Кип Торн - Черные дыры и складки времени. Дерзкое наследие Эйнштейна
П.5. Квазар 3C273. Черная дыра в два миллиарда солнечных масс, окруженная бубликом газа («диск аккреции») и двумя гигантскими струями, выстреливающими вдоль ее оси вращения
2х109 солнечных масс, в 7500 раз меньше, чем Гаргантюа, но гораздо больше массы любой черной дыры в Млечном Пути. Поток газа, затягиваемый гравитацией дыры, устремляется из бублика к горизонту. Когда газ приближается к поверхности горизонта, он ведет себя иначе, чем вы видели на других дырах, он образует завихрение вокруг дыры как в торнадо. Эта дыра должно быть быстро вращается! Ось волчка легко идентифицировать: это ось, вокруг которой образуются газовые вихри. Две струи, как вы замечаете, выстреливают как раз вдоль оси волчка. Они образуются как раз над северным и южным полюсами горизонта и берут энергию из вращательного движения дыры и бублика34, похоже на то, как смерч засасывают с земли пыль.
Разница между Гаргантюа и 3C273 кажется удивительной: почему Гаргантюа, с его в тысячу раз большими массой и размером, не обладает таким круглым бубликом газа и гигантскими струями квазара? После телескопических исследований Брет находит ответ: раз в несколько месяцев звезда на орбите центральной дыры 3C273 подходит близко к горизонту и разрывается приливными силами дыры. Остатки звезды, массой примерно в 1 солнечную, разбрызгиваются в окрестности черной дыры. Постепенно внутреннее трение загоняет разбрызгивающийся газ внутрь бублика. Этот свежий газ компенсирует газ, которым бублик постоянно снабжает дыру и струи. Таким образом, бублик и струи поддерживают свои запасы газа и продолжают ярко светить.
Брет объясняет, что звезды могут близко подойти и к Гаргантюа. Но поскольку Гаргантюа намного больше 3C273, его приливные силы над горизонтом слишком слабы, чтобы разорвать звезду. Гаргантюа проглатывает звезды целиком, не разбрызгивая их внутренности в окружающий бублик. А без бублика Гаргантюа не может создать струи и другие особенности квазара.
Пока звездолет продолжает вырываться из гравитационных объятий Гаргантюа, вы обдумываете план возврата домой. К тому времени, как корабль достигнет Млечного Пути, Земля станет на 4 миллиарда лет старше по сравнению со временем, когда вы ее покинули. Перемены в человеческом обществе должны быть такими разительными, что вам уже не хочется возвращаться. Вместо этого вы и ваша команда решаете колонизировать пространство вокруг вращающейся черной дыры.
Вы полагаете, что так же как энергия вращения дыры в 3C273 питает струи квазара, энергия вращения меньшей дыры может быть использована как источник энергии для человеческой цивилизации.
Вам не хотелось бы прибыть к какой-нибудь выбранной дыре и обнаружить, что другие существа уже построили вокруг нее свою цивилизацию. Поэтому вместо того чтобы направить звездолет к уже существующей быстро вращающейся дыре, вы направляетесь к таким звездным скоплениям, в которых быстро вращающиеся дыры должны появиться вскоре после вашего прибытия.
В туманности Ориона в Млечном Пути как раз, когда вы покидали Землю, существовала двойная звездная система, состоящая из двух обращающихся вокруг друг друга звезд с массами в 30 солнечных. ЗАРЯ посчитала, что в то время как вы летели к Гаргантюа, каждая из этих звезд должна была взорваться, с образованием не вращающейся дыры массой в 24 солнечных (6 солнечных масс газа было выброшено во время схлопывания). Эти две дыры, каждая из которых имеет массу в 24 солнечных, должны теперь вращаться вокруг друг друга как двойная черная дыра, и при вращении они должны излучать волны приливных сил (волны «искривления пространства-времени»), которые называются гравитационными волнами35. Эти гравитационные волны должны толкать двойную дыру так же, как вылетающая пуля вызываете отдачу стреляющего ружья. Эта «отдача гравитационной волны» стягивает орбиты дыр в медленно, но неумолимо стягивающуюся спираль. Слегка корректируя ускорение вашего звездолета, вы можете добиться того, что время вашего подлета совпадет с последней стадией стягивания спирали, и через несколько дней после вашего прибытия вы сможете увидеть, как горизонты черных дыр наматываются один на другой, все плотнее и плотнее, быстрее и быстрее, пока не сольются в один, вращающийся больший горизонт.
Из-за того что две родительские дыры не вращаются, ни одна из них не может служить источником энергии для вашего поселения. Однако новорожденная, быстро вращающаяся дыра подходит для этого идеально!
ДомПосле 42-летнего путешествия ваш звездолет, наконец, замедляется в туманности Ориона, где, как предсказала ЗАРЯ, должны быть две черные дыры. Вот они, там, где и было предсказано! Измеряя орбитальное движение межзвездных атомов при падении на дыры, вы подтверждаете, что их горизонты не вращаются, и что вес каждой из них составляет 24 солнечных массы, согласно предсказанию ЗАРИ.
Каждый горизонт имеет длину окружности в 440 километров, а расстояние между ними равно 50000 километров. Черные дыры обращаются вокруг друг друга один раз за 13 секунд. Подставив эти числа в формулы общей теории относительности для излучения гравитационных волн, вы получаете, что эти две дыры сольются в одну через 7 дней. Вам как раз хватит времени, чтобы команда приготовила аппаратуру для регистрации всех деталей происходящего. Следя за яркими кольцами сфокусированного звездного света, который окружает черные диски черных дыр, команда может легко следить за их движением.
Вам хочется быть поближе к событию, чтобы все хорошо видеть, но достаточно далеко, чтобы быть на безопасном расстоянии от приливных сил дыр. Вы решаете, что орбита звездолета, в десять раз большая орбиты, по которой дыры обращаются вокруг друг друга, будет хорошим выбором — диаметр этой орбиты равен 300000 километров, а длина окружности равна 940000 километров. Карее совершает маневр и выводит звездолет на заданную орбиту, команда начинает видеонаблюдение.
В течение последующих шести дней две дыры постепенно сближаются друг с другом и ускоряют свое орбитальное движение. За день перед слиянием расстояние между ними сократилось от 30000 километров до 18000, а их орбитальный период упал с 13 до 6,3 секунды. За час до слияния они находятся на расстоянии 8400 километров друг от друга, а их орбитальный период равен 1,9 секунды. До слияния остается одна минута: расстояние между ними стало равно 3000 километров, а период уменьшился до 0,41 секунды. Десять секунд до слияния: расстояние 1900 километров, период 0,21 секунды.
Затем в последние десять секунд ваш корабль и ваши тела вдруг начинают вибрировать. Сначала слабо, а потом все сильнее и сильнее. Как будто гигантская пара рук схватила вас за голову и ноги и поочередно сдавливает и растягивает вас все сильнее и сильнее, быстрее и быстрее. А потом еще более неожиданно, чем все это начиналось, тряска прекращается. Все успокаивается.
— Что это было? — шепчете вы ЗАРЕ дрожащим голосом.
— Тише, тише! — успокаивает она, — Это была ондуляционная приливная сила гравитационных волн, появившихся при слиянии дыр. Вы привыкли к таким слабым гравитационным волнам, что их могут зарегистрировать только очень чувствительные приборы, но здесь, вблизи сингулярности, они были необычайно сильны, настолько, что если бы наш звездолет попал на в 30 раз меньшую орбиту, его бы разорвало этими волнами. Но сейчас мы в безопасности. Слияние завершилось, волны ушли дальше во Вселенную, неся далеким астрономам описание симфонии слияния26.
Направляя один из корабельных телескопов на источник гравитации под вами, вы обнаруживаете, что ЗАРЯ, как всегда, права: слияние закончилось. Там, где раньше было две дыры, теперь осталась только одна и, насколько вы можете судить по завихрению падающих атомов, она быстро вращается. Эта дыра будет идеальным генератором энергии для вашей команды и тысяч поколений потомков.
Измеряя орбиту звездного корабля, Карее получает, что масса оставшейся дыры составляет 45 солнечных масс. Поскольку родительские дыры имели массу 48 солнечных масс, 3 солнечные массы должны были превратиться в энергию и унестись гравитационными волнами. Неудивительно, что вас так тряхнуло!
Пока вы настраиваете остальные телескопы на черную дыру, неожиданно мимо звездолета, щедро разбрасывая во всем направлениях сверкающие искры, проносится маленький объект и затем взрывается, оставив пробоину в борту вашего корабля. Ваша хорошо тренированная команда и роботы спешат к своим боевым местам, а вы судорожно обшариваете пространство в поисках атакующего вражеского корабля. Тогда, отвечая на призыв о помощи, ЗАРЯ успокаивает всех по громкоговорящей системе корабля:
— Тише, тише! На нас никто не нападает, это была ненормальная первичная черная дыра, которая испарялась, а потом схлопнулась27.
— Что-что?! — кричите вы.
