25.12.2019. - Как выжить рядом с черной дырой

Как выжить рядом с черной дырой

В издательстве "Альпина нон-фикшн" выходит книга британского астронома Криса Импи, где говорится об одних из самых загадочных объектов во Вселенной — черных дырах. ТАСС публикует отрывок о том, способна ли в окрестностях черных дыр выжить цивилизация Физики не до конца уверены, что такое черные дыры и как они устроены, несмотря на то что весной у нас появилась первая фотография тени такого объекта. Выглядит эта тень так же, как в фильме "Интерстеллар". Но что если высадиться, как это сделали герои Энн Хэтэуэй и Мэттью Макконахи, или даже обжиться на планете, вращающейся около непроглядной бездны? Этот вопрос не такой праздный, как кажется: когда-нибудь погаснет и Солнце, и все до единой звезды, так что необходимую для выживания энергию будет больше неоткуда брать. В самом конце своей книги "Чудовища доктора Эйнштейна: О черных дырах, больших и малых" Крис Импи осторожно берется на него ответить.

Хотя астрономы еще не нашли следов биологической жизни за пределами Земли, они полны оптимизма. Потенциально обитаемые места Солнечной системы есть на Марсе, Европе и Титане, а также на десятках лун планет-гигантов, где под панцирем из камня и льда течет вода. В 1995 г., после десятилетий безуспешных поисков, была открыта первая экзопланета, то есть планета, обращающаяся вокруг другой звезды. С тех пор словно открылись шлюзы, и нынешний список подтвержденных экзопланет включает больше 3700 позиций. Первые экзопланеты были найдены методом Доплера, суть которого состоит в выявлении притяжения, действующего со стороны планеты на родительскую звезду; впоследствии почти все открытия совершались транзитным методом — во время затмения экзопланета на мгновение делает родительскую звезду более тусклой.

В Млечном Пути находится громадное количество — 10 млрд — землеподобных планет с условиями на поверхности, пригодными для наличия жидкой воды. Многие из 100 млрд звезд Млечного Пути имеют землеподобные планеты. Если для жизни нужны только углеродный материал, жидкая вода и местный источник энергии, то найдется еще несколько сотен миллионов пригодных для обитания мест на менее гостеприимных спутниках и планетах. Время — другой постоянный актив, столь же ценный, что и пространство. Во Вселенной было достаточно углерода для формирования "клона" Земли в пределах миллиарда лет после Большого взрыва, поэтому некоторые землеподобные планеты имели перед Землей эволюционную фору в 8 млрд лет. Мы просто слишком несведущи и не можем вообразить все формы биологической жизни, которые могли развиться в этих бесчисленных мирах.

Поскольку мы не знаем о существовании жизни даже в одном ином мире, возможно, задумываться о перспективах жизни в далеком будущем — это самонадеянно, но мы все-таки попробуем. Жизни не нужна звезда. Все, что ей нужно, — источник энергии. Согласно второму закону термодинамики, биологические формы нуждаются в разнице температур, создающей пригодный для использования источник энергии. Земля поглощает фотоны Солнца с температурой 6000 кельвинов и излучает в небо в 20 раз больше фотонов с температурой 300 кельвинов. В биологических организмах протекают сложные процессы, локально снижающие энтропию — или хаос, но эти организмы излучают тепло или тратят энергию, которая со временем излучается в космос. Энергетический аргумент применим даже к искусственной (искусственный интеллект), небиологической жизни, поскольку любая обработка информации требует энергии в той или иной форме.

Когда звезды Вселенной исчерпают ядерное топливо, гипотетическая цивилизация далекого будущего все еще сможет использовать разницу температур между последними остывающими угольками — белыми и коричневыми карликами — и глубоким космосом. Физик Фримен Дайсон размышлял о будущем жизни и пришел к такому выводу: биологические организмы могут выжить в эру снижения энергопотока, впадая в спячку на все более долгие промежутки времени. Так можно протянуть около 10 млрд лет, но что будет, когда все звезды окончательно погаснут?

Спасением станут черные дыры. Теоретически энергию можно извлекать из вращения черной дыры. Сразу за горизонтом событий имеется область, которая называется эргосферой. Это слово происходит от греческого "работа" и было предложено, что и неудивительно, Джоном Уилером. Эргосфера увлекается вращающейся черной дырой, как вода водоворотом, и на полюсах черной дыры она тоньше — представьте себе вращающийся воздушный шарик, наполненный водой: из-за вращения образуется выпуклость на экваторе. Роджер Пенроуз в 1969 г. предположил, что из эргосферы можно получать энергию. При правильной траектории тело сумеет проникнуть в эргосферу и покинуть ее с большей энергией, чем на входе. В результате вращение черной дыры только слегка замедлится. Цивилизация, проведя тщательные расчеты, сможет бросать объекты в черную дыру и получать дополнительную энергию, которую объекты обретут, будучи выброшенными обратно.

Другая здравая идея — поменять температуры местами и получить холодную звезду и горячее небо. Черные дыры в сегодняшней Вселенной часто бывают яркими, потому что вещество, падая в них, образует горячий аккреционный диск. Однако в далеком будущем газ уже будет поглощен, и черные дыры станут холодными и темными, за исключением слабенькой "мороси" излучения Хокинга с температурой в долю градуса. По сравнению с этим Вселенная является "комфортно теплой" — ее температура 2,7 кельвина обеспечивается остаточным излучением Большого взрыва, но будет снижаться по мере дальнейшего расширения Вселенной. Теоретики рассчитали, что землеподобная планета на орбите черной дыры — достаточно близкой, чтобы та казалась такого же размера, что и Солнце на нашем небе, — могла бы выиграть около киловатта на разнице температур. Возможно, этого хватит для миниатюрной или очень эффективной цивилизации.

Аналогичная стратегия была использована в фильме "Интерстеллар", в котором мир под названием планета Миллер находился вблизи массивной вращающейся черной дыры Гаргантюа. Гравитация настолько замедляет время, что один час на планете равен семи годам во внешнем мире. В теории обитатели планеты Миллер могли бы добывать 130 ГВт энергии, но то, что люди способны там жить, — смелое кинематографическое допущение. Такая огромная энергия разогреет планету до 900 °C — достаточно, чтобы расплавить металл.

Проблемой использования черных дыр для получения энергии излучения Большого взрыва является скорость расширения космического пространства. Температура этого излучения сейчас составляет 2,7 кельвина, но, поскольку темная энергия вызывает экспоненциальный рост Вселенной, фотоны излучения растягиваются вследствие ее расширения, длина их волны становится очень большой, а их энергия очень малой. Через 100 млрд лет температура излучения Большого взрыва будет равна крохотной доле градуса.

Цивилизациям придется менять стратегии. Излучение Хокинга у черной дыры минимальной массы, составляющей три солнечные, имеет температуру 2*10-8 кельвинов и светимость 10-29 Вт. Оно совсем слабое, но, кроме энергии вращения черной дыры, оно будет единственным источником энергии до тех пор, пока черные дыры не испарятся — через 1076 лет. Чтобы собрать все это излучение, цивилизация должна будет окружить черную дыру разновидностью сферы, которую, по мнению Фримена Дайсона, могут использовать разумные инопланетяне. Затем внимание будет обращено на сверхмассивную черную дыру в центре Млекомеды (галактика, которая получится после столкновения нашего Млечного Пути и Андромеды через несколько миллиардов лет — прим. ТАСС). При температуре 6*10-18 кельвинов и светимости 10-48 Вт она станет угасающим костром, у которого можно будет погреть руки. Жизнь в далеком будущем потребует экономии и терпения, но, пока не испарится последняя черная дыра — что случится через 10^100 лет, — единственным недефицитным ресурсом во Вселенной будет время.

В своих исследованиях я лишь бросил беглый взгляд на черные дыры. Они огромны и непостижимы, видны через безбрежные пространства, разделяющие нас с далекими галактиками. Моя жизнь коротка в сравнении с их жизнью. Сколько они просуществуют? Моргните. Вы могли бы сделать это миллиард миллиардов раз с момента Большого взрыва. Время, за которое большинство массивных черных дыр исчезнет, относится к возрасту Вселенной так, как возраст Вселенной относится к продолжительности моргания глаза. И так еще три раза, пока не пройдет 10^100 лет.

Это непостижимая бездна времени. Английское слово clock ("часы") — старинное слово. Оно происходит от слова из среднеанглийского языка (английский язык XI-XV вв. — Прим. пер.), обозначающего колокольчик, и напоминает о временах, когда у часов не было ни стрелок, ни цифр, ведь совсем немногие были грамотными. Далеко в будущем, после эпохи существования человечества, после маятниковых часов, а затем эры механических часов с ее Timex и Rolex, после распада последних радиоактивных атомов и после того, как остановится последний пульсар, настанет время черных дыр.

Я представляю себе, что бессмертен. Если бы я смог дожить до конца времени черных дыр, наблюдая за тем, что делаем мы или цивилизации с других звезд, что бы я увидел? Сначала была бы эпоха варваров — продолжение той, в которой живем мы, когда цивилизации воюют друг с другом, и худшая судьба для побежденного врага — быть брошенным в черную дыру и мучительно погибнуть, будучи разорванным на части гравитацией. Затем, возможно, наступает эпоха цивилизации, когда живые существа оставляют образы, застывшие на горизонте событий больших черных дыр, в качестве вечных памятников. Я оптимист и воображаю эпоху знания, когда одни учатся считывать информацию, сохраняющуюся в голографической форме на горизонте событий, а другие отваживаются проникать во вращающиеся черные дыры, чтобы обрести убежище на времяподобной поверхности, в зале зеркал времени, где можно путешествовать назад и вперед, встречаясь со своими прошлыми и будущими "я", но откуда невозможно выйти. Наконец, наступает эпоха чувствования, когда жизнь сводится к чистой обработке информации, а черные дыры являются разновидностью информационного хранилища. Приятно думать, что их тайнописью, возможно, поддерживается ритм жизни Вселенной.

Гравитация — слабейшая из сил, но наиболее почитаемая и самая упорная. Другие силы давным-давно перестали действовать. Все субатомные частицы распались, электромагнитное излучение рассеялось и растянулось, превратившись в ничто. Оглушительные раскаты гравитационного излучения, испускаемого при слиянии черных дыр, навсегда отгремели. Последняя музыка сфер — басовое бренчание вращения черных дыр. Они медленно и неуклонно испаряются. Это конец. Вселенная распадается в почти идеальную однородность, и только квантовые флуктуации слегка тревожат вакуум.

Источник