Существуют ли черные дыры?

Этот вопрос, по существу, открыт! Достоверных фактов, свидетельствующих о существовании черных дыр нет. Гравитационные линзы - красивы, но свидетельствуют лишь о том, что свет от видимого объекта прошел вблизи компактного массивного объекта, собственное излучение которого невелико. Раскаленные аккреционные диски материи, падающей, опять таки, на массивные компактные объекты, не свидетельствуют именно о том, что аккреция происходит на черную дыру (кстати, я не уверен и в том, что есть достоверные свидетельства существования аккреционных дисков). А компактными и слабоизлучающими массивными объектми (кроме множества других вариантов!) могут оказаться нейтронные звезды.

Почему мы так уверены, что черные дыры должны существовать? К этому нас вынуждает одно из свойств сферически-симметричного решения уравнений гравитационного поля общей теории относительности (ОТО), полученное Карлом Шварцшильдом в 1916 году. Если масса сферически-симметричного тела сосредоточена внутри сферы определенного радиуса r_g, называющегося гравитационным радиусом и линейно растущим с ростом массы тела, то на расстоянии r_g от центра возникает т.н. горизонт событий, из под которого не может вырваться даже свет, а материя, оказавшаяся под этим горизонтом неизбежно (в сопутствующей системе отсчета - быстро!) падает на центр.

Однако, сингулярности в теоретической физике возникают не так уж редко, и чаще всего свидетельствуют вовсе не о каких-то чудовищных процессах в точке сингулярности (ну например, материя сжимается в бесструктурную точку, как в этом случае), а просто о неадекватности модели, материи выгоднее вести себя как-то иначе, а не так, как нам хотелось бы ей навязать, а если уж мы упорствуем, математическая модель начинает демонстрировать нам какие-то свои парадоксальные и бессмысленные черты.

Несомненно, что решение Шварцшильда верно описывает гравитационное поле сферически симметричного тяготеющего тела, если его масса не сосредоточена под гравитационным радиусом. А вот появление сингулярности, если размеры тяготеющего тела станут меньше r_g, могут говорить либо о том, что да, так все и происходит, а объект такого типа получил название черной дыры, либо же о том, что наша модель перестала быть верной.

Давайте в этом разберемся! Какая модель? Что мы такого противоестественного ей навязали? А навязали мы ей сферическую симметрию! Возможно последние стадии гравитационного коллапса никогда не бывают сферически симметричными, и если это учесть, то никакой сингулярности Шварцшильда не появится?

Это нам выгодно навязывать уравнениям гравитации ОТО сферическую симметрию - они здорово при этом упрощаются! Но сферическая симметрия характерна для скалярного поля. Уже для электромагнитного поля она чужда - известно только т.н. решение Кулона, это поле точечного заряда, и оно обязательно является статическим. Когда я был старшеклассником, меня совершенно поразил факт, что электромагнитных волн, обладающих сферической симметрией не существует! Структура гравитационного поля - еще сложнее и сферическая симметрия может оказаться для него вообще чуждой.

Вы когда-нибудь видели, чтобы вода из ванной (при открытом стоке) вытекала симметрично, не закручиваясь по или против часовой стрелки? Я никогда не видел! Я предполагаю, что ей энергетически невыгодно вытекать симметрично.

Невозможно утверждать, что при гравитационном коллапсе не происходит что-то аналогичное. Только я сразу хочу предупредить одно возражение. Аналогия с ванной сразу заставляет думать, что гравитационный коллапс, наверное, нужно описывать не как сферически-симметричный, но как аксиально-симметричный (симметричный относительно врещения вокруг некоторой оси). Однако аксиально симметричное решение для тяготеющей массы в ОТО нам известно, это т.н. решение Керра, полученное в 1963 году, и оно тоже является сингулярным, хотя и не настолько, как решение Шварцшильда.

На это я могу возразить единственное: масса, рассматриваемая Керром, обладает моментом вращения. А возмущение сферически-симметричного гравитационного коллапса нельзя рассматривать как аксиальное, поскольку полный момент вращения все-таки должен остаться нулевым, несмотря на потерю сферической симметрии. Мы должны рассматривать и для сферически-симметричного, и для аксиально-ссимметричного гравитационного коллапса некое возмущение высшего порядка, не изменяющее момент вращения коллапсирующей массы.

Такую задачу еще никто не решал, но не исключено, сингулярности Шварцшильда и Керра в нем не появятся. А не решал эту задачу никто потому, что она очень сложна. И решать такие задачи мы пока не умеем. Но природе безразлично, что мы умеем, а что нет. И если образование черной дыры для природы невыгодно энергетически, она не будет оглядываться на наше неумение учитывать высшие порядки возмущений гравитационного коллапса в ОТО.


Литература.

1. Ж. Эйзенштедт, История решения Шварцшильда и его сингулярности (1915-1923), Эйнштейновский сборник, 1884-1985, М., Наука, 1988, стр. 148-200.
2. К. Шварцшильд, О гравитационном поле точечной массы в эйнштейновской теории (1916), в сб. Альберт Эйнштейн и теория гравитации, М., Мир, 1979, стр. 199-207.
3. Р. Керр, Гравитационное поле вращающейся массы как пример алгебраически специальной метрики, там же, стр. 208-211.