А могут ли существовать чёрные дыры в двойной системе?

Важно понимать, что учёные оперируют моделями, строят карикатуры Вселенной, стараясь уточнить её понимание через детализацию моделей. Существуют различные подходы.

Современная физика базируется на контринтуитивных математических построениях, не поддающимися пониманию любителям физики (не владеющими мат.аппаратом) и обывателям, однако блестяще описывающих эксперимент и плодящих технологии вроде процессоров ЭВМ (спасибо квантовой механике) и обеспечивающих навигацией спутников GPS (спасибо Общей теории относительности). Обывателям хочется простых решений, чтобы электроны в виде шариков двигались по проводам, всё было просто и интуитивно, и всё объяснялось — и это нормально. Мы так проэволюционировали с тягой к знаниям — богатая картина мира расширяла кругозор и позволяла прогнозировать, что способствовало выживанию. Однако, глубокое понимание физики доступно только через математику. Если человек "слеп", без владения математикой — он не увидит физики. Ведь человек видит только то, что знает.

Взять в пример известный двухщелевой эксперимент с электронами. Шрёдингер, де Бройль и Борн приписали каждому электрону волновую функцию. Фейнман предложил принципиально другой подход и иную формулировку — он провозгласил, что каждый электрон проходит через обе щели. Более того, каждый отдельно взятый электрон перемещается по всем возможным траекториям одновременно. Он отправляется хоть в Андромеду, возвращается и проходит через правую щель, а потом попетляв и через левую щель. Электрон инспектирует каждую траекторию и с ним не нужно связывать никакой вероятностной волны. Имеет смысл лишь суммарный эффект от всех возможных путей электрона и этот подход известен как фейнмановское "суммирование по путям". Концепции, терминология и интерпретация в фейнмановском подходе и в подходе, основанном на волновых функциях, сильно разнятся. Но решения тождественны, оба подхода эквивалентны (и выводятся друг из друга). Результаты расчётов согласуются в обоих случаях, и, разумеется, с самим экспериментом. Природа вообще знать не хотела, какую физику вы хотите обнаружить или какую интерпретацию предпочтёте, что вам кажется разумным, а что нет — она просто устроена так и не иначе, невзирая на капризы непонимающих.

А физики математически описывают действительность. Причём, по-разному. И Природа не обязана подчиняться той или иной модели.

Поэтому, рассмотрим вопрос с двух позиций — через теорию Эйнштейна и немного поспекулируем с позиций ещё не построенной теории квантовой гравитации. В обоих случаях мы должны прийти к тем же результатам.

Что говорит теория и эксперимент? Ничто не может покинуть горизонт событий чёрной дыры без превышения скорости света (получено изображение "тени" чёрной дыры). И гравитация распространяется со скоростью света (регистрация гравитационных и электромагнитных волн от столкновения нейтронных звёзд в 2017). Это всё предсказано теорией гравитации Эйнштейна, которая описывает тяготение не как привычную нам силу, а посредством кривизны пространства-времени. Уравнения поля Эйнштейна и принцип оптимального собственного времени лежат в основе общей теории относительности (ОТО). Через эти уравнения материя управляет искривлением пространства-времени, а искривлённое пространство-время управляет движением материи на основе принципа оптимального собственного времени. Прямо как электрические заряды через уравнения Максвелла управляют поведением электромагнитного поля, а электромагнитное поле порождает силы, действующие на электрические заряды.

Так вот, в ОТО искривление пространства-времени существует независимо от вызывающей его массы. Поэтому гравитацию чёрной дыры совсем не тревожит горизонт событий. Это немного может сбивать с толку, потому расширим мысль.

Вообразим, что Солнце внезапно исчезло. Да, это невозможно, но предположим. День на освещённой части Земли закончится только через ~8 минут. И всё это время Земля продолжала бы вращение вокруг уже не существующей массы. Земля вроде бы притягивается Солнцем, однако, она не взаимодействует непосредственно с самим Солнцем, а только с локальной частью гравитационного поля. То же касается и чёрной дыры. Пространству вокруг чёрной дыры нет необходимости знать о массе чёрной дыры — достаточно знать что с пространством поблизости.

Эта иллюстрация подчёркивает лишь суть рассуждений. Ни в коем случае, не стоит её воспринимать как иллюстрацию искривления пространства-времени. Такие картинки в общем случае крайне вредны, поскольку порождают у неподготовленного зрителя ложное ощущение простоты. В теории относительности всё дело в наличии внутренней кривизны. Пространство действительно искривляется вблизи массивного тела, но эта кривизна внутренняя: она соответствует искажению пространства внутри себя, а не его изгибу в какое-то дополнительное измерение. Нет никаких дополнительных измерений, куда прогибается двумерная ткань в сторону массы (как на картинке). В ОТО в пространстве-времени не может искривляться ничего, кроме самих его четырёх измерений.

Итак, кусочек пространства на иллюстрации ничего не знает о массивном объекте, ему не нужно знать о конечном источнике поля. Он реагирует только на соседние участки. Соседние области искривлением влияют друг на друга. И это справедливо для чёрных дыр в теории относительности.

Окей, посмотрим с другой стороны. Что может предложить квантовая теория поля? В ней взаимодействия опосредованы частицами. Заряженные частицы электромагнитно взаимодействуют друг с другом посредством виртуальных фотонов — эфемерных возбуждений в электромагнитном поле. Если гравитационное взаимодействие передаётся гравитонами, то могут ли они покинуть горизонт событий?

Тут важно прояснить ситуацию касательно виртуальных частиц. Они, строго говоря, не несут с собой взаимодействий из одного места в другое. Два электрона взаимодействуют обмениваясь суммой всех возможных виртуальных фотонов (Вы, конечно, шутите, мистер Фейнман?). Но эти фотоны не следуют по чётким траекториям между взаимодействующими электронами, и только их суммарный эффект приводит к силе отталкивания между электронами.

В случае с гравитонами — им нет необходимости стремиться строго из недр чёрной дыры к объекту возле неё. Гравитационное поле вокруг чёрной дыры уже должно изобиловать виртуальными гравитонами. Более того, чёрная дыра не обязана их поглощать — виртуальные частицы в квантовой теории поля не ограничены скоростью света. Они могут двигаться с любой скоростью. А взаимодействия между частицами являются результатом суммирования всех взаимодействий виртуальных частиц. Предел скорости света в некотором смысле возникает статистическим образом. То есть, если гравитационное поле и описывается виртуальными гравитонами, то горизонт событий для них вообще не представляется барьером.

Наконец, применительно к обоим подходам — способен ли внешний наблюдатель почувствовать массу чёрной дыры? Да. Нынешняя масса уже скрыта в недрах чёрной дыры, но прошлая масса вполне может гравитировать. Материя коллапсирующей массивной звезды застывает близ будущего горизонта событий — удалённому наблюдателю кажется, что время замедляется, функция хода равна нулю, излучаемый свет краснеет. И пусть вся эта масса уже потемнела, но она должна "отпечататься" на горизонте событий. И уже не важно, передаётся гравитация искривлением пространства-времени или виртуальными гравитонами — сохраняется причинно-следственная связь с массой, породившей гравитационное поле. Грубо говоря, ничто не ограничивает в рассуждении, что для удалённого наблюдателя гравитационное взаимодействие происходит с локальным искривлением пространства-времени, которое создаётся прошлой массой, пребывающей на горизонте.

Таким образом, теория, с какой стороны не взгляни, разрешает чёрным дырам опоясывать себя и аккреционными дисками и быстро вращающимися облаками газа и даже соседствовать в двойной системе. И астрофизические наблюдения это всё подтверждают. Не исключено, что наши представления далеки от действительности, но Природа именно так устроена. Не подстраивается под наши ожидания. И ей совершенно не важно, что мы об этом думаем. Нам остаётся её описывать и измерять из любопытства.