Черные дыры: наблюдения Лекция 7: Проблема горизонта и экзотика Сергей ПОПОВ (ГАИШ МГУ) Школа современной астрофизики-2007 Пущино

2 План лекции 1. Первичные черные дыры. Ограничения. 2. Излучение черных дыр. 3. Проблема горизонта. 4. Черные дыры и фундаментальные теории. 5. Альтернативы черным дырам. Ограничения. Основные обзоры astro-ph/ Первичные черные дыры - последние достижения astro-ph/ Гамма-излучение от первичных черных дыр в суперсимметричных сценариях gr-qc/ Излучают ли черные дыры? gr-qc/ Черные дыры в астрофизике astro-ph/ Нет наблюдательных доказательств существования горизонтов черных дыр gr-qc/ Черные дыры и фундаментальная физика astro-ph/ Ограничения на альтернативы черных дыр

3 Первичные черные дыры Первичные черные дыры (PBH) возникают с массой порядка массы под горизонтом (particle horizon). Излучение Хокинга Время полного испарения

4 EGRET и ограничения на PBH Фоновое излучение на энергиях: 30 МэВ – 120 ГэВ. Верхний предел на плотность PBH

5 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/

6 Излучение частиц при испарении PBH Когда масса дыры падает до г, то она начинает излучать адроны.

7 Спектр частиц при равномерном распределении PBH

8 PBH и антипротоны (Barrau et al. 2003, взято из Carr 2005) 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.

9 Спектры в разных моделях (arXiv: ) Спектр не тепловой, т.к. рождаются частицы, испытывающие цепочку превращений (распадов), и только в конце получается некоторый спектр фотонов, отличающийся от чернотельного.

10 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/ 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/ )

11 Мечты о прямых изображениях (Narayan 2005) Проект MAXIM (Cash 2002) Прототип: 100 микросекунд MAXIM: 100 наносекунд 33 спутника с оптикой и детектор в 500 км от них.

12 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.

13 Параметры моделей (astro-ph/ ) Фермионные звезды: M f =223 MeV (не взаимод.) M max =12.61 M 0 R(M=10M 0 )= 252 km= 8.6 R sh Коллапс при добавлении M 0 газа. Бозоные звезды: M b = MeV λ=100 M max =12.57 M 0 R(M=10M 0 )= 153 km (99.9% массы) Параметры моделей обусловлены ограничениями на максимальный радиус объекта по QPO: 450 Hz

14 Устойчивость к вспышкам на пов-ти (astro-ph/ )

15 Временные характеристики всплесков на поверхности (astro-ph/ )

16 Устойчивость к вспышкам внутри (astro-ph/ )

17 Временные хар-ки вспышек внутри (astro-ph/ )

18 ЧД и фундаментальные теории 1. Термодинамика черных дыр и хокинговское излучение 2. Проверка альтернативных теорий гравитации 3. Черные дыры и дополнительные измерения 4. Ускорительные эксперименты При некоторых разумных предположениях астрофизические данные могут давать очень сильные ограничения на параметры фундаментальных теорий.

19 Мир на бране и черные дыры В работе astro-ph/ рассматривались ограничения на модели мира на бране по данным наблюдений XTE J 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/ )

20 Вращение черных дыр и проверка ОТО (astro-ph/ )

21 QPO GRO (astro-ph/ ) Если интерпретация QPO верна, то с ними мы забираемся под 3Rg Наблюдаемая частота 450 Гц. Неопределенность (штриховые линии) определяется неопределенностью в массе: масс Солнца.

22 Альтернативы 1. Gravastar - GRAvitational VAcuum STAR (Mazur, Mottola gr-qc/ ) 2. Dark energy stars (Chaplin astro-ph/ ) 3. Boson stars (см., например, Colpi et al Phys. Rev. Lett.) 4. Fermion balls (см. обсуждение в Yuan et al. astro-ph/ ) 5. Испарение до образования (Vachaspati et al. gr-qc/ ) Кроме критики с теоретической точки зрения, модели закрываются по отсутствию вспышек типа барстерных (Yuan et al. astro-ph/ ). Это не относится к моделям типа Vachaspati et al. Но здесь много критики теоретиков. По большому счету, черная дыра – самая консервативная гипотеза!

23 GRAvitational VAcuum STAR (Mazur, Mottola gr-qc/ ) De Sitter Шварцшильд Вакуум снаружи, вакуум внутри. Не излучают Хокинговское излучение. Можно отличить по слияниям.