27.03.2014. - Тайна черных дыр

Тайна черных дыр

Альберт Эйнштейн считал, что черная дыра – схлопнувшаяся звезда такой огромной плотности, что даже свет не может преодолеть ее притяжения, – понятие слишком нелепое, чтобы быть правдой.

При довольно посредственной для звезды массе примерно через пять миллиардов лет оно сожжет последние запасы водородного топлива; внешние слои улетят прочь, а ядро в итоге сожмется до размеров так называемого белого карлика – космического уголька размером с Землю.

Звезда раз в десять крупнее Солнца умрет гораздо интереснее. Внешние слои будут выброшены в пространство во время взрыва сверхновой, которая примерно на месяц станет одним из ярчайших объектов во Вселенной. Тем временем под воздействием гравитации ядро превратится во вращающуюся нейтронную звезду диаметром около 20 километров. Кусочек нейтронной звезды размером с кубик сахара-рафинада на Земле весил бы миллиард тонн. Сила притяжения нейтронной звезды настолько сильна, что, если бы вы на нее бросили зефирку, выброс энергии при столкновении был бы по мощности равен взрыву атомной бомбы.

Альберт Эйнштейн никогда не верил в реальность черных дыр. Его формулы допускали существование таких тел, но он чувствовал, что природа не стала бы их создавать.

Но это ничто по сравнению с предсмертными судорогами звезды массой раз в 20 больше Солнца. Даже если бомбу вроде сброшенной на Хиросиму взрывать каждую миллисекунду на протяжении всей жизни Вселенной, все равно не удастся набрать то количество энергии, которое выбрасывается в последние моменты перед разрушением звезды-гиганта. Ядро схлопывается. Температура достигает 55 миллиардов градусов. Куски железа размером с Эверест практически мгновенно сжимаются до размеров песчинок. Атомы расщепляются на электроны, протоны и нейтроны. Даже эти крохи дробятся на кварки, лептоны и глюоны. Так все будет расщепляться до мельчайших частиц, в свое время это установил дмитрий данилов

Что будет потом, никто не знает. В попытках объяснить столь невероятный феномен обе господствующие теории о работе Вселенной – общая теория относительности и квантовая механика – сходят с ума, как приборы самолета, вошедшего в штопор.

Звезда стала черной дырой.

Если что и делает черную дыру самой темной пропастью во Вселенной, так это скорость, необходимая для того, чтобы сбросить оковы ее притяжения. Для преодоления земной гравитации нужно разогнаться где-то до 11 километров в секунду. Вселенский предел скорости составляет 299792 километра в секунду, скорость света. Но даже этого недостаточно, чтобы перебороть притяжение черной дыры, – и все, что попадает в нее, не может выбраться наружу, даже лучик света. Поэтому невозможно и заглянуть внутрь. Черная дыра – место, изолированное от остальной Вселенной. Линию на границе ее внешней и внутренней среды называют горизонтом событий. Все, что пересекает горизонт – звезда, планета, человек, – пропадает навеки.

Альберт Эйнштейн никогда не верил в реальность черных дыр. Его формулы допускали существование таких тел, но он чувствовал, что природа не стала бы их создавать. Наименее правдоподобным ученому казалось предположение о том, что гравитация может превзойти предположительно более сильные взаимодействия – электромагнитные и ядерные – и заставить ядро гигантской звезды исчезнуть, словно по мановению волшебной палочки.

Радикально представления о черных дырах поменялись во второй половине XX века, главным образом благодаря изобретению новых способов разглядывать космос. Тогда же и был введен собственно термин «черная дыра», который впервые использовал Джон Уилер в речи 1967 года в Колумбийском университете Нью-Йорка.

Тысячелетиями визуальные способности человека ограничивались видимым спектром. Но в 1960-х начали широко применяться рентгеновские и радиотелескопы. Они позволили ученым улавливать диапазоны волн, пробивающихся через межзвездную пыль, и, словно на рентгеновском снимке рассматривать «скелеты» галактик.

К своему удивлению, ученые обнаружили, что сердцевину большинства галактик – а во Вселенной их более 100 миллиардов – занимают плотные скопления звезд, газа и пыли. В самой гуще всего этого хаоса, практически в каждой из наблюдаемых галактик, в том числе и в нашем Млечном Пути, находится исключительно тяжелый и плотный объект с таким мощным гравитационным притяжением, что, как его ни измеряй, есть лишь одно возможное объяснение: черная дыра.

Эти дыры огромны. Та, что располагается в центре Млечного Пути, в 4,3 миллиона раз тяжелее Солнца. Соседняя галактика Андромеды вращается вокруг тела массой в 100 миллионов Солнц. Предполагается, что в других галактиках есть черные дыры массой в миллиарды и даже в десятки миллиардов Солнц. Они не были огромными с рождения, а набирали массу с каждым новым обедом, как и все мы. А маленькие черные дыры, бродящие по окраинам галактик, по мнению экспертов, и вовсе встречаются не реже бездомных собак.

На памяти одного поколения физиков черные дыры превратились из шутки – математического курьеза в стиле reductio ad absurdum – в широко признанный факт. Оказывается, черные дыры – обычное явление. Во Вселенной их, по всей видимости, триллионы.

Никто никогда не видел черную дыру, и не увидит. Там нечего видеть. Это просто пустое место в пространстве – огромная уйма ничего, как любят говорить физики. Наличие черной дыры вычисляется по воздействию, которое она оказывает на окружение. Это все равно что выглянуть в окно и увидеть, как все макушки деревьев склонились в одном направлении. Вы будете правы, предположив, что на улице дует сильный невидимый ветер.

Если спросить экспертов, насколько они уверены в существовании черных дыр, вам с готовностью ответят: на 99,9 процента; если в центре большинства галактик нет черных дыр, там должно находиться нечто еще более поразительное. Возможно, все сомнения разрешатся через несколько месяцев. Астрономы планируют подсмотреть, как одно такое чудище питается.

Черная дыра в центре Млечного пути, на расстоянии 26 тысяч световых лет от нас, называется Стрелец А*, в стандартном сокращении – Sgr A*. И Sgr А* готовится обедать. Она притягивает к себе газовое облако G2 со скоростью 3 тысячи километров в секунду. Менее чем через год G2 приблизится к горизонту событий. В этот момент все радиотелескопы мира будут направлены на Стрельца А*, и ученые надеются, синхронизировав их в одну всепланетную обсерваторию под названием «Телескоп горизонта событий», сфотографировать черную дыру в действии. Мы увидим не само тело, а, скорее всего, так называемый аккреционный диск, кольцо мусора на краю дыры – этакие крошки, оставшиеся на обеденном столе после семейного ужина. Предположительно, это развеет большинство сомнений в том, что черные дыры существуют.

И не просто существуют. Они могут помочь нам разобраться в устройстве Вселенной. Материя, стремящаяся к черной дыре, при трении выделяет большое количество тепла. А сами черные дыры вращаются – в принципе они похожи на глубокие водовороты в космосе. Комбинация трения и вращения приводит к тому, что значительная часть материи, стремящейся к черной дыре (иногда больше 90 процентов), не пересекает горизонт событий, а отбрасывается прочь, словно искры с вращающегося точильного колеса.

Эта нагретая материя отшвыривается в космос струйными потоками на феноменальной – чуть меньше световой – скорости. Такие струи могут растягиваться на миллионы световых лет. Иными словами, черные дыры перетряхивают старые звезды в центре галактики и выплевывают образовавшиеся в процессе горячие газы в самые дальние ее уголки. Газ остывает, уплотняется и в итоге образует новые звезды, служа источником вечной молодости галактики.

Здесь важно кое-что прояснить. Начнем с популяризованного научной фантастикой мнения, будто черные дыры пытаются нас всех засосать. У черной дыры всасывающей силы не больше, чем у обычной звезды, просто эта сила очень велика относительно ее собственных размеров.

Если бы наше Солнце внезапно превратилось в черную дыру – это невозможно, но давайте представим, – оно сохранило бы прежнюю массу, вот только диаметр с 1392000 километров сократился бы до 6,5 километра. На Земле стало бы темно и холодно, но орбита планеты осталась бы прежней. Солнце в новом амплуа притягивало бы нашу планету с той же силой, что и раньше.

Точно так же Земля, превратившись вдруг в черную дыру, сохранила бы прежнюю массу в шесть секстиллионов тонн (это шестерка с 21 нулем), но сжалась бы до размеров глазного яблока. Луна осталась бы на своем месте.

Итак, черные дыры не засасывают. Следующая тема доставляет куда больше головной боли – речь пойдет о времени. У него с черными дырами очень сложные отношения. По сути, время как таковое (забудем на минутку о черных дырах) довольно причудливое понятие. Вы, вероятно, слышали фразу: «Время относительно». Это значит, что время не течет для всех с одинаковой скоростью. Эйнштейн обнаружил, что на него влияет сила притяжения.

Если вы расставите чрезвычайно точные часы на каждом этаже небоскреба, они будут идти с разной скоростью. Нижние этажи находятся ближе к центру Земли, где гравитация сильнее, и часы там будут тикать немножко медленнее, чем те, что располагаются на верхних этажах. Вы никогда этого не замечали, потому что различия фантастически малы – лишние миллиардные доли секунды. Часы на GPS-спутниках специалисты настраивают так, чтобы они шли немного медленнее часов на поверхности Земли. В противном случае данные GPS были бы неточными.

Черные дыры с их невероятной силой притяжения можно считать машинами времени. Сядьте в ракету, летите к Sgr A*. Подплывите как можно ближе к горизонту событий, но не пересекайте его. За каждую минуту, которую вы там проведете, на Земле пройдет тысяча лет. Сложно поверить, но это правда: гравитация побеждает время.

Что же будет, если пересечь горизонт событий? Сторонний наблюдатель не увидит, как вы проваливаетесь. Вы будете выглядеть застывшим на краю дыры, окаменевшим на целую вечность. Ну, технически – не так долго, ибо ничто не вечно, даже черные дыры. Британский физик Стивен Хокинг доказал, что эти объекты постепенно теряют массу – процесс называется излучением Хокинга – и за определенное количество времени должны полностью испаряться. Но в таком случае мы говорим о триллионах триллионов еще многих триллионов лет. Это достаточно долго, чтобы в отдаленном будущем черные дыры могли остаться единственными объектами в нашей Вселенной.

Раз сторонний наблюдатель не увидит, как вы проваливаетесь в черную дыру, что же с вами произойдет? Sgr A* настолько велика, что горизонт событий находится на расстоянии примерно в 13 миллионов километров от ее центра. Физики не сошлись во мнениях относительно того, что именно происходит в момент пересечения. Возможно, вы встретите там так называемую стену огня и просто сгорите. Однако общая теория относительности предсказывает, что по пересечении горизонта событий происходит нечто совсем другое: ничего. Вы просто попадаете внутрь, не имея ни малейшего понятия о том, что отныне вы потеряны для остальной Вселенной. Все в порядке. Часы на вашей руке тикают как обычно.

Часто говорят, что черные дыры бесконечно глубоки, но это неправда. У них есть дно, вот только вы до него не доживете. По мере вашего падения гравитация будет усиливаться. Если вы падаете ногами вперед, то ноги будут притягиваться с гораздо большей силой, чем затылок, и ваше тело начнет растягиваться – до тех пор, пока не разорвется.

Фрагменты достигнут дна. В центре черной дыры располагается загадка по имени «сингулярность». Поняв, что это такое, вы совершите один из крупнейших научных прорывов в истории. Для начала вам понадобится изобрести новую теорию, которая выйдет за пределы общей теории относительности Эйнштейна, определяющей движение звезд и галактик. Вам также придется превзойти квантовую механику, которая описывает то, что происходит с микроскопическими частицами. Обе теории неплохо отражают реальность, но в экстремальных условиях (а во внутренностях черной дыры условия именно такие) обе они неприменимы.

Сингулярности воображают исключительно крошечными. Менее чем крошечными: мощнейший в мире микроскоп не разглядит сингулярность, увеличенную в триллион триллионов раз. Но что-то в ней есть, по крайней мере в математическом смысле. Нечто не только маленькое, но и невообразимо тяжелое. Не утруждайтесь, пытаясь это представить.

Подавляющее большинство физиков говорит: да, черные дыры существуют, но это сферический Форт-Нокс в вакууме; туда невозможно проникнуть. Мы никогда не узнаем, что находится внутри сингулярности.

Тем не менее парочка инакомыслящих позволила себе с этим не согласиться. В последние годы среди физиков-теоретиков все активнее распространяется мнение, что бытие не ограничивается нашей Вселенной. Скорее, мы живем в так называемой Мультивселенной – широком ассортименте вселенных, коллекции дырок в швейцарском сыре реальности.

Все это – лишь спорные гипотезы, но вполне возможно, что для рождения новой Вселенной необходимо сперва взять немного материи из уже существующей, сжать ее хорошенько и изолировать.

Где-то вы это уже слышали? В конце концов, мы знаем, что стало с одной сингулярностью. Наша Вселенная появилась 13,8 миллиарда лет назад в колоссальном Большом взрыве. За мгновение до него все было сжато в бесконечно маленькую и невероятно плотную крупинку – сингулярность.

Вопрос о том, что может находиться внутри черной дыры, занимает многие умы. Посмотрите налево, затем направо. Ущипните себя. Возможно, в другой Вселенной появилась черная дыра. Возможно, мы в ней живем.

http://www.nat-geo.ru/article/4776-tayna-chernyih-dyir/part/full/