Давайте попробуем разобраться. Одна из основных проблем современной фундаментальной науки -- это плохое сочетание общей теории относительности (ОТО) с квантовой теорией поля. Если совсем просто, кванты это про микро мир, базовые частицы, поля, и всякую квантовую магию типа суперпозиции, неопределенности Гейзенберга и т.д. А ОТО это про пространство-время, его искревление под действием массы и т.д. По отдельности обе модели работают идеально -- квантовые эффекты дают нам все, от полупроводников до радио, от спектра теплового излучения до квантовых компьютеров, ОТО помогает справиться с различными гравитационными и временными эффектами (например, поправить сигналы GPS спутников или не промахнуться ровером по Марсу). Но вот вместе, ОТО и кванты не очень согласуются друг с другом. Точнее не придумана теория, которая лаконично описывает как эффекты ОТО на огромных расстояниях и в присутствии огромной массы, так и квантовые эффекты на нано-расстояниях.
На данный момент в лабораториях нам доступны ограниченные эксперименты для проверки квантовых теорий. Можно разогнать пару частиц в Большом Адронном Коллайдере (БАК) и посмотреть, что произойдет при их столкновении. Но создать симуляцию огромной массы, сосредоточенной в крошечном пространстве, чтобы посмотреть, как ведет себя пространство-время, мы не можем (а очень хочется). Так вышло, что в космосе есть объекты (иногда называемые астрофизическими лабораториями), которые одновременно являются объектами исследования ОТО и квантовой механики -- это черные дыры (ЧД). Осознать насколько ЧД странные, бывает довольно сложно. Ну например, чтобы ЧД возникла, очень часто нужно, чтобы вещество было сжато настолько сильно, что это оказывает эффект на квантовом уровне. Сжал слабо -- получил что-то типа белого карлика, сжал сильнее и вдавил электроны в протоны -- получил нейтронную звезду (с практически неизвестынм уравнением состояния "газа"), сдавил еще сильнее -- все, ЧД. С одной стороны, ОТО предсказывает трудно-постижимые эффекты вблизи ЧД (и "внутри" если можно так выразиться), с другой стороны -- в каком квантовом состоянии находится "вещество" внутри -- сказать очень сложно, но ведь оно же никуда не исчезло. И все это происходит в одном объекте.
ЧД "черные" потому что одиночне ЧД мы увидеть не можем (скорее всего не можем, гипотетическое излучение Хокинга для известных ЧД должно быть чрезвычайно мало). Зато мы видим, какой эффект они оказывают на окружающее вещество (аккреция), на фотоны, пролетающие мимо (гравитационное линзирование), на другие объекты (движение звезд по орбите вокруг "ничего", движение звезд в центер Млечного Пути вокруг этого самого Sgr A*). И вот один из процессов в окрестности ЧД изучается довольно давно -- это аккреция, падение вещества с какого-то удаления на (или скорее "под") "поверхность" ЧД. Падение это происходит сложным образом, обычно приводящим к возникновению плоской структуры -- аккреционного диска. Диск позволяет гасить угловой моммент у внутренних слоев и переносить его к внешним слоям, позволяя веществу у самой-самой ЧД все-таки падать на нее. Диск сам по себе нагервается из-за вязкого взаимодействия слоев, светится, ну а само падение вещества приводит к выделению энергии. Аккреция -- это самый эффективный из известных механизмов превращения материи в энергию (в пересчете на массу покоя частицы), на несколько порядков эффективнее реакций синтеза внутри звезд.
Многие ЧД звездных масс взаимодействуют с другими звездами, поглощая их материю. Этот процесс бывает нестабильным, из-за чего размер диска, его яркость и температура, а так же множество других параметров вещества вокруг ЧД меняются драматически. Иногда на масштабах дней/недель яркость может возрасти в 100 раз, а потом так же быстро упасть, а ЧД попутно выбросит узконаправленные потоки материи называемые джетами (механизм их формирования это целый отдельный раздел астрофизики). Джеты видны радиотелескопам (даже у маленьких ЧД, см "микроквазары"), а вот аккреционный диск или ближайшая акрестность ЧД -- нет. Поэтому первые снимки M87 и Sgr A* дают возможность взглянуть именно на аккреционный диск, конечно вокруг значительно более массивной ЧД, но тем не менее. Изучение аккреционных дисков и джетов позволит лучше понять физические процессы в условиях экстремальной гравитации, и других способов взглянуть на физику под таким углом пока нет.
Хотите пофантазируем? Есть такой объект, OJ287, блазар. Фактически это галактика, в центре которой, согласно наиболее популярной версии, не одна а целых две сверхмассивные ЧД, много больше чем Sgr A*. Хитрость в том, что из-за большой разницы масс, второстепенная ЧД фактически обращается вокруг основной, и есть теория, что существующий период активности в ~11 лет объясняется тем, что орбита второстепенной ЧД эксцентрична (т.е. эллипс а не окружность), и ЧД регулярно пересекает аккреционный диск (который скорее всего почти круг), вызывая яркие вспышки, что мы и наблюдаем. Как говорится, let's put it into perspective: почти двадцать миллиардов (20 * 10^9) масс Солнца (1 Мо = 2 * 10^30 кг) зажаты в пределах четверти светового года (или около 15 тысяч расстояний между Землей и Солнцем), с орбитальным периодом, который мы можем несколько раз пронаблюдать за одну человеческую жизнь (большая редкость для космических процессов). Если когда-нибудь OJ287 будет наблюдаться аналогичным образом (с помощью Event Horizon Telescope), это будут бесценные данные. Ах да, такая система должна быть еще довольно мощным постоянным источником гравитационных волн, и если не с помощью LIGO/Virgo, то вероятно с помощью космических гравитационных интерферометров есть шанс это измерить. По оценкам, эти ЧД столкнутся в пределах 10 000 лет. Таким образом, гипотеически мы смогли бы увидеть орбитальное движение двух сверхмассивных ЧД, их взаимодействие с аккреционным диском, и одновременно "услышать" пульс гравитационных волн, который ускоряется с каждой секундой из-за неминуемого столкновения. И вот для того, чтобы даже голословные рассуждения на эту тему были возможны, нужны и первые данные с LIGO/Virgo, и первые снимки M87 / Sgr A*.
Главный вопрос, конечно же, "Зачем?". Если наблюдаемые проявления взаимодействия ЧД с веществом согласуются с теоретическим предсказаниями "очень хорошо" (говоря простым языком), значит существующая теория работает и применима даже в экстремальных физических условяих. Если же наблюдается несоответствие модели и наблюдений, значит условная ОТО -- не полная, и требует доработки, что так же является критически важным результатом работы.
@frankenvell:envs.net
Fеnикs