Космос: Эволюция Вселенной, жизни и цивилизации - Карл Саган

Звезды, похожие на Солнце, как мы уже говорили, заканчивают свои дни становясь красными гигантами, а затем белыми карликами. Коллапсирующая звезда, масса которой вдвое больше солнечной, станет сверхновой, а затем нейтронной звездой. Однако еще более массивную звезду, которая после взрыва сверхновой осталась, скажем, в пять раз массивнее Солнца, ждет совершенно невероятная судьба: собственная гравитация превратит ее в черную дыру. Допустим, что у нас есть фантастическая гравитационная машина — устройство, позволяющее управлять земной гравитацией простым поворотом рукоятки. Для начала установим рукоятку на ускорение свободного падения lg[176], при котором все вещи ведут себя привычным образом. Земные растения и животные в ходе эволюции адаптировались к ускорению lg, все конструкции наших зданий рассчитаны на это ускорение. Будь гравитация намного слабее, значительно более высокие и тонкие конструкции могли бы существовать без риска упасть или разрушиться под тяжестью собственного веса. При значительно более сильной гравитации растения, животные и постройки во избежание угрозы разрушения оказались бы низкими, крепкими и приземистыми. Но даже в весьма сильном гравитационном поле свет распространялся бы по прямой, как это происходит в нашей повседневной жизни.

Рассмотрим довольно типичную группу земных существ — Алису из Страны Чудес и ее сотрапезников по чаепитию у Безумного Шляпника. Когда мы уменьшаем тяготение, вещи теряют свой вес. Около 0g малейшее движение отрывает наших друзей от земли, заставляя их плавать и кувыркаться по воздуху. Пролитый чай — или любая другая жидкость — образует в воздухе дрожащие сферические капли, поскольку поверхностное натяжение жидкости доминирует над тяготением. Повсюду в воздухе плавают чайные шарики. Если сейчас вернуть рукоятку в положение lg, прольется чайный дождь. Когда мы немного усилим тяготение — с lg до, скажем, 3g или 4g, — все присутствующие потеряют способность перемещаться: каждое движение руки будет требовать непомерных усилий. В виде одолжения выведем наших друзей из-под действия гравитационной машины, прежде чем переводить рукоятку на более высокие отметки. При нескольких g, как и при 0g, луч фонаря распространяется строго по прямой линии (в пределах доступной нам точности). При 1000g луч остается прямым, но деревья расплющиваются и растекаются по земле тонким слоем; при 100 000g камни крошатся под действием собственного веса. Разрушается всё, за исключением Чеширского Кота, которому на то выдано специальное разрешение. Когда гравитация приближается к миллиарду g, происходит нечто еще более странное. Луч света, который до сих пор уходил прямо в небо, начинает изгибаться. Чрезвычайно сильное гравитационное ускорение воздействует даже на свет. Если мы еще увеличим тяготение, свет будет притянут вниз, к земле у наших ног. Теперь исчез из виду и космический Чеширский Кот, осталась только его гравитационная улыбка.

Когда гравитация становится достаточно сильной, ничто, даже свет, не в силах вырваться наружу. Такое место называется черной дырой. Загадочно безразличная к тому, что ее окружает, она и есть своего рода Чеширский Кот космоса. Когда плотность и гравитация достигают достаточно высоких значений, черная дыра меркнет и исчезает из нашей Вселенной. Потому она и называется черной, что даже свет не способен выйти из нее. Зато внутри, благодаря захваченному в ловушку свету, предметы могут быть довольно неплохо освещены. Хотя черная дыра не видна снаружи, ее гравитационное присутствие вполне ощутимо. Если вы, странствуя меж звезд, были беспечны, то вполне можете обнаружить, что безвозвратно затянуты ею, а ваше тело пренеприятнейшим образом вытягивается в длинную тонкую нить. Однако случись вам пережить это путешествие, вид собранного в диск вещества вокруг черной дыры стал бы для вас незабываемым зрелищем.

Термоядерные реакции в солнечных недрах поддерживают внешние слои Солнца и на протяжении миллиардов лет оттягивают катастрофический гравитационный коллапс. Устойчивость белых карликов обеспечивается давлением электронов, оторванных от своих ядер. В нейтронных звездах гравитации противодействует давление нейтронов. Но, насколько нам известно, нет силы, способной противостоять коллапсу старой звезды, которая после взрыва сверхновой осталась более чем в несколько раз массивнее Солнца. Такая звезда невероятно сильно сжимается, раскручивается, краснеет и исчезает из виду. Двадцать масс Солнца сжимаются до размеров Большого Лос-Анджелеса; сокрушительная гравитация достигает 1010g, и звезда, расколов пространственно-временной континуум, проваливается в ею самой созданную трещину и пропадает из нашей Вселенной.

О черных дырах впервые задумался английский астроном Джон Майкл в 1783 году. Однако эта идея выглядела настолько странной, что до недавнего времени попросту игнорировалась. Затем, к удивлению многих, в том числе и многих астрономов, были обнаружены свидетельства того, что черные дыры в космосе действительно существуют. Земная атмосфера непрозрачна для рентгеновского излучения. Чтобы определить, испускает ли астрономический объект это коротковолновое излучение, рентгеновский телескоп необходимо поднять над атмосферой. Первая рентгеновская обсерватория, замечательный пример международного сотрудничества, была выведена на орбиту Соединенными Штатами с итальянской пусковой установки в Индийском океане, у берегов Кении. Ее назвали «Ухуру», что на языке суахили означает «свобода». В 1971 году обсерватория «Ухуру» открыла поразительно яркий рентгеновский источник в созвездии Лебедя, вспыхивавший и гаснувший тысячу раз в секунду. Источник, получивший название Лебедь Х-1 (Cyg X-1), должен быть очень маленьким. В чем бы ни состояла причина его переменности, информация о том, когда вспыхнуть, а когда погаснуть, может распространяться по Cyg X-1 не быстрее, чем со скоростью света, 300 000 км/с. Таким образом, Cyg X-1 не может иметь в поперечнике более (300 000 км/с) (1/1000 с) = 300 км. Объект размером с астероид, ярко светящийся и мерцающий в рентгеновском диапазоне, видимый на межзвездных расстояниях. Что бы это могло быть? Cyg X-1 совпадает на небе с горячим голубым сверхгигантом, который согласно наблюдениям в оптическом диапазоне имеет поблизости массивного, но невидимого компаньона, гравитация которого заставляет звезду смещаться то в одну, то в другую сторону. Масса компаньона составляет около десяти масс Солнца. Сам сверхгигант вряд ли может излучать в рентгеновском диапазоне, гораздо убедительнее отождествлять обнаруженный источник рентгеновского излучения с невидимым в оптике компаньоном. Однако невидимый объект с массой, десятикратно превосходящей солнечную, и заключенный в объеме астероида, не может быть ничем, кроме черной дыры. Рентгеновское излучение, вероятно, генерируется трением в газопылевом диске, образовавшемся вокруг Cyg X-1 из вещества его компаньона-сверхгиганта. Есть и другие звезды, числящиеся кандидатами в черные дыры: V861 Скорпиона, GX339-4, SS433 и Циркуль Х-2. Кассиопея А является остатком сверхновой, свет которой должен был достичь Земли в XVII столетии, когда наблюдение велось уже довольно многими астрономами. Однако никто не зарегистрировал взрыва. Возможно, как предположил И. С. Шкловский, там находится черная дыра, которая поглотила взорвавшееся ядро звезды и погасила огонь сверхновой. Выводимые в космос телескопы должны проверить эти фрагментарные данные, и, возможно, они сумеют найти следы легендарных черных дыр.

Хороший путь к пониманию черных дыр — представление о кривизне пространства. Представим себе плоскую эластичную натянутую двумерную мембрану, например лист резины с нанесенной на него клетчатой разметкой. Если мы уроним на мембрану тело небольшой массы, она деформируется, прогнувшись. Мраморные шарики, катясь по кругу, огибают образовавшуюся воронку, подобно планетам, обращающимся по орбитам вокруг Солнца. Такая интерпретация, которой мы обязаны Эйнштейну, представляет тяготение деформацией ткани пространства. В приведенном примере мы видим двумерное пространство, искривленное под действием массы в третье физическое измерение. Вообразите, что мы живем в трехмерной Вселенной, которая местами прогибается под действием материи в четвертое физическое измерение, не поддающееся непосредственному восприятию. Чем больше масса, тем сильнее гравитация, тем значительнее прогиб или искривление пространства. В этой аналогии черная дыра — что-то вроде бездонной ямы. Что случится, если вы в нее упадете? На взгляд снаружи вам понадобится бесконечное время, чтобы упасть на дно, поскольку все ваши часы — и механические, и биологические — будут выглядеть остановившимися. Однако с вашей точки зрения все ваши часы будут идти нормально. Если вам удастся выдержать воздействие приливных сил и потоков излучения и к тому же (что весьма вероятно) черная дыра окажется вращающейся, вполне возможно, что вас выбросит где-нибудь в другой области пространства-времени — в какое-то другое пространство, в иное время. Возможность существования таких «червоточин» в пространстве, немного напоминающих те, что бывают в яблоке, рассматривается вполне серьезно, хотя пока никоим образом не подтверждена. Могут ли гравитационные туннели оказаться чем-то вроде межзвездных или межгалактических подземных ходов, позволяющих нам попасть в недоступные места намного быстрее, чем обычными путями? Способны ли черные дыры послужить машинами времени, переносящими нас в незапамятное прошлое или в отдаленное будущее? Даже сам факт, что подобные вопросы обсуждаются, пусть и на полусерьезном уровне, показывает, насколько сюрреалистичным может оказаться наш мир.