Чудеса и катастрофы Вселенной - Галина Железняк

Вам нужно опять встретиться и сравнить показания часов. Но встретиться-то вы не можете — ведь и вы, и он летите равномерно и прямолинейно в разных направлениях. Чтобы иметь возможность встретиться, кто-то из вас должен развернуться и полететь в обратном направлении. Но тот, кто начнет разворачивать свой корабль, сразу испытает действие ускорения. Тот же, кто летит по-прежнему, никаких ускорений не испытает. А ускорение, согласно принципу эквивалентности, — то же самое, что и поле тяжести. Значит, можно считать, что тот, второй, космонавт вовсе не разворачивал звездолет, включая двигатели, а просто оказался на время и поле тяжести какого-то тела. В поле тяжести — мы уже говорили об этом — часы идут медленнее, даже световые колебания совершаются с меньшей частотой. И чем больше ускорение при развороте (т. е. чем больше поле тяжести), тем больше замедление времени. Когда вы снова встретитесь с космонавтом, который улетел и вернулся, окажется, что именно он остался молодым — ведь именно его, а не ваши часы шли медленнее…

Вернемся к черной дыре. Представьте, что звезда начала неудержимо сжиматься. Произошел, как говорят астрофизики, катастрофический коллапс, и вы начали падать к центру звезды вместе с ее веществом. Все кругом падает вместе с вами. Вам просто не за что зацепиться взглядом, падает ведь все вещество звезды! И получается, что вы совершенно неподвижны относительно тех частиц вещества, которые летят поблизости от вас и с которыми вы можете сравнивать показания своих часов и длину своих линеек. Вы неподвижны друг относительно друга даже в момент пересечения сферы Шварцшильда. Для вас при пересечении этой страшной поверхности ничего страшного не произойдет! Вы будете все ускорять свое падение и за доли секунды — по вашим часам — окажетесь в центре звезды вместе со всем ее веществом, которое свалится вам на голову (хотя о какой голове можно говорить, если плотность вещества в центре звезды окажется бесконечно большой).

А теперь взглянем на ваше падение с точки зрения астронома, следящего за коллапсом звезды в телескоп. Вот он видит, как в момент, когда газовое давление перестает уравновешивать тяжесть, звезда вдруг начинает быстро уменьшаться в размерах. За полчаса она сжимается (падает) от размеров Солнца до радиуса нейтронной звезды. Сжатие продолжается, и вы начинаете замечать странности. Вместо того чтобы ускоряться, ведь сила тяжести растет, падение замедлилось! Да, с приближением к сфере Шварцшильда сила тяжести устремляется к бесконечности.

Но ведь и время начинает течь бесконечно медленно! Если падающая частица сигнализирует о своем движении, ежесекундно испуская по фотону (по часам, установленным на частице), то вы улавливаете эти фотоны один раз в секунду, один раз в две секунды, один раз в три секунды, в четыре… И при этом энергия фотонов, преодолевших возрастающее поле тяжести, становится все меньше и меньше, пойманные вами фотоны оказываются все «краснее». Те фотоны, которые частица излучит вблизи самой сферы Шварцшильда, будут отделены для вас друг от друга интервалами в тысячи, десятки тысяч, миллионы лет. А последний фотон, который частица испустит, пересекая сферу Шварцшильда, дойдет до вас за бесконечно долгое время и будет иметь бесконечно малую энергию. Иными словами, вы этот фотон никогда не увидите.

Что же получилось? Звезда для вас как бы застыла. Процессы, которые вы наблюдаете, протекают все медленнее, пока не застывают окончательно. Впрочем, вряд ли вы вообще сможете что-нибудь наблюдать. Ведь красное смещение света будет так велико, что обычные видимые световые волны станут длинными радиоволнами и будут смещаться все дальше и дальше. Вы увидите, как звезда, начав сжиматься, попросту погасла… Вот какие странные метаморфозы произойдут со звездой, если в ней нечем будет поддерживать равновесие и если начнется катастрофический коллапс.

Так утверждает общая теория относительности. А сами эти звезды получили название коллапсирующих. Впоследствии появилось еще одно название — застывшие звезды. Но укоренилось и стало общепринятым более звучное и экстравагантное название — черные дыры. Черные дыры, откуда ни один луч света не может выйти к наблюдателю. Черные дыры, которые все заглатывают своим тяготением. Черные дыры, которые, в сущности, — не звезды, а растянутый до бесконечности процесс сжатия звезды. Черные дыры, которые и сейчас представляют для теоретиков, для всех знатоков теории относительности увлекательную и не разрешенную пока загадку.

И эти странные особенности коллапсирующего тела были впервые описаны в 1939 г. Оппенгеймером и Снайдером…

В Белорусском государственном Научно-исследовательском институте ядерных проблем уже не первый год работают над раскрытием тайны черных дыр во Вселенной. Если ранее черные дыры считались самыми экзотическими объектами космоса, то в последних космологических моделях утверждается, что черные дыры являются во Вселенной не чем-то уникальным, а естественным для нее. В основном они располагаются в центре галактик и по возрасту могут отличаться друг от друга: среди них есть древние, по земным понятиям, и молодые.

Большинство ученых сходится во мнении, что черные дыры — это ядра массивных звезд, которые, взорвавшись, приобретают такую плотность, а вместе с ней и силу притяжения, что с их поверхности даже свет не в состоянии вырваться. А отсюда и невозможность их визуального исследования — они просто невидимы.

По словам руководителя коллектива белорусских исследователей, доктора физико-математических наук Виктора Тихомирова, их работа сосредоточена на изучении малых черных дыр, размеры которых не превышают величину ядра водорода, но масса превышает массу целого Нью-Йорка. Такие дыры свободно путешествуют по космосу и, проходя через потухшую звезду, могут заставить ее взорваться, а вещество от взрыва всосать в себя и увеличиться в размерах.

И вот в лаборатории ядерного НИИ занялись исследованием того, как находить малые черные дыры. Свою работу ученые строят, исходя из способности черных дыр испускать излучение. Но излучение это не совсем обычное.

Казалось бы, как можно расщепить вакуум? Ведь это пустота, и сколько ее ни расщепляй, ничто останется тем же ничем. А вот черные дыры способны на такое расщепление, в результате чего в вакууме возникают обладающие энергией частицы. И если, скажем, малая черная дыра пройдет рядом с Землей, она может создать излучение гораздо большее, чем атомная электростанция. В результате все вокруг сильно нагреется.

Это предположение лежит в основе исследований белорусских ученых. В принципе черные дыры — это область теоретической астрономии. При чем же здесь ядерная физика? А при том, говори! профессор Тихомиров, что атомное ядро в естественных условиях — самое плотное из известных состояний вещества. Черные дыры — еще более плотное вещество. Разгадав загадку черных дыр, нетрудно будет понять основы строения Вселенной.

В ходе компьютерного эксперимента астрофизикам удалось обнаружить взаимосвязь между ростом галактик и эволюцией черных дыр. Этот эксперимент проводился сотрудниками Университета Карнеги Меллона, Астрофизического центра имени Макса Планка и Гарвардского университета. Ученые пытались смоделировать столкновение двух зарождающихся галактик, в центре каждой из которых находится черная дыра. Под действием взаимного притяжения из двух черных дыр возникает новая, масса которой начинает стремительно расти за счет поглощения прилегающего вещества и становится в миллиарды раз больше массы Солнца.

«Излишки» газа образуют вблизи черной дыры квазар — тяжелый и протяженный излучающий объект, «подпитываемый» ее энергией. Излучения квазара оказывается достаточно, чтобы «разогнать» вещество галактики на значительные расстояния от центра и инициировать процесс образования звезд.

Развитие метода, считает профессор Хернквист (Негnquist), возглавляющий кафедру астрономии в Гарвардском университете, позволит применить его к взаимодействующим скоплениям галактик.

ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ И МАГНЕТИЗМ

Черные дыры поглощают вещество за счет магнитных полей, утверждают астрофизики из Мичиганского университета. На основании данных, собранных орбитальным рентгеновским телескопом «Chandra», они построили математическую модель аккреции (то есть падения вещества на сверхтяжелый объект), доказывающую, что одной гравитации заведомо недостаточно.

Как объясняют астрономы, если бы черные дыры просто притягивали вещество из-за чрезмерной массы, оно бы в процессе падения накапливало угловую скорость и оставалось «размазанным» по орбите снаружи от горизонта событий — границы, которая отделяет черную дыру от остального мира. Такой вывод следует из закона сохранения углового момента, например, именно поэтому спутники не падают на планеты. Почти каждая черная дыра окружена аккреционным диском — облаком газа, который перед поглощением превращается в плазму и начинает излучать в рентгеновском или гамма-диапазоне. Запреты, действительные для планет и их спутников, газ способен обойти, но только в том случае, если угловой момент, теряемый падающим веществом, будет передаваться другой части облака.