«Кот Шрёдингера»

В чёрной дыре

Мы отправляемся на экскурсию к центру чёрной дыры — посмотреть, что находится внутри. Путешествие, что и говорить, непростое, но с нами опытный гид — астроном Владимир Сурдин.


Что взять с собой


Любое путешествие начинается со сбора чемоданов, но что взять в этот раз? Сложно сказать наверняка, что нам может пригодиться, всё-таки пока мы слишком многого не знаем о чёрных дырах. Но есть несколько вещей, захватить которые просто необходимо.

Часы
Чем сильнее гравитация объекта, тем медленнее течёт время в его окрестностях, так уж устроено четырёхмерное пространство-время в нашей Вселенной. А у чёрной дыры, как известно, гравитация огромная, поэтому чем больше дыра, тем медленнее с нашей точки зрения там всё происходит. И ещё: чем выше скорость объекта, тем больше его масса. Так что для всех объектов, которые движутся на очень высоких скоростях, время замедляется. А мы собираемся лететь быстро! Надо будет сверять час ы с земными, чтобы понимать, насколько растягивается наше время по мере приближения к чёрной дыре. За лишнюю минуту, проведённую нами у сверхмассивной чёрной дыры, на Земле могут пройти столетия!

Телескопы
Прежде чем подходить к таким опасным объектам, как чёрные дыры, вплотную, нужно понаблюдать за ними издалека. Для этого нам понадобится телескоп, а лучше несколько разных. Рекомендую взять обычный — оптический, а также рентгеновский и гамма-телескоп, чтобы наблюдать излучение космического вещества в разных частях спектра.

Удобная тянущаяся одежда
Гравитация — штука мощная, особенно вблизи чёрных дыр. Не исключено, что нас будет сжимать и растягивать в разные стороны, поэтому любимые джинсы, рубашка или кроссовки могут порваться. Лучше всего для космического путешествия подойдёт гидрокостюм, как у дайвера. Он заменяет сразу все виды одежды и прекрасно сохраняет тепло.

Книги о чёрных дырах
Лететь далеко, и чтобы в дороге не было скучно, рекомендую изучить объект нашего интереса. Есть несколько отличных популярных книг про чёрные дыры, например:
  • Игорь Новиков. Чёрные дыры и Вселенные, Чёрные дыры во Вселенной, Энергетика чёрных дыр.
  • Уильям Кауфман. Космические рубежи теории относительности.
  • Стивен Габсер и Франс Преториус. Маленькая книга о чёрных дырах.

Друзья
Самое важное в любом путешествии — хорошая компания, поэтому зовите с собой друзей. Я вот беру с собой кота — кота Шрёдингера


Пожиратели звёзд и одинокие бродяги


Сурдин. Итак, перед нами чёрная дыра звёздной массы. Это значит, что она в десятки раз тяжелее Солнца. При этом её радиус очень мал — всего несколько километров. Типичная разновидность чёрных дыр, которые открывают наши спутники, — это источники рентгеновского излучения в двойных звёздных системах.

Кот. Почему в двойных?

Сурдин. Потому что нужен источник вещества, которое будет падать на чёрную дыру. Таким источником может служить обычная звезда, которая обращается в паре с чёрной дырой. С поверхности обычной звезды газ притягивается к чёрной дыре, падает на неё, формирует аккреционный диск и очень характерно себя при этом проявляет — быстрыми колебаниями яркости и высокой температурой.

Кот. Рядом с чёрными дырами всегда есть звёзды, от которых те подкармливаются веществом?

Сурдин. Нет, просто если рядом есть звёзды, чёрная дыра себя ярко проявляет. А если чёрная дыра гуляет сама по себе, открыть её очень трудно. Способ есть, но он практически нереализуем. Такая дыра обнаруживает себя как источник гравитации и никаким иным образом. Оказываясь рядом с ней, световые лучи меняют направление, преломляются — это называется гравитационной линзой. Одиночная чёрная дыра может проявлять себя как гравитационная линза. Есть несколько проектов по поиску таких микролинз. Но ни одной одиночной чёрной дыры звёздной массы мы пока не обнаружили. Зато вероятных чёрных дыр в парных системах найдены уже многие сотни.


Тайна девятой планеты


Кот. Я слышал про планетолога Константина Батыгина, который вроде бы доказал, что где-то далеко за Плутоном у Солнца есть ещё одна огромная планета. Но он никак не может отыскать эту загадочную «планету Х». Может, там не планета, а маленькая чёрная дыра?

Сурдин. Я бы сказал, отыскать планету не могут Майкл Браун и Константин Батыгин. Потому что Батыгин — это чистый математик, а Браун — известный астроном-наблюдатель и источник идей. Вместе они математически прогнозируют существование 9-й массивной планеты в Солнечной системе — примерно в тысячу раз дальше от Солнца, чем Земля. Её всё никак не найдут, и возникает здравая идея, что это чёрная дыра: мы её не видим, но она обладает солидной массой и где-то там путешествует.

В одной из научных статей подсчитали, что чёрная дыра такой массы должна быть размером с теннисный мяч. Но как увидеть абсолютно чёрный теннисный мяч на расстоянии сто миллиардов километров от Земли?

При этом Солнце постоянно выбрасывает из себя потоки плазмы — солнечный ветер. Они долго летят и, удаляясь от Солнца, встречаются с межзвёздной плазмой. Образуется межпланетное газовое вещество, которое окружает Солнечную систему. Если бы там путешествовала чёрная дыра, она питалась бы этой смесью. Тогда мы бы увидели её как источник, например, рентгеновского или гамма-излучения. Но мы этого не видим. Поэтому маловероятно, что рядом с нами есть чёрная дыра.

Вы, конечно, знаете, что, помимо твёрдого, жидкого и газообразного, у вещества есть четвёртое агрегатное состояние — плазма, ионизированный газ. Мы просто хотели напомнить, что в этом состоянии находится 99,9% вещества во Вселенной.

Кот. Что ж, раз надежды найти чёрную дыру в Солнечной системе нет, значит, нужно лететь дальше. Намного дальше!

Время и пространство поменялись местами


Сурдин. Приближаясь к чёрной дыре, стоит помнить, что это исключительно плотный и массивный объект. Она обладает такой сильной гравитацией, что засасывает всё, что пролетает рядом, и не выпускает ничего обратно. Даже свет не может улететь с поверхности чёрной дыры — поэтому она и чёрная.

Кот. Как же нам не попасть в плен её гравитации?

Сурдин. Самый простой вариант — наблюдать издалека и не приближаться. Но тогда практически ничего не будет видно. Поэтому мы попробуем аккуратно выйти на орбиту вокруг чёрной дыры. Если держаться на расстоянии двух радиусов чёрной дыры от её центра, можно летать, как спутник вокруг Земли, и наблюдать окрестности. Но если мы подойдём к чёрной дыре ближе, чем на полтора радиуса, то неизбежно начнём по спирали приближаться, пока не упадем в неё.

Радиус чёрной дыры называют радиусом Шварцшильда, а её поверхность — горизонтом событий. Это сферическая граница, на которой достигается баланс между притяжением гравитационного поля чёрной дыры и силой света, пытающегося покинуть её. Горизонт событий проницаем лишь в одну сторону: сквозь него можно пролететь внутрь, но нельзя вылететь наружу.

Карл Шварцшильд — немецкий астроном, механик и оптик, математически рассчитавший параметры чёрной дыры. В начале Первой мировой войны он попал на фронт, в окопах потерял здоровье и скончался в госпитале. Перед самой смертью он успел послать Эйнштейну практически законченную статью о чёрных дырах.

Горизонт событий лучится энергией. Благодаря квантовым эффектам на нём должны возникать потоки горячих частиц, испускаемых во Вселенную, — излучение Хокинга. Поэтому, хоть материя и не может вырваться за пределы горизонта событий, чёрные дыры тем не менее «испаряются».


Конечно, любая чёрная дыра растёт, потому что пустоты в космосе нет. Космическое пространство заполнено более или менее разреженным веществом, поэтому все современные чёрные дыры поглощают окружающее вещество. Одни — активно, если рядом есть звезда, с которой удобно стягивать газ, другие просто летают в космосе и потихоньку кормятся разреженным межзвёздным газом. А раз кормятся, значит, растут. Но ближе к концу жизни Вселенной, когда окружающее вещество будет съедено, дыры начнут терять свою массу и постепенно исчезнут.

Кот. Но что там внутри, за горизонтом событий?

Сурдин. За горизонтом событий пространство и время меняются своими свойствами. На Земле время безостановочно течёт, а в пространстве мы можем оставаться на своих местах: сели на стул и никуда не перемещаемся. Но при этом время остановить мы не можем, оно всё равно бежит вперёд.

Пересекая горизонт событий, мы попадаем в совершенно иную ситуацию. Там уже, как ни пытайся, остановиться в пространстве не получится, какие бы реактивные двигатели нас ни тормозили. Теория относительности говорит, что, попав внутрь горизонта событий, мы будем падать к центру чёрной дыры независимо от своих усилий. Пространство приобретает свойства времени, и все движения происходят только в одну сторону — к геометрическому центру, к сингулярности.


Монстр в центре лабиринта


Сурдин. Колоссальная гравитация чёрной дыры звёздной массы приводит к тому, что пространственная материя искажается внезапно, и вещество резко затягивается в чёрную дыру. Если мы начнём погружаться в неё, нас разорвёт. Нужно искать огромную чёрную дыру, чтобы этот же эффект распространялся на бóльшую площадь пространства и материя искажалась не так сильно.

Кот. Есть чёрные дыры побольше?

Сурдин. Кроме маленьких чёрных дыр звёздной массы есть сверхмассивные чёрные дыры, которые весят как миллионы или миллиарды Солнц. Есть и третий вид, обнаруженный лет десять назад, — чёрные дыры промежуточных масс: не единицы и десятки масс Солнца, не миллионы и миллиарды масс Солнца, а что-то вроде 10 000 солнечных масс. Находят их в центре шаровых звёздных скоплений — это сравнительно небольшие объекты, насчитывающие сотни тысяч звёзд.

Но для погружения лучше всего подойдёт сверхмассивная чёрная дыра. Она может активно пожирать близкие звёзды, излучая массу энергии, а может тихо сидеть в центре галактики, искривляя траектории пролетающих мимо звёзд. Такая «тихая» сверхмассивная чёрная дыра массой в 4,5 миллиона солнечных есть и в центре Галактики. Но смотрим мы на неё сквозь диск Галактики — обзор загораживают огромные облака газа и пыли, поэтому разглядеть нашу родную дыру мы не можем. Зато можем изучать движения звёзд вокруг неё. За эту работу, которая велась 25 лет, британский, американский и немецкий астрофизики недавно получили Нобелевскую премию. А значит, искать самых крупных космических монстров незачем — всего-то и надо, что подлететь к центру Галактики. Вперёд!

Лауреатами Нобелевской премии по физике 2020 года стали Роджер Пенроуз «за открытие того, что образование чёрных дыр является строгим следствием общей теории относительности», а также Райнхард Генцель и Андреа Гэз — «за открытие сверхмассивного компактного объекта в центре Галактики».

Кот. Я вижу гигантскую чёрную дыру. Что за необычная форма диска — он и окружает её, и делит пополам, как кольцо Сатурна!

Сурдин. Когда мы смотрим на кольцо Сатурна, мы видим ту его часть, которая находится ближе, чем сама планета. А дальнюю часть кольца мы не видим, потому что планета её от нас закрывает. Но у чёрной дыры мы видим и дальнюю часть аккреционного диска, которая, казалось бы, должна быть закрыта всепоглощающим горизонтом событий. Дело в том, что идущие из-за чёрной дыры лучи света под действием колоссального притяжения огибают её и попадают в наши телескопы. Таким образом, мы видим дальнюю часть кольца сразу с двух ракурсов, потому что приходящие лучи могут обогнуть чёрную дыру как сверху, так и снизу.

Кот. Не для кота такая красота. Хвостом чую опасность, а точнее, гравитацию. Раз эти монстры всё притягивают, значит, и Землю могут засосать?

Сурдин. Если во время своего путешествия чёрная дыра случайно заглянет к нам в Солнечную систему, то, приближаясь, она сначала разбросает в стороны все планеты своей гравитацией. Всё-таки чёрная дыра намного массивнее Солнца, так что встреча с ней — это прежде всего потеря стабильности в движении объектов Солнечной системы. Если чёрная дыра врежется в планету, планета разрушится приливным влиянием дыры,
а всё планетное вещество будет проглочено.

Кот. Ох… А много их, этих чёрных дыр?

Сурдин. Чёрных дыр во Вселенной не так уж много, по нашим подсчётам — около миллиарда, и разбросаны они далеко от нас. Солнечная система живёт пять миллиардов лет и пока ни с одной чёрной дырой близко не встречалась, так что впереди нас, вероятнее всего, ждёт ещё несколько спокойных миллиардов лет.

Для сравнения: звёзд в видимой Вселенной примерно миллион миллиардов миллиардов.

Кот. Это лучшее, что я узнал о чёрных дырах!

Сурдин. Но есть гипотеза, что в космосе летают микроскопические чёрные дыры размером с нанометр и массой как у Эвереста. Такая дыра, в принципе, могла бы незаметно летать в космосе и время от времени пролетать сквозь Солнечную систему, не привнося никаких гравитационных возмущений. Врезавшись в Землю, она тоже больших неприятностей не доставит.

Это как если бы земной шар проткнули горячей спицей. На поверхности появится что-то вроде небольшого вулкана — этакое горячее пятнышко. Потом чёрная дыра уйдёт вглубь Земли, где мы её вообще замечать не будем. Ну и с той стороны, где она выйдет, тоже образуется вулканчик. Упадёт она, вероятнее всего, в океан, который занимает две трети земной поверхности. Поэтому мы даже не поймём, что на нас что-то свалилось, — просто метеор на небе промелькнёт. Мало их, что ли, мелькает?

Кот. А не выяснится однажды, что мы живём внутри чёрной дыры?

Сурдин. Это практически невозможно. Мы наблюдаем, как связаны друг с другом пространство и время. Мы можем находиться в одной точке пространства, но не можем находиться в одной точке временной шкалы. Мы непрерывно движемся из прошлого в будущее, значит, мы не в чёрной дыре.

Американский астрофизик Кип Торн придумал, как выглядит чёрная дыра, за несколько лет до того, как астрономам удалось получить её изображение. Для фильма «Интерстеллар» он рассчитал параметры сверхмассивной чёрной дыры в рамках общей теории относительности, а режиссёр красиво воплотил его расчёты на экране.

Паста по-чернодырски


Сурдин. Итак, мы подлетаем к сверхмассивной чёрной дыре, чтобы прыгнуть в самый её центр. Возможно, нас не порвёт на куски, но точно растянет. Стивен Хокинг назвал это эффектом спагеттификации. Приближаясь к очень массивному компактному объекту, вы ощутите на себе действие приливного эффекта. Ваша голова будет чуть ближе к сингулярности, ноги чуть дальше. На них будут действовать настолько разные силы, что голова полетит вперёд намного быстрее, чем ноги. Приливный эффект растянет вас в макаронину.

Кот. А когда мы вернёмся из чёрной дыры, то на всю жизнь макаронами останемся?

Сурдин. Боюсь, обратно мы не вернёмся. Чёрная дыра — это путь в один конец. Но нам может повезти, и тогда мы окажемся в совершенно другой точке Вселенной. Для этого чёрная дыра должна оказаться червоточиной.

С ветерком по Галактике


Сурдин. Червоточина, или кротовая нора (по-английски и то и другое называется wormhole), — это ещё одно решение уравнений Эйнштейна, первым из которых как раз являются чёрные дыры. Второе решение выглядит так: две точки пространства могут быть объединены очень сильно деформированной областью пространства-времени.


Каждая из этих точек будет выглядеть снаружи как чёрная дыра, то есть место, куда можно нырнуть и не вынырнуть. Но на самом деле там нет сингулярности и две дыры связаны между собой туннелем. Нырнув в один туннель, в принципе, можно вынырнуть через другой. Причём такое путешествие займёт гораздо меньше времени, чем движение от одной точки к другой по обычному пространству.

Но это решение очень неустойчиво. Точно так же мы можем найти математическое решение, при котором карандаш будет стоять на поверхности на своём острие. Математик легко скажет, как его надо поставить, но в жизни мы этого никогда не сделаем,
и карандаш обязательно упадёт в какую-то сторону под действием самых малых возмущений. Так же и нырнувший в кротовую нору человек создаст малое колебание геометрии пространства-времени — туннель схлопнется и перестанет существовать.

Недавно астрономы обнаружили антигравитационное явление под названием тёмная
энергия. Вселенная расширяется — что-то расталкивает галактики, заставляя их разлетаться. Это что-то — тёмная энергия, по сути, антигравитация. Если бы можно было прихватить с собой в червоточину немного антигравитационной тёмной энергии, то, похоже, туннель для путешествия между различными точками Вселенной удалось бы стабилизировать.


Иллюстрации: Александр Ненашев

Фото: nasa.gov, из личного архива Владимира Сурдина, Event Horizon Telescope Collaboration, ESA/Hubble, Paramount Pictures, VectorMine / Shutterstock

Опубликовано в журнале Кот Шрёдингера № 51 2022 г.
/ Законы природы #репортаж