Мечта Эйнштейна. В поисках единой теории строения
Шрифт:
Квазар ЗC273 в созвездии Девы
Все упомянутые выше претенденты на роль чёрных дыр являются спектрально-двойными, но есть ещё один, который не входит в такую систему, речь идёт о Кассиопее A. Этот источник рентгеновского излучения считают остатками сверхновой, взорвавшейся около 1668 года. Как ни странно, свидетельств о появлении в это время сверхновой не сохранилось. Советский астрофизик И. С. Шкловский, изучавший этот источник, пришёл к выводу, что его масса когда-то была выброшена в расширяющуюся оболочку вокруг сверхновой, а оставшийся центральный объект теперь имеет массу около 10 масс Солнца. Шкловский считает, что вместо взрыва сверхновой вполне могло произойти схлопывание, в результате которого образовалась чёрная дыра. По мнению Шкловского, существуют
Одни из самых удивительных кандидатов на роль чёрных дыр появились не в результате коллапса звёзд (во всяком случае, их нельзя считать его прямым следствием), а скорее относятся к группам звёзд или галактик. Гигантская эллиптическая галактика M 87, которая находится от нас на расстоянии 60 световых лет в скоплении галактик в созвездии Девы, является одновременно сильным источником радио- и рентгеновского излучения.
Газовый диск в ядре активной галактики М87
На фотографиях она выглядит как объект, выбрасывающий вещество на расстояние 4000 световых лет. В выбросе наблюдается значительная турбулентность, в которой заметны несколько вихрей. Сильней всего радиоизлучение в ядре галактики и в выбросе вещества. Наблюдения показали, что ближе к ядру звезды движутся с огромной скоростью (примерно 400 км/с), и есть доказательства того, что в этом районе происходит приток газа. Отсюда следует, что в ядре скопилось большое число звёзд и значит, ядро должно быть очень ярким. Однако это не так, хотя оно и весьма массивно; возможно, его масса в 5 миллиардов раз больше массы Солнца. Многие астрономы считают, что этот массивный объект является чёрной дырой. Гигантский диск аккреции вокруг него состоит из звёзд и газа, и по мере того, как они затягиваются в чёрную дыру, она излучает волны рентгеновского диапазона.
Гигантская эллиптическая галактика M 87 и ее шаровые скопления
Пояснения: В динамическом центре близкого скопления галактик в Деве на расстоянии около 50 млн. световых лет лежит галактика Мессье 87 (NGC 4486). Хотя границы эллиптических галактик трудно поддаются определению, по всем стандартам М 87 – огромная галактика. Она в 20 раз превосходит среднюю галактику типа Млечного Пути по размерам и в 40 раз – по массе, насчитывая несколько тысяч миллиардов звезд. Она является к тому же и мощным радиоисточником. С этой гигантской галактикой связано большое число шаровых звездных скоплений, видимых на фотографии в виде слегка размытых объектов, разбросанных по пространству галактики. Подобно всем эллиптическим галактикам, М 87 состоит в основном из старых звезд и практически лишена вещества, необходимого для образования новых звезд.
M 87 не единственная галактика такого типа, есть ещё квазары и другие галактики с выбросом вещества. Некоторые учёные считают, что во всех радиогалактиках и, может быть, даже в обычных, таких, как наша, ядро представляет собой чёрную дыру. Известно, к примеру, что ядро нашей Галактики представляет собой очень сильный источник радиоизлучения, но мы до сих пор не знаем, чем оно вызвано.
Раньше мы говорили о возможности прохождения материи сквозь пространственно-временной туннель (мостик Эйнштейна-Розена), связанный с чёрной дырой Керра. Подразумевается, что через такой туннель может пройти и космонавт, а это открывает весьма соблазнительные возможности. Прежде чем думать о подробностях такого путешествия, надо спросить себя, что же на самом деле представляет собой горловина, приставленная к другому концу чёрной дыры (та, которую открыли Эйнштейн и Розен). Очевидно, что она не может быть прямо связана с чёрной дырой, так как чёрные дыры только поглощают вещество; космонавту придётся выйти через другую горловину, и тогда чёрная дыра должна будет выбросить это вещество.
Астрономы называют такую горловину белой дырой. Белые дыры представляют собой чёрные дыры с обратным ходом времени, и, следовательно, можно ожидать, что из них будет извергаться материя. Но существуют ли они в природе? Похоже, есть свидетельства того, что из ядер сейфертовских галактик происходит выброс вещества; кроме того, по-видимому, то же происходит и с квазарами. Итак, хотя бы на первый взгляд, белые дыры имеют шансы на существование.
Если они есть на самом деле, то наш космонавт сможет попасть в горловину чёрной дыры, аккуратно обойти стороной сингулярность (потому что иначе он исчезнет) и выйти через горловину белой дыры. Кажется, всё это нетрудно проделать – особенно до тех пор, пока не задумываешься о деталях. Во-первых, существуют приливные силы, о которых мы говорили ранее, – они будут стремиться разорвать космонавта ещё до того, как он попадёт за горизонт событий. Можно ли что-то предпринять в такой ситуации? Оказывается, можно, во всяком
Нам придётся преодолевать не только приливные силы, у чёрных дыр Керра скорость вращения очень высока, и когда наша ракета приблизится к такой чёрной дыре, она начнёт вращаться вместе с ней. Кроме того, если неподалёку окажется вещество, то уровень радиации может быть очень высоким. Возможно, мы смогли бы преодолеть все эти трудности, но существует ещё одно соображение, о котором мы совсем забыли: где мы окажемся, если пройдём сквозь туннель? Если верить Эйнштейну, единственный ответ – «в другой Вселенной»; однако не так давно было показано, что существует и иная возможность – мы можем оказаться в дальней точке нашей Вселенной. Пожалуй, такой вариант привлекательней первого. Можно вообразить, что по туннелю мы попадаем в некую отдалённую точку нашей Вселенной, а вот по поводу других вселенных нам ничего не известно; вообще непонятно, что это такое, и большинство астрономов отказываются даже обсуждать такую возможность.
Тем не менее идея туннеля как некоего пространственно-временно?го «метро» понравилась многим учёным. Они считают, что такой туннель может оказаться нашей дорогой к звёздам. Если нам, к примеру, нужно попасть на Альфу Центавра, то следует лишь найти ближайший вход, проехать по такому туннелю и выйти где-нибудь неподалёку от нужной точки. Но тут есть свои трудности. Например, мы можем быть уверены, что выйдем из туннеля там, где нужно, только идя проторенным путём. Когда мы пойдём через него в первый раз, будет сложно определить наше положение относительно Солнца. Другая трудность связана с тем, что движение возможно только в одну сторону, и попав к месту назначения, трудно будет вернуться назад. Предположим, что в данный момент нас это не волнует, и попытаемся представить себе, как будет выглядеть такое путешествие. У самого входа в горловину нас начнёт крутить, но точно направив корабль, мы сможем замедлить его ход. Впрочем, потом мы поймём, что никакие наши усилия не позволят удержать корабль неподвижно, потому что мы находимся внутри так называемого статического предела. Мы будем быстро вращаться в эргосфере. Продолжая продвигаться вглубь, мы пройдём горизонт событий. Оказавшись за ним, обнаружим, что наш корабль стал неуправляемым, его быстро несёт по направлению к сингулярности и остановить его нет никакой возможности. Казалось бы, путешествие должно закончиться печально. Этому впечатлению будет способствовать и то, что пространство и время за горизонтом событий поменяются местами. В нашем мире мы можем управлять пространством, т.е. передвигаться куда хотим. Что же касается времени, то над ним мы не властны, оно течёт само по себе независимо от нашей воли. А вот внутри чёрной дыры, где время и пространство поменялись ролями, можно управлять временем, но не пространством. Иными словами, расстояние между нами и сингулярностью, несмотря на наши усилия, неотвратимо уменьшается. К счастью, учёные показали, что за обычным горизонтом событий есть ещё один, и когда мы попадём за него, время и пространство снова поменяются местами, и мы сможем избежать сингулярности.
Предположим, что нам это удалось. Пройдя сквозь горловину белой дыры, мы выйдем в какой-то отдалённой точке нашей Вселенной. Взглянув на часы, мы заметим, что путешествие заняло несколько секунд. Однако, если бы можно было сравнить наше время с тем, которое прошло на Земле, оказалось бы, что нас забросило на миллионы лет или в будущее, или в прошлое. Выходит, что пространственно-временные туннели – это ещё и машины времени!
Много лет назад о машинах времени размышлял Г. Уэллс. Конечно, машины, рисовавшиеся его воображению, совсем не похожи на те, что связаны с чёрными дырами. Но хотя эти «машины времени» предсказаны солидной теорией, их использование, как нетрудно заметить, приводит к осложнениям. Причём осложнения эти столь серьёзны, что могут заставить нас отказаться от самой идеи туннелей. Одним из фундаментальных принципов физики является принцип причинности, который гласит, что у каждого следствия есть причина, и она должна предшествовать следствию. Если же пространственно-временные туннели существуют, этот принцип нарушается.
Будь это единственным камнем преткновения, мы могли бы его обойти, но их, к сожалению, гораздо больше. Давайте вернёмся к белой дыре; ранее я говорил о том, что это чёрная дыра с обратным ходом времени, и раз в будущем чёрные дыры всегда будут существовать, значит, в прошлом должны всегда (т.е. с момента зарождения Вселенной) существовать белые дыры. Однако белые дыры, связанные с коллапсом чёрных дыр, не могут существовать так долго. Возможно, звезда сколлапсировала всего несколько лет назад. Существует, впрочем, тип чёрной дыры, о котором мы поговорим позднее, так называемые реликтовые чёрные дыры. Они образовались во время Большого взрыва, когда возникла Вселенная. Если предположить, что такие чёрные дыры существуют, то есть и белая дыра (связанная с чёрной дырой), которая существовала всегда.