Чем мир держится?
Шрифт:
Встреча у черной дыры
Коллапс — термин, первоначально гораздо более популярный в медицине, чем в космологии. Сосудистый коллапс может привести к гибели человека. Гравитационный коллапс может привести звезду если не к гибели, то к перерождению. Он может произойти не со всякой звездой, а только с такой, масса которой превышает солнечную процентов по меньшей мере на двадцать. И может произойти, а может и не произойти. Это, как пишут физики, один из возможных путей завершения эволюции звезд. Возможных, но не обязательных.
Чем станет звезда после гравитационного коллапса? Может быть, нейтронной звездой, а может быть, даже черной дырой.
Термоядерные реакции, по наиболее признанной сегодня теории, дают звезде энергию, которую она тратит на излучение [16] .
16
В последнее время эксперименты указывают как будто, что представление о важнейшей роли термоядерных реакций для «работы и жизни» ближайшей к нам звезды — Солнца нуждается в некотором пересмотре.
Центр звезды, ее топка, перестает работать, затухает. Однако потери звездою энергии не только не падают, но растут. А между тем внутри каждой звезды на всем протяжении ее развития борются силы гравитационного притяжения и силы отталкивания частиц, притиснутых друг к другу чудовищным давлением и «желающих» чувствовать себя попросторнее в каждой ее точке. Наступает, наконец, момент, когда гравитационные силы решительно берут верх над силами отталкивания. Разумеется, это означает, говоря философски, что рассматриваемое природное явление должно после некоторых изменений прийти в повое состояние равновесия. Да, конечно, такое состояние возникает. Но какой ценой! Бывшая топка звезды, ее сердцевина, оказывается сжатой действием неуравновешиваемых сил тяготения. Их нажима не выдерживают и прочнейшие связи между нуклонами в ядре железа и его родственников. Ядро разваливается, или, лучше сказать, разламывается. На это разламывание тоже уходит энергия, потому топка становится теперь топкой наоборот: берет энергию, а не отдает ее, в недрах звезды идет вывернутая наизнанку реакция синтеза ядер. Впрочем, температура топки все же не падает, ведь звезда сжимается, а гравитационная энергия, как мы знаем, способна переходить в тепло не хуже любой другой..
Если бы температура в центре звезды поднималась быстро, разогретое вещество набралось бы силы, чтобы побороться с тяготением, чтобы остановить сжатие. Но большая часть тепла расходуется все на ту же «обратную термоядерную реакцию».
Сжатие продолжается, пока не превращается в сжатие взрывное, когда вещество центральной области звезды устремляется к центру ее со скоростью, достигающей на определенных этапах многих километров в секунду. Естественно, что на место уже обрушившихся более близких к центру слоев рушатся слои, более близкие к поверхности. Катастрофа развивается!
Нашему Солнцу взрывной коллапс не угрожает, Слишком для этого мала масса светила. Вот если бы оно было больше хотя бы в один и два десятых раза… Впрочем, в Галактике множество звезд, больших, чем Солнце. Гравитация в конце концов приведет их к сжатию, и они превратятся в нейтронные звезды.
Но и нейтронная звезда еще не дает нам предела плотности, возможного для вещества. Если гравитационный коллапс не остановился, она схлопывается — при определенных условиях — еще примерно на треть своего диаметра. И вот тут-то из нее получается черная дыра. Космическое тело исчезает с небосклона, потому что тяготение вблизи его поверхности достигает такой фантастической величины, что даже и свет оказывается «прикован» и не может уйти в пространство. То же относится и к любым другим формам вещества. Все, что достигает этого района, заглатывается черной дырой безвозвратно. Она становится грандиозной гравитационной ловушкой. Даже гравитационным гробом, как назвал ее академик Я. Зельдович. И не только для вещества. Само пространство-время приобретает здесь новые свойства.
Немецкий астроном Карл Шварцшильд в первые же месяцы после появления теории относительности нашел на основе ее уравнений, что если достаточно плотная звезда сожмется до определенных размеров, до своего так называемого гравитационного радиуса (в каждом случае зависящего от ее массы), то никакие сигналы с этой звезды
Черные дыры долю оставались, однако, да периферии космологии и астрофизики. Но с шестидесятых годов положение изменилось. Число посвященных им работ растет чуть ли не с той же быстротой, с какой они сами — в теории — схлопываются.
Какой реально должна быть черкая дыра, первыми показали советские физики А. Г. Дорошкевич, Я. Б. Зельдович и И. Д. Новиков в 1965 году.
Вращающаяся черная дыра становится центром вихря, засасывающего по воронкообразным орбитам частицы и газ. Она имеет четко очерченный горизонт, через который вещество и свет могут проходить только в одну сторону — внутрь, но не наружу [17] ; окружность ее экватора должна быть равна девятнадцати километрам, помноженным на число масс Солнца, которым соответствует масса черной дыры. «Типичная» черная дыра имеет в «охвате» от шестидесяти до тысячи километров, и масса ее может содержать от трех до пятидесяти солнечных масс.
17
В последние годы в это положение пришлось внести поправку, речь о которой пойдет в свое время.
Кроме «типичных» черных дыр, могут существовать еще и дыры сверхгигантские. Ими, возможно, становятся центры галактик, в ядрах которых в прошлом происходили мощные взрывы. Если такая дыра есть и в центре нашей Галактики, то ее масса должна быть в сто миллионов раз больше массы нашего Солнца.
Наконец, теория учитывает возможность существования в нашем мире и минидыр массой всего лишь в несколько сот масс самой большой египетской пирамиды— пирамиды Хеопса. По космическим масштабам это и вправду минимасса, и вся она сосредоточена в объеме, который в нормальных условиях занимает одна (одна!) элементарная частица. Такие минидыры должны в соответствии с законами квантовой механики понемногу «испаряться». Один из «фокусов» квантовой механики состоит в том, что в определенных условиях элементарные частицы способны делать «скачки» сквозь как будто непреодолимые для них энергетические барьеры. Здесь не место вдаваться в подробности, заменим их аналогией. Сколько бы раз автомобиль ни подъезжал к глухой каменной степе, преодолеть ее он не в состоянии: он может либо остановиться перед ней, либо разбиться вдребезги. А вот подчиняйся он законам квантовой механики, в одном случае из очень многих автомобиль очутился бы «вдруг» позади стены, не повредив ее. Вот так какая-то часть вещества черной дыры все-таки выскакивает за ту самую ее поверхность, где даже свет вынужден останавливаться и обрывать свою дорогу вовне. Чем больше дыра, тем меньшая доля ее частиц прорывается наружу, но «испарение», предсказанное С. Хоукингом, идет и с поверхности больших черных дыр. Маленькие же дыры испаряются относительно быстро, и завершается этот процесс «таяния» бурно — взрывом. По астрофизическим масштабам взрывом крошечным — всего-то в области пространства величиной с протон освобождается столько же энергии, что и при взрыве одного миллиона мегатонных водородных бомб.
Именно из-за наклонности к взрыву при уменьшении массы минимальная масса черных дыр сегодня — десять в пятнадцатой степени граммов. Минидыры наших дней (если они есть) — реликты, ископаемые, оставшиеся от первых секунд рождения Метагалактики А вот сверхмассивные дыры — памятники тех более близких к нам миллиардолетий, когда складывались уже галактики.
Между прочим, на черную дыру можно и наткнуться. Конечно, встреча с таким космическим телом, даже миниатюрным, обернулась бы для Земли катастрофой. Но, возможно, такие катастрофы, к счастью, не очень значительных масштабов, уже случались в земной истории. Одна из сотен гипотез, связанных со знаменитым Тунгусским метеоритом, объявляет его минидырой. Впрочем, гипотезу эту отнюдь нельзя назвать общепризнанной.
В отличие от случая с нейтронными звездами черные дыры пока не отождествлены достаточно точно ни с какими конкретными объектами Вселенной, хотя их существование уже подозревают в нескольких пунктах. Строго говоря, они только предсказаны — предсказаны на основе уравнений общей теории относительности. Пока что все ее предсказания, которые можно было проверить, оказывались верными. Но мы-то знаем ведь, что теория должна проверяться, пока не будет опровергнута. Станет ли проблема черной дыры новым триумфом теории?