Путешествие в черную дыру

Сверхмассивное тело в четыре миллиона солнечных масс обнаружено вблизи центра нашей Галактики. Правда, оно невидимо, неслышимо и неосязаемо.

Пальцем в небо?

Группа немецких физиков из Института внеземной физики имени Макса Планка не так давно сделали сенсационное заявление: ими получены доказательства того, что в нашей Галактике находится черная дыра.

— Около двадцати лет мы наблюдаем за движением нескольких десятков звезд вблизи центра Галактики, находящегося на расстоянии 27 тыс. световых лет от Солнца, — говорит руководитель группы Рейнхард Гензель. — Орбиты этих звезд говорят о том, что расположенная в центре концентрация массы, вне всякого сомнения, является черной дырой.

Не угрожает ли это нашей Галактике? Не съест ли космическое чудовище Землю?

Оказалось, что пока ответов на эти вопросы нет. По словам директора Государственного астрономического института им. П.К. Штернберга МГУ члена-корреспондента РАН Анатолия Черепащука, наблюдая за орбитами, черную дыру вычислить нельзя.

— Чтобы доказать, что тело, находящееся в центре нашей Галактики, представляет собой черную дыру, нужно сделать две вещи, — пояснил ученый журналистам. — Во-первых, экспериментально показать, что радиус этого тела равен так называемому гравитационному радиусу для черной дыры данной массы (а для черного тела в четыре миллиона солнечных масс он равен примерно семи солнечным радиусам). И, во-вторых, доказать, что это тело не имеет твердой поверхности, а вместо нее — горизонт событий.

По словам Черепащука, обе эти задачи в принципе выполнимы, и лет через 20, как он надеется, ученые смогут точно сказать, черная это дыра или нет.

В общем, вопрос: быть или не быть нашей Галактике, — откладывается на два десятилетия. А пока познакомимся поближе с этим монстром.

Аккреционный диск горячей плазмы, вращающийся вокруг черной дыры Аккреционный диск горячей плазмы, вращающийся вокруг черной дыры

Самое гиблое место

Нет в космосе более загадочного и пугающего объекта, чем черная дыра. Одно словосочетание уже наводит безотчетный страх: оно рисует образ все поглощающей бездны. Перед нею робеют не только обыватели, но трепещут и астрофизики.<Из всех творений человеческого разума: от мифологических единорогов и драконов до водородной бомбы, пожалуй, наиболее фантастическое — это черная дыра. Дыра в пространстве с вполне конкретными краями, в которую может провалиться все что угодно и из которой ничто не в силах выбраться. Дыра, в которой гравитационная сила столь велика, что даже свет захватывается и удерживается в этой ловушке. Дыра, которая искривляет пространство и искажает течение времени. Подобно единорогам и драконам черные дыры кажутся, скорее, атрибутами научной фантастики или древних мифов, чем реальными объектами. Однако из физических законов с неизбежностью следует существование черных дыр. В одной нашей Галактике их, возможно, миллионы>, — так сказал о черных дырах известный ученый, заведующий кафедрой Калифорнийского технологического института (США), член Национальной академии наук США, член ученого совета NASA Кип Стивен Торн.

Помимо своей фантастической мощи черные дыры обладают удивительным свойством менять внутри себя пространство и время. Они сначала закручиваются в своеобразную воронку, а потом, перейдя некую границу в глубине дыры, распадаются на кванты. Внутри же черной дыры, за краем этой своеобразной гравитационной бездны, откуда нет выхода, текут удивительные физические процессы, проявляются новые законы природы.

По мнению многих специалистов, черные дыры являются самыми грандиозными источниками энергии во Вселенной. Мы, вероятно, наблюдаем их в далеких квазарах, во взрывающихся ядрах галактик. Предполагается, что черные дыры в будущем станут источниками энергии для человечества.

Конец света находится здесь

Изображение, полученное с помощью телескопа<Хаббл>: активная галактика M87. В ядре галактики, предположительно, находится черная дыра. На снимке видна релятивистская струя длиной около 5 тысяч световых летКак же образуются черные дыры? По словам астрофизиков, большинство из них возникает после смерти больших звезд. Если масса звезды в два раза превышает солнечную, то к концу своей жизни звезда может взорваться как сверхновая. Но если масса вещества, оставшегося после взрыва, все еще превосходит две солнечные, то звезда должна сжаться в крошечное плотное тело, так как гравитационные силы всецело подавляют всякое внутреннее сопротивление сжатию. Ученые полагают, что именно в этот момент катастрофический гравитационный коллапс приводит к возникновению черной дыры. Они считают, что с окончанием термоядерных реакций звезда уже не может находиться в устойчивом состоянии. Тогда для массивной звезды остается один неизбежный путь — путь всеобщего и полного сжатия, превращающего ее в невидимую черную дыру.

А почему они невидимы?

— Само название<черные дыры>говорит о том, что это класс объектов, которые нельзя увидеть, — объясняет заведующий отделом радиоастрономии Государственного астрономического института им. Штернберга кандидат физико-математических наук Валентин Есипов. — Их гравитационное поле настолько сильно, что если бы каким-то путем удалось оказаться вблизи черной дыры и направить в сторону от ее поверхности луч самого мощного прожектора, то увидеть этот прожектор было бы нельзя даже с расстояния, не превышающего расстояние от Земли до Солнца.

Действительно, даже если бы мы смогли сконцентрировать весь свет Солнца в этом мощном прожекторе, мы не увидели бы его, так как свет не смог бы преодолеть воздействие на него гравитационного поля черной дыры и покинуть ее поверхность. Именно поэтому такая поверхность называется абсолютным горизонтом событий. Она представляет собой границу черной дыры. А что там прячется, за границей?

Прогуляемся до Ада

Самое интересное описание<нутра>черной дыры принадлежит уже упоминавшемуся нами американскому физику и астроному Кипу Стивену Торну.<Вообразите себя капитаном большого космического корабля звездного класса, — предлагает ученый в своей книге<Путешествие среди черных дыр>. — По заданию Географического общества вам предстоит исследовать несколько черных дыр, находящихся на больших расстояниях друг от друга в межзвездном пространстве, и с помощью радиосигналов передать на Землю описание своих наблюдений.

Пробыв в пути 4 года и 8 месяцев, ваш корабль тормозит в окрестностях ближайшей к Земле черной дыры, получившей название Гадес (Ад) и расположенной вблизи звезды Веги. На телеэкране заметно присутствие черной дыры: атомы водорода, рассеянные в межзвездном пространстве, втягиваются внутрь ее гравитационным полем. Везде вы видите их движение: медленное вдали от дыры и все более быстрое по мере приближения к ней. Это напоминает падение воды в Ниагарском водопаде за исключением того, что атомы падают не только с востока, но и с запада, севера, юга, сверху и снизу — отовсюду. Если вы ничего не предпримете, то тоже окажетесь втянуты внутрь.

Итак, вам предстоит с величайшей осторожностью перевести звездолет с траектории свободного падения на круговую орбиту вокруг черной дыры (подобную орбитам искусственных спутников, вращающихся вокруг Земли) так, чтобы центробежная сила вашего орбитального движения компенсировала силу притяжения черной дыры. Почувствовав себя в безопасности, вы включаете двигатели корабля и готовитесь к изучению черной дыры.

Прежде всего в телескопы вы наблюдаете электромагнитное излучение, испускаемое падающими атомами водорода. Вдали от черной дыры они настолько холодные, что излучают лишь радиоволны. Но ближе к дыре, там, где атомы падают быстрее, они время от времени сталкиваются между собой, нагреваются до нескольких тысяч градусов и начинают излучать свет. Еще ближе к черной дыре, двигаясь гораздо быстрее, они разогреваются за счет столкновений до нескольких миллионов градусов и испускают рентгеновское излучение.

Направляя свои телескопы<внутрь>и продолжая приближаться к черной дыре, вы<увидите>гамма-лучи, испускаемые атомами водорода, нагретыми до еще более высоких температур. И наконец, в самом центре вы обнаружите темный диск самой черной дыры.

Следующий ваш шаг — тщательно измерить длину орбиты корабля. Это приблизительно 1 млн км, или половина длины орбиты Луны вокруг Земли. Затем вы смотрите на далекие звезды и видите, что они перемещаются, подобно вам. Наблюдая за их видимым движением, вы выясняете, что вам необходимо 5 мин. 46 с, чтобы совершить один оборот вокруг черной дыры. Это и есть ваш<орбитальный период>.

Хотя черную дыру нельзя увидеть в принципе, физики не перестают удивлять публику своими открытиями в области изучения этих объектов. На рисунке — результат компьютерного моделирования механизма поглощения вещества черной дыройЗная период обращения и длину своей орбиты, вы можете рассчитать массу черной дыры Гадес (Ад). Она будет в 10 раз больше солнечной. Это, пo существу, полная масса, скопившаяся в черной дыре за всю ее историю и включающая массу звезды, в результате коллапса которой около 2 млрд лет назад образовалась черная дыра, массу всего межзвездного водорода, втянутого в нее с момента ее рождения, а также массу всех астероидов и заблудившихся звездолетов, упавших на нее.

Наиболее интересны свойства ее поверхности, или горизонта — границы, из-за которой все, что падает в дыру, уже не может вернуться. Границы, из-за которой не выбраться звездолету и даже любому виду излучения: радиоволнам, свету, рентгеновским или гамма-лучам

Хотя по массе и моменту количества движения черной дыры вы в состоянии вычислить все ее свойства снаружи, вы не можете ничего узнать о ее внутренности. Она может иметь неупорядоченную структуру и быть сильно несимметричной. Все это будет зависеть от деталей коллапса, в результате которого образовалась черная дыра, а также от особенностей последующего втягивания межзвездного водорода. Так что диаметр дыры просто нельзя рассчитать.

Получив эти результаты, вы можете исследовать окрестности горизонта черной дыры

Попрощавшись с командой, вы влезаете в спускаемый аппарат и покидаете корабль, оставаясь сначала на той же круговой орбите, — продолжает физик Торн. — Затем, включая ракетный двигатель, слегка тормозите, чтобы замедлить свое орбитальное движение. При этом вы начинаете по спирали приближаться к горизонту, переходя с одной круговой орбиты на другую. Ваша цель — выйти на круговую орбиту с периметром, слегка превышающим длину горизонта. Поскольку вы движетесь по спирали, длина вашей орбиты постепенно сокращается — от 1 млн км до 500 тыс., потом до 100 тыс., 90 тыс., 80 тыс. И тут начинает твориться что-то странное.

Находясь в состоянии невесомости, вы подвешены в своем аппарате, предположим, ногами — к черной дыре, а головой — к орбите вашего корабля и звездам. Но постепенно вы начинаете ощущать, что кто-то тянет вас за ноги вниз и вверх — за голову. Вы соображаете, что причина — притяжение черной дыры: ноги ближе к дыре, чем голова, поэтому они притягиваются сильнее. То же самое справедливо, конечно, и на Земле, но разница в притяжении ног и головы там ничтожна, так что никто этого не замечает. Двигаясь же по орбите длиной 80 тыс. км над черной дырой, вы ощущаете эту разницу вполне отчетливо — различие в притяжении составит 1/8 земной силы тяжести (1/8 g). Центробежная сила, обусловленная вашим движением по орбите, компенсирует притяжение дыры в центральной точке вашего тела, позволяя свободно парить в невесомости, но на ваши ноги будет действовать избыточное притяжение 1/16 g, голова же, наоборот, будет притягиваться слабо, и центробежная сила потянет ее вверх в точности с тем же дополнительным ускорением — 1/16 g.

Несколько озадаченный, вы продолжаете движение по закручивающейся спирали, но удивление быстро сменяется беспокойством: по мере уменьшения размеров орбиты, силы, растягивающие вас, будут нарастать все стремительнее. При длине орбиты 64 тыс. км разность составит 1/4 g, при 51 тыс. км — 1/2 g и при 40 тыс. км она достигнет полного земного веса. Скрипя зубами от натуги, вы продолжаете движение по спирали. При длине орбиты 25 тыс. км сила растяжения составит 4 g, т.е. вчетверо превысит ваш вес в земных условиях, а при 16 тыс. км — 16 g. Больше вы не в состоянии выдержать в вертикальном положении. Пытаетесь решить эту проблему, свернувшись калачиком и подтянув ноги к голове, уменьшив тем самым разность сил. Но они уже настолько велики, что не дадут вам согнуться — снова вытянут вертикально (вдоль радиального по отношению к черной дыре направления).

Что бы вы ни предпринимали, ничто не поможет. И если движение по спирали будет продолжаться, ваше тело не выдержит — его разорвет на части. Итак, достичь окрестности горизонта нет никакой надежды...

Разбитый, преодолевая чудовищную боль, вы прекращаете свой спуск и переводите аппарат сначала на круговую орбиту, а затем начинаете осторожно и медленно двигаться по расширяющейся спирали, переходя на круговые орбиты все большего размера, пока не доберетесь до звездолета>.

Изложенная Торном история звучит пока, как фантастика. И рассчитана на то время, когда человек добьется таких успехов в развитии техники и технологии, что станут реальностью межгалактические полеты и конструирование кольцевых миров вокруг черных дыр. А по самым оптимистичным прогнозам футурологов, это станет возможным не ранее, чем через 50 лет.

Нет, ребята, все не так ...

Надо признаться, что многие ученые до сих пор отрицают существование черных дыр. Ведь их открытие и изучение происходит на кончике пера. А недавно появилось еще более неожиданное предположение, что черные дыры — вовсе не дыры вообще, а некие объекты, более родственные по природе пузырькам конденсата Бозе-Эйнштейна (агрегатное состояние материи, основу которой составляют бозоны, охлажденные до температур, близких к абсолютному нулю). Эту новую гипотезу выдвинули исследователь Эмиль Моттола из Теоретического Отделения Los Alamos National Laboratory вместе с соавтором Павелом Мазуром из Университета Штата Южная Каролина в США.

Объяснение исследователей вносит кардинально новый взгляд на природу черных дыр, которые представляются не как<дыры>в космосе, где вещество и свет необъяснимо исчезают в зоне горизонта событий, а скорее как сферические пустоты, окруженные особой формой вещества никогда прежде не известного на Земле. Мазур и Моттола называют эти объекты не черными дырами, а гравитационными звездами. Внутри гравитационной звезды пространство и время меняются местами, как и в модели черной дыры.

Моттола и Мазур даже высказывают предположение, что Вселенная, в которой мы живем, может быть внутренней оболочкой гигантской гравитационной звезды.