Максим Либанов - Почему наш мир таков, каков он есть. Природа. Человек. Общество (сборник)
Я думаю, что черные дыры есть. Я бы не задумываясь поклялся правой рукой директора своего института в том, что черные дыры существуют. Считается, что в центрах галактик, в том числе и в нашей, есть очень массивные черные дыры. Пока не совсем понятно, откуда они взялись. Скорее всего, часть из них развилась из самых первых черных дыр, образованных из самых первых звезд. Они поглощали вещество и таким образом нарастили массу. Есть предсказание о первичных черных дырах, промежуточных черных дырах, но их пока никто не наблюдал.
Самые лучшие кандидаты в черные дыры появились в 1970-е годы в системах двойных звезд. Звезды, особенно массивные, по большей части рождаются парами. Идея тоже очень проста, все мы помним, как образовывалась Солнечная система: было облако газа и пыли, оно сжималось. Мы все смотрим фигурное катание и помним, что, когда объект сжимается, он начинает вращаться быстрее. Сжимаясь, это облако может начать вращаться настолько быстро, что разделится на две части: его разрывает вращением, и тогда образуются две звезды. Это общий случай, он часто встречается в природе.
В двойной звезде нет ничего необычного. Если на небе ясно, их можно наблюдать, и особенно красиво, когда они разного цвета. Как и глаза у людей, звезды тоже бывают разных цветов. Две звезды живут, и одна из них – та, которая быстрее эволюционирует, – может превратиться в черную дыру. Дальше, чтобы ее стало видно, вещество второй звезды должно начать перетекать на первую. Это происходит, если звезда раздулась и вещество с нее захватывается черной дырой. Образуется красивый диск, в котором у самой внутренней его границы вещество двигается с половиной скорости света. Вещество разогревается до миллионов градусов, и мы видим яркий рентгеновский источник.
Именно такие явления стали открывать в 1970-е годы, когда начали запускать спутники с рентгеновскими детекторами. Таких двойных звездных систем сейчас известно множество. Часто это большие системы с гигантскими звездами, которые в десятки раз тяжелее Солнца и намного ярче. В названиях звезд использовались названия спутников, их открывших, координаты звезды, созвездий; часто фигурирует буква Х (икс), потому что на всех языках, кроме русского и немецкого, рентгеновские лучи называются Х-лучами. Есть замечательная история о том, как в советские времена ученый отправил из-за границы телеграмму в свой институт, потому что было сообщение о вспышке в одной из таких двойных систем. Телеграмма не дошла, а в КГБ долго изучали сообщение: «Следите за Лебедем Х-3».
Сегодня считается, что в таких системах невидимым объектом является черная дыра. Для этого есть причины. В первую очередь это связано с отсутствием пульсаций. Если в рентгеновской системе находится не черная дыра, то это должна быть нейтронная звезда. В двойных с такими объектами часто наблюдают пульсации излучения. На самом деле они не пульсируют так, как пульсирует сердце, просто на поверхности нейтронной звезды есть яркое пятно, а звезда вращается. Периодически, как в маяке, сигнал попадает на Землю, и тогда мы видим объект, регулярно меняющий свою яркость – пульсар[18]. Чтобы объект пульсировал, у него должна быть поверхность. Если рентгеновский объект не пульсирует, скорее всего, у него нет поверхности, а единственный объект, у которого нет поверхности, – это черная дыра.
Есть также некоторые особенности излучения, которые говорят нам о том, что объект, скорее всего, является черной дырой. Но главное – они очень тяжелые. Мы представляем себе примерно, до какой степени можем издеваться над веществом и пытаться его сжать. При некотором усилии вещество отказывается дальше сопротивляться и проваливается в никуда, в черную дыру. Нижняя граница массы черных дыр соответствует трем массам Солнца. Если мы видим темный объект с массой четыре массы Солнца, то это не может быть тяжелая нейтронная звезда. Вы можете сделать кресло, но если вы сделаете кресло с массой в три массы Солнца, оно схлопнется в черную дыру. Такого предмета существовать просто не может, и его нельзя придумать. Это главная причина, почему мы считаем эти объекты черными дырами. Никаких других хороших моделей, позволяющих объяснить тяжелый темный объект, у нас сегодня нет.
Интересно рассмотреть аргумент отсутствия поверхности. Если не черная дыра, то что? В данном случае альтернатива – это нейтронные звезды. У нейтронных звезд есть поверхность, они иногда могут не пульсировать. Итак, вещество с соседней звезды начинает перетекать на нейтронную звезду. Вещество в этом случае – водород. Водород накапливается, становится горячее и плотнее. Когда водород становится все горячее и плотнее, происходит термоядерный взрыв. И это наблюдается! Однако есть точно такие же системы, где нет никаких вспышек. Единственный здравый аргумент состоит в том, что в такой системе у компактного объекта, на который течет вещество, нет поверхности. По сути это не могут объяснить иначе, чем сказав, что там находится черная дыра.
Черная дыра для физиков – это самая консервативная гипотеза. Вообще говоря, вся экзотика современной науки – темное вещество, темная энергия, черные дыры, вообще все непривычное и таинственное, что есть в современной физике, – это в то же время и самое консервативное, то есть простейшее объяснение наблюдаемых феноменов.
Самая надежная на сегодняшний день черная дыра существует в центре нашей Галактики. Мы можем сейчас наблюдать, фотографировать, складывать фото и получать реальную картину того, что там происходит. Мы видим, что звезды двигаются в центре Галактики, мы можем видеть кривые вращения, прописать их орбиты, измерить, какая масса заставляет эти звезды крутиться. И мы видим, что в самом-самом центре нашей Галактики сидит объект размером намного меньше земной орбиты, но с массой четыре миллиона масс Солнца. Его называют Sgr A*[19]. Все это мы четко видим по орбитам, так что объект там точно есть, это уже не обсуждается. Единственное здравое объяснение, которое пока придумали, – что тусклый объект с массой четыре миллиона масс Солнца – черная дыра.
А вдруг это не дыра? Расчеты показывают, что если вы разместите в области размером меньше радиуса земной орбиты практически что угодно, то это довольно быстро сколлапсирует в черную дыру. А недавно появился совсем, на мой взгляд, потрясающий аргумент в пользу того, что в центре нашей Галактики находится именно черная дыра. Космос, естественно, не пустой, в нем всегда что-то есть: какой-то мусор, газ. Если есть тяготеющий центр, то газ туда будет стремиться течь – гравитацию никто не отменял. Мы видим, как в центр течет газ, и если бы там была какая-то стенка, газ бы ударился о нее почти со скоростью света и выделил очень много энергии. Мы, напротив, видим, что более 99,6 % энергии выделяется в самом потоке: газ течет и, ни во что не врезаясь, куда-то исчезает. Единственное здравое объяснение опять – черная дыра.
Несмотря на все это никому Нобелевскую премию за черные дыры пока не дали. Существование горизонта черной дыры реально не доказано, сделать это технически сложно. Тем не менее есть надежда в ближайшие годы прямо увидеть этот горизонт. Связано это с совсем экзотическим процессом. Мы знаем, что есть двойные звезды. Одна звезда уже превратилась в черную дыру. Теперь, говорю я, вторая звезда тоже может превратиться в черную дыру. Первая превратилась, а если вторая достаточно массивна, то и ей ничего не мешает тоже превратиться в черную дыру. Итак, у нас получилось две черные дыры. Обе они крутятся в двойной системе, и эта система начинает испускать гравитационное излучение. Идея гравитационных волн на самом деле довольно простая. Известно, что общая теория относительности – это геометрическая теория гравитации. Соответственно, тяжелые тела искажают пространство. Если взять айпад и надавить на него пальцем, то есть массивным телом, поверхность исказится. Если же будет два пальца, которые, вращаясь, воздействуют на экран, будет видно, как по нему бегут волны. Примерно то же и с искривлением пространства. Теперь представьте вместо айпада пространство-время. Если взять пространство-время, то обычные волны превратятся в гравитационные. Они предсказаны теорией относительности, но до сих пор напрямую не открыты, хотя люди очень стараются и надеются. Двойные черные дыры – самый мощный источник гравитационных волн. Когда они совсем сливаются, волн становится очень много. Были построены специальные детекторы, которые заработают через несколько лет. Тогда мы прямо увидим, как искажается пространство и время в момент слияния черных дыр.
Идея детектора примерно такая. Берется труба длиной около километра. В трубе вакуум и висят зеркала массой где-то под тонну. Между ними бегает лазерный луч. Проходит гравитационная волна, и зеркала немножко сближаются-отдаляются. Они колеблются, и получается сигнал. Колебание подвешенных зеркал можно заметить. Таким образом, мы не просто увидим гравитационные волны, но увидим прямой сигнал от взаимодействия горизонтов в черных дырах. Тогда Нобелевская премия будет дана одновременно за открытие гравитационных волн и черных дыр.
