Она черная, страшная и странная — просто черная дыра

На закате своей жизни звезда сбрасывает газовую оболочку, а ее ядро начинает стремительно сжиматься. И, как мы уже говорили, здесь все зависит от массы. Если масса ядра меньше 1,4 массы Солнца, гравитационный коллапс остановится на стадии белого карлика. Если масса ядра находится в пределах 1,4–3,0 солнечной массы, ядро сколлапсирует в нейтронную звезду. Но если ядро еще массивнее (более трех масс Солнца)… образуется в высшей степени экзотический и загадочный объект современной астрономии и космологии — черная дыра. Критическую величину в 1,4 массы Солнца принято называть пределом Чандрасекара, по имени индийского физика-теоретика, рассчитавшего этот параметр.

Под черной дырой следует понимать область пространства-времени, полностью закрытую для внешнего наблюдателя. Не то что материальное тело, даже световые волны не могут выйти за пределы этой области: чудовищная гравитация не выпускает! Это же касается любого излучения, в любом диапазоне. Черной дыре просто нечем светить, блестеть. Поэтому она — черная, выглядит как абсолютный физический провал, ей нечем обмениваться с внешним миром.

Путь внутрь черной дыры — путешествие с билетом в один конец: любой предмет, падающий туда, исчезает. Вспомним наши школьные годы: учитель физики рассказывает на уроках про космические скорости. Первая космическая скорость — это скорость, которую нужно сообщить предмету для того, чтобы он не падал на Землю. Вот яблоко падает, камень падает, даже мы сами можем споткнуться и упасть, а по телевизору говорят, что такой-то космический аппарат стартовал с космодрома такого-то и «вышел на орбиту». То есть он стал спутником Земли, вертится вокруг нее, но не падает. Чем массивнее тело, тем больше энергии надо затратить, чтобы оторваться от его поверхности.

Чтобы разорвать силу земного притяжения, то есть покинуть околоземную орбиту, требуется развить скорость 11,2 км/с. Эта величина называется второй космической скоростью, или скоростью убегания. Если объект движется с такой скоростью, то можно быть уверенным, что он не только не будет падать, но сможет убежать от Земли прочь, покинуть ее навсегда. На поверхности Солнца скорость убегания будет, конечно, больше (поскольку Солнце гораздо массивнее Земли) — где-то 700 км/с. Но когда скорость убегания преодолевает критический предел — скорость света… все, последний поезд ушел: возникает черная дыра, ибо, согласно ОТО, б?льшую скорость никакой материальный объект иметь не способен, а поэтому покинуть внутреннюю область черной дыры никому и ничему никак не удастся.

Почему же тогда массивные звезды, гораздо более массивные, чем наше коллапсирующее ядро, запросто излучают свет? «А был ли мальчик, может быть, мальчика-то и не было?» Ответ прост. Мальчик должен быть не просто очень толстым. Он должен быть очень толстым и очень-очень маленьким. Важна не просто масса, важен объем пространства, в который масса «втиснута».

Все что угодно может стать черной дырой. Для этого нужно это «что-то» просто очень-очень сильно сжимать. Если бы мы стали сжимать Землю, бережно сохраняя ее полную массу, то увидели бы, что вторая космическая скорость неуклонно растет, хотя масса планеты не меняется. Когда радиус Земли уменьшится до 9 мм, а плотность ее вещества вырастет до 1027 г/см³ (это больше плотности атомного ядра не в два, не в три раза, а в такое число раз, что в нем 13 нулей — на 13 порядков, как говорят ученые), скорость убегания на ее поверхности сравняется со скоростью света. После этого Землю уже не нужно будет сдавливать: с этого момента планета начнет просто-таки неудержимо коллапсировать самостоятельно, и на ее месте в конце концов образуется мини-черная дыра. «Мини», но точно такая же черная, как и большая, как любая другая. Черная, странная и загадочная. А термин «черная дыра» ввел в научный обиход американский физик Джон Уилер в 1969 году.

Численное значение радиуса, при котором скорость света уравнивается со второй космической скоростью, нетрудно рассчитать для любого тела, если известна его масса. Эту величину принято называть гравитационным радиусом (rg), и она вычисляется по формуле rg = 2GM/c², где G — это просто постоянный коэффициент, число, а с — скорость света в пустоте. В случае Земли, как говорилось выше, гравитационный радиус составит 9 мм, для Солнца он будет равен 3 км, а очень массивные тела (порядка нескольких миллиардов масс Солнца) будут иметь гравитационный радиус, превосходящий размеры Солнечной системы. Такие сверхмассивные черные дыры, как считают ученые, встречаются в ядрах спиральных галактик.

Черная дыра — странный объект. Внутри нее нет никакого вещества. Почему? Потому что она состоит из пустоты, из физического вакуума. Впрочем, в прошлой главе мы убедились, что вакуум не так уж пуст. А центр черной дыры — это сингулярность. По сути, такая же, как сингулярность классической космологии — точка начала нашей вселенной. В сингулярности сосредоточена вся масса черной дыры. Но мы же знаем уже, что пустота имеет вес!

На самом деле, никаких чудес — просто квантовая теория. Для точного объяснения того, что происходит в центре черной дыры, нужна теория квантовой гравитации. Пространство и время описываются там в терминах квантовых флуктуаций, так что сама структура того и другого меняется в течение каждого планковского интервала времени — 10–43 с, в планковском объеме — 10–99 см, а плотность энергии этого пространственно-временного кипения тоже планковская, предельно большая, больше просто не бывает: 1093 г/см³. Со всеми этими величинами вы, впрочем, уже знакомы.

Если вокруг черной дыры на расстоянии ее гравитационного радиуса обозначить условную сферу, то мы получим некую физическую границу, не условную, а вполне реальную, называемую горизонтом событий, или сферой Шварцшильда, по имени ее первооткрывателя. Конечно, сфера Шварцшильда — это не экран из вещества. Это гравитационный экран. Все, что находится под горизонтом событий, принципиально недоступно наблюдению — гравитация не выпускает.

Согласно ОТО (а у нас, как мы знаем, нет причин сомневаться в ее правильности), ход времени зависит от силы тяжести. Чем массивнее тело, тем медленнее течет время на его поверхности. Вот мы сидим в нашем уютном звездолете, у иллюминатора, или даже дома, в нашем любимом кресле, у окна и наблюдаем черную дыру и ее окрестности. Мы бросаем взгляд на свои часы — и что же мы видим? По мере приближения к горизонту событий время любых событий будет замедляться. А для событий на границе сферы Шварцшильда время по показаниям наших часов останавливается вовсе.

В этом месте объяснений обычно приводят пример незадачливого путешественника, оказавшегося в окрестностях черной дыры.

Итак, есть путешественник (назовем его для определенности Петром), который отправляется к черной дыре. Есть его товарищ (мы станем звать его Павлом), который наблюдает за Петром с некоторого безопасного расстояния. Петр и Павел — апостолы науки. Что же они увидят, тот и другой?

Павел обнаружит, что скорость Петра по мере приближения к горизонту событий стремится к полному нулю. Он приближается к черной дыре все медленнее и медленнее, пока совсем не останавливается на линии горизонта. Далее, когда бы Павел ни поинтересовался, что же там делает Петр, он всякий раз будет отмечать, что с Петром ничего не происходит, он все висит и висит неподвижно на границе сферы Шварцшильда. Павел так и не увидит, как Петр пересечет горизонт! Правда, Павел увидит, как Петр будет все сильнее и сильнее отливать красным, как Солнце на закате, затем образ Петра будет меркнуть, тускнеть, пока вовсе не исчезнет.

Теперь посмотрим на происходящее глазами Петра. Приближаясь к черной дыре, он не наткнется ни на какие границы и без труда пересечет горизонт событий. Ну а дальше… Скорее всего, еще до того, как наш храбрый, но некомпетентный Петр увидит что-нибудь интересное, он будет разорван на части или растянут, благодаря так называемому приливному эффекту. Дело в том, что гравитационное поле разнится в зависимости от расстояния до массивного объекта: часть, которая ближе к его центру, притягивается сильнее. Чем плотность объекта больше, тем гравитация сильнее и тем больше разница между гравитационными силами, действующими, скажем, на ноги и голову нашего Петра. Черная дыра очень плотная. Следовательно, ее гравитация очень велика и эффект из-за этой разницы будет существенен на расстояниях, которые сравнимы с ростом человека. Да, да, наш Петр просто превратится в спагетти! Для приливного растяжения в черной дыре даже существует особый термин — spaghetification («спагеттификация»). Более того, расстояние, на котором уже существенен приливной эффект, по мере продвижения к центру черной дыры очень быстро уменьшается. Бедный Петр все равно «спагеттизируется», если не целиком, от носа к пяткам, то, так сказать, «помолекулярно»; он будет похож не на одну большую макаронину, а на порцию спагетти. Но ему это уже будет безразлично.

Но главный драматический момент состоит в том, что ни поведать о своих впечатлениях от увиденного под горизонтом черной дыры, ни позвать на помощь наш бедный Петр не сможет. Принципиально не сможет: никакая информация не способна преодолеть горизонт черной дыры в обратном направлении, от центра! Ну, если только носитель информации будет квантовый — но это уже по части научной фантастики.

И все же, перед тем как «спагеттизироваться», что же Петр увидит? По мере приближения к черной дыре он заметит, что вид неба странным образом искажается, как будто оно уменьшается в размерах и искривляется. Затем абсолютная чернота черной дыры начнет перекрывать обзор. Так Петр пересечет то, что называется «фотонной сферой». На этом расстоянии от горизонта событий свет еще не втягивается в черную дыру, но и не может уже от нее оторваться вследствие гравитации. Фотоны света крутятся вокруг черной дыры по орбите, подобно орбитальному спутнику Земли. Поэтому, глядя вперед или немного в сторону, Петр мог бы видеть собственный затылок: свет, отраженный от его затылка, обернется вокруг черной дыры, вернется обратно и попадет на его сетчатку. Затем, по мере приближения к центру, Петр увидит, как позади него все небо уменьшается в размерах и стягивается в точку. Впрочем, если черная дыра была достаточно большой, то на горизонте событий Петр может довольно сносно и даже комфортно провести еще несколько часов. Затем станет очень больно.

А что будет потом? Никто точно не знает. Конечно, Петра уже не будет в живых. Но элементарные частицы, из которых состояло его тело на квантовом уровне, могут появиться где-нибудь в нашей вселенной или в какой-то другой вселенной классического типа, или утонуть в море инфлирующего вакуума. Некоторые ученые считают, что если черная дыра движется, она может породить то, что в астрофизике называется wormholes — «червоточина». По сути, червоточина — это магистраль квантового тунеллирования, о котором речь шла в предыдущей главе. Частицы, из которых раньше состоял Петр, могут внезапно оказаться в точке пространства, где они никак не могли бы оказаться, двигаясь по нему даже со скоростью света! Возьмем обычный лист бумаги и отметим самые далекие друг от друга точки. Но если мы согнем наш лист и приложим эти точки одна к другой, расстояние между ними сократится до нуля! Что-то подобное происходит и в случае с червоточиной.

Все без исключения черные дыры неразличимы: каковы бы ни были начальные условия их формирования, в итоге всегда одно и то же. Любая черная дыра характеризуется всего лишь тремя параметрами: массой, угловым моментом (спином) и электрическим зарядом. И все, что в нее проваливается, тоже утрачивает индивидуальные характеристики.

Если еще 20–30 лет назад черные дыры считались изящной теоретической спекуляцией, а в их реальном существовании было позволительно сомневаться, то сегодня 99 % астрофизиков убеждены, что черные дыры уже открыты. К настоящему времени обнаружено свыше 20 рентгеновских объектов в маломассивных двойных системах, которые считаются кандидатами в черные дыры. Если же к этому списку добавить сверхмассивные черные дыры в ядрах галактик, то насчитаем их более трех сотен.

В некотором смысле черные дыры — создатели галактик, так как они тянут планеты и звезды к спиральному центру. У каждой галактики есть черная дыра, и иногда галактики сталкиваются вместе из-за гравитации более крупных черных дыр.

Все подобные объекты можно разделить на три типа: 1) черные дыры с массой от 3 до 50 солнечных масс, представляющие собой продукт эволюции массивных звезд; 2) сверхмассивные черные дыры в ядрах галактик, достигающие 106–109 масс Солнца; 3) так называемые первичные черные дыры, образовавшиеся на ранних стадиях Вселенной. Своим появлением на свет они обязаны локальным деформациям метрики пространства-времени в первые моменты после Большого взрыва, задолго до того, как зажглись первые звезды. Поскольку черные дыры постепенно «испаряются» (это доказал Стивен Хокинг), до наших дней могли дожить первичные черные дыры только с массой более 1012 кг.