Таинственные «провалы»

В последние десятилетия двадцатого столетия астрономы обнаружили в бескрайних просторах Вселенной немало удивительных объектов. Это – и пульсары, и квазары, и нейтронные звезды. Но, наверное, самым поразительными и загадочными являются черные дыры – области пространства-времени, в которых гравитационное поле настолько сильное, что ни один объект (даже излучение) не может его покинуть.

А появился термин «черная дыра» в 1968 году с легкой руки американского физика Джона Уилера. Новое название быстро вошло в научный обиход и вскоре полностью заменило использовавшийся до того термины «коллапсар» и «застывшая звезда».

Первым же еще в 1795 году гипотезу о существовании невидимых звезд выдвинул выдающийся французский математик, физик и астроном Пьер Симон Лаплас (1749—1827), который, в частности, создал теорию образования планет Солнечной системы из разреженной материи.

Основываясь на законе всемирного тяготения, открытого Исааком Ньютоном, Лаплас пришел к выводу, что звезда, которая имеет такую же плотность, что и Земля, а диаметр – в 250 раз больше солнечного, не позволит ни одному световому лучу достичь нашей планеты из-за своего тяготения. Возможно, именно поэтому самые яркие звезды оказываются невидимыми.

Действительно, чем больше космическое тело, тем большая скорость нужна для того, чтобы это тело покинуть. Эта скорость называется второй космической, и для Земли она равна 11 километрам в секунду. А вот на Солнце 2-я космическая скорость уже 620 километров в секунду. При этом вторая космическая скорость тем больше, чем больше масса и чем меньше радиус небесного тела, так как с увеличением массы тяготение увеличивается, а с ростом расстояния от центра оно ослабевает.

Американский физик Джон Уилер ввел в научный оборот термин «черная дыра»

Поэтому если бы радиус Солнца стал 10 километров, а масса осталась прежней, то 2-я космическая скорость увеличилась бы до половины скорости света, то есть до 150 тысяч километров в секунду. Если бы радиус нашего светила продолжал уменьшаться, то при неизменной массе вторая космическая скорость достигла бы 300 000 километров в секунду, или скорости света!

Казалось бы, гипотеза Лапласа вполне убедительно доказывала существование во Вселенной объектов, которых из-за мощной их гравитации невозможно увидеть с Земли. Но во времена Лапласа еще не знали, что скорости выше скорости света в природе просто не существует, поэтому и представление о черных дырах было неполным.

И только общая теория относительности, разработанная Эйнштейном, позволила придать более современное понимание черным дырам.

Согласно законам Ньютона при сжатии тела вдвое его притяжение возрастает вчетверо. Если же тело сжать до такого состояния, что его радиус уменьшится до нуля, то гравитация соответственно, возрастет до бесконечности.

Однако Эйнштейн доказал, что гравитация будет расти быстрее, и скорость ее роста при дальнейшем сжатии будет увеличиваться. Тяготение же примет бесконечную величину при так называемом гравитационном радиусе небесного тела. Иначе говоря, хотя тело и не превратится в точку, то есть оно будет иметь определенные размеры, однако его гравитация будет стремиться к бесконечности.

Из всего вышесказанного вытекает, что гравитационный радиус напрямую зависит от массы небесного тела. Например, гравитационный радиус Земли равен 10 миллиметрам, в то время как реальный – 6400 километрам. Для Солнца этот радиус равняется 3000 метрам, тогда как существующий – 700000 километров.

Итак, любое небесное тело, которое сжалось до гравитационного радиуса, перестает быть источником излучения, поскольку свет или любое другое излучение не может его покинуть из-за того, что 2-я космическая скорость в этих условиях будет выше скорости света.

Вот только непонятно: какие силы в состоянии сжать звезду до гравитационного радиуса? На этот вопрос астрофизики, особо не задумываясь, отвечают: сама звезда! Дело в том, что пока она «живет», внутри нее протекают термоядерные реакции, которые и создают потоки излучения, устремляющиеся к поверхности газового шара. Но количество вещества, необходимого для реакций (например, водорода), не безгранично, поэтому за некоторое время – от нескольких десятков миллионов до миллиардов лет – оно иссякает.

После этого внутреннее давление, которое поддерживало термоядерные реакции, исчезает, и звезда начнет сжиматься под действием собственной гравитации. Причем некоторые звезды сжимаются очень быстро – катастрофически. В результате происходит так называемый гравитационный коллапс.

Доказав теоретически существование черных дыр, астрономы стали искать способы, чтобы увидеть их воочию. Эта работа началась с поиска источников с рентгеновским излучением, поскольку оно появляется только при нагревании окружающего газа до сверхвысоких температур. Но чтобы такое нагревание произошло, необходимо, чтобы было очень сильным поле тяготения. А такие поля имеют сжавшиеся звезды: белые карлики, нейтронные звезды и.... черные дыры! Но если белые карлики можно наблюдать непосредственно, то с черными дырами проблема усложняется. Однако астрономы разрешили и эту задачу.

Выяснив, что если тело имеет массу, в два раза превышающую солнечную, то оно вполне может претендовать на роль черной дыры. Измерить же массу небесного объекта относительно легко, если оно имеет пару в виде другого небесного тела.

В конце концов такую двойную систему, которая к тому же излучает в рентгене, астрономы нашли в созвездии Лебедя. Объект назвали Лебедь Х-1, и он стал первым кандидатом в черные дыры.

Находится он на расстоянии 6000 световых лет от Земли и состоит из двух тел: нормальной звезды-гиганта массой около 20 Солнц и невидимого объекта массой 10 Солнц, который излучает в рентгеновском диапазоне.

Но если из черной дыры ничто не может вырваться, то в таком случае как же она может излучать? Получается парадоксальная ситуация. Но, оказывается, излучает не сама черная дыра, а лишь то вещество, которое на нее падает. Именно по его излучению и определяется наличие черной дыры.

Обладая мощным тяготением, черная дыра забирает у своего компаньона часть вещества, которое устремляется к ней по спирали. И чем это вещество ближе к черной дыре, тем сильнее оно разогревается. В конце концов в какой-то момент оно начинает излучать в рентгеновском диапазоне, что и фиксируют земные наблюдатели.

 

«Память» черных дыр

В отношении черных дыр долгое время в научных кругах преобладало мнение, что эти, наверное, самые загадочные, объекты во Вселенной ничем друг от друга не отличаются, то есть говоря человеческим языком, все они на одно лицо.

Однако исследования, проведенные в начале третьего тысячелетия американскими учеными, это устоявшееся представление о черных дырах полностью опровергли. Оказалось, они почти так же уникальны, как люди. Более того, их можно не только различить, но также выяснить их долгую «биографию», то есть то, что происходило с ними в далеком прошлом. Конечно, лишь теоретически.

Такие любопытные данные о черных дырах получила группа американских астрофизиков, возглавляемая профессором Самиром Матуром. Эти исследователи разработали новую теорию строения черных дыр, которая, как считают ученые, позволит разрешить давнюю проблему физики: так называемый информационный парадокс.

Суть же этого парадокса состоит в следующем. В соответствии с общепринятой моделью черной дыры, причем абсолютно неважно, из чего она была построена и в какой пропорции – из протонов или электронов, из газа, планет или звезд, – колоссальная гравитация превращает весь этот материал в абсолютно однородную структуру.

Из этого в свою очередь следовало, что внутренняя структура всех черных дыр практически одинакова. Отличаются же они друг от друга лишь своими гигантскими массами и диаметром горизонта событий, в пределах которого вырваться из смерча черной дыры ничто уже не в состоянии.

Профессор Самир Матур доказал, что черные дыры не обезличены, а уникальны и неповторимы

Ранее в соответствии с расчетами знаменитого физика Стивена Хокинга, получалось, что оказавшаяся в черной дыре частица никакого влияния на нее не оказывает. Единственное, что она может сделать, – увеличить массу этого космического монстра.

Но в этой теории ученые обнаружили один существенный недостаток: она противоречила одному из законов квантовой механики – закону обратимости, который гласит, что теоретические вычисления должны объяснить не только процесс, связанный с образованием черной дыры, но и вернуться к тем первоначальным условиям, которые этот механизм образования «включили».

Это значило, что если принять за основу построения Хокинга, из которых следовало, что все черные дыры одинаковы, то даже теоретически нельзя было проследить «историю» хотя бы одной из них к ее уникальному началу. То есть любая информация о частицах, которые создали черную дыру, терялась в ней навсегда.

Именно в таком положении вещей Матур однажды усомнился. И, чтобы опровергнуть эту концепцию, он воспользовался широко известной в настоящее время теорией струн, которая предполагает, что все фундаментальные частицы состоят из объектов, именуемых струнами.

В соответствии с существующими теоретическими построениями струны могут вести себя самым разным образом: они могут переплетаться, свиваться в кольца, формировать спирали. Мы же в нашем масштабе воспринимаем эти комбинации струн как частицы, составляющие мир.

Так вот, Матур попытался вычислить, как будут вести себя струны, объединенные в очень массивный и протяженный объект, своего рода гигантскую «элементарную частицу». Чтобы решить эту грандиозную задачу, физик потратил несколько лет. Причем работал он над ней не сам, а в группе с несколькими учеными из разных стран.

В ходе этого исследования было установлено, что струны могут образовывать довольно сложную упругую и эластичную структуру гигантской протяженности. При этом, постепенно увеличивая массу вещества в своей теоретической структуре, Матур в конце концов «создал» черную дыру. И что самое любопытное в модели Матура, по диаметру теоретическая «черная дыра» в точности соответствовала поперечнику горизонта событий для черной дыры той же массы, но рассчитанной по классической модели.

Новую структуру черной дыры ученые назвали «Пушистый клубок». При этом, как показали дальнейшие расчеты, в разных черных дырах этот клубок может иметь самые разнообразные формы: как цветы на лугу или листья на дереве. Таким образом, профессор Матур доказал, что черные дыры не обезличены, а на самом деле уникальны и неповторимы. Отсюда и разрешение «информационного парадокса», который, кстати, в 2000 году под номером восемь был включен в десятку основных проблем физики третьего тысячелетия.

Итак, в черных дырах ничего не исчезает бесследно, и в запутанном переплетении струн остается информация о частицах, породивших эту загадочную структуру Вселенной.

 

«Туннели» в неведомое

Черные дыры, как и обычные звезды, отличаются большим разнообразием, особенно по своим размерам. Поэтому астрономы делят их на три типа.

К первому из них относят черные дыры, масса которых равна примерно 10 массам Солнца. Они формируются из массивных звезд, когда в тех прекращаются термоядерные реакции.

Второй тип представлен сверхмассивными черными дырами в центрах галактик: их массы – от миллиона до миллиардов солнечных. Они, как правило, расположены в центрах галактик – звездных островов Вселенной.

Кроме того, эти монстры обладают невероятным аппетитом. Постоянно увеличивая свою массу, они уже «съели» все окружающее их вещество, масса которого равняется миллионам Солнц. Но тем не менее продолжают активно «поглощать» ближайшее окружение, увеличивая тем самым свои «габариты».

В постоянное меню черной дыры входят: газ, пыль, планеты и звезды, но иногда они лакомятся даже своими ближайшими одственниками – компактными массивными объектами типа черных дыр звездной массы. Не брезгуют они и нейтронными звездами, и белыми карликами, случайно оказавшимися в их поле тяготения. Именно эти объекты громче всех «кричат» в рентгеновском и гамма диапазонах, когда черная дыра вкушает их.

Черная дыра в Млечном Пути

И, наконец, к третьему типу относятся первичные черные дыры, которые появились в начале эволюции Вселенной. Их можно считать карликами среди черных дыр, поскольку их массы сравнимы с весом крупных астероидов.

 

Странный мир черной дыры

Выяснив, как появляется черная дыра, астрофизики пытаются также заглянуть и вовнутрь этого космического монстра. И кое-какую информацию им удалось получить. Конечно же, с помощью теоретических моделей.

Так, исследователи выяснили, что черная дыра представляет собой огромную круглую воронку, а также, что черные дыры излучают акустические волны, напоминающие монотонное жужжание.

Кроме того, в своих моделях физики попытались оценить происходящее внутри черной дыры глазами человека, оказавшегося в этой воронке. И первое, что увидел бы такой условный человек, это огромное количество звезд, проваливающихся в эту пучину. Многие из них, сталкиваясь друг с другом, крушились бы и распадались на фрагменты.

Он смог бы также заметить, как из краев темной воронки появляются блики света, и над ее склоном переливаются яркие, искристые фонтаны. Этот, окаймляющий воронку, диск называется аккреционным. Он вращается с огромной скоростью: около 18 миллионов километров в час. Состоит этот диск из газа и пыли, которые, скатываясь по «спирали смерти», падают в черную дыру.

Сама же черная дыра напоминает гигантскую динамо-машину, вокруг которой появляется мощное магнитное поле. Когда напряжение достигает некой критической величины, черная дыра «разряжается». И тогда из нее, словно брызги из кипящего котла, вырываются струи газа и пыли, называемые джетами. Они уносятся вдаль почти со скоростью света. При этом нередко простираются на миллион световых лет и пылают, как сотни миллиардов солнц.

Итак, все, что движется медленнее частиц света, рано или поздно нырнет во мрак и навсегда исчезнет в ненасытной пасти черной дыры. И только лучи света будут постоянно и монотонно кружить по краю диска, по одной и той же линии, никуда не смещаясь.

При погружении внутрь черной дыры под влиянием возрастающей силы гравитации время начинает течь все медленнее и медленнее.

Фримен Дайсон, предположивший, что информация из нашей Вселенной может перетекать в другую

Зато за пределами черной дыры время летит, как ураган. А в самом сердце черной дыры время словно взрывается. За доли секунды остывает Солнце, а небо покрывается новыми галактиками.

Время превращается в точку: наступает так называемая сингулярность, то есть состояние, когда вещество имеет бесконечную плотность и температуру. Однако что на самом деле представляет сингулярность в центре черной дыры – никто сказать не может. Там должны нарушаться законы физики, а время и пространство стремятся к нулю. Время останавливается.

Но это всего лишь результат математических моделей.

Впрочем, еще в 1976 году Фримен Дайсон предположил, что информация из нашей Вселенной может перетекать в другую вселенную. Туннель, ведущий туда, разверзается посреди черной дыры. Идея эта показалась самому Дайсону настолько ненаучной, что он не стал публиковать ее. Но позднее к той же мысли пришли Стивен Хокинг и американский космолог Ли Смолин.

 

Есть ли во Вселенной белые дыры?

Тем, кто хотя бы немного знаком с теорией относительности Эйнштейна, известно, что ее уравнения применимы, когда время направлено как вперед, в будущее, так и назад, в прошлое.

И хотя в понимании физиков понятие «течение времени» – выражение условное, однако человек воспринимает время как равномерно текущий в одном направлении поток.

Поэтому, зная, что решения уравнений общей теории относительности симметричны относительно времени, ученые предположили возможность существования дыр с обращенным временем. То есть таких объектов, из которых происходит выбрасывание вещества, а не его поглощение. Эти космические тела, в противоположность черным дырам, ученые назвали белыми дырами.

Ряд астрофизиков считают, что с помощью белых дыр можно было бы объяснить некоторые космические явления, сопровождающиеся большим выделением энергии: например, феномен «взрывающихся галактик» или существование квазаров, из которых, возможно, истекает вещество в нашу Вселенную.

Ученые даже смогли построить математические модели поведение белых дыр. А еще в 1964 году советский астрофизик И.Д. Новиков предположил, что такие объекты могли бы возникнуть в ходе процессов, сопутствовавших Большому взрыву. В своих рассуждениях ученый исходил из предположения, что если какие-то участки пространства-времени в момент Большого взрыва не были задействованы в моментальном процессе всеобщего расширения, то они могли взорваться на более поздней стадии эволюции Вселенной. И тем самым могли создать белые дыры.

По мнению известного физика-теоретика Стивена Хокинга, если белые дыры и существуют, то они неотличимы от черных дыр

Теоретики также рассматривают возможность существования и так называемых серых дыр. В соответствии с их расчетами, они, как и белые дыры, выбрасывают вещество, которое почти тотчас начинает быстро сжиматься в процессе гравитационного коллапса.

А могут ли действительно существовать белые дыры? Ученые по-разному отвечают на этот вопрос.

Так, по мнению известного физика-теоретика Стивена Хокинга, если белые дыры и существуют, то они неотличимы от черных дыр. Другие же ученые уверены, что присутствие белых дыр во Вселенной вообще невозможно.

В свою очередь ряд астрофизиков считают, что гипотеза белых дыр выдвинута лишь для того, чтобы сохранить симметрию времени. А так как в такой гигантской физической системе, как Вселенная, такая симметрия вряд ли выполнима, то и нет смысла предполагать существование столь «нежелательных» объектов, как белые дыры.

Хотя подобная аргументация, разумеется, не бесспорна, тем не менее маловероятно, что белые дыры представляют собой яркие, эффектные источники вещества и энергии, с помощью которых нам удалось бы объяснить, например, загадку гигантской светимости квазаров. Скорее всего, белых дыр в природе нет.