Альберту Ейнштейну знадобилося 10 років, щоб знайти рівняння загальної теорії відносності, але німецькому астрофізику Карлу Шварцшильду знадобилося всього кілька місяців, щоб розв'язати їх.
Астрономічні відкриття
Рішення Шварцшильда описує гравітацію ізольованого, сферичного і незмінного об'єкта - загадкової чорної діри - хоча воно не було зрозуміле протягом багатьох років.
Чорні діри пояснили нові астрономічні відкриття, ставши найважливішими складовими астрофізики. До 1960-х років наука розглядала такі об'єкти як математичну абстракцію. Нещодавнє експериментальне відкриття гравітаційних хвиль змінило наше уявлення про те, що таке чорні діри.
У 2016 році колаборація LIGO-Virgo виявила гравітаційні хвилі, породжені двома чорними дірами, що зливаються, що відкрило нову еру в астрономії, відзначену Нобелівською премією з фізики 2017 року.
2019 року телескоп Event Horizon Telescope зафіксував зображення надмасивної чорної діри в прилеглій галактиці M87. Наступного року Нобелівська премія з фізики відзначила новаторські теоретичні дослідження Роджера Пенроуза і Рейнхарда Гензеля.
Що таке чорна діра?
Поняття чорної діри, відображене в науково-популярній літературі, ґрунтується на ідеї горизонту подій - це коли швидкість, необхідна для того, щоб уникнути гравітаційного тяжіння, має перевищувати швидкість світла. Усе, що потрапляє в горизонт подій, втрачається назавжди.
Радіус Шварцшильда - це радіус горизонту подій, який пропорційний масі чорної діри.
Але у визначення Шварцшильда є підводний камінь: воно вимагає, щоб ми знали, що з чорної діри нічого не вийде. Це означає, що за чорною дірою потрібно спостерігати вічно, щоб знати, що з неї нічого не вийде. На практиці це неможливо.
Нові чорні діри
Інше математичне рішення рівнянь Ейнштейна описує утворення чорної діри внаслідок колапсу сферичної оболонки світла. У центрі утворюється горизонт подій, який розширюється назовні, зустрічає падаюче світло і "зупиняє" його. Таким чином виникає чорна діра.
Ідеально ізольованих або незмінних, з точки зору логіки Шварцшильда, чорних дір не існує. У реальному світі вони оточені дисками, що обертаються навколо них, зоряними вітрами і, можливо, темною матерією. Усі вони продукують падаючу речовину, яка збільшує масу центрального об'єкта.
Чорні діри часто існують парами, обертаючись по спіралі все ближче і ближче одна до одної і випускаючи гравітаційні хвилі, поки не зіллються в більшу структуру, горизонт якої змінюється в часі.
Що таке уявний горизонт?
Гравітаційні хвилі LIGO/Virgo 2016 року виникли внаслідок вражаючого злиття двох чорних дір. На той час, коли ці хвилі досягли Землі, вони виявилися слабшими за навколишній шум, і їх можна було ідентифікувати тільки шляхом зіставлення теоретичних шаблонів очікуваного сигналу з отриманими даними.
Великі банки шаблонів створюються в комп'ютерних симуляціях, які, вочевидь, не можуть працювати, як це необхідно - теоретично горизонт подій вічний. Замість цього в симуляціях використовується уявний горизонт, - реальних доказів того, що світло не здатне покинути ЧД, немає.
Проте уявні горизонти зіграли вирішальну роль у гравітаційно-хвильовій астрономії, що недавно зародилася.
Чорні діри змінюються, тому що вони живуть у Всесвіті, що розширюється. Фізик-теоретик Стівен Гокінг передбачав, що всі ЧД випромінюють енергію в силу квантової механіки, що змушує їх стискатися. Хоча для практичних цілей це випромінювання незначне, але неминуче.
Нове розуміння видимого горизонту
Наше розуміння чорних дір засноване на математичному визначенні горизонту. Уявний горизонт визначається поведінкою світлових променів у його околицях: світло не може втекти (а оскільки ніщо не рухається швидше за світло, ніщо й не тікає).
Але поведінка світлових променів залежить від спостерігача, який описує їх за допомогою математичного моделювання. Оскільки в теорії відносності час і простір залежать від ТО, місце, де промені зупиняються, і поточний час для різних спостерігачів різняться. Таким чином, видимий горизонт сам по собі залежить від спостерігача.
Саме існування чорної діри також залежить від спостерігача, тоді як старий горизонт подій універсальний.
Математика, що виражає нову концепцію чорної діри, говорить нам, що навіть у випадку Шварцшильда існують певні спостерігачі, для яких немає жодного видимого горизонту і, отже, жодної чорної діри!
Щоправда, ці математичні спостерігачі дуже штучні. Усі природні спостереження, які сприймають геометрію Шварцшильда як сферичну, згодні з існуванням і розташуванням видимого горизонту.
Учені нарешті виявили гравітаційні хвилі від чорних дір, але їм довелося змінити спосіб їхнього розуміння. Суть теорії чорних дір стала іншою.
Джерело: Theconversation.com
