ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ ВСЕЛЕННОЙ
Г. НИКОЛАЕВ. По материалам германского журнала "Бильд дер Виссеншафт".
Математические расчеты показывают - невидимые гиганты есть
Четыре года назад группа американских и японских астрономов направила свой телескоп на созвездие Гончих Псов, на находящуюся там спиральную туманность М106. Эта галактика удалена от нас на 20 миллионов световых лет, но ее можно увидеть даже с помощью любительского телескопа. Многие считали, что она такая же, как и тысячи других галактик. При внимательном изучении оказалось, что у туманности М106 есть одна редкая особенность - в ее центральной части существует природный квантовый генератор - мазер. Это газовые облака, в которых молекулы благодаря внешней "накачке" излучают радиоволны в микроволновой области. Мазер помогает точно определить свое местоположение и скорость облака, а в итоге - и других небесных тел.
Японский астроном Макото Мионис и его коллеги во время наблюдений туманности М106 обнаружили странное поведение ее космического мазера. Оказалось, что облака вращаются вокруг какого-то центра, удаленного от них на 0,5 светового года. Особенно заинтриговала астрономов скорость этого вращения: периферийные слои облаков перемещались на четыре миллиона километров в час! Это говорит о том, что в центре сосредоточена гигантская масса. По расчетам она равна 36 миллионам солнечных масс.
Астрономы отбросили предположение о том, что такое количество материи может быть очень плотным скоплением звезд, которое мы не видим из-за космической пыли. Звезды, входящие в скопление, должны были бы находиться на очень близком расстоянии одна к другой. При такой "толкучке" они непременно начнут сталкиваться, и звездное скопление довольно быстро "рассыпется". Загадку хоровода облаков ученые объяснили тем, что они наблюдают черную дыру, вернее, то, что происходит в ее окрестностях. Ведь саму черную дыру увидеть нельзя.
М106 - не единственная галактика, где подозревается черная дыра. В Туманности Андромеды, скорее всего, тоже есть и примерно такая же по массе - 37 миллионов Солнц. Предполагается, что и в галактике М87 - чрезвычайно интенсивном источнике радиоизлучения - обнаружена черная дыра, в которой сосредоточено 2 миллиарда масс Солнца!
Еще 200 лет назад вопросом о влиянии гравитации на распространение света звезд задался ныне мало кому известный английский естествоиспытатель Джон Мишелл. Большинство ученых в те времена считали, что свет состоит из частиц. И Мишелл исходил из того, что частицы света в своем движении будут замедляться тяготением звезды или планеты, от которой они удаляются. Он сделал расчет: какой должна быть наименьшая сила притяжения, чтобы частицы света не могли покинуть их источник. Его вычисления говорили, что небесное тело, весящее в 500 раз больше нашего Солнца, вообще не позволит частицам света покинуть его.
"Если такие тела в природе действительно существуют, - заключал свою работу Мишелл, - их свет нас никогда не достигнет". Идеи ученого на какое-то время привлекли внимание научных кругов, но последователей он не обрел.
Прошло 13 лет, и французский философ Пьер Симон Лаплас, по всей видимости незнакомый с работами Мишелла, пришел к аналогичному выводу. Но тут вскоре было доказано, что свет - волновое явление. Гипотезы Мишелла и Лапласа ученые оставили в стороне. Все, что касалось соображений о взаимодействии света и гравитации, Лаплас в последующих изданиях своих работ вычеркнул .
Жизнеописание звезды
Более 100 лет проблема взаимодействия света и гравитации была в забвении. Но к ней пришлось вернуться, когда в конце 1915 года Эйнштейн опубликовал Общую теорию относительности - революционное объяснение сущности тяготения.
Представьте себе свободное от гравитации пространство как ровную резиновую пленку. Вместо звезды у нас будет тяжелый бильярдный шар. Положим его на пленку - она прогнется. Второй шар, находящийся рядом, будет играть роль планеты. Он скатится в углубление, сделанное первым шаром, и шары столкнутся. Но если мы заставим второй шар двигаться с определенной скоростью по окружности вокруг первого, то столкновения шаров не будет - центробежная сила уравновесит их притяжение.
Вести себя так, как шары на резиновой пленке, должна и лучистая энергия - свет. В присутствии тяготения он сохраняет свою скорость, но траектория света, попавшего в поле тяготения, искривляется под его воздействием.
Немецкий астроном Карл Шварцшильд настолько увлекся теорией гравитации Эйнштейна, что взялся исследовать, как все это отражается на жизни звезд. Полученные им формулы говорили, что на определенном расстоянии от звезды время, пространство и масса становятся взаимозависимыми: время может становиться пространством, пространство - временем. Эти парадоксы даже вообразить невозможно, но математически они отображаются четко. Согласно уравнениям Общей теории относительности, сильные поля тяготения оказывают замедляющее действие на время, искривляют пространство.
Все эти теоретические выводы прошли потом проверку в экспериментах астрономов и физиков и везде получили подтверждение: парадоксы теории относительности выступают и в реальных событиях нашего мира, но ощутимыми они становятся, когда дело касается больших масс и скоростей. В последние годы еще раз убедились в этом на примере изучения такого явления, как черные дыры.
Астрофизики поняли, что уравнения Шварцшильда годятся для звезд малых размеров. Небесное тело, имеющее массу, равную Солнцу, на последнем этапе жизни должно "съежиться", его радиус уменьшится до трех километров - это так называемая "граница Шварцшильда".
Продолжая изучать природу звезд, астрофизики установили, что это шары из газа, внутри которых происходит выделение энергии за счет слияния атомов водорода и образования более тяжелых атомов гелия. Возник вопрос: а что произойдет со звездой, когда ее топливо, водород, будет исчерпано?
Индийский ученый Субрахманьян Чандрасекар в 1930 году пришел к выводу, что звезда с массой, не превосходящей 1,4 солнечной, в конце своей жизни превратится в звезду иного класса - в белого карлика, который меньше, чем земной шар. Материя в ней сжата так плотно, что атомы теряют свои электронные оболочки. Электроны начинают жить собственной жизнью. Их свобода противостоит силам тяготения внутри тела звезды и тем самым сдерживает дальнейшее спадание вещества к ее центру. Более тяжелые звезды должны, как считалось в начале изучения этой проблемы, под действием колоссальной гравитации сжиматься еще больше. Но никто не представлял, до каких пределов они могут уменьшиться.
Два года спустя после того, как были опубликованы работы Чандрасекара, английский физик Джеймс Чедвик открыл нейтрон. Это помогло узнать конечную судьбу тяжелых звезд: огромное тяготение "вдавливает" свободные электроны в протоны, и возникают электрически нейтральные частицы - нейтроны. Рождается нейтронная звезда, вещество которой имеет невероятную плотность. Кусочек такой материи размером с кубик пиленого сахара весит один миллиард тонн, а нейтронная песчинка уравновесила бы мощный электровоз. Но это относится к судьбе звезд, которые имеют массу не более трех солнечных. А что случится со звездой более тяжелой?
Ответ на вопрос нашли Роберт Оппенгеймер и его ученики в 1939 году. По их представлениям, нет такой силы, которая могла бы противостоять коллапсу (сжиманию вещества), если масса звезды более чем в три раза превосходит солнечную. В этом случае - так говорит теория - все вещество небесного тела сомкнется в одной точке. Феномен, при котором плотность материи становится бесконечно большой, математики называют сингулярностью (от латинского "сингл", что означает "точка"). Радиус такой компактной звезды будет меньше трех метров, то есть меньше, чем было определено Шварцшильдом.
"Горизонт событий"
Когда звезда "спадается", то в окружающем ее пространстве растут силы гравитации. Значит, пространство все сильнее и сильнее искривляется. Звезда замыкает вокруг себя пространство, когда ее радиус становится меньше, чем "радиус Шварцшильда". Небесное тело как бы обосабливается от всей Вселенной: ни вещество, ни свет не могут покинуть звезду. Она словно помещена в какую-то капсулу. Звезда становится невидимой - совсем так, как еще два столетия назад предполагал Джон Мишелл!
Наблюдатель извне никаких сигналов от звезды получить не может. Про нее можно сказать: скрылась за "горизонтом событий". А как высоко стоит этот горизонт, определяется "радиусом Шварцшильда".
До последнего времени природа черных дыр казалась совершенно непонятной, загадочной. Даже Эйнштейн, теория относительности которого стала первым камнем в фундаменте современного представления о космосе, не верил в существование такого фантастического явления, как черные дыры. В одной из своих работ, опубликованной в 1939 году, он писал, что можно доказать: такого не может быть. Дальнейшее развитие науки показало, что здесь он ошибался, хотя был настолько уверен в своей правоте, что до конца жизни к этой проблеме не возвращался. Так же и Оппенгеймер, разуверившись в существовании черных дыр, не стал продолжать исследования таинственного явления.
Впрочем, ведь тогда это были чисто теоретические вопросы. Галактика М106 еще не открыла свой секрет.
Лишь в шестидесятые годы астрофизики всерьез занялись поисками экзотических объектов Вселенной. Черные дыры стали искать среди тяжелых мощных источников света. А такие во Вселенной есть. Например, есть область, которая по размерам равна примерно нашей Солнечной системе, а излучает энергии в тысячи раз больше, чем все звезды нашей Галактики - Млечного Пути.
В 1963 году американский астроном М. Шмидт высказал предположение, что недавно обнаруженный точечный источник радиоволн может быть черной дырой, еще не полностью закрытой "капсулой" искривленного пространства. Через год советский физик академик Яков Зельдович и его американский коллега физик Эдвин Солпитер сообщили о разработанной ими модели. Модель показала: черная дыра притягивает газ из окружающего пространства, и вначале он собирается в диск возле нее. От столкновений частиц газ разогревается, теряет энергию, скорость и начинает по спирали приближаться к черной дыре. Газ, нагретый до нескольких миллионов градусов, образует вихрь, имеющий форму воронки. Его частицы мчатся со скоростью 100 тысяч километров в секунду. В конце концов вихрь газа доходит до "горизонта событий" и навечно исчезает в черной дыре.
Мазер в галактике М106, о котором шла речь в самом начале, находится в газовом диске. Черные дыры, возникающие во Вселенной, судя по тому, что наблюдали американские и японские астрономы в спиральной туманности М106, обладают несравненно большей массой, нежели те, о которых говорит теория Оппенгеймера. Он рассмотрел случай коллапса одной звезды, масса которой не более трех солнечных. А как образуются такие гиганты, которые астрономы уже наблюдают, объяснений пока нет.
Последние компьютерные модели показали, что газовое облако, находящееся в центре нарождающейся галактики, может породить огромную черную дыру. Но возможен и другой путь развития: скопление газа вначале распадется на множество более мелких облаков, которые дадут жизнь большому числу звезд. Однако и в том, и в другом случае часть космического газа под действием собственной гравитации в конце концов закончит свою эволюцию в виде черной дыры.
По этой гипотезе черная дыра есть почти в каждой галактике, в том числе и в нашей, где-то в центре Млечного Пути.
Астрономические наблюдения, проведенные за последние десять лет, позволяют с большой степенью достоверности говорить о том, что черная дыра в Млечном Пути действительно есть, и в ней сосредоточено вещество, равное трем миллионам солнечных масс. В работах Оппенгеймера и Шнайдера говорилось о теоретической возможности существования таких гигантов.
Наблюдения так называемых систем двойных звезд, когда в телескоп видна лишь одна звезда, дают основание считать, что невидимый партнер - черная дыра. Звезды этой пары расположены так близко одна к другой, что невидимая масса "высасывает" вещество видимой звезды и поглощает его. В некоторых случаях удается определить время оборота звезды вокруг ее невидимого партнера и расстояние до невидимки, что позволяет рассчитать скрытую от наблюдения массу.
Первый кандидат на такую модель - пара, обнаруженная в начале семидесятых годов. Она находится в созвездии Лебедя (обозначена индексом Cygnus XI) и испускает рентгеновские лучи. Здесь вращаются горячая голубая звезда и, по всей вероятности, черная дыра с массой, равной 16 массам Солнца. Другая пара (V404) имеет невидимую массу в 12 солнечных. Еще одна подозреваемая пара - рентгеновский источник (LMCХ3) в девять солнечных масс находится в Большом Магеллановом Облаке.
Все эти случаи хорошо объясняются в рассуждениях Джона Мишелла о "темных звездах". В 1783 году он писал: "Если светящиеся тела вращаются вокруг невидимого чего-то, то мы должны быть в состоянии из движения этого вращающегося тела с известной вероятностью сделать вывод о существовании этого центрального тела".
Год 1997. Новые открытия
Совсем недавно удалось доказать, что некоторые черные дыры вращаются, вовлекая в это движение и окружающее их пространство. "До сих пор мы умели узнавать лишь массу черной звезды, теперь можем определять ее вращательный импульс", - с гордостью говорит сотрудник Центра НАСА в Хантсвилле Шуанг Нан Цанг.
Черную дыру окружает некая граница, и вся материя, находящаяся внутри нее, непременно будет поглощена дырой. Размеры границы зависят, в частности, от скорости вращения черной дыры. Эту скорость можно посчитать, если знать, с какой скоростью движется материя у границы.
Расшифровывая информацию, поступающую от спутников, улавливающих рентгеновское излучение, Шуанг Нан Цанг и его коллеги пришли к выводу, что в Млечном Пути находятся 12 черных дыр с массой от трех до тридцати солнечных. Некоторые из этих дыр вращаются очень медленно, другие - вовсе неподвижны. Но две вращаются вокруг своих осей с невероятной скоростью.
"Исследуя вращение черной дыры, - пишет астрофизик из Балтимора Марио Ливио, - можно узнать, сколько материи она успела поглотить за свою жизнь и как вращательный импульс связан с выбросом материи в виде осевой струи". Цанг убежден, что эти две быстро вращающиеся дыры, обнаруженные в нашей Галактике, посылают в свои окрестности струи высокоэнергичных частиц. Струи вращаются примерно с той же скоростью, что и сама черная дыра.
Точные измерения позволяют определить скорость вращения вихря материи прежде, чем она исчезнет в черной дыре.
Кроме того, ученые обнаружили колебания интенсивности рентгеновского излучения у обоих объектов. Эти наблюдения навели в конце 1997 года на след еще более удивительного феномена: газовые и пылевые частицы около двух черных дыр, о которых идет речь, подвержены периодическому движению, называемому прецессией. Это значит, что ось вихревого движения частиц не стоит на месте, а в свою очередь вращается вокруг другой оси.
Такое движение нам хорошо знакомо: полярная ось Земли тоже вращается и описывает своим (воображаемым) концом на небе круг за 25800 лет. У черных дыр прецессия происходит много интенсивнее: ось газо-пылевого диска (GRS 1915+105) оборачивается 67 раз в секунду, ось диска, окружающего вторую дыру (GROJ 1655-40), делает 300 оборотов в секунду. Это говорит о том, что пространство около черных дыр само вовлечено во вращение, примерно так, как вода в ванне закручивается перед выпускным отверстием.
Возможность существования подобного феномена предвидели еще в 1918 году австрийские физики Иосиф Лензен и Ганс Тюрринг. Они пришли к такому выводу на основе Общей теории относительности А. Эйнштейна. И вот только теперь, в конце прошлого года, впервые доказано, что такой эффект действительно существует.
Нынешний успех астрономии доказывает, что черные дыры - не просто экзотические объекты Вселенной, окрыляющие нашу фантазию, они заставляют задуматься над тем, что многие причудливые особенности природы еще не познаны. Два итальянских астронома, Луиджи Стелла и Марио Виертри, на основе данных, полученных со спутника RXTE, открыли искривление пространства около нейтронной звезды, правда, очень слабое. Уже создается спутник, названный "Gravity Probe В", специально приспособленный для исследования эффектов теории относительности. Его старт планируется на 2000 год.
Гипотезы и парадоксы
Общая теория относительности, как известно, предсказала, что масса искривляет пространство. И уже через четыре года после опубликования работы Эйнштейна этот эффект был обнаружен астрономами. При полном солнечном затмении, проводя наблюдения с телескопом, астрономы видели звезды, которые на самом деле были заслонены краем черного лунного диска, покрывшего Солнце. Под действием солнечной гравитации изображения звезд сместились. (Здесь поражает еще и точность измерения, потому что сместились они меньше, чем на одну тысячную градуса!)
Астрономы теперь точно знают, что под влиянием "линзы тяготения", которую представляют собой тяжелые звезды и, прежде всего, черные дыры, реальные позиции многих небесных тел на самом деле отличаются от тех, что нам видятся с Земли. Далекие галактики могут выглядеть для нас бесформенными и более яркими, чем они есть на самом деле из-за того, что на пути к Земле их свет взаимодействует со множеством "линз тяготения". Иногда луч, проходя мимо тяжелого объекта, расщепляется, и тогда наблюдатель с Земли видит множество изображений одного и того же объекта, или же они сливаются в кольцо.
Моделирование на компьютере показало, например, что свечение газового диска, вращающегося вокруг черной дыры, видно и сзади ее "капсулы". Это означает: тяготение столь велико и пространство так закручено, что свет проходит по кругу. Поистине там можно увидеть то, что происходит за углом.
Вообразим совершенно невероятное: некий отважный космонавт решил направить свой корабль к черной дыре, чтобы познать ее тайны. Что он увидит в этом фантастическом путешествии?
По мере приближения к цели часы на космическом корабле будут все больше и больше отставать - это вытекает из теории относительности. На подлете к цели наш путешественник окажется как бы в трубе, кольцом окружающей черную дыру, но ему будет казаться, что он летит по совершенно прямому тоннелю, а вовсе не по кругу. Но космонавта ждет еще более удивительное явление: попав за "горизонт событий" и двигаясь по трубе, он будет видеть свою спину, свой затылок...
Общая теория относительности говорит, что понятия "вовне" и "внутри" не имеют объективного смысла, они относительны так же, как указания "налево" или "направо", "верх" или "низ". Вся эта парадоксальная путаница с направлениями очень плохо согласуется с нашими повседневными оценками.
Как только корабль пересечет границу черной дыры, люди на Земле уже не смогут ничего увидеть из того, что там будет происходить. А на корабле остановятся часы, все краски будут смещены в сторону красного цвета: свет потеряет часть энергии в борьбе с гравитацией. Все предметы приобретут странные искаженные очертания. И, наконец, даже если эта черная дыра будет всего вдвое тяжелее, чем наше Солнце, притяжение станет столь сильным, что и корабль, и его гипотетический капитан будут вытянуты в шнурок и вскорости разорваны. Материя, попавшая внутрь черной дыры, не сможет противостоять силам, влекущим ее к центру. Вероятно, материя распадется и перейдет в сингулярное состояние.
Согласно некоторым представлениям, эта распавшаяся материя станет частью какой-то иной Вселенной - черные дыры связывают наш космос с другими мирами.
Читайте в любое время
