Черные дыры на нашу голову.

Астрономам наконец-то удалось заглянуть в самое сердце нашей Галактики - Млечный Путь, где расположена загадочная сверхмассивная черная дыра. Они определили: масса черной дыры почти в три миллиона раз больше Солнца!

Куда пропадают звезды.

Черные дыры - одна из самых удивительных загадок Вселенной. Они привлекают пристальнейшее внимание ученых, возбуждают воображение писателей. Чего о них только сегодня не прочитаешь: черная дыра в центре нашей Галактики засасывает Солнце, в секретных научных лабораториях идут работы по созданию искусственных черных дыр, многочисленные черные дыры витают в атмосфере ЗемлиЙ Что тут правда, а где откровенная фантазия?

Еще в 1783 году английский ученый Джон Мичел описал "темную звезду", тяготение которой столь сильно, что не дает оторваться от ее поверхности даже свету. В 1796 году подобные мысли высказал и французский математик Пьер Симон Лаплас. Оба они исходили из понятия скорости убегания, она же вторая космическая, - скорости, которую необходимо набрать, чтобы преодолеть притяжение космического тела.

Например, чтобы оторваться от Земли, необходимо двигаться со скоростью, превышающей 11,2 километра в секунду. Чем компактнее тело (при той же массе), тем выше скорость убегания. Если бы Землю удалось каким-то чудом сжать вдвое, то скорость убегания выросла бы в 1,4 раза. А если сжать всю Землю в шарик радиусом меньше сантиметра, скорость убегания превысит 300 000 километров в секунду, то есть скорость света. Для внешнего наблюдателя такой сверхсжатый объект просто пропадет, ибо все, что мы сейчас знаем о Вселенной, известно только благодаря свету, точнее - электромагнитному излучению. Как только космическое тело перестает отпускать от себя фотоны, мы теряем его из виду.

В XVIII веке "темные звезды" никого особо не интересовали. Новую жизнь вдохнул в эту идею в 1915 году немецкий астроном Карл Шварцшильд, который доказал: существование темных звезд автоматически следует из теории относительности Эйнштейна. Он вывел и формулу для вычисления радиуса, при котором скорость убегания на поверхности тела заданной массы равна скорости света. Этот радиус теперь называют "радиусом Шварцшильда".

Интересно, что один из самых ярких приверженцев теории относительности Эйнштейна - Артур Эддингтон воспринял идею Шварцшильда скептически, поскольку сжатие тела в точку и полное выпадение из "информационной зоны Вселенной" казалось ему невероятным. Эддингтон даже предложил возможный сценарий образования черной дыры. В чем суть? Сжать твердое тело, например Землю, до сантиметрового размера невозможно. Иное дело - газообразные звезды. Собственная гравитация стремится сжать их, но в сердце каждой звезды горит термоядерная топка, и давление раскаленного газа препятствует сжатию. Когда же запасы "топлива" иссякают, звезда остывает и "съеживается". Становится "точкой".

Однако, описав этот процесс, Эддингтон заключил: подобное "поведение" звезды абсурдно. Позже ученого упрекали в том, что он своим высочайшим научным авторитетом задержал развитие теории черных дыр на 30 лет.

Специалисты снова вернулись к ней лишь в 60-е годы (термин был предложен американским ученым Джоном Уилером), когда стало ясно, что, несмотря на природную "скрытность", черные дыры все-таки можно обнаружить: есть нечто, чего дыра спрятать не в состоянии - ее гравитация.

Все ближе к Млечному Пути.

С "поисковой" точки зрения черная дыра - это объект, который обладает сильным гравитационным полем, очень небольшими размерами и не виден. Правда, пока доказано существование только двух видов черных дыр - "звездных", масса которых в несколько раз больше массы Солнца, и сверхмассивных - в миллионы и миллиарды масс нашего светила.

Первые, как и предполагал Эддингтон, образуются в результате коллапса массивных звезд. Их удается обнаружить, когда бывшая звезда, а ныне черная дыра входит в тесную "звездную пару". Пока второй компаньон в этой паре живет обычной звездной жизнью, ничего интересного не происходит. Но вот и в недрах второй звезды начинает постепенно иссякать топливо. Звезда при этом начинает увеличиваться в размерах (кстати, нечто подобное в далеком будущем ожидает и Солнце). Если она расширится достаточно сильно, ее внешние слои попадут в сферу притяжения черной дыры.

Когда это происходит, вещество срывается с поверхности раздувшейся звезды и с высокой скоростью падает на черную дыру, но не по прямой, а по спирали - газ закручивается вокруг дыры, образуя плоский диск, похожий на кольца Сатурна. Процесс выпадения вещества называется аккрецией, а диск - аккреционным. Причем последний разогревается до миллионов градусов и становится мощным источником жесткого электромагнитного излучения, которое вполне доступно наблюдениям на современных астрономических телескопах. Оно-то и выдает присутствие черной дыры, хотя саму ее не видно даже в самый мощный телескоп. Таких двойных систем с черными дырами в нашей Галактике обнаружено около десятка, хотя на самом деле их, конечно, больше.

Надо сказать, что черные дыры, оставшиеся от массивных звезд, в жизни галактик не играют существенной роли. В отличие от сверхмассивной черной дыры. В некоторых системах - активных галактиках и квазарах - она иногда становится самым заметным объектом. Наверное, не все знают, что квазары - это невероятно сильные источники энергии, которые с самого момента своего обнаружения поразили ученых тем, что излучение, по мощности превосходящее излучение всей нашей огромной Галактики, исходит из "крохотной" области, по размерам сравнимой с Солнечной системой. Сейчас считается, что излучение квазара - это излучение аккреционного диска вокруг сверхмассивной черной дыры.

Конечно, для возникновения аккреционного диска черной дыры мало, нужен еще и "топливный бак" - некий резервуар материи, который регулярно подпитывал бы диск, возмещая вещество, упавшее на черную дыру. Выпадение больших масс газа на центр Галактики может происходить при ее столкновении с другой звездной системой. Получив неожиданное подкрепление, черная дыра, до того спокойно "дремавшая" в центре Галактики, "оживает" и на некоторое время, пока не кончится "топливо", превращается в квазар.

Если такого резервуара нет, аккреционный диск не образуется, и тогда заметить сверхмассивную черную дыру становится труднее. В близких галактиках ее можно обнаружить, наблюдая за движением звезд. Если бы центр, скажем, нашей Галактики был пуст, звезды вблизи него двигались бы очень медленно, фактически почти неподвижно паря в пустом пространстве. Но на самом деле это не так.

Солнце вращается вокруг центра Галактики со скоростью около 220 километров в секунду и совершает полный оборот за двести миллионов лет. С приближением к ядру Млечного Пути скорости звезд возрастают. В минувшем сентябре американские астрономы сообщили о наблюдениях звезд на расстоянии всего лишь на 180 астрономических единиц от центра Галактики (астрономической единицей называют среднее расстояние от Земли до Солнца). Эти звезды летят со скоростью почти полторы тысячи километров в секунду и совершают оборот вокруг центра Галактики всего за пятнадцать лет.

Законы небесной механики говорят, что движение с такой скоростью и с таким периодом вызывается гравитацией объекта с массой около трех миллионов солнечных масс. Вместе с тем этот объект по космическим меркам невелик, раз звезды движутся вокруг него по таким тесным орбитам, и не виден. По современным представлениям, никакой объект, кроме черной дыры, таким сочетанием признаков обладать не может.

Заметим мимоходом: звезды, обнаруженные астрономами, движутся чуть ли не вплотную к дыре, но не обнаруживают стремления на нее упасть. Это подчеркивает нелепость утверждений о том, что черная дыра "засасывает" Солнце. Черная дыра - не пылесос. Она, наравне с прочими космическими объектами, подчиняется закону всемирного тяготения, а точнее - общей теории относительности, и ее гравитационное воздействие на Солнце теряется в сравнении с совокупным притяжением миллиардов звезд Галактики.

Признаки сверхмассивных черных дыр обнаружены и в других галактиках. Иногда масса их сопоставима с массой "нашей" черной дыры, в других случаях, как, например, в гигантских эллиптических галактиках, она достигает миллиардов солнечных масс. Сейчас многие астрономы уверены, что сверхмассивные черные дыры есть в центрах всех галактик, за исключением разве что самых маленьких.

Галактики рождаются из тьмы.

Откуда взялись сверхмассивные дыры? Однозначного ответа нет. Одни ученые полагают их побочными продуктами Большого взрыва, которые стали "затравками" для образования галактик. Другие считают, что центральная черная дыра образуется уже после рождения галактики в результате слияния множества черных дыр, порожденных массивными звездами.

Пока все доказательства существования черных дыр косвенны. Несмотря на то, что разрешающая сила рентгеновских телескопов постоянно повышается, ее все еще не хватает для того, чтобы в центре аккреционного диска увидеть крохотное черное пятнышко. В ближайшие двадцать лет американское космическое агентство NASA планирует запустить в космос сверхточный космический рентгеновский интерферометр, который, вероятно, позволит это сделать.

Самым надежным доказательством существования черных дыр станет обнаружение излучаемых ими гравитационных волн. То, что гравитация способна распространяться подобно свету, известно с начала XX века, но до сих пор все попытки зафиксировать гравитационные волны оканчивались неудачей - слишком уж они слабы. Однако техника постоянно совершенствуется, и сейчас готовятся к вводу в строй несколько гравитационных телескопов, как наземных, так и космических. Не исключено, что уже в первые годы работы они обнаружат вспышки гравитационного излучения, сопровождающие рождение одиночной дыры или слияние двух черных дыр.

Возможен ли полет к черной дыре и что ожидает отважных исследователей, которые осмелятся к ней приблизиться? Предположим, что пилотируемый корабль находится на безопасном расстоянии и ловит сигналы с беспилотного аппарата, падающего в дыру. Сначала этот зонд будет хорошо виден, но чем ближе он будет приближаться к горизонту событий, так называют границу черной дыры, тем труднее будет покидать окрестность дыры посылаемым с него сигналам. Космонавтам на борту корабля будет казаться, что зонд краснеет и темнеет. Наконец, он станет совершенно черным и пропадет с экранов. Произойдет это еще до пересечения зондом "границы", поэтому, как и требуется по определению, никакой информации о внутренностях черной дыры космонавты не получат.

Да ее и некому будет отправлять! Мощное гравитационное поле черной дыры разрушит зонд, вытянув его в тончайшую струну, разорвет молекулы на атомы, сорвет с атомов электроны, разрушит ядра, ядра распадутся на протоны и нейтроны, протоны и нейтроны - на кваркиЙ Вещество будет размолото на мельчайшие фрагменты и стянуто в сингулярность - точку с бесконечной плотностью, в которой перестают существовать пространство и время. Иногда говорят, что пространство внутри черной дыры приобретает свойства времени - двигаться по нему, как и по времени, можно только в одну сторону.

Описанная картина, конечно, неполна, а может быть, и не совсем верна. Ведь в ней проявляется бесконечность, а в физике, как правило, бесконечное решение означает, что в формулировке задачи пропущено что-то важное. Не надо забывать: теория гравитации Эйнштейна не учитывает результатов другой великой физической теории XX века - квантовой механики. Не исключено, что вблизи центра черной дыры законы общей теории относительности уступают место законам объединенной теории - квантовой гравитации или попросту "Теории Всего". И черная дыра - не символ отчаяния и невозвратимости, а объект, раскрытие тайн которого будет означать крупный, может быть, даже решающий шаг к полному постижению сути пространства и времени.

Дмитрий ВИБЕ, сотрудник Института астрономии РАН, кандидат физико-математических наук.

  00:04 15.12