Что находится внутри черной дыры?

Черной дырой называется область пространства-времени, ограниченная горизонтом, то есть поверхностью, которую даже свет не может покинуть вследствие действия гравитационных сил. Точка зрения Общей теории относительности (ОТО) на черные дыры и их внутреннюю структуру состоит в следующем. Мы по определению не можем получить никакой информации из черной дыры, поэтому она для нас именно "черная". В рамках этого подхода вопрос о внутренней структуре черной дыры не является полностью корректным, т.к. мы не можем произвести соответствующие измерения, а можем лишь предполагать что-то, не получая оттуда непосредственной информации.

Термин "черная дыра" первоначально появился в XVIII веке благодаря идеям Митчела и Лапласа сначала как предсказание в ньютоновской теории, а затем уже как математическое решение ОТО. Для наиболее простой оценки радиуса горизонта черной дыры (как у Митчела и Лапласа) достаточно лишь положить вторую космическую скорость равной скорости света. В случае вращающихся и заряженных черных дыр решения получаются уже только в рамках ОТО (существуют теории, конкурирующие с ОТО, в рамках которых также получаются "чернодырные" решения; но пока ни одна из этих теорий не смогла справиться со всеми трудностями и доказать свое превосходство, поэтому мы говорим только об ОТО как единственной на данный момент теории гравитации).

Существуют ли во Вселенной черные дыры или это лишь игра ума и математики — этот вопрос пока остается открытым. Сейчас есть более 10 кандидатов в черные дыры в тесных двойных системах и несколько кандидатов в сверхмассивные черные дыры в ядрах галактик (в том числе и нашей). Однако, это лишь кандидаты, хотя и очень хорошие. Во всяком случае, Нобелевская премия за открытие черных дыр пока никому не вручена (по всей видимости, черные дыры будут окончательно открыты или на детекторах гравитационных волн, или как компаньоны радиопульсаров в двойных системах, это должно произойти в ближайшие 3-4 года).


Оставив вопрос о физическом обосновании, никто не запрещает продлить решение внутрь черной дыры. Оказывается, что решение уравнений ОТО гладко продолжается под горизонт черной дыры и заканчивается в точке, в которой одна из важнейших характеристик пространства — кривизна — становится равной бесконечности (как говорят, "расходится"). Такое поведение называется сингулярностью, то есть областью, в которой не работает не только физика, но и математика.

В какой-то мере исследование сингулярностей можно проводить и в рамках ОТО, особенно в свете недавних результатов, согласно которым гравитационный коллапс имеет некую конечную стадию. Дело в том, что несколько десятилетий назад была сформулирована "гипотеза космической цензуры", которая утверждает, что в обыкновенной Вселенной сингулярность может существовать, лишь закрытая от нас горизонтом, то есть в виде черной дыры. Так вот, недавно в ходе численного анализа разных сценариев гравитационного коллапса было установлено, что при определенных начальных условиях процесс гравитационного коллапса может закончиться возникновением "голой", т.е. незакрытой горизонтом, сингулярности. В рамках ОТО аналитического, т.е. полученного не численным методом, ответа на этот вопрос пока нет.

У ОТО есть один очень большой недостаток — в отличие от теорий остальных физических взаимодействий (электромагнитного, слабого и сильного), она не поддается процедуре квантования, т.е. пока не удается построить теорию квантовой гравитации. Такая теория, в частности, могла бы описывать гравитационные эффекты на уровне микромира, так же как квантовая электродинамика, в отличие от обычной, классической электродинамики, может описывать, например, поведение электрона. Поэтому создаются так называемые теории суперобъединения, в которые входит не сама ОТО, а какой-либо (еще до конца не ясно, какой) вариант эффективной теории гравитации, включающий ОТО. С точки зрения идей квантовой механики, лежащей в основе объединения взаимодействий, вопрос о внутренней структуре вполне правомерен, потому что все пространство должно описываться одной характеристикой — волновой функцией. В рамках этого нового подхода были открыты (в математическом плане, конечно) новые типы сингулярностей, которых нет в ОТО, т.е. в этих теориях возникают и новые типы черных дыр. Будут ли они открыты и в природе — вопрос будущего (причем не ближайшего).

В заключение надо заметить, что в науке о сингулярностях на данный момент вопросов гораздо больше, чем ответов. Издавна в физике существует мнение, что появление сингулярности говорит о недостаточности наших знаний и неприменимости избранного подхода. Самой главной проблемой здесь является принципиальная прямая экспериментальная непроверяе-мость наличия сингулярностей. Можно лишь искать какие-то следствия их наличия в "большой" физике и думать о возможностях их экспериментальной проверки. Это направление сейчас активно развивается, вопросов — море, ответов почти нет.