Борис Штерн:
«- Вот папа, ты сказал вчера: «Открыта чёрная дыра».
Мне непонятно, что случилось, и где же та дыра открылась.
— Представь себе, звезда светила, как все нормальные светила.
Вдруг космос вспышкой истребя, она упала внутрь себя.
С тех пор у ней такая суть, чтоб только всё в себя тянуть.
А из себя на белый свет не выпускает даже свет.
Сама в себе заточена, и потому она черна».
Из цикла: «ЖИЗНЬ ЗАМЕЧАТЕЛЬНЫХ ИДЕЙ»
Первого июня 2014 года заголовки один страшней другого заполнили новостную ленту: «Земля живет последние часы… Гигантское кислотное облако, порожденное черной дырой, уничтожит всю нашу Солнечную систему…Мир замер в ужасе…»
На самом деле новость была старой — сатирический таблоид Weekly World News запустил ее в интернет еще в 2005 году от имени вымышленного британского астрофизика Альберта Шервинского. В большинстве СМИ была ссылка на источник, но «эффект заголовка» уже сработал, и к концу дня посеянная паника дала свои плоды.
Опровержение, опубликованное американским космическим агентством NASA, не помогло. Ведь всем известно, что черные дыры – это монстры вселенной. Чудовища, пожирающие звезды и планеты.
Владимир Сурдин: «Сам термин чёрная дыра всем известен очень хорошо, даже дошкольникам. Они прекрасно знают, что есть такие объекты – чёрные дыры. Не всегда точно представляют себе, что это такое. Но скажем, в средствах массовой информации термин черная дыра используется всё чаще. Как некий объект, которым можно напугать».
Что же такое чёрные дыры? Откуда они берутся? Где живут? А главное – насколько они опасны для нас?
Англия, 1783 год
Астрофизики называют чёрные дыры самыми загадочными объектами вселенной. Чёрная дыра – это область в пространстве с такими уникальными и причудливыми свойствами, что их невозможно описать в рамках эйнштейновской физики. Тем более удивительно, что идея существования чёрных дыр возникла более чем за сто лет до рождения квантовой теории поля и общей теории относительности.
Все началось с того, что однажды пастор Тронхилльской англиканской церкви преподобный Джон Мичелл посмотрел на небо и задумался: может ли существовать во Вселенной звезда такой массы и плотности, чтобы даже частицы света с их фантастически огромной скоростью не могли преодолеть её тяготение.
В прошлом пастор преподавал математику и древние языки в одном из кембриджских колледжей. Потом ушел в науку, сделал несколько открытий и даже был избран членом Лондонского королевского общества. Современники называли Мичелла «отцом сейсмологии». Биографы – одним из самых незамеченных ученых своего времени. Звёздами преподобный увлекся уже под конец жизни.
Мичелл рассуждал так: все тела во Вселенной связаны между собой силами взаимного тяготения. Чем массивнее объект, тем сильнее его гравитация, или притяжение. Чтобы разорвать эти узы, нужно развить достаточную начальную скорость.
Для справки: В 18 веке скорость, позволяющую преодолеть притяжение какого-либо объекта, называли «скоростью убегания» или «скоростью освобождения». Сегодня — «второй космической». Для Земли, например, это — одиннадцать целых и две десятых километра в секунду. Чтобы убежать от Солнца, нужно разогнаться до скорости шестьсот двадцать километров в секунду.
Частицы света, как и любые другие материальные тела, тоже должны подчиняться закону всемирного тяготения. А поскольку их скорость неимоверно велика – сотни тысяч километров в секунду — частицы света легко могут «убежать» от любой планеты и любой звезды.
Но от любой ли? Если звезда будет настолько массивной и плотной, что скорость убегания с ее поверхности превысит скорость света, значит, частицы света окажутся в ловушке.
А как будет выглядеть такая звезда? Никак! Она просто не будет видна, поскольку не даст свету уйти от себя.
Джон Мичелл назвал придуманные им звёзды «тёмными». Он вычислил массу и радиус тёмных звёзд,
27 ноября 1783 года Мичелл изложил свою гипотезу в небольшом докладе и отправил его в Лондонское Королевское общество, известному британскому физику и химику, близкому другу – Генри Кавендишу.
Это письмо было найдено в архивах только в 1970 году. Если бы на нём не стояла дата, можно было бы подумать, что какой-то шутник вырвал несколько страниц из учебника современной астрофизики и засунул их в документы восемнадцатого века.
В 1795 году ту же самую идею о существовании во Вселенной массивных тёмных звёзд высказал французский математик, астроном и физик Пьер-Симон Лаплас.
В девятнадцатом веке «тёмные звёзды» Мичелла-Лапласа были забыты. И более ста лет не упоминались даже в виде курьёза. Путевку в жизнь чёрные дыры получили только после появления общей теории относительности.
Германия, 1916 год
В 1916 году профессор Гёттингенского университета и директор Потсдамской Астрофизической обсерватории Карл Шварцшильд, решая уравнения Эйнштейна, теоретически обосновал существование во вселенной «тёмных звёзд», способных удерживать в поле своего тяготения даже частицы света.
Из его вычислений следовало, что с объектами, захваченными гравитацией «тёмной звезды», должны происходить странные вещи. С точки зрения далекого наблюдателя, вместо того чтобы лететь к дыре – или в дыру – с ускорением, объект сначала потеряет скорость, затем остановится у невидимой черты и вдруг… исчезает. Словно провалится в пропасть.
Для справки: Грань, которая является точкой невозврата для любого объекта, попавшего в поле притяжения чёрной дыры, называется «горизонтом событий». Это невидимая сфера вокруг чёрной дыры является своеобразным барьером, который работает, как клапан — внутрь попасть можно, а выбраться наружу – нет.
Борис Штерн:
«- Ой, папа, стало страшно мне, что аж мурашки по спине!
А вдруг в один прекрасный раз, она возьмёт, да втянет нас?!
— Не бойся, дочка, звёздный мир содержит мало чёрных дыр.
До них ужасно далеко, их не увидишь в телескоп».
Сергей Попов: «На самом деле попасть в чёрную дыру довольно сложно. Чёрная дыра не работает как пылесос. Чёрная дыра – это просто массивное тело. Все особые свойства проявляются уже совсем вблизи. Если у нас какой-то предмет упал на пол, мы не говорим, что его присосало к полу. Его притянуло. Луна крутится вокруг Земли. Если мы Землю заменим на чёрную дыру такой же массы, то Луна продолжит двигаться по той же самой орбите, засасываться в эту чёрную дыру не будет и даже падать на нее не будет.
Карл Шварцшильд вычислил расстояние от горизонта событий до центра чёрной дыры, где сосредоточена вся её масса, и назвал его гравитационным радиусом.
Современники и коллеги Шварцшильда не верили, что в космосе можно встретить столь странные объекты. Да и сам профессор, математически обосновав существование чёрных дыр, считал их всего лишь чудачеством в рамках красивой физической теории.
Вычисления Шварцшильда будут подтверждены только спустя 14 лет, благодаря одному случайному открытию…
Великобритания, 1930 год.
В 1930-ом году в Тринити-колледже Кембриджского университета появился новый аспирант – талантливый астрофизик, выходец из Индии Субраманьян Чандракасекар. Темой его научной работы были теоретические исследования внутреннего строения и эволюции звёзд.
Для справки: Звёздная эволюция – это последовательные изменения, которым любая звезда подвергается на протяжении своей жизни. Пока у звезды есть запас водорода, она излучает свет и тепло. Когда запасы топлива заканчиваются и звёздная печка выключается, нарушается баланс давления. Частицы вещества под действием силы тяжести устремляются внутрь, в центр звезды, и она начинает сжиматься. Этот процесс называется гравитационным сжатием.
Научный руководитель Чандрасекара — знаменитый физик-теоретик, астрофизик и математик — Ральф Фаулер считал, что гравитационное сжатие превращает любую звезду в белого карлика. Что это такое?
Владимир Сурдин: «Это звезда накануне своей смерти. То самое ядро, которое сжалось до большой плотности и уже лишено источников энергии. Такие ядра умирающих, или, можно сказать, уже умерших звёзд, мы называем белые карлики. Карлики – понятно, сильно сжатое ядро. Белые — потому что на первом этапе жизни оно ещё горячее и светит ярким белым светом».
Эта теория была принята в тридцатые годы большинством астрофизиков. Но работа молодого индийского аспиранта разрушила теорию его руководителя.
Чандрасекар вычислил структуру умирающей звезды и обнаружил, что белыми карликами становятся только те звёзды, чья масса не превышает одной целой и сорока четырех сотых солнечных масс.
Этот верхний предел массы получил впоследствии название «предел Чандрасекара».
А если звезда была массивней, то давление вырожденного газа не сможет противостоять её гравитации и звезда продолжит сжиматься. И во что же тогда она превратится?
Владимир Сурдин: «Во что? А вот мы уже не можем сказать во что. Теория относительности говорит, что сжатие нейтронной звезды приводит к совершенно уникальной ситуации. Формально она должна сжаться до нуля. То есть превратиться в маковое зёрнышко, даже меньше, чем маковое».
В 1932 году советский физик Лев Ландау предположил, что сверхмассивные звёзды в результате коллапса могут превращаться в точку сингулярности – объект с бесконечной массой и нулевым радиусом. И гравитация этой точки будет настолько велика, что она не просто искривит пространство и время, а поменяет их местами.
Сергей Попов: «Откуда пространство может приобретать кривизну? Обычно это иллюстрируют так. Представим себе эластичную плоскость, резиновую, например. Кладем на нее тяжелый предмет, например шарик. В космосе все крупные объекты более или менее круглые. Положили шарик, наша плоскость прогнулась. Вот это соответствует искажению пространства. Нам, жителям этой плоскости, будет казаться, что все шарики катятся в эту ямку, а на самом деле шарик исказил пространство вокруг себя и действительно все предметы чувствуют это искажение, двигаются в эту сторону. Чем более массивный и компактный шарик мы кладем, тем глубже он продавливает ямку. Ну вот есть такой предельный случай – чёрные дыры, когда вот эта ямка, она как бы окукливается и внутрь, с плоскости попасть можно, а наружу выбраться уже нельзя. Вот таким образом возникают чёрные дыры, которые можно называть даже не объектами, а областями пространства внутрь которых попасть можно, а наружу выбраться нельзя, потому что гравитация так свернула эту область».
В 1939 году два американских физика Роберт Оппенгеймер и Хартленд Снайдер построили теоретическую модель коллапсирующей звезды и получили в итоге… черную дыру! Невероятный объект, вся масса которого сосредоточена в точке сингулярности.
Правда, их выводы почти никто из великих ученых не принял. Сам Эйнштейн сомневался, что какая-нибудь звезда в состоянии самостоятельно превратиться в столь чудовищный объект.
Английский астрофизик Артур Эддингтон высказывался еще более категорично: «Должен существовать закон природы, не позволяющий звёздам вести себя столь нелепым образом».
Америка, 1964 год
Первого вероятного кандидата в сверхмассивные черные дыры удалось разглядеть в телескоп только в 1964 году — спустя четверть века после предположения американских учёных.
Борис Штерн: «Где-то в 60-х годах, в начале еще 60-х годов, появились странные звезды, ну не появились, а были обнаружены, которые были очень синими, у которых не было стандартных линий поглощения. Невозможно было сказать, что это такое. Какие-то новые странные элементы. Ну и где-то, по-моему, наверно в 64-м году, американец Мартин Шмидт, догадался сместить этот спектр на совершенно безумную величину, где-то на 10% от скорости света. И всё встало на свои места. Спектр превратился в спектр обычных элементов».
Что означало это смещение на десять процентов? Оно означало, что объект был расположен чрезвычайно далеко от нас — на расстоянии примерно двух с половиной миллиардов световых лет.
Борис Штерн: «И тогда получается, что яркость этого объекта просто безумная. Он светит, как целая Галактика, но он переменный, он меняет свою яркость. Галактика не может менять свою яркость, потому что это огромный объект, звезды не, не синхронизованы. Это значит, что это что-то очень маленькое. Это вызвало шок. Ну, люди стали думать, что это такое, были всякие гипотезы, совершенно фантастические, что это какое-то гигантское, быстро вращающееся тело, плазмоид и так далее. Но народ конечно быстро, в общем, догадался, что это гигантские чёрные дыры».
Продолжая изучать объект, который светил в триллионы раз ярче Солнца, Мартин Шмидт пришел к выводу, что имеет дело с мощным радиоисточником. И что существует только один механизм, позволяющий столь небольшому телу светиться с такой чудовищной яркостью – аккреция, то есть, процесс втягивания чёрной дырой вещества. Вещество, поглощаемое чёрной дырой, устремляется к её центру с невероятной скоростью, заряженные частицы вещества при этом разгоняются и сталкиваются, что приводит к сильному излучению света.
Борис Штерн: «Естественно, светит падающее на чёрную дыру вещество. Откуда оно берется? Ну, там, в центре Галактики, любой Галактики много чего там. Много звезд, много газа. Звезды даже иногда от столкновения друг с другом разрушаются. Если это чёрная дыра, то близко проходящие звезды тоже разрушаются. Всё это вещество, в конце концов, закручивается вокруг этой черной дыры в диск, называется аккреационным диском».
Первый кандидат в сверхмассивные чёрные дыры получил название квазар – от английского «quasi-stellar radiosource» — звездоподобный источник радиоволн. Сегодня число известных квазаров измеряется уже десятками тысяч. Физики полагают, что открытие каждого нового квазара означает открытие новой чёрной дыры.
Америка, 1967 год
Термин «чёрная дыра» появился в 1967 году, его ввел в обиход американский физик Джон Арчибальд Уилер. Название прижилось мгновенно. Действительно «чёрная», потому что её не видно. Действительно «дыра», потому что всё в нее падает, и ничто не возвращается обратно.
Сергей Попов: «Черную дыру наблюдать очень трудно, потому что она черная и она дыра. Есть, пожалуй, один экзотический процесс, хоккинговское излучение, когда сама черная дыра что-то излучает. Но пока мы его не видим, а кандидатов в черные дыры у нас много. Что же мы реально наблюдаем? Мы наблюдаем поведение вещества вокруг черных дыр. В редких случаях, как в случае с центром нашей Галактики, мы прямо видим, как звезда крутится вокруг центральной черной дыры, мы можем узнать, за сколько звезда делает оборот, на каком расстоянии, получаем массу этого центрального тела и говорим, что ничем, кроме черной дыры из современной физики мы это описать не можем».
Борис Штерн:
«- Вы с дядей Витей говорили: «Сомнений нет — дыру открыли».
Значит, вы врали с дядей Витей, раз ту дыру нельзя увидеть.
— Глупа ты, так судить об этом. Дыру открыли за обедом,
когда она, разинув пасть, вокруг большой звезды кружась,
Чтоб накопить побольше вес, свою звезду-соседку ест.
О том материя кричит, шлёт специальные лучи».
Чёрная дыра – один из самых загадочных, но в то же время, самых простых объектов Вселенной.
Если бы мы составляли таблицу физических параметров человека, нам пришлось бы вписать туда рост, вес, цвет глаз и волос и так далее, вплоть до количества сокращений сердечной мышцы.
Для любой чёрной дыры в подобной таблице было бы достаточно всего трёх строк: масса, электрический заряд и момент импульса. Но далеко не каждая чёрная дыра может похвалиться полным набором даже этих физических параметров.
Если физические параметры двух чёрных дыр совпадают, они считаются неразличимыми. Или, как однажды пошутил Джон Уилер, лысыми. С его легкой руки отсутствие «особых примет» у чёрных дыр стало называться «теоремой об отсутствии волос».
Швейцария, ЦЕРН, 2006 год
Странные свойства чёрных дыр породили множество мифов. В средствах массовой информации время от времени появляются страшилки про чёрные дыры, пожирающие целые галактики или насквозь прожигающие Солнце.
Сергей Попов: «Чёрные дыры, по всей видимости, являются очень популярным объектом, потому что они а) загадочные, б) пугающие, просто идеально для триллера».
В 2006 году группа гражданских активистов подала в суд на создателей Большого Адронного Коллайдера с требованием немедленно остановить запуск ускорителя и не дать уничтожить нашу планету. Дело было в том, что в печать просочились слухи, будто во время экспериментов по столкновению частиц в ускорителе возможно образование микроскопических черных дыр.
Владимир Сурдин: «Расчёты показывают, что иногда при столкновении протонов в этом гигантском ускорителе могут рождаться миниатюрные чёрные дыры. Ну, миниатюрное, это даже не то слово. Супермелкие – наночёрные дыры. И у журналистов возникло опасение – а если чёрная дыра начнёт сжирать всё вокруг себя, поглощать. Так вот скажу сразу, это невозможно. Дело в том, что уже надёжно установлено, что маленькие чёрные дыры долго не живут. Точнее говоря, не живут даже мгновение».
Не все частицы, родившиеся в окрестностях горизонта событий, проваливаются в черную дыру. Некоторым удается улизнуть. В 1974 году британский астрофизик Стивен Хокинг, которого называют одним из главных «чернодырщиков», доказал, что горизонт чёрной дыры излучает фотоны и другие элементарные частицы точно также, как и абсолютно чёрное тело, нагретое до определенной температуры. Этот эффект назвали излучением Хокинга или испарением чёрных дыр.
Владимир Сурдин: «Вот чем мельче чёрная дыра, тем интенсивнее она испаряется. И те чёрные дыры, которые родятся внутри Большого Адронного Коллайдера, если это даже произойдёт, не пролетят и миллиметра, не проживут и миллионной доли секунды. А превратятся в облачко фотонов, протонов, других элементарных частиц».
Сегодня во Вселенной уже обнаружено около тысячи объектов, которые с большой долей вероятности можно причислить к чёрным дырам.
Владимир Сурдин: «Нашли ли мы чёрные дыры? На сто процентов ни один астрофизик на это не скажет да. Но на 99 процентов уже может. Мы их нашли и в составе двойных звёзд. И ещё одно место, заветное место для астрономов, это ядра, точнее говоря – центры, самые центральные области гигантских галактик. Кстати, говоря, наша галактика одна из них. Мы живём в большой звёздной системе, у нас триста миллиардов звёзд, таких как солнце. И более массивных, и менее массивных, чем солнце. И вся эта система вращается вокруг плотной центральной конфигурации звёзд, где в самом-самом центре сидит объект, про который сегодня любой астрофизик скажет – на 99 процентов – это чёрная дыра с огромной массой».
Представляет ли эта чёрная дыра для нас опасность? Вряд ли. А даже если она и соберется когда-нибудь проглотить все звёзды нашей Галактики, включая Солнце, то мы об этом всё равно не узнаем. Не доживем. Ну, или, в крайнем случае, просто не почувствуем.
Борис Штерн:
«- Ой, ту звезду ужасно жаль мне. Всё это, папа, так печально!
Представь, что кто-нибудь насел вот на тебя, и так же б ел.
— Меня уже никто не съест! Есть от нападок масса средств.
А если б кто-то и посмел, я б сам его в два счёта съел».