Чудеса и катастрофы Вселенной - Галина Железняк

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.

Такой обмен физики называют турбуленцией, и, как выяснили в Мичиганском университете, турбуленция в аккреционном диске вызвана магнитными явлениями. Компьютерную модель магнитной аккреции астрофизики сравнили с поведением GRO J655-40 — черной дыры внутри Млечного Пути, которая поглощает вещество соседней звезды. Модель предсказывала магнитный ветер — поток частиц, удаляющихся от горизонта событий и уносящих угловой момент. «Ветру» должны были соответствовать особые пики в рентгеновском спектре (отличные от тех, которые оставляет падающее вещество) — и на снимках, сделанных орбитальным телескопом, такие пики удалось найти.

Ученые отмечают, что физики-теоретики предсказывали магнитную турбулентность еще в 1973 г. (то есть спустя всего несколько лет после открытия черных дыр), но до сих пор проверить гипотезу никому не удавалось. Ученые считают, что так называемая черная дыра представляет собой некое тело, похожее на пузырь, состоящее из сверхплотного вещества. Первоначальное название этого тела, которое пока нельзя считать термином, но которое, по всей видимости, войдет в словари астрономии, — гравастар (gravastar), что можно перевести как сокращение от гравитационная звезда. Гравастар представляет собой холодную, плотную оболочку, которая находится под напряжением из-за распирающего ее изнутри жидкого вещества или тела неизвестной консистенции. Такое описание соответствует тем фотографиям черных дыр, которые существуют на сегодняшний день.

По мнению астрофизиков-революционеров, традиционная физика стыдливо умалчивает о проблемах, связанных с черными дырами, и тема уже давно стала кулуарной. Желая противостоять такому положению дел в науке, они заявляют, что взрыв звезды влечет за собой совершенно иные последствия, чем было принято считать раньше. Новые исследования стали частью долгих дебатов, которые ведутся с начала XX в., о том, являются черные дыры реальностью или вымыслом.

Массивная звезда заканчивает свою жизнь взрывом сверхновой, и если вес ее ядра в два раза превышает вес Солнца, то нет такой силы (по крайней мере, известной), которая помешала бы гравитационным силам сжать ее. В результате образуется так называемая сингулярность, при которой плотность вещества становится бесконечной, известные законы физики перестают действовать. Гравитационная сила сингулярности настолько велика, что ее границы — так называемый горизонт событий — не может преодолеть даже фотон, иначе говоря, свет.

Сама возможность существования черных дыр была (да и остается) настолько впечатляющей, что взволновала умы не только физиков, но и литераторов, философов и художников. Однако долгое время этот великолепный образ-миф не рассматривали как природное явление и не связывали его с реальным положением дел во Вселенной.

Теория черных дыр пестрит белыми пятнами. По мнению исследователей, взявшихся встряхнуть и перевернуть один из интереснейших разделов астрофизики, это связано с тем, что Вселенная значительно отличается от той гипотетической модели, которую рассматривал Шварцшильд. Фактически это означает, что теорию Эйнштейна нужно пересмотреть с точки зрения полученных знаний в области квантовой физики.

Мазур и Мотолла, взявшись за теорию дыр, привлекли к анализу теорию квантовой гравитации. Они начали с вопроса: какова природа квантовых флуктуаций (колебаний) в космических, временных и энергетических полях? Ведь, по сути «пустое место», каковым обыватели считают космос, на самом деле таковым никогда не являлся. Как говорит Моттола, люди подобно рыбе в тихой воде, не задумывающейся о существовании и движении молекул воды, никогда не ощущают своего постоянного пребывания в квантовой среде. По мнению Моттолы, квантовые флуктуации в электромагнитных полях могут оказывать воздействие на такие колоссальные объекты, как черные дыры. Революционность теории в том, что все предшествующие модели черных дыр рассматривались без такого кардинального фактора, как квантовые поля, и расчеты велись для идеальной, не существующей черной дыры в несуществующем бес-квантовом пространстве-времени.

Среди белых пятен черных дыр, возникших по причине неправильного понимания модели, называют теорию энтропии звезды. Когда звезда превращается в черную дыру, вся уникальная информация о ней, например ее химическом составе, сбрасывается со счетов. Современная теория черных дыр допускает, что они обладают колоссальным количеством энтропии — в миллиарды раз превышающей энтропию самой звезды. Никто гак до сих пор и не объяснил природу, источник и местонахождение этой экстраэнтропии.

Еще одна загадка — это приписываемое черным дырам свойство наделять фотоны колоссальным объемом энергии к моменту, когда фотон достигает горизонта событий. Но в классической теории гравитационный эффект этого колоссального количества энергии игнорируется.

Итак, теория гравастар Моттолы — Мазура предлагает разрешить разногласия между приверженцами теории черных дыр и фундаментальной физикой, устранив очевидные противоречия. Физики-новаторы рассмотрели вероятность того, что после взрыва звезды под воздействием квантового эффекта появляется тело, имеющее принципиально иную природу, нежели дыра.

Мазур и Мотолла предположили, что когда вокруг коллапсирующей звезды формируется горизонт событий, сильнейшее гравитационное поле деформирует квантовые колебания в пространстве-времени. Эти колебания могут стать настолько мощными, что как раз они и способны производить эффект, подобный эффекту конденсата Бозе — Эйнштейна. Этот эффект становится причиной образования чего-то наподобие «пузыря», окруженного тонкой сферой — оболочкой гравитационного поля, которая относительно статична.

Существование гравастар не противоречит известным математическим аксиомам. В отличие от черных дыр (по крайней мере, это касается ее оболочки), природа вещества, находящегося под ней, пока неизвестна даже гипотетически. По новой теории, не существует и горизонта событий (вместо него — оболочка), а энтропия гравастар гораздо меньше, чем предполагаемая энтропия черных дыр.

Ученые предлагают рассмотреть гипотетически гравастар в 50 масс Солнца. Подобно горизонту событий сопоставимой по размеру черной дыры диаметр оболочки гравастар будет 300 километров, однако ее «толщина» составит приблизительно 10–35 метров. Чайная ложка вещества, составляющего его, будет весить 100 млн тонн.

Также отмечается, что теория гравастар поможет по-новому рассмотреть проблему расширяющейся Вселенной. Большинство астрофизиков считает, что Вселенная расширяется благодаря некой мистической «темной энергии», которая создает идущее вовне давление.

По мнению Мотоллы, давление, идущее изнутри гравастар, сопоставимо с силой, с которой расширяется Вселенная. Можно предположить, что Вселенная представляет собой одну большую гравастар, «поймавшую в ловушку» Млечный Путь и другие видимые галактики. То есть все небесные тела помещены в некое тело, имеющее оболочку. О том, не значит ли это, что наша Вселенная как раз и находится в зоне искривления пространства-времени, исследователи говорить пока не спешат.

На рентгеновских снимках орбитальной обсерватории «Chandra» впервые было обнаружено устойчивое излучение из супермассивной черной дыры, находящейся в группе галактик Персея, расположенной в 250 млн световых лет от Земли. В 2002 г. астрономы получили данные, которые показывают пульсации в газе, окружающем эту группу галактик. Andrew Fabian — лидер группы данных исследований.

Довольно долго астрономы пытались понять, почему так много горячего газа в группах галактик. Сейчас считается, что нагрев, вызванный излучением центральной черной дыры, предохраняет окружающий газ от охлаждения. Хотя само явление было ранее обнаружено в радиоволновом диапазоне, этот эффект в окружающем газе был непонятным. Предшествующие наблюдения «Chandra» в Персее показывали две обширные полости в окружающем газе, расширяющиеся от центральной черной дыры. Струя выброса в обе стороны от центральной черной дыры сформировала рентгеновские полости, которые являются яркими источниками радиоволн. Значительная часть энергии принесена волнами от черной дыры и должна рассеиваться в окружающем газе. Можно сказать, что в 2002 г. рентгеновская орбитальная обсерватория «Chandra» впервые «услышала» черную дыру!