Космология черной дыры. Жизнь внутри черной дыры

Федор Дергачев

Черная дыра с массой Вселенной?

При сравнении физики черных дыр и процессов Большого взрыва у меня появился вопрос. Я хочу подробно рассмотреть его в одной из последующих частей моей новой статьи «Земля и Вселенная» , которую начал публиковать в «Живом журнале»:

Часть 1

Из вышеуказанного сравнения получается, что в первые секунды после Большого Взрыва материя, составляющая наблюдаемую часть Вселенной, находилась в условиях, аналогичных тем, которые описывает теория черных дыр !

Но, не исключаю, что при формулировке вопроса я что-либо не учел. Жду откликов…

Черные дыры

«Если эффекты специальной теории относительности становятся наиболее очевидными при больших скоростях движения тел, то общая теория относительности выходит на сцену, когда тела имеют очень большую массу и вызывают сильное искривление пространства и времени.
…Открытие, сделанное во время Первой мировой войны немецким астрономом Карлом Шварцшильдом, когда он, находясь в 1916 г. на русском фронте, в перерывах между расчетом траекторий артиллерийских снарядов знакомился с достижениями Эйнштейна в области гравитации. Удивительно, что спустя всего несколько месяцев после того, как Эйнштейн нанес завершающие мазки на полотно обшей теории относительности, Шварцшильд сумел, используя эту теорию, получить полную и точную картину того, как искривляются пространство и время в окрестности идеально сферической звезды. Шварцшильд послал полученные им результаты с русского фронта Эйнштейну, который по его поручению представил их Прусской академии.
Помимо подтверждения и математически точного расчета искривления, которое мы схематически показали на рис. 3.5, работа Шварцшильда - известная в настоящее время под названием «решения Шварцшильда» - выявила одно поразительное следствие общей теории относительности. Было показано, что если масса звезды сосредоточена в пределах достаточно малой сферической области (когда отношение массы звезды к ее радиусу не превосходит некоторого критического значения), то результирующее искривление пространства‑времени будет столь значительным, что никакой объект (включая свет), достаточно приблизившийся к звезде, не сможет ускользнуть из этой гравитационной ловушки. Поскольку даже свет не сможет вырваться из таких «сжатых звезд», первоначально они получили название темных, или замороженных, звезд. (Это название принадлежит советским ученым Я. Б. Зельдовичу и И. Д. Новикову. - Прим. ред) Более броское название было предложено годы спустя Джоном Уилером, который назвал их черными дырами - черными, потому что они не могут излучать свет, и дырами, потому что любой объект, приблизившийся к ним на слишком малое расстояние, никогда не возвращается назад. Это название прочно закрепилось и устоялось. Решение Шварцшильда иллюстрируется на рисунке. Хотя черные дыры известны своей «прожорливостью», тела, которые проходят мимо них на безопасном расстоянии, отклоняются точно так же, как они отклонились бы под действием обычной звезды, и следуют дальше своей дорогой. Но тела любой природы, подошедшие слишком близко, ближе, чем на расстояние, которое называется горизонтом событий черной дыры, приговорены — они будут неуклонно падать к центру черной дыры, подвергаясь действию все более интенсивных и становящихся, в конце концов, разрушительными гравитационных деформаций .

Черная дыра искривляет структуру окружающего пространства‑времени настолько сильно, что любой объект, пересекающий ее «горизонт событий» — обозначенный черной окружностью — не может ускользнуть из ее гравитационной ловушки. Никто не знает в точности, что происходит в глубинах черных дыр.

Если, например, вы подплываете к центру черной дыры ногами вперед, то при пересечении горизонта событий вы будете ощущать растущее чувство дискомфорта. Гравитационное притяжение черной дыры возрастет столь значительно, что оно будет притягивать ваши ноги гораздо сильнее, чем голову (ведь ноги будут несколько ближе к центру черной дыры, чем голова), настолько сильно, что сможет быстро разорвать ваше тело на куски.
Если же вы будете благоразумнее в странствиях в окрестностях черной дыры и позаботитесь о том, чтобы не пересекать ее горизонт событий, то можно использовать черную дыру для замечательного трюка. Представим, например, что вы обнаружили черную дыру, масса которой в 1000 раз превышает массу Солнца, и спускаетесь на тросе, точно так же, как Джордж спускался на Солнце, до высоты 3 см над горизонтом событий. Как мы уже отмечали, гравитационные поля вызывают искривление времени, это означает, что ваше путешествие во времени замедлится. В действительности, поскольку черные дыры имеют столь сильные гравитационные поля, ход вашего времени замедлится очень сильно. Ваши часы будут идти примерно в десять тысяч раз медленнее, чем часы вашего друга, оставшегося на Земле. Если вы провисите над горизонтом событий черной дыры в таком положении один год, а потом вскарабкаетесь по тросу назад на ожидающий вас неподалеку космический корабль для короткого, но приятного путешествия домой, то по возвращении вы обнаружите, что с момента вашего отбытия прошло более десяти тысяч лет. Вы можете использовать черную дыру в качестве своего рода машины времени, которая позволит вам попасть в отдаленное будущее Земли.
Чтобы почувствовать всю грандиозность масштабов этих явлений, отметим, что звезда массой, равной массе Солнца, станет черной дырой, если ее радиус будет составлять не наблюдаемое значение (около 700 000 км), а всего лишь около 3 км. Вообразите, что все наше Солнце сжалось до размеров Манхэттена. Чайная ложка вещества такого сжатого Солнца будет весить столько же, сколько гора Эверест. Чтобы сделать черной дырой нашу Землю, мы должны сжать ее в шарик радиусом менее сантиметра. В течение долгого времени физики скептически относились к возможности существования таких экстремальных состояний материи, многие из них считали, что черные дыры являются всего лишь издержками разгулявшегося воображения перетрудившихся теоретиков.
Однако в течение последнего десятилетия накопилось достаточно много наблюдательных данных, подтверждающих существование черных дыр. Конечно, поскольку они являются черными, их нельзя наблюдать непосредственно, исследуя небосвод с помощью телескопа. Вместо этого астрономы пытаются обнаружить черные дыры по аномальному поведению обычных излучающих свет звезд, расположенных поблизости от горизонтов событий черных дыр. Например, когда частицы пыли и газа из внешних слоев находящихся по соседству с черной дырой обычных звезд устремляются в направлении горизонта событий черной дыры, они разгоняются почти до световой скорости. При таких скоростях трение в газопылевом водовороте засасываемого вещества приводит к выделению огромного количества тепла, заставляющего газопылевую смесь светиться, излучая обычный видимый свет и рентгеновское излучение. Поскольку это излучение генерируется вне горизонта событий,оно может избежать попадания в черную дыру. Это излучение распространяется в пространстве, оно может непосредственно наблюдаться и изучаться. Общая теория относительности детально предсказывает характеристики такого рентгеновского излучения; наблюдение этих предсказанных характеристик дает убедительные, хотя и косвенные подтверждения существования черных дыр. Например, имеется все больше свидетельств в пользу того, что очень массивная черная дыра, масса которой в два с половиной миллиона раз превосходит массу нашего Солнца, расположена в центре нашей Галактики. Но даже эти прожорливые черные дыры бледнеют по сравнению с теми, которые, по мнению астрономов, расположены в центрах рассеянных по всему космосу сияющих ошеломляюще ярким светом квазаров. Это черные дыры, массы которых в миллиарды раз превосходят массу Солнца.
Шварцшильд умер всего через несколько месяцев после того, как нашел свое решение. Он умер от кожного заболевания, которым заразился на русском фронте. Ему было 42 года. Его трагически краткое знакомство с теорией гравитации Эйнштейна открыло одну из наиболее ярких и таинственных граней жизни Вселенной». (« » , стр. 31),

«Теоретическая данность под названием «чёрная дыра», для которой сравнение с адом напрашивается само, в сущности, так и остаётся теоретической, хотя астрономы сформировали довольно стройную, на первый взгляд, картину физики чёрных дыр, причин их образования и воздействия на пространственно-временной континуум.

В сущности говоря, чёрной дырой астрономы называют не какой-то физический объект, а область в пространстве-времени, в которой гравитационное притяжение настолько велико, что ничто, даже свет, не могут проникнуть наружу - за «горизонт событий».

Доминирующая теория гласит, что чёрные дыры возникают на месте выгоревших массивных звёзд: при коллапсе светила плотность вещества становится настолько высокой, что гравитационное притяжение в этой области начинает втягивать в себя окружающую материю» . (« » ).

«Как известно, пока наблюдениями зафиксировано только два вида чёрных дыр - звёздной массы (образующиеся в результате гравитационного коллапса массивных звёзд) и сверхмассивные (которые по одной из гипотез являются результатом слияния первых). Ни одна гипотеза образования сверхмассивных чёрных дыр не является более-менее аргументированной, в т.ч. гипотеза слияния, для доказательства которой и требуется хотя бы одна достоверно известная чёрная дыра промежуточной массы». (Август 2008 года)

Черные дыры - результат гравитационного коллапса массивных звёзд. Их достаточно подробно описывают в научной и популярной литературе.

Механизм «ловушки» - искривление пространства‑временипод влиянием сил чудовищной гравитации. «И скривление пространства‑времени будет столь значительным, что никакой объект (включая свет), достаточно приблизившийся к звезде, не сможет ускользнуть из этой гравитационной ловушки».

Большой Взрыв с позиции теории «черных дыр»

«Согласно всем существующим теориям большого взрыва, вначале Вселенная представляла собой точку пространства бесконечно малого объема, имевшую бесконечно большую плотность и температуру». («Большие проблемы Большого взрыва. Проблематичная сингулярность» ).

«Несмотря на большой успех, горизонты теории Большого взрыва далеко не безоблачны...

Непонятно, почему на одном и том же расстоянии спиральные галактики имеют всегда бОльшие «красные смещения», чем эллиптические галактики (подробнее см. в кн. В.П. Чечев, Я.М. Крамаровский «Радиоактивность и эволюция Вселенной». М., «Наука», 1978).

Наконец, недавно выяснилось, что скорости галактик относительно фона реликтового излучения очень малы. Они измеряются не тысячами и десятками тысяч километров в секунду, как это следует из теории расиряющейся Вселенной, а всего лишь сотнями километров в секунду . Выходит, что галактики практически покоятся относительно реликтового фона Вселенной, который по ряду причин можно считать абсолютной системой отсчета галактики (подробнее см. в кн. «Развитие методов астрономических исследований» (А.А. Ефимов. «Астрономия и принцип относительности»). М., «Наука», 1979, стр. 545).

Как преодолеть эти трудности, пока неясно». (Зигель Ф.Ю. «Вещество Вселенной». - М.; «Химия», 1982, раздел «Родословная химических элементов», глава «Синтез элементов», стр. 166-167).

После Большого взрыва

«Большой взрыв - это стремительное падение изначально огромной плотности, температуры и давления вещества, сконцентрированного в очень малом объёме Вселенной. В начальный момент Вселенная имела гигантскую плотность и температуру. На первой секунде своего существования мир имел плотность ~ 10 5 г/cм 3 и температуру 10 10 К. Современная температура ближайшей к нам звезды - Солнца в тысячу раз меньше.
В течение короткого промежутка времени после Большого взрыва - всего 10 -36 сек - крохотная Вселенная была заполнена фундаментальными частицами. Эти частицы, в отличие от нуклидов, протонов и нейтронов - неделимы. Из них и состоят, собственно, протоны и нейтроны - основа ядерной материи. Это - фундаментальные фермионы, взаимодействующие друг с другом посредством единого, на тот период развития Вселенной, фундаментального взаимодействия. Как происходило такое взаимодействие? Через частицы. Они называются бозонами. Их четыре: фотон (гамма-квант), глюон и два бозона - W и Z. А сами фундаментальные частицы, т.е. фермионы - это шесть видов кварков и шесть видов лептонов.
Именно эта группа частиц из 12 фермионов, взаимодействующих друг с другом посредством 4-х бозонов, по сути, и есть зародыш Вселенной…

А пока вернёмся к расширяющейся Вселенной первых мгновений её существования.
Современная физика полагает, что частицы - фермионы и бозоны, появившиеся сразу после Большого взрыва, неделимы. «Полагает» - означает, что нет пока никаких сведений об их внутреннем строении. Фермионы и бозоны были безмассовыми где-то вплоть до 10 -10 сек развития Вселенной и составляли, так называемый “кипящий суп”, крохотной Вселенной. Они взаимодействовали друг с другом по единому закону Великого объединения.
На 10 -36 сек эпоха Великого объединения рухнула. Характер взаимодействия частиц начал меняться. Слияние частиц и образование более тяжёлых было невозможным, пока Вселенная имела высокую температуру.
Охлаждение Вселенной продолжалось в течение 1 микросекунды ». (М.И. Панасюк «Странники Вселенной или эхо Большого взрыва»).

Вопрос

Рассмотрение Большого Взрыва с позиции теории черных дыр приносит поразительные результаты. Итак, «чёрной дырой астрономы называют область в пространстве-времени, в которой гравитационное притяжение настолько велико, что ничто, даже свет, не могут проникнуть наружу ».

Но область, в которой сосредоточена материя в первые мгновения после Большого Взрыва как раз и должна являться таковой . Самые крупные («сверхмассивные») черные дыры (в центре галактик и в квазарах) достигают массы, в миллионы раз превосходящей солнечную. Но масса наблюдаемой Вселенной, по современным оценкам, превышает массу Солнца более чем в 10^20 раз - это 100 квинтиллионов (1 квинтиллион = 1 миллиард миллиардов)! Я человек не эмоциональный, но, тем не менее, уж и не знаю, сколько восклицательных знаков здесь ставить.

И вся эта огромная масса не создавала такую чудовищную силу гравитации,что искривление пространства‑времени не вызвало эффекта «черной дыры»? Для материи, расширяющейся во время Большого взрыва, время должно было замедлиться настолько, что из «горизонта событий» она не выбралась бы до сих пор . Это полностью исключило бы дальнейшее «разлетание» материи, составляющей впоследствии наблюдаемую часть Вселенной. Налицо логическое противоречие - либо наука неправильно понимает процессы Большого Взрыва, либо неверна теория черных дыр !

Ф. Дергачев «Черная дыра с массой Вселенной?» Часть 2

С. ТРАНКОВСКИЙ

Среди наиболее важных и интересных проблем современной физики и астрофизики академик В. Л. Гинзбург назвал вопросы, связанные с черными дырами (см. "Наука и жизнь" №№ 11, 12, 1999 г.). Существование этих странных объектов было предсказано более двухсот лет назад, условия, приводящие к их образованию, точно рассчитали в конце 30-х годов XX века, а вплотную астрофизика занялась ими менее сорока лет назад. Сегодня научные журналы мира ежегодно публикуют тысячи статей, посвященных черным дырам.

Образование черной дыры может происходить тремя путями.

Так принято изображать процессы, идущие в окрестностях коллапсирующей черной дыры. С течением времени (Y) пространство (X) вокруг нее (закрашенная область) сжимается, устремляясь к сингулярности.

Гравитационное поле черной дыры вносит сильнейшие искажения в геометрию пространства.

Черная дыра, невидимая в телескоп, обнаруживает себя только по своему гравитационному воздействию.

В мощном поле тяготения черной дыры происходит рождение пар частица-античастица.

Рождение пары частица-античастица в лаборатории.

КАК ОНИ ВОЗНИКАЮТ

Светящееся небесное тело, обладающее плотностью, равной плотности Земли, и диаметром, в двести пятьдесят раз превосходящим диаметр Солнца, из-за силы своего притяжения не даст своему свету достигнуть нас. Таким образом, возможно, что самые большие светящиеся тела во Вселенной именно по причине своей величины остаются невидимыми.
Пьер Симон Лаплас.
Изложение системы мира. 1796 год.

В 1783 году английский математик Джон Митчел, а спустя тринадцать лет независимо от него французский астроном и математик Пьер Симон Лаплас провели очень странное исследование. Они рассмотрели условия, при которых свет не сможет покинуть звезду.

Логика ученых была проста. Для любого астрономического объекта (планеты или звезды) можно вычислить так называемую скорость убегания, или вторую космическую скорость, позволяющую любому телу или частице навсегда его покинуть. А в физике того времени безраздельно господствовала ньютоновская теория, согласно которой свет - это поток частиц (до теории электромагнитных волн и квантов оставалось еще почти полтораста лет). Скорость убегания частиц можно рассчитать исходя из равенства потенциальной энергии на поверхности планеты и кинетической энергии тела, "убежавшего" на бескончно большое расстояние. Эта скорость определяется формулой #1#

где M - масса космического объекта, R - его радиус, G - гравитационная постоянная.

Отсюда легко получается радиус тела заданной массы (позднее получивший название "гравитационный радиус r g "), при котором скорость убегания равна скорости света:

Это значит, что звезда, сжатая в сферу радиусом r g < 2GM /c 2 , перестанет излучать - свет покинуть ее не сможет. Во Вселенной возникнет черная дыра.

Несложно рассчитать, что Солнце (его масса 2 . 10 33 г) превратится в черную дыру, если сожмется до радиуса примерно 3 километра. Плотность его вещества при этом достигнет 10 16 г/см 3 . Радиус Земли, сжатой до состояния черной дыры, уменьшился бы примерно до одного сантиметра.

Казалось невероятным, что в природе могут найтись силы, способные сжать звезду до столь ничтожных размеров. Поэтому выводы из работ Митчела и Лапласа более ста лет считались чем-то вроде математического парадокса, не имеющего физического смысла.

Строгое математическое доказательство того, что подобный экзотический объект в космосе возможен, было получено только в 1916 году. Немецкий астроном Карл Шварц-шильд, проведя анализ уравнений общей теории относительности Альберта Эйнштейна, получил интересный результат. Исследовав движение частицы в гравитационном поле массивного тела, он пришел к выводу: уравнение теряет физический смысл (его решение обращается в бесконечность) при r = 0 и r = r g .

Точки, в которых характеристики поля теряют смысл, называются сингулярными, то есть особыми. Сингулярность в нулевой точке отражает точечную, или, что то же самое, центрально-симметричную структуру поля (ведь любое сферическое тело - звезду или планету - можно представить как материальную точку). А точки, расположенные на сферической поверхности радиусом r g , образуют ту самую поверхность, с которой скорость убегания равна скорости света. В общей теории относительности она именуется сингулярной сферой Шварц-шильда или горизонтом событий (почему - станет ясно в дальнейшем).

Уже на примере знакомых нам объектов - Земли и Солнца - ясно, что черные дыры представляют собой весьма странные объекты. Даже астрономы, имеющие дело с веществом при экстремальных значениях температуры, плотности и давления, считают их весьма экзотическими, и до последнего времени далеко не все верили в их существование. Однако первые указания на возможность образования черных дыр содержались уже в общей теории относительнос-ти А. Эйнштейна, созданной в 1915 году. Английский астроном Артур Эддингтон, один из первых интерпретаторов и популяризаторов теории относительности, в 30-х годах вывел систему уравнений, описывающих внутреннее строение звезд. Из них следует, что звезда находится в равновесии под действием противополож но направленных сил тяготения и внутреннего давления, создаваемого движением частиц горячей плазмы внутри светила и напором излучения, образующегося в его недрах. А это означает, что звезда представляет собой газовый шар, в центре которого высокая температура, постепенно понижающаяся к периферии. Из уравнений, в частности, следовало, что температура поверхности Солнца составляет около 5500 градусов (что вполне соответствовало данным астрономических измерений), а в его центре должна быть порядка 10 миллионов градусов. Это позволило Эддингтону сделать пророческий вывод: при такой температуре "зажигается" термоядерная реакция, достаточная для обеспечения свечения Солнца. Физики-атомщики того времени с этим не соглашались. Им казалось, что в недрах звезды слишком "холодно": температура там недостаточна, чтобы реакция "пошла". На это взбешенный теоретик отвечал: "Поищите местечко погорячее!".

И в конечном итоге он оказался прав: в центре звезды действительно идет термоядер ная реакция (другое дело, что так называемая "стандартная солнечная модель", основанная на представлениях о термоядерном синтезе, по-видимому, оказалась неверной - см., например, "Наука и жизнь" №№ 2, 3, 2000 г.). Но тем не менее реакция в центре звезды проходит, звезда светит, а излучение, которое при этом возникает, удерживает ее в стабильном состоянии. Но вот ядерное "горючее" в звезде выгорает. Выделение энергии прекращается, излучение гаснет, и сила, сдерживающая гравитационное притяжение, исчезает. Существует ограничение на массу звезды, после которого звезда начинает необратимо сжиматься. Расчеты показывают, что это происходит, если масса звезды превышает две-три массы Солнца.

ГРАВИТАЦИОННЫЙ КОЛЛАПС

Вначале скорость сжатия звезды невелика, но его темп непрерывно возрастает, поскольку сила притяжения обратно пропорциональна квадрату расстояния. Сжатие становится необратимым, сил, способных противодействовать самогравитации, нет. Такой процесс называется гравитационным коллапсом. Скорость движения оболочки звезды к ее центру увеличивается, приближаясь к скорости света. И здесь начинают играть роль эффекты теории относительности.

Скорость убегания была рассчитана исходя из ньютоновсих представлений о природе света. С точки зрения общей теории относительности явления в окрестностях коллапсирующей звезды происходят несколько по-другому. В ее мощном поле тяготения возникает так называемое гравитационное красное смещение. Это означает, что частота излучения, исходящего от массивного объекта, смещается в сторону низких частот. В пределе, на границе сферы Шварцшильда, частота излучения становится равной нулю. То есть наблюдатель, находящийся за ее пределами, ничего не сможет узнать о том, что происходит внутри. Именно поэтому сферу Шварцшильда и называют горизонтом событий.

Но уменьшение частоты равнозначно замедлению времени, и, когда частота становится равна нулю, время останавливается. Это означает, что посторонний наблюдатель увидит очень странную картину: оболочка звезды, падающая с нарастающим ускорением, вместо того, чтобы достигнуть скорости света, останавливается. С его точки зрения, сжатие прекратится, как только размеры звезды приблизятся к гравитационному ради
усу. Он никогда не увидит, чтобы хоть одна частица "нырнула" под сферу Шварцшиль да. Но для гипотетического наблюдателя, падающего на черную дыру, все закончится в считанные мгновения по его часам. Так, время гравитационного коллапса звезды размером с Солнце составит 29 минут, а гораздо более плотной и компактной нейтронной звезды - только 1/20 000 секунды. И здесь его подстерегает неприятность, связанная с геометрией пространства-времени вблизи черной дыры.

Наблюдатель попадает в искривленное пространство. Вблизи гравитационного радиуса силы тяготения становятся бесконечно большими; они растягивают ракету с космонавтом-наблюдателем в бесконечно тонкую нить бесконечной длины. Но сам он этого не заметит: все его деформации будут соответствовать искажениям пространственно-временн ых координат. Эти рассуждения, конечно, относятся к идеальному, гипотетическому случаю. Любое реальное тело будет разорвано приливными силами задолго до подхода к сфере Шварцшильда.

РАЗМЕРЫ ЧЕРНЫХ ДЫР

Размер черной дыры, а точнее - радиус сферы Шварцшильда пропорционален массе звезды. А поскольку астрофизика никаких ограничений на размер звезды не накладывает, то и черная дыра может быть сколь угодно велика. Если она, например, возникла при коллапсе звезды массой 10 8 масс Солнца (или за счет слияния сотен тысяч, а то и миллионов сравнительно небольших звезд), ее радиус будет около 300 миллионов километров, вдвое больше земной орбиты. А средняя плотность вещества такого гиганта близка к плотности воды.

По-видимому, именно такие черные дыры находятся в центрах галактик. Во всяком случае, астрономы сегодня насчитывают около пятидесяти галактик, в центре которых, судя по косвенным признакам (речь о них пойдет ниже), имеются черные дыры массой порядка миллиарда (10 9) солнечной. В нашей Галактике тоже, видимо, есть своя черная дыра; ее массу удалось оценить довольно точно - 2,4 . 10 6 ±10% массы Солнца.

Теория предполагает, что наряду с такими сверхгигантами должны были возникать и черные мини-дыры массой порядка 10 14 г и радиусом порядка 10 -12 см (размер атомного ядра). Они могли появляться в первые мгновения существования Вселенной как проявление очень сильной неоднородности пространства-времени при колоссальной плотности энергии. Условия, которые были тогда во Вселенной, исследователи сегодня реализуют на мощных коллайдерах (ускорителях на встречных пучках). Эксперименты в ЦЕРНе, проведенные в начале этого года, позволили получить кварк-глюонную плазму - материю, существовавшую до возникновения элементарных частиц. Исследования этого состояния вещества продолжаются в Брукхевене - американском ускорительном центре. Он способен разогнать частицы до энергий, на полтора-два порядка более высоких, чем ускоритель в
ЦЕРНе. Готовящийся эксперимент вызвал нешуточную тревогу: не возникнет ли при его проведении черная мини-дыра, которая искривит наше пространство и погубит Землю?

Это опасение вызвало столь сильный резонанс, что правительство США было вынуждено созвать авторитетную комиссию для проверки такой возможности. Комиссия, состоявшая из видных исследователей, дала заключение: энергия ускорителя слишком мала, чтобы черная дыра могла возникнуть (об этом эксперименте рассказано в журнале "Наука и жизнь" № 3, 2000 г.).

КАК УВИДЕТЬ НЕВИДИМОЕ

Черные дыры ничего не излучают, даже свет. Однако астрономы научились видеть их, вернее - находить "кандидатов" на эту роль. Есть три способа обнаружить черную дыру.

1. Нужно проследить за обращением звезд в скоплениях вокруг некоего центра гравитации. Если окажется, что в этом центре ничего нет, и звезды крутятся как бы вокруг пустого места, можно достаточно уверенно сказать: в этой "пустоте" находится черная дыра. Именно по этому признаку предположили наличие черной дыры в центре нашей Галактики и оценили ее массу.

2. Черная дыра активно всасывает в себя материю из окружающего пространства. Межзвездная пыль, газ, вещество ближайших звезд падают на нее по спирали, образуя так называемый аккреционный диск, подобный кольцу Сатурна. (Именно это и пугало в брукхевенском эксперименте: черная мини-дыра, возникшая в ускорителе, начнет всасывать в себя Землю, причем процесс этот никакими силами остановить было бы нельзя.) Приближаясь к сфере Шварцшильда, частицы испытывают ускорение и начинают излучать в рентгеновском диапазоне. Это излучение имеет характерный спектр, подобный хорошо изученному излучению частиц, ускоренных в синхротроне. И если из какой-то области Вселенной приходит такое излучение, можно с уверенностью сказать - там должна быть черная дыра.

3. При слиянии двух черных дыр возникает гравитационное излучение. Подсчитано, что если масса каждой составляет около десяти масс Солнца, то при их слиянии за считанные часы в виде гравитационных волн выделится энергия, эквивалентная 1% их суммарной массы. Это в тысячу раз больше той световой, тепловой и прочей энергии, которую излучило Солнце за все время своего существования - пять миллиардов лет. Обнаружить гравитаци онное излучение надеются с помощью гравитационно-волновых обсерваторий LIGO и других, которые строятся сейчас в Америке и Европе при участии российских исследователей (см. "Наука и жизнь" № 5, 2000 г.).

И все-таки, хотя у астрономов нет никаких сомнений в существовании черных дыр, категорически утверждать, что в данной точке пространства находится именно одна из них, никто не берется. Научная этика, добросовестность исследователя требуют получить на поставленный вопрос ответ однозначный, не терпящий разночтений. Мало оценить массу невидимого объекта, нужно измерить его радиус и показать, что он не превышает шварцшильдовский. А даже в пределах нашей Галактики эта задача пока не разрешима. Именно поэтому ученые проявляют известную сдержанность в сообщениях об их обнаружении, а научные журналы буквально набиты сообщениями о тео-ретических работах и наблюдениях эффектов, способных пролить свет на их загадку.

Есть, правда, у черных дыр и еще одно свойство, предсказанное теоретически, которое, возможно, позволило бы увидеть их. Но, правда, при одном условии: масса черной дыры должна быть гораздо меньше массы Солнца.

ЧЕРНАЯ ДЫРА МОЖЕТ БЫТЬ И "БЕЛОЙ"

Долгое время черные дыры считались воплощением тьмы, объектами, которые в вакууме, в отсутствии поглощения материи, ничего не излучают. Однако в 1974 году известный английский теоретик Стивен Хокинг показал, что черным дырам можно приписать температуру, и, следовательно, они должны излучать.

Согласно представлениям квантовой механики, вакуум - не пустота, а некая "пена пространства-времени", мешанина из виртуалных (ненаблюдаемых в нашем мире) частиц. Однако квантовые флуктуации энергии способны "выбросить" из вакуума пару частица-античастица. Например, при столкновении двух-трех гамма-квантов как бы из ничего возникнут электрон и позитрон. Это и аналогичные явления неоднократно наблюдались в лабораториях.

Именно квантовые флуктуации определяют процессы излучения черных дыр. Если пара частиц, обладающих энергиями E и -E (полная энергия пары равна нулю), возникает в окрестности сферы Шварцшильда, дальнейшая судьба частиц будет различной. Они могут аннигилировать почти сразу же или вместе уйти под горизонт событий. При этом состояние черной дыры не изменится. Но если под горизонт уйдет только одна частица, наблюдатель зарегистрирует другую, и ему будет казаться, что ее породила черная дыра. При этом черная дыра, поглотившая частицу с энергией -E , уменьшит свою энергию, а с энергией E - увеличит.

Хокинг подсчитал скорости, с которыми идут все эти процессы, и пршел к выводу: вероятность поглощения частиц с отрицательной энергией выше. Это значит, что черная дыра теряет энергию и массу - испаряется. Кроме того она излучает как абсолютно черное тело с температурой T = 6 . 10 -8 M с /M кельвинов, где M с - масса Солнца (2 . 10 33 г), M - масса черной дыры. Эта несложная зависимость показывает, что температура черной дыры с массой, в шесть раз превышающей солнечную, равна одной стомиллионной доле градуса. Ясно, что столь холодное тело практически ничего не излучает, и все приведенные выше рассуждения остаются в силе. Иное дело - мини-дыры. Легко увидеть, что при массе 10 14 -10 30 граммов они оказываются нагретыми до десятков тысяч градусов и раскалены добела! Следует, однако, сразу отметить, что противоречий со свойствами черных дыр здесь нет: это излучение испускается слоем над сферой Шварцшильда, а не под ней.

Итак, черная дыра, которая казалась навеки застывшим объектом, рано или поздно исчезает, испарившись. Причем по мере того, как она "худеет", темп испарения нарастает, но все равно идет чрезвычайно долго. Подсчитано, что мини-дыры массой 10 14 граммов, возникшие сразу после Большого взрыва 10-15 миллиардов лет назад, к нашему времени должны испариться полностью. На последнем этапе жизни их температура достигает колоссальной величины, поэтому продуктами испарения должны быть частицы чрезвычайно высокой энергии. Возможно, именно они порождают в атмосфере Земли широкие амосферные ливни - ШАЛы. Во всяком случае, происхождение частиц аномально высокой энергии - еще одна важная и интересная проблема, которая может быть вплотную связана с не менее захватывающими вопросами физики черных дыр.

Материал подготовлен редакцией ИноСМИ специально для раздела РИА Наука >>

Майкл Финкель (Michael Finkel)

Отведем часы назад. До появления человека, до возникновения Земли, до воспламенения Солнца, до рождения галактик, до того, как засиял свет, был «большой взрыв». Произошло это 13,8 миллиарда лет тому назад.

Сверхновые "засеяли" космос тяжелыми элементами в ранней Вселенной Ученые при помощи японского космического рентгеновского телескопа Suzaku исследовали распределение железа в галактическом скоплении Персея, находящемся на расстоянии 250 миллионов световых лет от нас.

Но что было до этого? Многие физики говорят, что «до этого» не существует. Они утверждают, что время начало свой отсчет в момент «большого взрыва», полагая, что все существовавшее ранее не входит в сферу науки. Мы никогда не поймем, какой была действительность до «большого взрыва», из чего он сформировался и почему произошел, чтобы создать нашу Вселенную. Такие представления находятся за пределами человеческого понимания.

Но некоторые чуждые условностям ученые не согласны. Эти физики строят теории о том, что за мгновение до «большого взрыва» вся масса и энергия нарождавшейся вселенной сжалась в одну невероятно плотную, но имеющую свои пределы крупинку. Назовем ее семенем новой вселенной.

Они считают, что это семя было невообразимо крошечным, возможно, в триллионы раз меньше любой частицы, которую мог наблюдать человек. И тем не менее эта частица дала толчок появлению всех прочих частиц, не говоря уже о галактиках, Солнечной системе, планетах и людях.

Если вам по-настоящему хочется назвать что-то частицей Бога, то это семя идеально подходит для такого названия.

Так как же возникло это семя? Одну идею выдвинул несколько лет тому назад Никодим Поплавский (Nikodem Poplawski), работающий в университете Нью-Хейвена. Она состоит в том, что семя нашей Вселенной было выковано в первичной печи, какой для него стала черная дыра.

Умножение мультивселенных

Стивен Хокинг заявил, что "классических" черных дыр не существует Хокинг предлагает пересмотреть одно из основных положений современной теории черных дыр - существование "горизонта событий" черной дыры, из-за которого ни материя, ни энергия не могут вернуться во внешний мир.

Прежде чем мы пойдем дальше, важно понять, что за последние двадцать лет многие физики-теоретики пришли к убеждению, что наша Вселенная не единственная. Мы можем составлять часть мультивселенной, представляющей огромное множество отдельных вселенных, каждая из которых является светящимся шаром в истинном ночном небе.

Много споров идет по поводу того, как одна вселенная связана с другой, и есть ли вообще такая связка. Но все эти споры носят исключительно умозрительный характер, а истина является недоказуемой. Но есть одна привлекательная идея, состоящая в том, что семя вселенной похоже на семя растения. Это кусочек существенно важной материи, плотно сжатый и спрятанный внутри защитной оболочки.

Этим точно объясняется то, что возникает внутри черной дыры. Черные дыры это трупы гигантских звезд. Когда у такой звезды заканчивается топливо, ее ядро схлопывается. Сила гравитации стягивает все с невероятной и постоянно увеличивающейся силой. Температура достигает 100 миллиардов градусов. Атомы рушатся. Электроны рвет на куски. А потом эта масса еще больше сжимается.

Слишком легкая и яркая черная дыра "не вписалась" в теории астрономов Ультраяркий рентгеновский источник в галактике Вертушка дает слишком яркие вспышки и обладает слишком маленькой массой, чтобы соответствовать существующим теориям, обнаружили китайские ученые.

К этому моменту звезда превращается в черную дыру. Это значит, что ее сила притяжения настолько огромна, что из нее не может ускользнуть даже луч света. Граница между внутренней и внешней частью черной дыры называется горизонтом события. В центре почти каждой галактики, включая наш Млечный путь, ученые открывают колоссальные черные дыры, причем некоторые из них в миллионы раз массивнее нашего Солнца.

Бездонные вопросы

Если воспользоваться теорией Эйнштейна для определения того, что происходит на дне черной дыры, можно вычислить точку, которая имеет бесконечно большую плотность и бесконечной малый размер. Такая гипотетическая концепция носит название сингулярность. Но в природе бесконечностей обычно не существует. Неувязка заключается в теориях Эйнштейна, которые обеспечивают великолепные расчеты для большей части космического пространства, однако рушатся перед лицом неимоверных сил, таких как внутри черной дыры, или тех, что присутствуют при рождении вселенной.

Астрономы впервые смогли заглянуть внутрь "хвоста" черной дыры На сегодняшний день известны два основных типа черных дыр - обычные черные дыры, возникшие в результате коллапса звезды, и их сверхмассивные "сестры", существующие в центре галактик. Оба типа черных дыр способны поглощать материю и выбрасывать ее в виде джетов - пучков разогретой плазмы, движущихся с околосветовой скоростью.

Такие физики как доктор Поплавский говорят, что материя внутри черной дыры действительно доходит до такого состояния, когда больше ее сдавить невозможно. Это «семя» является невероятно крошечным, а весит как миллиард звезд. Но в отличие от сингулярности, оно вполне реально.

По мнению Поплавского, процесс сжатия останавливается потому, что черные дыры вращаются. Они крутятся очень быстро, возможно, достигая скорости света. И это кручение придает сжатому семени невероятное осевое вращение. Семя это не только маленькое и тяжелое; оно также искривленное и сжатое, как пружина того черта из табакерки.

Ученые впервые измерили магнитное поле черной дыры в центре Галактики Сверхмассивная черная дыра Sgr A* расположена в центре нашей галактики. Ранее астрономы обнаружили в центре нашей галактики радиопульсар PSR J1745-2900. Они воспользовались исходящим от него излучением для измерения силы магнитного поля у черной дыры

Иными словами, вполне возможно, что черная дыра это тоннель, «дверь в один конец» между двумя вселенными, говорит Поплавский. А это значит, что если вы попадете в черную дыру в центре Млечного пути, то вполне возможно, что в итоге вы окажетесь в другой вселенной (ну, если не вы, то ваше размозженное в мельчайшие частицы тело). Эта другая вселенная находится не внутри нашей; дыра это просто соединительное звено, как общий корень, от которого растут две осины.

А как насчет всех нас, в нашей собственной вселенной? Мы можем быть продуктом другой, более старой вселенной. Назовем ее нашей правселенной. То семя, которое мать-вселенная выковала внутри черной дыры, могло совершить большой отскок 13,8 миллиарда лет назад, и хотя наша Вселенная с тех пор быстро расширяется, мы по-прежнему можем находиться за горизонтом события черной дыры.

Чёрная дыра в физике определяется как область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть ее не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света, в том числе и кванты самого света. Граница этой области называется горизонтом событий, а её характерный размер – гравитационным радиусом, который назван радиусом Шварцвальда. Чёрные дыры – это самые загадочные объекты во Вселенной. Своим неудачным названием они обязаны американскому астрофизику Джону Уиллеру. Это он в популярной лекции «Наша Вселенная: известное и неизвестное» в 1967 г. назвал эти сверхплотные тела дырами. Ранее подобные объекты называли «сколлапсировавшие звёзды» или «коллапсары». Но термин «чёрная дыра» прижился, и менять его уже стало просто невозможно. Во Вселенной существует два типа черных дыр: 1 – сверхмассивные черные дыры, масса которых в миллионы раз больше массы Солнца (считается, что такие объекты находятся в центрах галактик); 2 – менее массивные черные дыры, которые возникают в результате сжатия гигантских умирающих звезд, масса их больше трех масс Солнца; при сжатии звезды вещество все сильнее уплотняется и в результате гравитация объекта усиливается до такой степени, что свет не может преодолеть ее. Чёрную дыру не может покинуть ни излучение, ни вещество. Чёрные дыры – это сверхмощные гравитаторы.

Радиус, до которого должна сжаться звезда, чтобы превратиться в чёрную дыру, называется гравитационным радиусом. Для чёрных дыр, образовавшихся из звезд, он составляет всего лишь несколько десятков километров. В некоторых парах двойных звезд одна из них невидима в самый мощный телескоп, но масса невидимого компонента в такой гравитационной системе оказывается чрезвычайно большой. Скорее всего, такие объекты являются или нейтронными звездами, или чёрными дырами. Иногда невидимые компоненты в таких парах срывают вещество с нормальной звезды. В этом случае газ отделяется от внешних слоев видимой звезды и падает неведомо куда – на невидимую чёрную дыру. Но прежде чем упасть на дыру, газ излучает электромагнитные волны самой разной длины, в том числе и очень короткие рентгеновские волны. Более того, вблизи нейтронной звезды или чёрной дыры газ сильно разогревается и становится источником мощного высокоэнергичного электромагнитного излучения в рентгеновском и гамма-диапазонах. Такое излучение не проходит сквозь земную атмосферу, но его можно наблюдать с помощью космических телескопов. Одним из вероятных кандидатов в чёрные дыры считается мощный источник рентгеновских лучей в созвездии Лебедя.

Новая модель мироздания позволяет обойтись без квантовой сингулярности и космологической инфляции.

Основной вопрос космологии можно сформулировать буквально в трех словах: откуда возникла Вселенная? Для стандартного ответа хватит и двух: из квантовой сингулярности. Так называют особое состояние материи, где нет ни пространства, ни времени и не действуют известные физические законы. Принято считать, что оно оказалось неустойчивым и дало начало трехмерному пространству, наполненному квантовыми полями и рожденными ими частицами. Этот выход из сингулярности называют Большим взрывом и берут за начало отсчета возраста Вселенной.

Что такое эта сингулярность, никто толком не знает. Если «проиграть» космологические уравнения назад во времени к нулевой точке, плотность энергии и температура обратятся в бесконечность и потеряют физический смысл. Обычно сингулярность описывают как хаотическую квантовую флуктуацию вакуума, которая сделала возможным появление гравитации и других физических полей. Теоретики приложили немало усилий, пытаясь понять, как именно это могло произойти, но пока без особых успехов.

Не взрыв, а коллапс

Некоторые космологические модели вообще обходятся без сингулярности, но они в меньшинстве. А вот недавно трое канадских ученых выступили с весьма любопытной моделью Большого взрыва, не требующей гипотезы квантового хаоса. Профессор физики и астрономии Университета Ватерлоо Роберт Манн и его коллеги допускают, что наша Вселенная могла появиться как побочный продукт гравитационного стягивания космической материи, которое закончилось рождением черной дыры. Их ключевая идея состоит в том, что эта материя существовала в пространстве не с тремя, а с четырьмя измерениями. Новорожденная дыра, опять-таки четырехмерная, окружила себя трехмерной оболочкой, которая и стала зародышем Вселенной. Она позаимствовала от материнского четырехмерия не только тяготение, но и прочие поля и частицы, которые зажили самостоятельной трехмерной жизнью. Так что наш мир возник не из Большого взрыва, а из его противоположности, Большого коллапса!

Откуда взялась эта оболочка? «Обычная» черная дыра окружена замкнутой двумерной поверхностью, горизонтом событий. Частица, упавшая внутрь горизонта, уже не сможет вернуться обратно, и даже фотоны из-под горизонта тоже не преодолеют этот непроницаемый барьер. Если дыра неподвижна, горизонт имеет сферическую форму, а у вращающихся дыр эта сфера сплюснута у полюсов. Поскольку горизонт имеет нулевую толщину, внутри него, естественно, нет никакого вещества. Но это в трехмерном пространстве. Четырехмерная дыра тоже обладает горизонтом событий, чья размерность на единицу меньше ее собственной. Следовательно, ее горизонт - это трехмерное пространство. Согласно гипотезе канадских физиков, оно и может дать начало нашей Вселенной.

Профессор Университета Ватерлоо (Канада):

«Уравнения ОТО имеют смысл для пространств со сколь угодно большим числом измерений, причем во всех случаях они обладают решениями, приводящими к возникновению сингулярностей. Отсюда следует, что, если плотность вещества в замкнутой четырехмерной области превысит определенный критический предел, оно коллапсирует с образованием черной дыры. Физические свойства такого вещества должны сильно отличаться от тех, которые мы наблюдаем в нашем мире. Однако вполне логично предположить, что гравитация будет господствовать и в этом мире: если частицы материи четырехмерного мира деформируют пространство-время в соответствии с уравнениями ОТО, они притягиваются друг к другу и дают начало черным дырам».

Для материи четырехмерного пространства, запертой внутри горизонта черной дыры, эта трехмерная область будет единственным миром, полностью отсеченным от четырехмерного окружения. Можно допустить, что втянутая внутрь горизонта материя будет вести себя по всем законам трехмерия. Новая модель позволяет обойтись без распространенной гипотезы космологической инфляции, предложенной в начале 1980-х, которая все еще сталкивается с серьезными нерешенными проблемами. В частности, непонятна природа физического поля, которое, как предполагается, запустило ускоряющееся расширение новорожденной Вселенной.

Отскок мира

Но если не принимать в расчет квантовые эффекты, горизонт трехмерной дыры стабилен, тогда как наша Вселенная расширяется. Модель Манна объясняет и это: «Гравитационный коллапс в четырехмерном пространстве не только породит черную дыру, но и вызовет «отскок» не провалившейся в нее материи и ее разлет по всем направлениям. Нечто подобное происходит при взрывах сверхновых, которые разбрасывают свои оболочки по окружающему пространству. Как показывают вычисления, эта материя может создать трехмерный слой вокруг горизонта, который будет расширяться и тянуть за собой сам горизонт. В результате возникнет единое расширяющееся пространство нашей Вселенной. Модель можно модифицировать таким образом, что она предскажет ускорение этого расширения, которое стандартная космология объясняет с помощью темной энергии».

Новая модель допускает опытную проверку. Гравитационное воздействие четырехмерия на нашу Вселенную должно вызвать определенные флуктуации реликтового излучения, спектр которых можно предсказать.