Империя звезд, или Белые карлики и черные дыры - Артур Миллер

Один из самых удивительных объектов обнаружен прямо в центре нашей Галактики — на Млечном Пути, на расстоянии 268 тысяч триллионов километров. Благодаря наблюдениям в радио-, инфракрасном и рентгеновском диапазонах, астрономы проникли сквозь мрак густой межзвездной пыли, окружающей ядро Галактики. Оказалось, что в самом ее центре находится невероятно мощный источник радиоволн и видимого света — слишком мощный, чтобы исходить от звезды, пульсара или фрагмента взорвавшейся сверхновой. Астрофизики предполагают, что в центре каждой галактики существует черная дыра и что наблюдаемый объект на Млечном Пути — такая массивная черная дыра, питаемая аккреционным диском. Ее назвали Стрелец A* (Sagittarius А*, или Sgr А*).

В 1996 году астрономы начали создавать точные трехмерные карты звездных скоплений, вращающихся в этом районе Вселенной. Данные, полученные в течение десяти лет с помощью камер высокого разрешения и телескопа Южной европейской обсерватории в Сьерро-Паранале в Чили, подтвердили, что звездные скопления перемещаются вокруг источника излучения, не являющегося звездой, и что темный объект находится именно там, где и компактный источник рентгеновского излучения Sgr А*. Ближайшая к нам звезда S2 делает полный оборот вокруг Sgr А* каждые 15,2 года на расстоянии 16 миллиардов километров. Эти данные позволили астрофизикам с большой точностью вычислить, что масса Sgr А* в 4 миллиона раз больше массы Солнца, а горизонт событий равен 22,4 миллиона километров — это меньше орбиты Земли вокруг Солнца. Sgr А* вращается вокруг своей оси с периодом 11 минут.

Нечто массивное и притом столь компактное — это может быть только сверхмассивная черная дыра, и прямо в центре нашей Галактики! Эта гипотеза полностью соответствует результатам наблюдений. Как и утверждал Чандра, красота и простота управляют миром…

Астрономы продолжают изучать Sgr А* и накапливать данные, которые позволят понять, как рождается и развивается сверхмассивная черная дыра в центре Галактики. Даже после вспышки Sgr А* испускает рентгеновские лучи сравнительно низкой интенсивности, характерные для «голодной» черный дыры, возникшей после взрыва сверхновой, который уничтожил большую часть межзвездного газа вокруг нее, и дыра испаряется, — ненасытный, пожирающий галактики космический пылесос. Чандра был бы очарован панорамой небесного свода — мозаикой из тридцати отдельных изображений, полученных обсерваторией «Чандра» в июле 2001 года. Она демонстрирует вытянутые части ядра Млечного Пути размером от 3800 до 8600 триллионов километров. При тщательном рассмотрении можно отметить сотни белых карликов, нейтронных звезд и вспышки рентгеновского излучения черных дыр в облаке раскаленных газов с температурой много миллионов градусов Кельвина. Sgr А* находится справа от яркого пятна в центре фотографии.

Коллапсирующая звезда вращается все быстрее и быстрее, а вращающийся аккреционный диск ускоряет это вращение. Однако данную теорию не удавалось проверить до сентября 2003 года, когда это было сделано с помощью космической обсерватории «Чандра». Перемещаясь в пространстве, черная дыра поглощает газ звезды-компаньона, вращающийся вокруг черной дыры и расширяющий ее аккреционный диск. Если дыра не имеет компаньона, она затягивает окружающий межзвездный газ с образованием диска. Перемещаясь в направлении черной дыры, газ нагревается до десятков миллионов градусов Кельвина. Атомы железа в этом газе излучают отчетливые сигналы в рентгеновской области спектра и позволяют определить орбиты частиц в окружении черной дыры. Расстояние частиц от черной дыры зависит от кривизны пространства-времени вблизи нее. Если черная дыра вращается, то она увлекает вместе с собой пространство-время и скручивает эту область в воронку, у которой горизонт событий меньше, чем у самой дыры. В результате орбиты частиц оказываются ближе к вращающейся черной дыре, чем к невращающейся. Уменьшение диаметра орбит может быть обнаружено по рентгеновскому излучению этих частиц, которое в случае вращающейся черной дыры имеет большую длину волны, чем для невращающейся. Для этих частиц гравитационное красное смещение должно быть более заметно, так как они ближе к горизонту событий. При наблюдении рентгеновского излучения атомов железа, вращающихся вокруг черных дыр, астрофизики обнаружили, что частицы находятся на расстоянии всего 32 километров от горизонта событий. Орбиты частиц вокруг Лебедя X-1 находятся более чем в 160 километрах от горизонта событий, что позволило астрофизикам признать Лебедь X-1 невращающейся черной дырой. Это следует из сложных математических моделей аккреционных дисков. Однако до сих пор не появилось надежных методов различения вращающихся и невращающихся черных дыр. У некоторых черных дыр звезда-компаньон прекращает свое существование до того, как у дыры образуется спин заметной величины. Возможно, так случилось и с Лебедем X-1, хотя астрофизикам еще предстоит выяснить, вращается ли эта звезда. Почему некоторые черные дыры вращаются быстрее других? Дело в том, что спин черной дыры может быть результатом сложения момента вращения коллапсирующей звезды, момента вращения ее компаньона и хаотического потока разогретого газа из аккреционного диска, а он не всегда вращается в том же направлении.

Обсерватория «Чандра» зарегистрировала множество фантастических космических событий. В одном из неравных гравитационных столкновений звезда с массой нашего Солнца была случайно сбита с курса другой звездой и исчезла вблизи сверхмассивной черной дыры в центре галактики RX J1242-11 в созвездии Девы. Черная дыра с массой в 100 миллионов больше Солнца разорвала в клочья незваного гостя и вызвала одну из самых мощных рентгеновских вспышек, когда-либо зарегистрированных в этой галактике. Обсерватория «Чандра» зарегистрировала эту катастрофу 9 марта 2001 года. Ее заметили также космическая рентгеновская обсерватория «XMM-Newton» и рентгеновская обсерватория ROSAT (разработанная учеными из Германии, Великобритании и США). Уникальное событие было предсказано сразу после появления теории черных дыр, но никогда до того не наблюдалось[93].

Идея о существовании черных дыр вызвала появление самых невероятных предположений и фантастических домыслов о Вселенной, незначительной частью которой мы являемся. Не сможем ли мы в один прекрасный день создать черные дыры в лаборатории? У физиков уже имеется программа соответствующих исследований. Не нужно сжимать вещество до его радиуса Шварцшильда — такой технологии пока нет. Предлагается совершенно иной способ — разогнать на ускорителе элементарные частицы до околосветовых скоростей и столкнуть их друг с другом. При столкновении выделится огромное количество энергии в очень малом объеме, и тем самым на долю секунды воспроизведутся условия, возникшие сразу после Большого взрыва, когда температура достигала десяти тысяч триллионов градусов Кельвина и образовывались черные дыры. Эксперимент планировали провести еще в 2005 году с использованием протонов и антипротонов на Большом адронном коллайдере в Европейском центре ядерных исследований. Физики уже говорят о «фабриках черных дыр», в которых они надеются получать эти дыры. Черная дыра будет в миллион раз меньше, чем размер атомного ядра (10-13 сантиметров) и с массой около массы протона (10-24 граммов). Хокинг предсказывает, что они испарятся за доли секунды и при этом произойдет вспышка излучения, анализируя которую физики надеются получить информацию об образовании черных дыр и о структуре пространства на самом микроскопическом уровне[94]. Согласно теории Хокинга, спектр этого излучения зависит от числа измерений пространства, в котором оно распространяется, и может предоставить информацию о свойствах пространства вблизи черной дыры. В теории ранней Вселенной предполагается, что в начале времен пространство имело больше четырех измерений — в отличие от наших привычных представлений. Размерности большего порядка не проникают в наше пространство и заметны только при чрезвычайно малых размерах — от одной десятой от одной триллионной одной триллионной размера атома (10-33 сантиметров). В таких невероятно малых областях ученые ожидают проявления эффектов квантовой гравитации[95]. Это так называемая планковская длина, наименьшее расстояние в теоретической физике. Она составлена из трех фундаментальных констант: гравитационной постоянной G, описывающей масштаб наблюдаемой Вселенной, постоянной Планка для атомного масштаба и скорости света. Некоторое представление о планковской длине дает такое сравнение: если атом увеличить до размеров всей Вселенной, то планковская длина будет равна примерно метру. Планковская длина невообразимо мала, но не равна нулю — она определяет область пространства с объемом 10-99 кубических сантиметров. И как это ни покажется удивительным, ученые умеют изучать объекты столь ничтожного масштаба. Для исследования их структуры физики используют длины волн примерно такого же размера. Радары настроены на длины волн, сравнимые с геометрическими размерами самолетов, а для исследования свойств атомов необходимо использовать волны с очень короткой длиной. Физики получают коротковолновое излучение чрезвычайно высокой частоты и энергии с помощью Большого адронного коллайдера. Можно надеяться, что им удастся воспроизвести условия ранней Вселенной, а излучение черных дыр Хокинга в коллайдере даст информацию о возможных дополнительных размерностях пространства. Не исключено, что в глубинных областях черной дыры, где приходится использовать законы квантовой гравитации, звезды коллапсируют не полностью. Вместо этого появляются дополнительные размерности пространства, и это может преподнести ученым неожиданные сюрпризы. Астрофизики рассуждают о вероятности совершенно фантастических вещей — например, могут ли черные дыры использоваться как порталы для путешествий в невообразимо далекие галактики. Серьезным препятствием является огромная гравитация коллапсирующей звезды, которая превратит космонавтов и их космический корабль в ничто. Но появилась хитроумная идея обнаружения черных дыр с «благоприятной» сингулярностью. Математические модели таких дыр уже разрабатываются[96]. Появилась и гипотеза, что некоторые сверхмассивные черные дыры имеют гибридную структуру с участками менее значительной гравитации. Пролет космических аппаратов через эти участки черной дыры обеспечит бесстрашным космонавтам больше шансов на выживание. Когда космический корабль попадет в такую черную дыру, искривление пространства и времени вблизи «благоприятной» сингулярности или в области слабой гравитации затянет корабль внутрь дыры. Это приведет к значительному ускорению и дальнейшей резкой остановке корабля, как бы уткнувшегося в тупик. В иллюминаторе космонавты увидят странную картину. Приборы покажут, что они высадились на планете, находящейся в миллионе триллионов километров от Земли. А по своим часам астронавты пролетят это огромное расстояние всего за несколько минут. Хотя бегущий по поверхности пространства-времени свет затратит миллион лет для этого путешествия, их полет через щель вблизи сингулярности будет почти мгновенным. Это как если добраться от Северного полюса до Южного сквозь планету, вместо путешествия по ее поверхности.