По большому счету, черная дыра

Черные дыры: наблюдения
Лекция 7: Проблема
горизонта и экзотика
Сергей ПОПОВ
(ГАИШ МГУ)
Школа современной астрофизики-2007
Пущино
План лекции
1.
2.
3.
4.
5.
Первичные черные дыры. Ограничения.
Излучение черных дыр.
Проблема горизонта.
Черные дыры и фундаментальные теории.
Альтернативы черным дырам. Ограничения.
Основные обзоры
• astro-ph/0504034 Первичные черные дыры - последние достижения
• astro-ph/0304478 Гамма-излучение от первичных черных дыр в
суперсимметричных сценариях
• gr-qc/0304042 Излучают ли черные дыры?
• gr-qc/0506078 Черные дыры в астрофизике
• astro-ph/0207270 Нет наблюдательных доказательств существования
горизонтов черных дыр
• gr-qc/0507101 Черные дыры и фундаментальная физика
• astro-ph/0401549 Ограничения на альтернативы черных дыр
2
Первичные черные дыры
Первичные черные дыры (PBH)
возникают с массой порядка массы
под горизонтом (particle horizon).
Излучение
Хокинга
Время полного испарения
3
EGRET и ограничения на PBH
Фоновое излучение на энергиях:
30 МэВ – 120 ГэВ.
Верхний предел на плотность PBH
4
Ограничения на космологические
параметры по данным о PBH
Данные по PBH в принципе позволяют давать ограничения на некоторые
космологические параметры, связанные с флуктуациями плотности.
Например, параметр n,
характеризующий спектр
мощности флуктуаций.
Ограничения на другие
параметры см. в Carr (2005)
astro-ph/0504034
5
Излучение частиц при испарении PBH
Когда масса дыры падает до 1014 г,
то она начинает излучать адроны.
6
Спектр частиц при равномерном
распределении PBH
7
PBH и антипротоны
В космических лучах наблюдаются
антипротоны. Это вторичные частицы.
Поведение вторичных антипротонов и
антипротонов от PBH различно на
энергиях ниже примерно 1 ГэВ (до 0.1)
Сравнение расчетов с наблюдениями
позволяет дать ограничение на
плотность PBH.
(Barrau et al. 2003, взято из Carr 2005)
8
Спектры в разных моделях
Спектр не тепловой, т.к. рождаются
частицы, испытывающие цепочку
превращений (распадов), и только
в конце получается некоторый
спектр фотонов, отличающийся
от чернотельного.
(arXiv: 0706.3778)
9
Проблема горизонта
Что явилось бы стопроцентным доказательством «чернодырности» объекта?
Только прямое доказательство существования горизонта! Но это нелегко!
Можно двигаться тремя путями:
1. Пытаться искать прямые доказательства существования горизонта
2. Пытаться показать отсутствие поверхности
3. Опровергать альтернативные модели
Первый путь практически не реалистичен .
(astro-ph/0207270 Abramowicz et al.)
Только в будущем можно рассчитывать на получение прямых изображение
(например, для Sgr A*, размер 0.02 миллисекунды дуги)
или на данные по гравитационным волнам при слиянии черных дыр.
(см. Narayan gr-qc/0506078)
10
Мечты о прямых изображениях
(Narayan 2005)
Проект MAXIM (Cash 2002)
http://beyondeinstein.nasa.gov/press/images/maxim/
Прототип: 100 микросекунд
MAXIM: 100 наносекунд
33 спутника с оптикой и
детектор в 500 км от них.
11
Отсутствие поверхности
Здесь в основном речь будет идти о тесных двойных системах
• Отсутствие пульсаций
• Отсутствие вспышек типа барстерных
Негде накапливать вещество.
(см. однако ниже про альтернативы)
• Низкая эффективность аккреции (также для Sgr A*)
ADAF. Энергия уносится под горизонт.
• Отсутствие пограничного слоя (Сюняев, Ревнивцев 2000)
Анализ спектров мощности.
Завал на частотах выше 50 Гц у кандидатов в черные дыры.
12
Параметры моделей
Фермионные звезды:
Mf=223 MeV (не взаимод.)
Mmax=12.61 M0
R(M=10M0)= 252 km= 8.6 Rsh
Коллапс при добавлении 0.782 M0 газа.
Бозоные звезды:
Mb=2.4 10-17MeV λ=100
Mmax=12.57 M0
R(M=10M0)= 153 km (99.9% массы)
Параметры моделей обусловлены
ограничениями на максимальный
радиус объекта по QPO: 450 Hz
(astro-ph/0401459)
13
Устойчивость к вспышкам на пов-ти
(astro-ph/0401459)
14
Временные характеристики всплесков
на поверхности
(astro-ph/0401459)
15
Устойчивость к вспышкам внутри
(astro-ph/0401459)
16
Временные хар-ки вспышек внутри
(astro-ph/0401459)
17
ЧД и фундаментальные теории
1.
2.
3.
4.
Термодинамика черных дыр и хокинговское излучение
Проверка альтернативных теорий гравитации
Черные дыры и дополнительные измерения
Ускорительные эксперименты
При некоторых разумных предположениях
астрофизические данные могут давать
очень сильные ограничения на параметры
фундаментальных теорий.
18
Мир на бране и черные дыры
В работе astro-ph/0612611 рассматривались
ограничения на модели мира на бране
по данным наблюдений XTE J1118+408.
Идея состоит в том, что в ряд моделей
время жизни ЧД может быть мало.
Оценка минимального возраста черной
дыры позволяет дать более сильные
ограничения на ряд параметров,
чем это можно сделать по
результатам лабораторных
экспериментов.
(См. также astro-ph/0401466)
19
Вращение черных дыр и проверка ОТО
(astro-ph/0402213)
20
QPO GRO 1655-40
Если интерпретация QPO верна,
то с ними мы забираемся под 3Rg
Наблюдаемая частота 450 Гц.
Неопределенность (штриховые
линии) определяется
неопределенностью в массе:
5.8-7.9 масс Солнца.
(astro-ph/0402213)
21
Альтернативы
1.
2.
3.
4.
5.
Gravastar - GRAvitational VAcuum STAR (Mazur, Mottola gr-qc/0109035)
Dark energy stars (Chaplin astro-ph/0503200)
Boson stars (см., например, Colpi et al. 1986 Phys. Rev. Lett.)
Fermion balls (см. обсуждение в Yuan et al. astro-ph/0401549)
Испарение до образования (Vachaspati et al. gr-qc/0609024 )
Кроме критики с теоретической точки зрения, модели закрываются
по отсутствию вспышек типа барстерных (Yuan et al. astro-ph/0401549).
Это не относится к моделям типа Vachaspati et al.
Но здесь много критики теоретиков.
По большому счету, черная дыра – самая консервативная гипотеза!
22
GRAvitational VAcuum STAR
Вакуум снаружи,
вакуум внутри.
Не излучают
Хокинговское излучение.
Шварцшильд
Можно отличить по слияниям.
De Sitter
(Mazur, Mottola gr-qc/0109035)
23