Свет во тьме. Черные дыры, Вселенная и мы

Фальке Хайно

Хотя такие сценарии далеко не всем кажутся забавными, физики развлекаются, когда их придумывают! Долгое время эти объекты называли “застывшими звездами”, поскольку на краях их дисков время останавливается. Но это не совсем так. Строго говоря, время останавливается только на краю абсолютно статичной черной дыры. А если она растет за счет пожирания материи, то ее горизонт событий тоже увеличивается и как бы проталкивает эту “застывшую” материю внутрь.

Термин “черная дыра” впервые появился в 1964 году в статье журналистки Энн Юинг [80] и окончательно утвердился после того, как был использован Джоном Арчибальдом Уилером в выступлении на конференции. С тех пор бренд “черные дыры” неизменно приковывает внимание как непрофессионалов, так и экспертов. Бренды важны даже в физике, а американцы кое-что понимают в маркетинге. Никто ведь не купит книгу о получении первого изображения с таким, к примеру, названием: “Изображение объекта, полностью сколлапсировавшего под действием гравитации”.

80

Ann Ewing. ‘Black Holes’ in Space. // The Science News-Letter 85, no. 3 (January 18, 1964): 39. https://jstor.org/stable/3947428? seq=1.

Но

черные дыры могут еще и вращаться. Математик Рой Керр из Новой Зеландии в 1963 году нашел такое математическое решение для вращающейся черной дыры, которое описывает пространство-время вокруг нее [81] . Если вращающееся вещество падает в черную дыру, угловой момент системы сохраняется. Черная дыра заставляет окружающее ее пространство вращаться вместе с ней, подобно тому, как водоворот вовлекает во вращение окружающую его воду. И как лодку затягивает в глубину подхвативший ее водоворот, так и вращающееся пространство заставляет материю и даже свет в определенной области пространства возле черной дыры вращаться вместе с ним. И наоборот – теоретически возможно извлечь энергию вращения черной дыры с помощью имеющихся в области водоворота магнитных полей [82] . Сингулярность в центре вращающихся черных дыр представляет собой уже не точку, а кольцо с невероятными свойствами: математически его можно представить как замкнутую линию, следуя по которой, вы возвращаетесь в ту же точку, из которой отправились в какой-то момент времени, точно в тот же момент времени.

81

Roy P. Kerr. Gravitational Field of a Spinning Massasan Example of Algebraically Special Metrics. // Physical Review Letters 11 (1963): 237–38. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1963PhRvL..11..237K.

82

Этот эффект играет значительную роль в формировании плазменных струй в черных дырах (хотя и не является абсолютно необходимым). Он называется процессом Блэндфорда-Знаека и является вариантом процесса Пенроуза, который описывает механизм извлечения энергии из вращающейся черный дыры с помощью света или частиц.

Черные дыры образуются только из очень больших звезд, которые живут недолго, может быть, всего несколько миллионов лет. Вскоре после своего образования гигантская звезда взрывается. Там, где образуются молодые звезды, вскоре возникают и звездные черные дыры. На настоящий момент в нашем Млечном Пути их количество оценивается примерно в сто миллионов. Они находятся в тысячах световых лет от нас и слишком малы, чтобы мы могли их зарегистрировать. Иногда – если вы застанете какую-нибудь из них за высасыванием вещества из соседней звезды, обращающейся вокруг нее, – ее можно увидеть в небе в виде ярко сияющего в рентгеновском диапазоне источника. Такие пары называются рентгеновскими двойными звездными системами. На самом деле это обращающиеся друг относительно друга звезда и “звездный труп”. Черная дыра-зомби поедает своего партнера кусочек за кусочком.

В сердце Млечного Пути

Сейчас июнь 2016 года, и я сижу на плоской вершине горы Гамсберг в Намибии, где мы хотим построить новый радиотелескоп [83] , на который не нашли пока денег. Я смотрю вдаль на потрясающий ландшафт. Вокруг разбросаны редкие хижины, подо мной во всех направлениях до самого горизонта простирается каменистая разноцветная пустыня, а надо мной заходящее Солнце окрашивает почти безоблачное небо в темно-красный цвет. Я заворожен переливами красок на песке в свете медленно заходящего за горизонт Солнца. Есть ли более чудесный момент, чем этот? Я никогда не смотрю на небо глазами объективного наблюдателя, оно для меня всегда окутано волшебством.

83

Информацию об этом африканском телескопе миллиметровых длин волн можно найти по ссылке: https://www.ru.nl/astrophysics/black-hole/africa-millimetre-telescope; M. Backes, et al. The Africa Millimetre Telescope. // Proceedings of the 4th Annual Conference on High Energy Astrophysics in Southern Africa (Heasa 2016): 29. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2016heas.confE..29B.

Ясными

и сухими южноафриканскими ночами, вдали от городов, звездное небо раскрылось надо мной, подобно огромному расписному куполу. На темном бархате небосвода сияет во всем своем великолепии яркая полоса Млечного Пути протяженностью 100 000 световых лет, и всю ее можно охватить одним взглядом. Бесчисленные звезды сплетаются в светящуюся вуаль, которая тянется через все небо. Темные пятна придают ей непривычную для меня рельефность, поскольку обычно я смотрю на нее из Северного полушария Земли. Эти пятна – межзвездные пылевые облака – питомники по выращиванию новых звезд, планет и черных дыр – я могу здесь рассмотреть невооруженным глазом. Вверху, почти прямо надо мной, находится галактическое ядро Млечного Пути. Где-то в его центре спрятана “моя” черная дыра. Звездное небо ясно, и потому она кажется настолько близкой, что ее вроде бы даже можно коснуться. Правда, где именно она прячется, я могу только догадываться, потому что темные пылевые облака нашей родной Галактики загораживают ее от меня. Каким бы прекрасным ни был Млечный Путь, нам трудно до конца осознать его красоту – в основном потому, что мы являемся его частью. Мы не просто наблюдатели, мы – обитатели этого островка в космосе.

Наряду с Луной Млечный Путь – самое заметное образование на ночном небе. Он сияет так ярко и отчетливо, что, согласно легенде, привел апостола Иакова Великого в Сантьяго-де-Компостела. Но сегодня, когда я иду туда же по паломническому пути Эль Камино, я использую GPS. А вот навозные жуки, катящие прочь от навозной кучи слепленные из навоза шарики, для ориентировки все еще используют Млечный Путь [84] . Без сомнения, эта светящаяся полоса в небе не могла не пробуждать мысли и чувства самых первых охотников-собирателей.

84

Mistkafer orientieren sich an der Milchstrasse. // Spiegel Online, January 24, 2013. https://www.spiegel.de/wissenschaft/natur/mistkaefer-orientieren-sich-an-der-milchstrasse-a-879525.html.

Млечный Путь получил свое название еще в древности. Согласно греческому мифу Зевс приложил к груди своей жены Геры, когда та спала, их сына Геракла. Но ребенок сильно толкнул богиню, разбудив ее, и та отстранила Геракла; при этом небольшое количество грудного молока разлилось по небесному своду: так родился Млечный Путь, или по-гречески – Galaxias (откуда и происходит знакомое нам слово “галактика”). Наш Млечный Путь состоит из сотен миллиардов звезд. Все другие “млечные пути” в космосе называются галактиками. Естествоиспытатель и исследователь Александр фон Гумбольдт именовал их Welteninseln – буквально: “острова миров”. Обычно это немецкое название галактик переводится как “островные вселенные”, и такой вариант мне нравится больше.

Демокрит, греческий философ, в V веке до нашей эры утверждал, что свет Млечного Пути может быть не чем иным, как суммой свечений отдельных звезд. Почти 2 000 лет спустя Галилей, наблюдая в свой телескоп звездное многообразие нашего Млечного Пути, подтвердил, что Демокрит был прав. Иммануил Кант в XVIII веке написал, что Млечный Путь должен представлять собой диск и что звезды в нем должны располагаться примерно в одной плоскости.

Приблизительно в то же время французский астроном Шарль Мессье, находясь в Отеле Клюни в центре Парижа (где сегодня помещается Национальный музей Средних веков), начал охоту за кометами. Попутно он обнаружил на небе множество странных облачных пятен, которые явно не были кометами и не двигались. Что это были за облака, Мессье сказать не мог, но он задокументировал и пронумеровал их. В общей сложности 110 таких размытых образований попало в каталог, который теперь носит его имя.

Сегодня астрономы-любители по-прежнему с удовольствием наблюдают за этими объектами Мессье. Они обозначаются буквой М от имени Мессье, за которой следует каталожный номер. M1 – это Крабовидная туманность, образовавшаяся из сверхновой в 1054 году. Шаровое скопление Геркулеса M13 – самое яркое шаровое скопление в Северном полушарии, находящееся на расстоянии 22 000 световых лет от нас, содержит сотни тысяч старых звезд, обращающихся друг относительно друга по орбите диаметром 150 световых лет. M42 – туманность Ориона, в которой рождаются новые звезды.

Все эти объекты являются частью нашего Млечного Пути. Он полон удивительных структур и скоплений. Но не все объекты в каталоге Мессье являются частью нашей островной вселенной. Например, M31 – галактика Андромеды, которая раньше называлась Туманностью Андромеды, – это галактика-близнец нашего Млечного Пути. Она располагается по соседству с нами на расстоянии 2,5 миллиона световых лет. А галактика M87, также называемая Девой А и находящаяся в созвездии Дева, – это галактика-монстр с несколькими триллионами звезд и огромной черной дырой в центре, изображение которой мы как раз и получили. В свое время Мессье ничего этого не знал. Для него было просто важно составить удобный список, чтобы никто по ошибке не спутал эти облака с кометами.