Для реально існуючих в нашому Всесвіті чорних дір ми можемо виміряти випромінювання, що виходить від навколишньої їх матерії, і вловити гравітаційні хвилі, що випускаються під час фаз зближення і злиття. Хоча на сьогодні нам відомо не так багато подвійних систем, що випромінюють в рентгенівському діапазоні, LIGO та інші детектори гравітаційних хвиль повинні зуміти заповнити відсутні ділянки даних в тих діапазонах мас, де чорні діри повинні існувати.
Якщо взяти досить велику масу і утрамбувати її в досить невеликий обсяг, неминуче виникне чорна діра. Будь-яка маса у Всесвіті викривляє навколо себе тканину простору-часу, і чим більше вона викривлена, тим складніше вибратися з гравітаційного тяжіння цієї маси. Чим менше стає об'єм, тим швидше вам потрібно рухатися, щоб віддалитися від цього об'єкта.
У якийсь момент швидкість, яку вам потрібно буде набрати, щоб вибратися звідти, перевищить швидкість світла - це порогове значення для формування чорної діри. Відповідно до Загальної теорії відносності Ейнштейна будь-яка маса в досить малому обсязі здатна сформувати чорну діру. Однак у фізичній реальності все ж існують обмеження, через що реалізовуються не всі математичні можливості. Багато з таких чорних дір, які ми можемо собі уявити, просто не з'являться в нашому Всесвіті. І ось, що саме не може статися - наскільки нам відомо.
Невизначеність розташування та імпульсу на квантовому рівні. Чим краще ви вимірюєте координати частинки, тим менше вам відомий її імпульс, і навпаки. Розташування та імпульс краще описує ймовірнісну хвилеву функцію, а не окремі значення.
Чорні діри мають квантовий ліміт. Нижче певних значень відстаней реальність починає змінюватися. У матерії та енергії вже не буде певних властивостей, обмежених лише нашими вимірювальними інструментами - між різними властивостями почне проявлятися взаємозв'язок, що володіє внутрішньою невизначеністю. Якщо ви виміряєте розташування частинки, то будете знати її імпульс з більшою невизначеністю. Якщо виміряєте час життя або поведінку на коротких проміжках часу, ви будете менше знати про її енергію і масу спокою.
Існує межа того, наскільки добре можна знати дві парні властивості частинки одночасно - в цьому полягає суть принципу невизначеності Гейзенберга. Ця невизначеність проявить себе навіть у порожньому просторі, звідки видалено всі види матерії та енергії. Якщо розглянути відстань в 10-35 м, то фотону на його проходження буде потрібно дуже малий час: близько 10-43 с. На таких малих часових проміжках принцип невизначеності говорить, що невизначеність у розмірі енергії відповідає (через E = mc2) 22 мікрограмам - планківській масі.
На візуалізації показані флуктуації в квантовому вакуумі. Чим менші масштаби і часові проміжки, тим сильнішими можуть бути флуктуації. На планківських масштабах вони стають невідгукненими від чорних дір - що означає, що фізика там ламається.
Якби у вас була чорна діра масою в 22 мікрограми, якого розміру у неї був би горизонт подій? Відповідь - планківської величини, 10-35 м. Це ілюструє висловлювання фізиків про «зламування реальності» на планківських масштабах: спонтанно виникають флуктуації настільки сильні, що їх не можна відрізнити від чорних дір.
Однак ці чорні діри повинні були б негайно розпастися - час їх випаровування через випромінювання Гокінга буде менше планківського: 10-43с. Ми знаємо, що ми не можемо довіряти законам фізики на таких дрібних часових проміжках і відстанях - що квантовій фізиці, що Загальної теорії відносності. А тому описати чорну діру з масою не більше 22 мікрограм ми не можемо. Таке квантове обмеження на мінімальний розмір чорної діри в нашому Всесвіті. Опустившись нижче, ми не зможемо робити осмислених фізичних заяв.
Якщо чорна діра, що з'явилася, має дуже малу масу, що з'являються через викривлений простір поблизу горизонту її подій квантові ефекти змушують її швидко випаровуватися через випромінювання Хокінга. Чим менше маса чорної діри, тим швидше вона випаровується.
На поточний момент всі чорні діри з масою менше певної величини повинні були б вже випаруватися. Один з чудових прикладів застосування квантової теорії поля до простору поблизу чорної діри полягає в тому, що чорні діри не стабільні, вони випромінюють, через що в результаті випаровуються. Цей процес відомий під назвою "випромінювання Гокінга" ", і коли-небудь через нього випаровуються всі чорні діри в нашому Всесвіті.
З приводу причин цього випромінювання існує плутанина - не в останню чергу через самого Гокінга - але головне, що потрібно зрозуміти у зв'язку з цим:
- Випромінювання з'являється через різницю в кривизні простору-часу поблизу і далеко від горизонту подій чорної діри.
- Чим менша маса чорної діри, тим менше її горизонт подій, тим більша просторова кривизна.
У результаті чорні діри меншої маси випаровуються швидше. Якби наше Сонце було чорною дірою, на її випаровування пішло б 1067 років. Якби Земля була чорною дірою, на її випаровування пішло б менше - всього 1051 років. Наш Всесвіт існує близько 13,8 млрд років, тому всі чорні діри масою менше 1012 кг - що приблизно відповідає загальній масі всіх людей на планеті Земля - повинні були вже випаруватися.
Як чорні діри виробляє низькоенергетичне теплове випромінювання, випромінювання Гокінга, що поза горизонтом подій - так і розширюється з прискоренням Всесвіт з темною енергією (у вигляді космологічної константи) постійно виробляє аналогічне випромінювання: випромінювання Унру, пов'язане з космологічним горизонтом.
Чорних дір масою менше 2,5 сонячних, швидше за все, не існує. За законами фізики чорні діри можуть формуватися лише кількома способами. Можна взяти шматок матерії і дати їй сколлапсировать під дією гравітації - якщо її ніщо не зупинить, вона може стиснутися в чорну діру. Також можна дати шматку матерії стиснутися, щоб вийшла зірка, і якщо її ядро виявиться досить масивним, воно в результаті спалиться і сформує чорну діру. Нарешті, можна взяти останки зірки, яким не вистачило маси - наприклад, нейтронну зірку - додати маси через злиття з іншим тілом або аккрецію, і почекати, поки не вийде чорна діра.
Ми вважаємо, що на практиці реалізуються всі ці сценарії, і виникають реалістичні чорні діри. Але при масі менше певної величини жоден з них не породить чорної діри.
Фотони з видимого діапазону, близького до інфрачервоного, що дійшли до телескопа «Хаббл», показують, як масивна зірка в 25 разів масивніше Сонця раптом зникла, не породивши ні наднової, ні іншого вибуху. Єдиним розумним поясненням буде її прямий колапс.
Ми вже бачили, як шматки матерії «зникають» - наприклад, як зникають зірки. Найлогічніше пояснення, яке найкращим чином відповідає даним - це те, що частина зірок спонтанно колапсує в чорну діру. На жаль, це зірки дуже великої маси, як мінімум раз в десять масивніше Сонця.
Зірки з масивними ядрами часто закінчують життя ефектним вибухом надновою, при цьому їх ядра схлопуються. Зірка з масою в 800% сонячних або більше - прекрасний кандидат на наднову. Зірки з менш масивними ядрами зрештою породять нейтронні зірки, а з більш масивними - чорні діри. Наймасивніша з усіх знайдених нейтронних зірок, що з'явилися в такому процесі, має масу в 2,17 більше Сонця.
Нарешті, можна взяти об'єкт з меншою масою, ніж у згаданих нейтронних зірок, і дозволити йому висмоктати масу з компаньйона або зіштовхнути його з іншим компактним масивним об'єктом. Є шанс, що вони сформують чорні діри.
Числова симуляція останніх мілісекунд двох нейтронних зірок, що зближуються по спіралі. Висока щільність показана синім, низька - блакитним. Підсумкова чорна діра показана сірим - зміна кольору демонструє перехід від нейтронної зірки до чорної діри.
Хоча з певністю ми поки спостерігали лише два приклади злиття двох нейтронних зірок, ці випадки забезпечили нас дуже детальною інформацією. У другому випадку загальна маса становила 3,4 сонячних, і пара перетворилася на чорну діру. У першому випадку загальна маса становила 2,7 сонячних, і все виявилося складніше. Кілька сотень мілісекунд ця маса, що швидко обертається, поводилася як нейтронна зірка, і раптово вона переключилася на поведінку, властиву чорній дірі. Після такого переходу назад вона вже не повернулася.
Зараз ми думаємо, що справа в існуванні невеликого проміжку мас - від 2,5 до 2,8 сонячних - в якому можуть існувати об'єкти, що схлопнулися, на зразок нейтронних зірок, але для цього їм потрібно дуже швидко обертатися. Якщо швидкість обертання падає і останки зірки заспокоюються, приймаючи більш сферичну форму, вони перетворюються на чорну діру. Якщо маса менше нижньої межі, вийде тільки нейтронна зірка, і ніяких чорних дір. Якщо маса більша за верхню межу, вийде чорна діра, і ніяких нейтронних зірок.
Наймасивніша подвійна система чорних дір з усіх, від яких ми отримували сигнал: OJ 287. На повний оборот у неї йде 11-12 років. І незважаючи на те, що діаметр орбіти становить 1/5 світлового року (що в сотні разів більше, ніж відстань від Плутона до Сонця), злиття чорних дір станеться всього через кілька тисяч років.
А як щодо важчих чорних дір? Чи є там якийсь проміжок мас, в якому їх не існує? Чи є верхня межа маси чорної діри? Звичайно, чорні діри можуть стати набагато масивнішими, ніж кілька сонячних мас. І спочатку вчені бачили якийсь розрив у даних, однак після 6 років роботи LIGO ми отримали достатньо даних, щоб підтвердити існування чорних дір середньої маси, які раніше просто важко було знайти.
Однак практичне верхнє обмеження на їх масу дійсно буде - ми просто до нього ще не дісталися. Ми знаходимо чорні діри з масою, що наближається до 100 мільярдів сонячних. У нас навіть є кандидат на подолання цієї планки. З ростом, розвитком і злиттям галактик відбувається і зростання їх центральних чорних дір. У далекому майбутньому деякі галактики виростили свої чорні діри до 100 трильйонів (1014) сонячних мас - це в 1000 разів більше найбільших чорних дір на сьогодні. І завдяки темній енергії, що розводить галактики в Всесвіті, що розширюється в усі боки, ми очікуємо, що ніякі чорні діри не зможуть вирости значно більше зазначеної маси.
Обмеження на темну матерію від початкових чорних дір. Існує величезна кількість свідчень того, що в ранньому Всесвіті не виникло великої популяції чорних дір, що містили темну матерію.
Що щодо початкових чорних дір - тих, що з'явилися відразу після Великого вибуху? Питання складне, оскільки свідчень їх існування не знайдено. На цю ідею, що з'явилася в 1970-х роках, було накладено вже безліч обмежень, породжених спостереженнями. Ми знаємо, що після народження Всесвіту деякі її ділянки були щільнішими за інших. І якщо щільність якоїсь ділянки всього на 68% більше середньої, ця ділянка неминуче схлопнеться в чорну діру. І хоча маса чорної діри не може бути менше приблизно 1012 кг, перевищувати цю межу можна на будь-яку величину.
Орієнтуватися ми можемо за флуктуаціями реліктового випромінювання. Ці температурні флуктуації відповідають більш і менш щільним ділянкам раннього Всесвіту, і судячи з них, найщільніші ділянки всього на 0,003% щільніше середнього. Так, ці масштаби, звичайно, більше, ніж масштаби пошуків чорної діри. Однак оскільки ніякої переконливої теоретичної мотивації і ніяких спостережуваних свідчень на користь існування початкових чорних дір немає.
Колапсуючи, матерія формує чорні діри. Першим фізику, застосовну до простору-часу з точки зору всіх спостерігачів у всіх точках простору і всі моменти часу пропрацював Пенроуз. Відтоді його концепція є золотим стандартом у Загальній теорії відносності.
Дуже довго питання існування чорної діри залишалося дискусійним. 50 років з того моменту, коли їх вперше теоретично вивели в ОТГ, ніхто не був упевнений, що вони фізично можуть існувати в нашому Всесвіті. Робота Роджера Пенроуза, удостоєна нобелівської премії, продемонструвала можливість їх існування - і всього через кілька років після її публікації ми відкрили першу чорну діру в нашій галактиці: Лебідь X-1. Відтоді греблю прорвало, і ми постійно відкриваємо все нові чорні діри з масами, порівняними з зірками, із середніми масами і надмасивні чорні діри.
Але нижня межа на масу чорної діри в нашому Всесвіті існує: ми вважаємо, що не буває чорних дір масою менше, ніж 2,5 сонячних (тобто, близько 5 * 1030 кг). І якщо на сьогодні наймасивніші з відомих чорних дір мають масу в 100 млрд сонячних, то зрештою вони зростуть у 1000 разів більше. Вивчення чорних дір дає нам унікальні знання про наш Всесвіт, природу гравітації і простору часу - але воно не дасть нам відповіді на всі питання. Ясно лише, що в нашому Всесвіті деяких чорних дір дійсно не може бути.