Космос. От Солнца до границ неизвестного - Стивен Бэттерсби

Теоретически считается, что рождению черной дыры предшествует яркая вспышка сверхновой. Но есть звезды, масса которых находится вблизи нижней границы разрешенного диапазона масс, действующие по иному сценарию: образующаяся черная дыра может поглотить основную часть вещества вокруг себя и подавить взрыв. Возможно, недавно мы видели рождение черной дыры именно в такой неудавшейся сверхновой.

В 2016 году в университете штата Огайо (г. Колумбус, США) группа ученых под руководством Кристофера Кочанека обрабатывала данные космического телескопа «Хаббл». Исследователей заинтересовало странное поведение красного сверхгиганта N6946-BH1. Эта звезда находится на расстоянии примерно 20 миллионов световых лет от Земли. Ученые сравнили результаты ее наблюдений в 2004 и в 2009 годах: в 2009 году ее светимость на несколько месяцев внезапно увеличилась, после чего звезда погасла. Новые снимки телескопа «Хаббл» показывают, что в видимом диапазоне длин волн она исчезла.

Эти наблюдения согласуются с теоретическими предсказаниями относительно того, что происходит, когда звезда подобного размера «съеживается» до размеров черной дыры. Во-первых, она испускает много нейтрино, что приводит к потере ее массы. Поскольку масса звезды мала, ее поля тяготения становится недостаточно, чтобы удержать свободно рассеянное вокруг нее облако из ионов водорода. Облако ионов уплывает от звезды и охлаждается, отделившиеся электроны вновь присоединяются к ионам водорода. Как следствие, происходит яркая вспышка, после которой остается черная дыра.

Истинная природа черной дыры по-прежнему неизвестна. Некоторые теоретики предполагают, что при падении астронавта в дыру прямо под горизонтом его уничтожит «огненная стена»[11]; другие считают, что можно попасть через кротовую нору в другую вселенную. Что может произойти вблизи сингулярности, по-видимому, останется тайной. Ни теория относительности, ни квантовая теория ответить на этот вопрос не могут, и физики бьются над созданием единой теории квантовой гравитации, которая могла бы это сделать.

Если бы у черной дыры были планеты – как в фильме «Интерстеллар» (2014), – они были бы самым негостеприимным местом во всей Вселенной. Холодные и безжизненные пустыни – вот и весь их ландшафт.

Но так ли это? Оказывается, в термодинамике есть странное свойство обратимости, благодаря которому на таких планетах в принципе может поддерживаться жизнь.

Согласно второму закону термодинамики, для поддержания жизни требуется разность температур, чтобы обеспечить источник пригодной для использования энергии. Жизнь на Земле существует благодаря разнице между температурами Солнца и холодного космического вакуума. А что если Солнце и небо поменять местами? Солнце станет холодным, а небо горячим?

Некоторые черные дыры являются одними из самых ярких объектов во Вселенной, активно излучая не только в видимом свете, но часто и в радио-, инфракрасном, ультрафиолетовом, рентгеновском и гамма-диапазонах. Это происходит, потому что при аккреции (падении на черную дыру) газ и другие вещества нагреваются и начинают светиться. Как показал Томаш Опатрны из Университета Палацкого в Оломоуце (Чешская республика), температура у насыщенной черной дыры фактически нулевая, а значит, она потенциально может играть роль холодного солнца.

Остальная часть неба имеет температуру 2,7 К (около –270 °C). Именно такова температура космического микроволнового фона (КМФ) – остаточного тепла, сохранившегося со времени Большого взрыва. Согласно вычислениям группы Опатрны, проведенным в 2015 году, планета размером с Землю, вращающаяся вокруг черной дыры размером с Солнце, может извлечь из этой разницы температур около 900 ватт пригодной для использования энергии. Это немного, но в принципе достаточно для поддержания жизни.

Для иллюстрации своих идей ученые обратились к фильму «Интерстеллар», в котором речь идет о массивной вращающейся черной дыре под названием Гаргантюа. По орбите, расположенной очень близко к этой черной дыре, двигается планета Миллер. Общая теория относительности подразумевает, что гравитационное притяжение черной дыры замедляет время на планете, так что один час равен семи годам вне этой планеты, то есть время на ней течет медленнее примерно в 60 000 раз.

Энергия кванта излучения пропорциональна его частоте. Когда фотон из КМФ приходит на планету Миллер, его частота увеличивается на фактор замедления времени[12], то есть энергия возрастает. При коэффициенте замедления времени около 60 000 планета Миллер будет нагреваться почти до 900 °C.

В фильме вода в океане образует огромные приливные волны, но Опатрны утверждает, что более вероятен расплавленный алюминий. Немного дальше от черной дыры условия на планете были бы более прохладными – эффекты замедления времени были бы меньше – и планета была бы более гостеприимной для жизни.

Другие исследователи считают, что в реальности это маловероятно. Даже если на орбите вблизи от черной дыры могут образовываться планеты, существует вероятность, что часть вещества упадет в дыру и излучит тепло.

В нашей Галактике полным-полно планет. Тысячи уже открытых планет удивительно разнообразны: вечная жара на гигантских планетах, холод в скалистых мирах. Некоторые из них, возможно, обитаемы. Но все, без сомнения, уникальны. Что ждет нас среди многих миллиардов планет, которые еще предстоит обнаружить, и можем ли мы надеяться найти там инопланетную жизнь?

До 1995 года планеты в нашей Солнечной системе были единственными, о существовании которых мы знали наверняка. Затем аспирант Дидье Келоз из Женевского университета обнаружил первую планету, вращающуюся вокруг чужой звезды, и вскоре планеты посыпались как из рога изобилия. Теперь, когда открыто более 3500 экзопланет (а будет еще больше), мы обнаружили огромное разнообразие иных миров.

Поиск жизни за пределами Земли всегда был главным приоритетом для человечества. Для существования жизни в том виде, в котором мы ее знаем, нужны свет, вода, мягкие температуры и умеренная гравитация, поэтому скалистые, похожие на Землю планеты вызывают отдельный интерес. Особенно если эти экзопланеты находятся в зоне Златовласки[13], где температура как раз подходит для поддержания воды в жидком состоянии.