлик, нейтронная звезда или черная дыра , одинаково в каждой задаче. Причина того, что пространство более сильно искривлено, заключается в том, что масса более сконцентрирована, и вы можете приблизиться к ней намного ближе.
Если бы вы вместо этого оставались на одном и том же расстоянии от центра масс в каждом сценарии, на расстоянии 700 000 км от объекта массой в 1 солнечную массу, независимо от того, насколько компактным он был, вы бы увидели точно такое же отклонение: около 0,0005 градуса. Только потому, что мы можем подобраться очень близко к самым компактным массам из всех, т. е. к черным дырам, свет отклоняется на такую большую величину, когда задевает ее конечность.
Это универсальное свойство всех черных дыр. Когда свет едва касается внешней стороны горизонта событий, он находится на грани поглощения и максимально огибает окраины черной дыры.
Этот рисунок художника изображает пути фотонов вблизи черной дыры. Гравитационное искривление и захват света горизонтом событий являются причиной тени, захваченной Телескопом горизонта событий. Фотоны, которые не были захвачены, создают характерную сферу, и это помогает нам подтвердить справедливость общей теории относительности в этом недавно проверенном режиме.
Но не все черные дыры одинаковы. Конечно, есть некоторые показатели, по которым каждая черная дыра выглядит одинаково, и они важны. У каждой черной дыры есть горизонт событий, и этот горизонт определяется местом, где скорость, с которой вам нужно двигаться, чтобы вырваться из-под ее гравитационного притяжения, превышает скорость света. Из-за пределов горизонта свет все еще может попасть во внешнюю часть Вселенной; внутри горизонта этот свет (или любая частица) поглощается черной дырой.
Но чем массивнее ваша черная дыра, тем больше радиус ее горизонта событий. Удвоить массу и удвоить радиус горизонта событий. Конечно, многие вещи будут масштабироваться одинаково:
- скорость убегания на горизонте по-прежнему равна скорости света,
- величина отклонения света соответствует тому же соотношению массы и радиуса,
- и - если бы мы могли сфотографировать их всех напрямую - все они имели бы ту же форму пончика, которую мы видели на первом изображении Телескопа Event Horizon.
Черты самого горизонта событий, вырисовывающиеся на фоне радиоизлучения позади него, обнаружены Телескопом горизонта событий в галактике, удаленной примерно на 60 миллионов световых лет. Пунктирная линия представляет собой край фотонной сферы, хотя сам горизонт событий находится даже внутри нее.
Но есть несколько свойств, которые нельзя сравнивать с черными дырами разных масс. Например, приливные силы - это тот случай, когда различия огромны. Если вы упадете к горизонту событий черной дыры, вы испытаете силы, которые попытаются разорвать вас на части, растягивая вас в направлении центра черной дыры и одновременно сжимая в перпендикулярном направлении: спагеттификация.
Если бы вы упали в черную дыру в центре галактики M87 (ту, которую запечатлел телескоп Event Horizon), разница между силой, действующей на вашу голову, и силой, воздействующей на пальцы ног, была бы ничтожно мала., менее 0,1% силы земного притяжения. Но если вы упадете в черную дыру с массой Солнца, сила будет во много квинтиллионов раз больше: достаточно, чтобы разорвать ваши отдельные атомы на части.
Когда два объекта конечного размера гравитационно притягиваются друг к другу, сила гравитации на разных частях объекта отличается от среднего значения. Этот эффект вызывает то, что мы видим и ощущаем как приливные силы, которые могут быть чрезвычайно большими на коротких расстояниях.
Возможно, самая поразительная разница между черными дырами разной массы возникает из-за явления, которое мы никогда не наблюдали: излучение Хокинга. Везде, где есть черная дыра, из нее исходит очень небольшое количество низкоэнергетического излучения.
Хотя мы придумали несколько очень красивых визуализаций того, что вызывает это - обычно мы говорим о спонтанном создании пар частица-античастица, когда одна падает в черную дыру, а другая убегает - это не то, что на самом деле происходит на. Это правда, что излучение выходит из черной дыры, и также верно, что энергия этого излучения должна исходить от массы самой черной дыры. Но эта наивная картина возникновения пар частица-античастица и ускользания одного члена сильно упрощена.
Наиболее распространенное и неверное объяснение того, как возникает излучение Хокинга, - это аналогия с парами частица-античастица. Если один член с отрицательной энергией попадает в горизонт событий черной дыры, а другой член с положительной энергией ускользает, черная дыра теряет массу, и исходящее излучение покидает черную дыру. Это объяснение дезинформировало поколения физиков и исходило от самого Хокинга.
Настоящая история немного сложнее, но гораздо поучительнее. Везде, где у вас есть само пространство, у вас также есть законы физики, существующие в нашей Вселенной, которая включает в себя все квантовые поля, лежащие в основе реальности. Все эти поля существуют в состоянии с наименьшей энергией, когда они пронизывают пустое пространство, состояние, известное как «квантовый вакуум».
Квантовый вакуум одинаков для всех, пока они находятся в пустом неискривленном пространстве. Но это состояние с самой низкой энергией отличается в тех местах, где пространственная кривизна различна, и именно отсюда на самом деле исходит излучение Хокинга: из физики квантовой теории поля в искривленном пространстве. Достаточно далеко от чего бы то ни было, даже от черной дыры, квантовый вакуум выглядит так же, как и в плоском пространстве. Но квантовый вакуум отличается в искривленном пространстве и тем сильнее отличается там, где пространство более сильно искривлено.
Визуализация расчета квантовой теории поля, показывающая виртуальные частицы в квантовом вакууме. (В частности, для сильных взаимодействий.) Даже в пустом пространстве эта энергия вакуума отлична от нуля, и то, что кажется «основным состоянием» в одной области искривленного пространства, будет выглядеть иначе с точки зрения наблюдателя, где пространственное кривизна отличается. Пока существуют квантовые поля, эта энергия вакуума (или космологическая постоянная) тоже должна присутствовать.
Это означает, что если мы хотим, чтобы из нашей черной дыры исходило самое яркое, самое яркое и самое мощное излучение Хокинга, мы должны отправиться к черным дырам с наименьшей массой, которые мы можем найти: где пространственная кривизна на их горизонте событий является самой сильной. Если бы мы сравнили черную дыру, подобную той, что находится в центре M87, с воображаемой, если бы Солнце стало черной дырой, мы бы нашли:
- температура более массивной черной дыры в миллиарды раз ниже,
- имеет светимость примерно на 20 порядков ниже,
- и испарится в масштабах времени, которые примерно на 30 порядков больше.
Это означает, что это черные дыры с наименьшей массой из всех, которые являются местами, где пространство наиболее сильно искривлено из всех мест во Вселенной, и - во многих отношениях - способствуют самая чувствительная естественная лаборатория для проверки пределов Общей теории относительности Эйнштейна.
Вместо слияния двух нейтронных звезд с образованием гамма-всплеска и богатого изобилия тяжелых элементов, за которым следует продукт нейтронной звезды, который затем коллапсирует в черную дыру, прямо в черную дыру слияние могло произойти 25 апреля 2019 года. Единственные два верных слияния нейтронных звезд с нейтронными звездами в конце концов образовали черные дыры: одна из примерно 2.7 масс Солнца и одна примерно в 3,5 массы Солнца. На сегодняшний день это черные дыры с наименьшей массой в известной Вселенной.
Может показаться нелогичным думать, что самые маломассивные черные дыры во Вселенной искривляют пространство сильнее, чем сверхмассивные гиганты, населяющие центры галактик, но это правда. Искривленное пространство зависит не только от того, сколько массы вы имеете в одном месте, потому что то, что вы можете наблюдать, ограничено наличием горизонта событий. Самые маленькие горизонты событий находятся вокруг черных дыр с наименьшей массой. Для таких показателей, как приливные силы или распад черной дыры, близость к центральной сингулярности даже важнее, чем ваша общая масса.
Это означает, что лучшие лаборатории для проверки многих аспектов общей теории относительности - и поиска первых тонких эффектов квантовой гравитации - будут располагаться вокруг самых маленьких черных дыр из всех. Самые маломассивные из известных нам происходят от нейтронных звезд, которые сливаются, образуя черные дыры, всего 2. В 5-3 раза больше массы Солнца. Самые маленькие черные дыры находятся там, где пространство больше всего искривлено, и они могут стать ключом к следующему большому прорыву в нашем понимании Вселенной.