Эти яркие «черные дырки»

Открытия на кончике пера. Когда-то они потрясали. Классический пример таких открытий — вычисление орбит двух самых дальних планет Солнечной системы — Нептуна и Плутона. Этот пример до сих пор принято приводить, как только речь заходит о значении теоретического метода. Сегодня мы рассказываем еще об одном теоретическом предсказании, которое грозит стать реальностью. О «черных дырках», или сколлапсировавших телах. Коллапс был предсказан общей теорией относительности А. Эйнштейна. Коллапс — это сжатие большой массы под действием собственного поля гравитации. «Черная дыра» — это результат коллапса.

Дом, разрушающий себя

Напомним основные мысленные построения, связанные с этим предсказанием А. Эйнштейна. Любое тело, у которого есть масса, притягивает к себе другие. Представим себе, что масса эта становится все больше. Притягивать она будет сильнее и сильнее. Сильней притягивает — труднее оторваться от него и улететь. Все больше так называемая вторая космическая скорость. И если масса тела продолжает расти, то рано или поздно наступает миг, когда вам потребуется разогнаться до скорости света, чтобы улететь. Еще чуть больше масса — и уже сам свет не сможет оторваться от «поверхности» такой «Земли». Ведь даже он не может двигаться быстрей себя. И устремившись, свет вернется, как вернется любая частица…

Это и есть черная дырка? Кстати, такой черной дыркой для внешних наблюдателей окажется наша Вселенная, радиус которой — около 10 миллиардов световых лет. Внутри этого клубка звезд сумма всех масс как раз достаточна, чтобы удержать, не выпустить даже луч света. Это и есть так называемая «граница нашего видимого мира», граница видимой Вселенной, или, как ее еще называют, «горизонт». За него ничто не может проникнуть из нашего мира.

Полученный на кончике пера, этот вывод общей теории относительности Эйнштейна, хотя и стал почти привычным, труден для самого изощренного воображения. Но по той же теории, возможны и такие «маленькие» черные дырки, по отношению к которым мы сами окажемся в роли внешних, сторонних наблюдателей. Для этого нужно только, чтобы плотность вещества в каком-то небесном теле в миллиарды раз превзошла плотность нашей Вселенной. Тогда «гравитационный радиус» соответственно в миллиарды раз уменьшится.

Земля, надежная и родная, пусть послужит нам примером. Вторая космическая скорость растет не только с ростом массы. Уменьшите радиус Земли вдвое при той же массе — и сила тяжести на ее поверхности возрастет вчетверо. Чтобы проверить это, достаточно школьной формулы закона тяготения Ньютона. Оторваться от такой Земли будет труднее, космическая скорость возрастет. Сжимаем дальше, тяжесть растет, и, наконец, когда радиус Земли достигнет нескольких метров, нам, чтобы улететь, понадобится скорость света. Таков гравитационный радиус для Земли. Слава тем силам, что поддерживают нашу планету изнутри и не дают ей сжаться!

Представьте себе реку. Широкая вода. Скорость течения пусть будет силой тяжести, увлекающей нас. Расход воды в единицу времени — аналог массы. Сохраним этот расход — массу, но сузим русло, то есть увеличим плотность.

Течение становится настолько сильным, что заходить в такую воду опасно. Так же опасно, как очутиться вблизи сверхплотного тела.

Но — дальше. Как будет чувствовать себя материя, когда ее сдавит сила тяготения, соизмеримая с силами внутреннего давления? Не случится ли так, что в какой-то момент под действием чудовищного веса она, подобно слишком большому дому, вдруг «рухнет внутрь себя»? Случится! Это и предсказала общая теория Эйнштейна в 1915 году: достаточно большая масса «холодной материи», если ее радиус меньше 300 гравитационных, начнет неудержимо сжиматься — коллапсировать. Материалу не устоять перед напором гравитационных сил, «дом рухнет» в себя.

«Черная дыра» (или «яма») — не единственное название для сколлапсировавшего тела. «Гравитационный гроб» — так назвал его ученый Я. Б. Зельдович, «вмороженные звезды»… Безумно далекий призрак, у которого «ободранные», без электронов ядра вещества неудержимо стремятся «внутрь», в центр и только туда, к той области, где кончается разнообразие. Остается лишь самое простое: масса, заряд, где смазаны различия, где все равны и царствует безысходность движения лишь внутрь.

Никто не возвращается оттуда…

Снаружи та область, где находится сколлапсиовавшее тело, должна показаться идеально черной. В том и смысл названия — «черная дыра»… Ни одного лучика света из нее не выбьется. Послав сигнал к такому объекту, мы будем тщетно ждать, пока он отразившись», вернется к нам. Ничто не возвращается из области, где находится «черная яма». Все, что туда попадает, теряет свое обличье, сохраняя лишь массу, заряд, момент количества движения и количество движения. Ничто не может приостановить коллапса, если тело сжалось настолько, что оказалось внутри критической поверхности, ограниченной гравитационным радиусом. Объект становится тогда принципиально ненаблюдаемым в том смысле, как мы представляем себе наблюдение. Это вовсе не значит, что «дырку» нельзя обнаружить, но… об этом речь дальше.

Вблизи коллапсирующей области и внутри нее пространство сильно «искривляется». Трудно представить себе, как может искривляться трехмерное пространство. Но можно вообразить двумерное пространство в виде натянутого резинового полотна.

Когда-то в каком-то месте плотность полотна станет очень большой — это все равно, что положить туда гирьку, — кривизна резко возрастает. Образуется ямка. Все, что движется свободно и по прямым линиям вблизи этой ямки, в том числе и свет, начинает вести себя необычно. И, главное, если яма глубока, попав в нее, ничто уже больше оттуда не возвратится.

Но есть еще координата — время. В четырехмерном мире Эйнштейна — Минковского это равноправная с пространственными координата. Внутри коллапсирующей области координаты меняются местами! Теперь направление хода времени для наблюдателя внутри коллапсирующей области — это направление уменьшения радиуса. Попасть на больший радиус у него не больше шансов, чем повернуть нашу обычную жизнь вспять. Он не может даже остановиться и продолжает «падать», ибо остановиться — это остановить время. Но, «к счастью» для такого наблюдателя, коллапс длится недолго. Так, если убрать внутреннее давление в Земле, то по нашим часам мы сколлапсируем за пять минут и попадем в так называемую сингулярность (особую точку, где плотность вещества равна бесконечности). Однако будем благоразумны и попробуем наблюдать коллапс извне.

Цена за безопасность велика. Извне мы сможем наблюдать только самое начало коллапса. Как только тело проходит свой «горизонт», всякая связь с ним прекращается. Никакой информации из этой области мы получить уже не сумеем. Сигналы «запутываются» в собственной неевклидовой геометрии «черной ямы» и наружу не выходят. Из-за этого нам будет казаться, что коллапс длится вечно.

Впервые геометрию «черной ямы» рассчитал Мартин Шварцшильд в 1916 году. А в 1963 Рой Керр построил геометрию для вращающейся массы, которая коллапсирует. И у нашего объекта появились дополнительные фантастические свойства. Радиус звезды огромен. Представьте, она сжимается, коллапсирует. Радиус уменьшается. И тогда, как фигуристка, прижавшая резко руки к телу, звезда завертится со скоростью волчка. Чем меньше радиус, тем скорей вращенье. И так до той поры, пока на поверхности вблизи экватора скорость не станет равна скорости света. У такой вращающейся «дырки» будет две критических поверхности. Одна — это все тот же «горизонт» и другая — поверхность так называемого бесконечного красного смещения. Ее радиус равен тому, при котором линейная скорость вращения достигает скорости света. Соприкасаются эти две поверхности только вблизи полюсов. Пространство между ними назвали эргосферой.

От «белых карликов» до «черной ями»

Объект с фантастической личиной, которая не похожа ни на что в привычном мире. Он не укладывается ни в какие рамки, но только до тех пор, пока нам не удастся вплести его в сеть других наших, уже более или менее устоявшихся представлений и фактов. Так, до Менделеева каждый новый элемент являл собою откровение, пока они все, связанные знаменитой таблицей, не покорились необходимости. Так и с «черными ямами». Оказалось, что черная дыра — не что иное, как довольно «массовый», по идее, «продукт» эволюции достаточно массивных звезд. Во всяком случае, так считают американские физики Р. Руффини и Дж. Уиллер, которым во многом обязана эта статья.

Довольно давно во Вселенной были открыты звезды, названные «белыми карликами». Это очень плотные звезды. Так «белый карлик» размером с Землю по массе равен нескольким солнечным. Когда этими сверхплотными звездами занялись вплотную и применили к ним теорию, то обнаружилось, что «карлики» с массой, большей чем 1,2 солнечной массы, — вещь неустойчивая и недолговечная. Такая звезда начнет сжиматься под действием сил собственного гравитационного поля. Так говорит теория. Сжимаясь, звезда превратится сначала в нейтронную звезду. Это звезда, у которой плотность вещества достигла ядерной плотности. Если «белый карлик» размером с Землю, как говорилось, будет иметь солнечную массу, то нейтронная звезда, такая же по массе, будет в поперечнике равна всего лишь нескольким десяткам километров.

Чудовищная плотность, но и на ней дело не кончается. Если сжатие продолжается, звезда может перейти в состояние сверхъядерной плотности, то есть сколлапсирует и превратится в нашу «черную дыру», или «гравитационный гроб». Следовательно, тот странный объект со множеством названий, о котором мы писали выше, — конечный итог эволюции «хорошо» известных нам в космосе звезд — «белого карлика» и нейтронной звезды. (Вращающиеся нейтронные звезды, как выяснилось, и есть знакомые нам пульсары.)

Правда, на самом деле не все так просто. Физика процесса, оговоримся — возможная физика, очень сложна. Могут пройти тысячи лет, пока масса ядра звезды «доберется» до состояния гравитационной неустойчивости. Причем, не обязательно она должна быть в точности равна критической. Она намного может ее превышать, и, тем не менее, коллапс долго не наступит. Так может быть, к примеру, когда гравитационные «объятия» будут уравновешены высоким внутренним давлением. Если звезда «горячая», то температуры внутри будут «раздувать» ее и уравновесят силы гравитации. Но стоит охладить звезду, как она мгновенно сколлапсирует.

Коллапс, коллапс, коллапс…

Сначала материал начинает «рушиться» и течь внутрь медленно — потом все ускоряясь. В какой-то миг большая часть вещества «сожмется», и силы гравитации возрастут, процесс еще ускорится. Внешняя оболочка звезды в этот момент отслаивается, не поспевая за ядром…

Далее — два пути. Если кинетическая энергия текущего к центру коллапсирующего вещества достаточна, чтобы перевести систему в состояние сверхъядерной плотности, то наступит полный коллапс и образуется «черная дыра». Если этой энергии не хватает, то коллапс задерживается на стадии ядерной или близкой к тому плотности. Остановка такой огромной массы, которая с огромной скоростью падала в центр, приводит к мгновенному превращению гигантской кинетической энергии в тепловую. Это все равно, что резко затормозить огромный тепловоз, в миллиарды тонн весом, который мчится на полном ходу. Скачок температуры приводит к взрывному росту давления внутри.

И вот окружающая оболочка, которая, помните, падала медленнее и отстала, отслоилась от основной массы, начинает ощущать это давление. Взрыв «внутрь» оборачивается взрывом «наружу». Оболочка разлетается, возникают космические лучи и тучи мчащихся во все стороны ионов. Возможный пример такой взорвавшейся звезды (их называют сверхновыми) — Крабовидная туманность с массой, приблизительно равной массе Солнца. Вот и еще одно родство установлено — сверхновая, несостоявшаяся черная дырка…

Вращение и магнитные поля могут сильно повлиять на эту картину. По мере сжатия, как уже говорилось, ядро будет все быстрее вращаться, чтобы сохранить прежний момент количества движения. При этом магнитные силовые линии, привязанные к плазме, а потому не поспевающие за вращением, наматываются на ядро подобно нитке на шпульку. Поскольку между этими линиями существуют силы отталкивания, это вызывает общее удлинение коллапсирующей «шпульки». Силовые линии несут с собой материю, которая в виде струй выбрасывается из полюсов.

Но если масса ядра велика, то на стадии ядерной плотности коллапс может замедлиться, но не остановиться. Гравитационные силы главенствуют. Система проскакивает состояние нейтронной звезды и — полный коллапс!

В поисках «черных ям»

Теперь, когда наш странный призрак обрел свое место в цепочке возможных превращений уже известных звезд, есть шансы на то, что его удастся вскоре «открыть» среди сверкающих огоньков на небе. Увидеть его, конечно, не удастся, услышать в радиотелескопе — тоже. Он ничего не излучает. Но все же какие-то свойства у «дыры» имеются: масса, заряд… Значит, она может влиять на орбиты видимых звезд. «Черная яма» может образовать с видимой звездой пару, которая будет вращаться, попеременно затмеваясь (затменно-переменные звезды). Она («дыра») может просто «выдернуть» из звезды «клок» вещества, и мы увидим вдруг струю, вытекающую из звезды в никуда! В тучах межзвездной пыли главной уликой, по которой мы обнаружим затаившуюся, невидимую опасность, будут потоки — струи вещества, устремленные в одно и то же место без видимых на то причин. А в случае двойной звезды, одна из которых — «дыра», меж ними может возникнуть перемычка из перетекающего вещества, чего в обычном случае не наблюдается.

Есть и другие «улики». Например, в момент, когда тело проходит свой гравитационный радиус, в тот последний момент общения с миром, оно посылает как прощальный крик мощное гравитационное излучение в пространство. Если в уже замкнувшуюся «дыру» падает межзвездный газ и вещество, то при переходе им критического радиуса должно возникнуть мощное электромагнитное излучение. Причем, как показали ученые, излучают в этом случае не отдельные частицы, а весь газ. Ибо по пути он нагревается до невообразимых температур. Нагревается за счет эффекта закручивания или водоворота. Представьте себе обычный всасывающий вентилятор. Струя дыма по мере приближения к нему сильно закручивается вокруг своей оси и сжимается в поперечнике. То же происходит и с падающим в «черную яму» звездным газом.

И, наконец, если дыра вращается, то частица может подлететь к ней, побывать в эргосфере и, не долетев до границы гравитационного радиуса, ускользнуть. Самое странное, что при этом частица еще приобретет энергию. Все дело в угле и скорости, с какой частицы влетают в эргосферу. Напомним, что эргосфера — это еще не дырка и возвращение из нее возможно. Но в таком случае коллапсировавшее тело может, в принципе, работать как генератор высокоэнергетических космических лучей, происхождение которых до сих пор остается загадкой.

Автор: Е. Цветков.