Как опознать черную дыру
Предложен способ отличить черные дыры от других объектов с сильным гравитационным полем.
В настоящее время астрофизики не сомневаются в существовании в космосе очень плотных космических объектов с сильным гравитационным полем, которые принято называть черными дырами. Несмотря на то, что непосредственно астрономы их увидеть пока не смогли, они обнаружили множество объектов, которые с большой вероятностью являются черными дырами. Это сверхмассивные образования в центрах галактик, в том числе и нашей Галактики, а также компоненты некоторых двойных звездных систем.
Однако вопрос о том являются ли эти черные дыры именно теми, существование которых предсказано теорией гравитации Альберта Эйнштейна, остается до сих пор открытым. Черные дыры из теории Эйнштейна обладают горизонтом событий, обладающим весьма экзотическими свойствами. В физическом смысле – это граница, на которой вторая космическая скорость становится равной скорости света. Это наименьшая скорость, необходимая для того, чтобы покинуть космическое тело, уйти с замкнутой орбиты вокруг него. Радиус этой границы носит имя Шварцшильда. Все, что расположено на меньшем расстоянии от черной дыры, в том числе и свет, уже не сможет вырваться обратно. Особенность горизонта событий в том, что время там должно замедляется настолько, что процесс падения любого объекта на черную дыру будет длиться бесконечно. Процесс образования черных дыр в результате гравитационного сжатия (коллапса) внешний наблюдатель будет наблюдать вечно.
Однако целый ряд астрофизиков полагает, что, по крайней мере, некоторые объекты не дотягивают до статуса черных дыр. Они компактны, но их размер несколько больше радиуса Шварцшильда, и горизонта событий у них нет. Однако по наблюдаемому внешнему гравитационному воздействию такие объекты практически неотличимы от классических черных дыр.
Учёные из МФТИ, ИТЭФ и НИУ ВШЭ придумали способ отличить эйнштейновские черные дыры от просто компактных массивных объектов. Его описанию посвящена статья, опубликованная в журнале Physical Review D.
В ней исследователи вывели аналитические выражения для возможных значений энергии (энергетического спектра) частиц вблизи исследуемых объектов. Оказалось, что около поверхности сверхкомпактной звезды, радиус которой чуть больше радиуса Шварцшильда, есть «потенциальная яма» – область пространства, где частицы попадают в гравитационную «ловушку». Задача в этом случае становится аналогичной известной задаче квантовой механики по нахождению энергетического спектра частиц в потенциальной яме. Этот спектр оказывается дискретным, то есть в нем помимо разрешенных значений энергии есть и запрещенные значения энергии, которыми не могут обладать частицы. Другими словами, ловушка не выпускает частицы определенных энергий, и в спектре возникает «пустое место».
В случае же чёрной дыры вблизи горизонта событий имеет место вечный коллапс (гравитационное сжатие), и постоянная потенциальная яма не образуется, ее граница непрерывно «убегает». В результате энергетический спектр частиц оказывается сплошным.
Таким образом, для опознания черных дыр исследователи предложили исследовать пучок частиц, рассеянный на объекте. Если в этом спектре нет дискретных уровней, то это чёрная дыра, а если есть - то это просто компактный объект.
На данный момент физики проделали работу только для бесспиновых частиц, но есть основания полагать, что также будет вести себя и спектр других типов частиц. Это пока лишь теоретическое исследование, и у астрофизиков сейчас нет средств наблюдать спектры частиц в окрестностях возможных черных дыр, однако важно, что предложен принципиально возможный метод их опознания.
По материалам МФТИ
