Таинственные явления природы и Вселенной - Сергей Минаков

Численное значение радиуса, при котором скорость света уравнивается со второй космической скоростью, нетрудно рассчитать для любого тела, если известна его масса. Эту величину принято называть гравитационным радиусом (rg), и она вычисляется по формуле rg = 2GM/c2, где G — это просто постоянный коэффициент, число, а с — скорость света в пустоте. В случае Земли, как говорилось выше, гравитационный радиус составит 9 мм, для Солнца он будет равен 3 км, а очень массивные тела (порядка нескольких миллиардов масс Солнца) будут иметь гравитационный радиус, превосходящий размеры Солнечной системы. Такие сверхмассивные черные дыры, как считают ученые, встречаются в ядрах спиральных галактик.

Черная дыра — странный объект. Внутри нее нет никакого вещества. Почему? Потому что она состоит из пустоты, из физического вакуума. Впрочем, в прошлой главе мы убедились, что вакуум не так уж пуст. А центр черной дыры — это сингулярность. По сути, такая же, как сингулярность классической космологии — точка начала нашей вселенной. В сингулярности сосредоточена вся масса черной дыры. Но мы же знаем уже, что пустота имеет вес!

На самом деле, никаких чудес — просто квантовая теория. Для точного объяснения того, что происходит в центре черной дыры, нужна теория квантовой гравитации. Пространство и время описываются там в терминах квантовых флуктуаций, так что сама структура того и другого меняется в течение каждого планковского интервала времени — 10–43 с, в планковском объеме — 10–99 см, а плотность энергии этого пространственно-временного кипения тоже планковская, предельно большая, больше просто не бывает: 1093 г/см3. Со всеми этими величинами вы, впрочем, уже знакомы.

Если вокруг черной дыры на расстоянии ее гравитационного радиуса обозначить условную сферу, то мы получим некую физическую границу, не условную, а вполне реальную, называемую горизонтом событий, или сферой Шварцшильда, по имени ее первооткрывателя. Конечно, сфера Шварцшильда — это не экран из вещества. Это гравитационный экран. Все, что находится под горизонтом событий, принципиально недоступно наблюдению — гравитация не выпускает.

Согласно ОТО (а у нас, как мы знаем, нет причин сомневаться в ее правильности), ход времени зависит от силы тяжести. Чем массивнее тело, тем медленнее течет время на его поверхности. Вот мы сидим в нашем уютном звездолете, у иллюминатора, или даже дома, в нашем любимом кресле, у окна и наблюдаем черную дыру и ее окрестности. Мы бросаем взгляд на свои часы — и что же мы видим? По мере приближения к горизонту событий время любых событий будет замедляться. А для событий на границе сферы Шварцшильда время по показаниям наших часов останавливается вовсе.

В этом месте объяснений обычно приводят пример незадачливого путешественника, оказавшегося в окрестностях черной дыры.

Итак, есть путешественник (назовем его для определенности Петром), который отправляется к черной дыре. Есть его товарищ (мы станем звать его Павлом), который наблюдает за Петром с некоторого безопасного расстояния. Петр и Павел — апостолы науки. Что же они увидят, тот и другой?

Павел обнаружит, что скорость Петра по мере приближения к горизонту событий стремится к полному нулю. Он приближается к черной дыре все медленнее и медленнее, пока совсем не останавливается на линии горизонта. Далее, когда бы Павел ни поинтересовался, что же там делает Петр, он всякий раз будет отмечать, что с Петром ничего не происходит, он все висит и висит неподвижно на границе сферы Шварцшильда. Павел так и не увидит, как Петр пересечет горизонт! Правда, Павел увидит, как Петр будет все сильнее и сильнее отливать красным, как Солнце на закате, затем образ Петра будет меркнуть, тускнеть, пока вовсе не исчезнет.

Теперь посмотрим на происходящее глазами Петра. Приближаясь к черной дыре, он не наткнется ни на какие границы и без труда пересечет горизонт событий. Ну а дальше… Скорее всего, еще до того, как наш храбрый, но некомпетентный Петр увидит что-нибудь интересное, он будет разорван на части или растянут, благодаря так называемому приливному эффекту. Дело в том, что гравитационное поле разнится в зависимости от расстояния до массивного объекта: часть, которая ближе к его центру, притягивается сильнее. Чем плотность объекта больше, тем гравитация сильнее и тем больше разница между гравитационными силами, действующими, скажем, на ноги и голову нашего Петра. Черная дыра очень плотная. Следовательно, ее гравитация очень велика и эффект из-за этой разницы будет существенен на расстояниях, которые сравнимы с ростом человека. Да, да, наш Петр просто превратится в спагетти! Для приливного растяжения в черной дыре даже существует особый термин — spaghetification («спагеттификация»). Более того, расстояние, на котором уже существенен приливной эффект, по мере продвижения к центру черной дыры очень быстро уменьшается. Бедный Петр все равно «спагеттизируется», если не целиком, от носа к пяткам, то, так сказать, «помолекулярно»; он будет похож не на одну большую макаронину, а на порцию спагетти. Но ему это уже будет безразлично.

Но главный драматический момент состоит в том, что ни поведать о своих впечатлениях от увиденного под горизонтом черной дыры, ни позвать на помощь наш бедный Петр не сможет. Принципиально не сможет: никакая информация не способна преодолеть горизонт черной дыры в обратном направлении, от центра! Ну, если только носитель информации будет квантовый — но это уже по части научной фантастики.

И все же, перед тем как «спагеттизироваться», что же Петр увидит? По мере приближения к черной дыре он заметит, что вид неба странным образом искажается, как будто оно уменьшается в размерах и искривляется. Затем абсолютная чернота черной дыры начнет перекрывать обзор. Так Петр пересечет то, что называется «фотонной сферой». На этом расстоянии от горизонта событий свет еще не втягивается в черную дыру, но и не может уже от нее оторваться вследствие гравитации. Фотоны света крутятся вокруг черной дыры по орбите, подобно орбитальному спутнику Земли. Поэтому, глядя вперед или немного в сторону, Петр мог бы видеть собственный затылок: свет, отраженный от его затылка, обернется вокруг черной дыры, вернется обратно и попадет на его сетчатку. Затем, по мере приближения к центру, Петр увидит, как позади него все небо уменьшается в размерах и стягивается в точку. Впрочем, если черная дыра была достаточно большой, то на горизонте событий Петр может довольно сносно и даже комфортно провести еще несколько часов. Затем станет очень больно.

А что будет потом? Никто точно не знает. Конечно, Петра уже не будет в живых. Но элементарные частицы, из которых состояло его тело на квантовом уровне, могут появиться где-нибудь в нашей вселенной или в какой-то другой вселенной классического типа, или утонуть в море инфлирующего вакуума. Некоторые ученые считают, что если черная дыра движется, она может породить то, что в астрофизике называется wormholes — «червоточина». По сути, червоточина — это магистраль квантового тунеллирования, о котором речь шла в предыдущей главе. Частицы, из которых раньше состоял Петр, могут внезапно оказаться в точке пространства, где они никак не могли бы оказаться, двигаясь по нему даже со скоростью света! Возьмем обычный лист бумаги и отметим самые далекие друг от друга точки. Но если мы согнем наш лист и приложим эти точки одна к другой, расстояние между ними сократится до нуля! Что-то подобное происходит и в случае с червоточиной.

Все без исключения черные дыры неразличимы: каковы бы ни были начальные условия их формирования, в итоге всегда одно и то же. Любая черная дыра характеризуется всего лишь тремя параметрами: массой, угловым моментом (спином) и электрическим зарядом. И все, что в нее проваливается, тоже утрачивает индивидуальные характеристики.

Если еще 20–30 лет назад черные дыры считались изящной теоретической спекуляцией, а в их реальном существовании было позволительно сомневаться, то сегодня 99 % астрофизиков убеждены, что черные дыры уже открыты. К настоящему времени обнаружено свыше 20 рентгеновских объектов в маломассивных двойных системах, которые считаются кандидатами в черные дыры. Если же к этому списку добавить сверхмассивные черные дыры в ядрах галактик, то насчитаем их более трех сотен.

В некотором смысле черные дыры — создатели галактик, так как они тянут планеты и звезды к спиральному центру. У каждой галактики есть черная дыра, и иногда галактики сталкиваются вместе из-за гравитации более крупных черных дыр.

Все подобные объекты можно разделить на три типа: 1) черные дыры с массой от 3 до 50 солнечных масс, представляющие собой продукт эволюции массивных звезд; 2) сверхмассивные черные дыры в ядрах галактик, достигающие 106–109 масс Солнца; 3) так называемые первичные черные дыры, образовавшиеся на ранних стадиях Вселенной. Своим появлением на свет они обязаны локальным деформациям метрики пространства-времени в первые моменты после Большого взрыва, задолго до того, как зажглись первые звезды. Поскольку черные дыры постепенно «испаряются» (это доказал Стивен Хокинг), до наших дней могли дожить первичные черные дыры только с массой более 1012 кг.