За горизонтом

Иллюстрация: James O'Brien, www.quantamagazine.org

Исследовав полученные приемниками данные, сотрудники LIGO (лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории) опубликовали свое открытие. Импульс оказался одним из тех сигналов, ради приема которых была построена гигантская установка для «ловли» гравитационных волн, – далеким эхом слияния двух черных дыр, произошедшего более миллиарда лет назад. Каждая из них была в 30 раз массивнее Солнца.

И черные дыры, и гравитационные волны давно уже были предсказаны общей теорией относительности Эйнштейна. Но первая регистрация гравитационных волн открыла эпоху гравитационно-волновой астрономии. Детектору LIGO посчастливилось «увидеть» событие, о котором физики грезили десятилетиями. Теперь можно с уверенностью утверждать, что черные дыры – реальные объекты, а не просто мысленный эксперимент! Мы находимся на пороге новой эры наблюдательной астрофизики – «эры, в которой черные дыры будут играть первую скрипку».

Фото: www.simonsfoundation.org

Стивен Габсер – профессор физики Принстонского университета, член Американского физического общества, автор и соавтор более 120 статей, а также «Маленькой книги о большой теории струн». Обладатель ряда наград за достижения в научной деятельности, среди которых – Медаль Грибова, присуждаемая Европейским физическим обществом, и Премия Блаватника.

Фото: www.pr-princeton.edu

Франс Преториус – физик-теоретик из Принстонского университета и автор нового исследования, посвященного черным мини-дырам. Преториус выяснил, что черные дыры потенциально могут возникать в любом месте во Вселенной, в том числе в непосредственной близости от Земли.

Книгу перевел легендарный пулковский астроном Кирилл Масленников, известный как Астродед. Научным редактором выступил Владимир Сурдин – самый авторитетный специалист в российской астрономии, кандидат физико-математических наук, доцент МГУ, популяризатор науки, лауреат Беляевской премии и премии «Просветитель».

Черные дыры, по мнению Габсера и Преториуса, это «лаборатории для теоретиков, где последние могут отточить свое понимание не только тяготения, но также и квантовой механики, и теплофизики». В первых двух главах «Маленькой книги о черных дырах» они простым языком объясняют специальную и общую теории относительности. В последующих – доступно и интересно рассказывают о шварцшильдовских черных дырах (названных так в честь их первооткрывателя Карла Шварцшильда), вращающихся черных дырах, столкновении черных дыр, гравитационном излучении, излучении Хокинга и потере информации в черной дыре. Ведь черная дыра – область пространства-времени, которая стягивает в себя вещество и из которой невозможно выбраться.

Взять, например, самые простые черные дыры, называемые шварцшильдовскими. Мы знаем, что в черную дыру «падают», но не знаем, куда мы в конце концов упадем. Скорее всего, в центре дыры лежит плотное, сильно сжатое материальное ядро. Столкновение с ним означает конец всего, даже времени. Проверить это предположение нельзя: ни один наблюдатель, который рискнул бы отправиться в черную дыру, не мог бы даже сообщить нам о том, что он видит. Почему?

Есть такое понятие – «скорость убегания», или вторая космическая скорость. Это скорость, с которой нужно запустить объект с Земли, чтобы он вырвался за пределы ее гравитационного поля и двигался вверх вечно. Так вот, из черной дыры «убежать» невозможно. Все дело в плотности. Во Вселенной самая большая плотность встречается в нейтронных звездах: в крохотных сферах диаметром всего 24 км помещается 1,5 массы Солнца! Обычное вещество будет полностью расплющено по поверхности такой звезды ее чудовищной гравитационной силой, примерно в 100 млрд раз превышающей силу тяжести на Земле. При радиусе в 12 км скорость убегания составит примерно 60 % скорости света. Представим себе, что нам удалось сжать нейтронную звезду еще сильнее. Если мы доведем ее радиус до 4,5 км, скорость убегания достигнет скорости света. Продолжим сжатие, и характер поля тяготения полностью изменится. Никакая форма материи уже не сможет преодолеть силу гравитации. Двигаться во времени – будет означать неизбежно и бесповоротно стремиться внутрь сферы вдоль ее радиуса. Вырваться невозможно. Это и есть черная дыра.

C ЧЕРНЫМИ ДЫРАМИ НЕРАЗРЫВНО СВЯЗАНА ИДЕЯ «ГОРИЗОНТА СОБЫТИЙ». Габсер и Преториус предлагают представить его как «поверхность черной дыры», только в геометрическом смысле она будет двумерной областью в трехмерном пространстве. Например, горизонт шварцшильдовской черной дыры представляет собой идеальную сферу, радиус которой называют радиусом Шварцшильда. Но у горизонта черной дыры есть одна странность: он не является поверхностью чего-то конкретного. Пролетая сквозь него, вы не заметите ничего особенного. Вот только если вы захотите повернуть обратно и выйти наружу, ничего у вас не получится. Неважно, какие усилия вы будете для этого прикладывать – пользоваться ракетой, лазерной пушкой или чем-нибудь еще. Неважно, какую помощь будут пытаться вам оказать снаружи. Снова оказаться на внешней стороне горизонта или хотя бы послать наружу сигнал SOS невозможно. «Образно говоря, на горизонте черной дыры вы будто на кромке водопада, с которой пространство-время мощным потоком неотвратимо низвергается в сингулярность – а в ней разрушается все», – пишут Габсер и Преториус.

Схема геометрии черной дыры. Вдалеке от горизонта пространство-время плоское. С приближением к горизонту оно все больше искривляется, но при этом остается независимым от времени, или статическим. Однако после пересечения горизонта пространство-время становится динамическим: с течением времени два из пространственных измерений (имеющих сферическую геометрию) сжимаются, а третье (не показанное на рисунке) удлиняется, и это происходит до тех пор, пока все пространство не вытянется и не сожмется в бесконечно длинную и тонкую сингулярность.

КАК ВОЗНИКАЮТ ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ? Авторы описывают два наиболее вероятных механизма. Когда в недрах массивных звезд заканчивается ядерное горючее, они обрушиваются внутрь самих себя. Происходит коллапс и – ба-бах! – вспышка сверхновой, то есть звездное вещество выбрасывается в пространство. Но на месте взрыва все же может остаться слишком много вещества – оно и образует черную дыру. А вот черные дыры в центрах галактик, по-видимому, гораздо больше, и процесс их образования до сих пор неясен: возможно, он связан с существованием темного вещества, с физикой очень ранней Вселенной или и с тем, и с другим. Черные дыры в центрах галактик имеют невероятно большие массы: от тысяч до миллиардов масс Солнца. «Одно такое чудовище, по-видимому, находится в центре Млечного Пути, – утверждают авторы. – В нем около 4 млн солнечных масс».

Странности начинаются, когда выясняется, что черные дыры в действительности не такие уж черные. Методами квантовой механики Стивен Хокинг доказал, что черные дыры имеют определенную температуру, связанную с их поверхностным тяготением. Появилась целая научная дисциплина, известная как термодинамика черных дыр, – об этом подробнее говорится в седьмой главе книги. Также вы узнаете, что произойдет, если две черные дыры окажутся соединены кротовой норой.

Существование черных дыр подталкивает нас к поистине странным вопросам, пишут Габсер и Преториус. А не могут ли они когда-нибудь стать полезными человеку? Что же в действительности находится внутри них? Как можно представить себе падение в черную дыру? А может быть, мы уже падаем в нее и просто еще не знаем об этом?