Теория струн и черные дыры

Черная дыра. Название, устрашающее само по себе, относится к объектам Вселенной, которые своим существованием опровергают все представления о незыблемости материи в ее привычной форме… Что это такое? Да и существуют ли они? Как материя может обладать “бесконечной плотностью”?

Считается, что сверхмассивные черные дыры (чем бы они ни являлись) с их колоссальной гравитацией “держат” целые галактики, в некоторой степени предохраняя их от разлета. Наша Галактика также содержит в центре черную дыру (если не наоборот - дыра “содержит” всю Галактику), при этом с ней связан весьма странный феномен - а именно, крайне низкая активность.

Черная дыра на диете

По данным Европейского космического агентства и профессора Московского института космических исследований, порядка 350 лет назад черная дыра в центре нашей Галактики активно исторгала из себя энергию, а сейчас находится в странной спячке: окружающий ее газ излучает не сильнее, чем любая среднестатистическая звезда, такая как Солнце. В других галактика, как правило, наблюдаются сверхъяркие “черные дыры” (точнее, сверхъярким является газ, пожираемый черной дырой, разогревающийся и ускоряющийся при сближении с нею).

Откуда взялась цифра “350 лет назад”? Ну, во-первых, сюда надо приплюсовать значение расстояния от Земли до центра Галактики (а это около 30 тысяч световых лет). Просто речь идет об излучении, которое регистрируется на Земле.

Так вот, на расстоянии 350 световых лет от черной дыры, которую называют объектом Стрелец А*, располагается водородное облако Стрелец Б2 (Sagittarius B2). В настоящее время астрономы регистрируют чрезвычайно высокоэнергетическое рентгеновское излучение, исходящее из этого облака. Единственным разумным объяснением этого феномена ученые полагают высокоэнергетический выброс гамма-лучей из нашей черной дыры. Наблюдения, осуществленные с помощью орбитальной рентгеновской обсерватории Integral, доказывают, что это предположение справедливо.

По всей вероятности, черная дыра Стрелец А* в течение 10 лет исторгала из себя потоки энергии - в количествах достаточных, чтобы сравниться по яркости с целыми галактиками. По мнению Михаила Ревнивцева из Московского института космических исследований РАН, каждую секунду черная дыра пожирала до 10 в 12 степени тонн газа и пыли. Почему это прекратилось, неизвестно. Астрономы полагают, что подобное может повториться в любой момент.

Война теорий

Общепринятая сейчас теория черных дыр, выдвинутая сорок лет назад физиком Джоном Уилером, гласит, что после “выгорания” звезды, ее останки сжимаются с такой силой, что сила притяжения превышает силу отталкивания, и в результате остается сингулярность: точка в пространстве, где материя находится в состоянии “бесконечной плотности”. Сингулярность окружает так называемый “горизонт событий”, гипотетическая граница, которую не способны преодолеть оказавшиеся внутри нее материя и энергия. Они “втягиваются” в черную дыру и навсегда остаются внутри. Это-то “навсегда” и вызывает вопросы.

В 1975 году крупнейший теоретик черных дыр Стивен Хокинг из Кембриджского университета установил (правда, лишь теоретически), что черные дыры медленно, но неизбежно истаивают. В соответствии с законами квантовой механики, пары “виртуальных” частиц и античастиц постоянно бурлят в пустом пространстве. Хокинг показал, что гравитационная энергия черных дыр может передаваться “виртуальным” частицам у самого горизонта событий. В этом случае “виртуальные” частицы становятся реальными и выходят за пределы горизонта вместе с позитивной энергией в форме “излучения Хокинга”. Таким образом, со временем черная дыра испаряется.

Однако такой взгляд приводит к “информационному парадоксу”. Получается, что согласно теории относительности, информация о материи, попадающей в черную дыру, теряется, тогда как квантовая механика утверждает, что информация может в итоге вырваться наружу.

Хокинг на это отметил, что хаотичная натура “излучения Хокинга” означает, что энергия вырывается наружу, а информация нет. Однако в прошлом году он изменил свое мнение - и это лишь один из пунктов пересмотра современной наукой всех своих взглядов на черные дыры.

Дело в том, что сейчас теоретики пытаются “примерить” на черные дыры (и все теоретические неувязки, связанные с ними) популярную теорию струн. New Scientist пишет, что теория струн сейчас - это лучшая попытка объединить общую теорию относительности и квантовую механику, поскольку сами струны несут в себе гравитационную силу, а их вибрация является случайной, как и предсказывает квантовая механика.

В середине девяностых Эндрю Стромингер и Камран Вафа из гарвардского университета решили подойти к проблеме информационного парадокса путем определения, как черная дыра может быть устроена изнутри.

Выяснилось, что теория струн дозволяет выстраивание исключительно плотных и мелкомасштабных структур из самих струн и других описываемых теорией объектов, часть из которых имеют более трех измерений. И эти структуры вели себя как раз как черные дыры: их гравитационная тяга не выпускает наружу свет.

Количество способов организации струн внутри черных дыр, - просто огромно. И, что особо интересно, эта величина полностью совпадает с величиной энтропии черной дыры, которую Хокинг и его коллега Бекенштейн рассчитали еще в семидесятые годы.

Однако определение количества возможных вариантов сочетания струн - это еще не все. В прошлом году команда Самира Матура из Университета штата Огайо взялась за прояснение вопроса возможного расположения струн внутри черной дыры. Выяснилось, что почти всегда струны соединяются так, что образуют единую - большую и очень гибкую - струну, но куда большего размера, нежели точечная сингулярность.

Группа Матура вычислила физические размеры нескольких “струнных” черных дыр, (которые участники группы предпочитают называть fuzzballs - “пуховыми шариками”, или stringy stars - “струнными звездами”). И с удивлением обнаружили, что размеры этих струнных образований совпадали с размерами “горизонта событий” в традиционной теории.

В связи с этим Матур предположил, что т.н. “горизонт событий” на самом деле представляет собой “пенящуюся массу струн”, а не жестко очерченную границу.

И что черная дыра на самом деле не уничтожает информацию по той причине, например, что никакой сингулярности в черных дырах просто нет. Масса струн распределяется по всему объему до горизонта событий, и информация может храниться в струнах и отпечатываться на исходящем излучении Хокинга (а следовательно выходить за порог событий).

Впрочем, и Вафа, и Матур признают, что эта картина носит весьма предварительный характер. Матуру еще предстоит проверить, как его модель подходит к крупным черным дырам, или понять, как черные дыры эволюционируют.

Еще один вариант предложен Гэри Горовицем из Университета Калифорнии в Санта-Барбаре и Хуаном Малдасеной из принстоновского Института передовых исследований. По мнению этих исследователей, сингулярность в центре черной дыры все-таки существует, однако информация в нее просто не попадает: материя уходит в сингулярность, а информация - путем квантовой телепортации - отпечатывается на излучении Хокинга.

Многие физики оспаривают данную точку зрения, отвергая возможность мгновенного перехода информации. В любом случае, все это лишь теоретические выкладки, и ничего более.

Однако в Женеве уже строится Большой адронный коллайдер, самый мощный на Земле ускоритель частиц, который планируется ввести в действие уже в 2007 году. В этом ускорителе протоны будут сталкиваться с энергией до 14 на 10 в 12 степени эВ, чего, по мнению ученых, будет достаточно для того, чтобы создавать несколько микроскопических черных дыр каждую секунду, если некоторые нынешние теоретические выкладки окажутся верными.

Роман Георгиев