Черные дыры и складки времени. Дерзкое наследие Эйнштейна - Кип Торн

Может оказаться, что некоторые радиогалактики и квазары черпают энергию от таких сверхмассивных звезд. Однако физические законы 12 — 2796 настаивают, что подобная звезда должна непрерывно сжиматься до все меньшего и меньшего объема, а затем, при достижении критической окружности, схлопнуться с образованием черной дыры. Полное время жизни звезды до момента схлопывания должно быть намного меньше, чем возраст Вселенной. Это предполагает, что хотя самые молодые радиогалактики и квазары могли бы управляться сверхмассивными звездами, более старые почти всегда питаются от гигантских черных дыр почти наверняка, но не абсолютно точно. Эти агрументы не являются вполне железными.

* * *

Насколько распространены черные дыры? Свидетельства, постепенно собранные в 1980-е годы, предполагают, что такие черные дыры населяют не только ядра большинства квазаров и радиогалактик, но и ядра большинства больших обычных (не радио) галактик, подобных нашему Млечному Пути и Туманности Андромеды, и даже ядра некоторых малых галактик, подробных карликовым спутникам Туманности Андромеды, М32. В обычных галактиках (Млечный Путь, Туманность Андромеды, М32) черная дыра предположительно либо вообще не окружена аккреционным диском, либо окружена диском очень разреженным, излучающим мало энергии.

Свидетельства присутствия подобной черной дыры в нашем Млечном Пути (к 1993 г.) пока неоднозначны и далеко не прочны. Одно из ключевых мест этих свидетельств заключается в орбитальном движении облаков газа вблизи центра нашей галактики. Инфракрасные наблюдения этих облаков, проведенные Чарльзом Таунсом с коллегами из Университета Калифорнии в Беркли, показали, что облака обращаются вокруг объекта, имеющего массу около 3 миллионов солнечных масс, а радионаблюдения открыли очень характерный, хотя и не слишком сильный, радиоисточник на месте этого центрального объекта — радиоисточник на удивление малого размера, не больше нашей Солнечной системы. Это как раз те данные наблюдений, которые можно было бы ожидать от неподвижной черной дыры в 3 миллиона солнечных масс с тонким аккреционным диском, но они также легко могут быть объяснены и по-другому.

* * *

Возможность того, что гигантские черные дыры могут существовать и населять ядра галактик, стала оглушительным сюрпризом для астрономов. Однако ретроспективно нетрудно понять, как они могли бы там формироваться.

В любой галактике, если две звезды проходят близко друг к другу, гравитационные поля сначала их разворачивают, а затем разбрасывают в направлениях отличных от первоначального. (Тот же поворот и последующий разлет изменяет орбиты космических аппаратов NASA при их встрече с планетами, например с Юпитером.) При развороте и разлете одна из звезд обычно улетает внутрь, к центру галактики, а другая наружу, от центра. Суммарный эффект многих подобных разворотов и разлетов состоит в перемещении некоторых звезд галактики глубже к ядру. Точно так же оказывается, что совокупным эффектом трения галактического межзвездного газа является смещение его значительной части к ядру галактики.

Чем больше газа и звезд накапливается в ядре, тем сильнее становится гравитация агломерата. В конечном счете, гравитация агломерата может стать настолько прочной, что сокрушит внутреннее давление, и агломерат начнет схлопываться с образованием гигантской черной дыры. Кроме того, массивные звезды в агломерате могут схлопываться по отдельности, образуя меньшие дыры, и эти малые дыры могут сталкиваться друг с другом, с другими звездами и газом, образуя все большие и большие дыры, пока не сформируется единственная гигантская дыра, доминирующая в ядре. Оценки времени, требующегося для таких схлопываний, столкновений и слияний, показывают, что возможно (но не обязательно), что большинство галактик уже успели вырастить в своих ядрах гигантские черные дыры.

Если бы астрономические наблюдения настоятельно не показывали, что ядра галактик населены гигантскими черными дырами, то астрофизики даже сегодня, вероятно, не предсказали бы их. Однако так как наблюдения действительно свидетельствуют о существовании гигантских черных дыр, астрофизики легко приспособились к этому факту. Этот показательный пример свидетельствует о том, насколько плохо мы в действительности понимаем процессы, происходящие в ядрах галактик.

А что в будущем? Не стоит ли нам начать волноваться, что гигантская дыра в ядре нашего Млечного Пути может проглотить Землю?

Несколько чисел помогут нам расслабиться. Центральная дыра нашей галактики (если она действительно существует) имеет массу приблизительно в 3 миллиона солнечных и, таким образом, имеет окружность приблизительно равную 50 миллионам километров, или 200 световых секунд — около одной десятой окружности орбиты Земли вокруг Солнца. Это ничтожный размер по сравнению с размером самой галактики. Наша Земля вместе с Солнцем обращается вокруг центра галактики по орбите с окружностью 200000 световых лет, что приблизительно в 30 миллиардов раз больше, чем окружность дыры. Если бы дыра проглотила, в конечном счете, большую часть массы галактики, ее окружность распухла бы только приблизительно до 1 светового года, что все еще в 200000 раз меньше, чем наша орбита.

Конечно, примерно через 1018 лет (в 100 миллионов раз больше возраста Вселенной), которые потребуются центральной дыре для поглощения большей части массы нашей галактики, орбиты Земли и Солнца сильно изменятся. Невозможно предсказать детали этих изменений, поскольку мы не знаем положения и движения всех тех других звезд, с которыми могут столкнуться Солнце и Земля в течение 1018 лет. Таким образом, мы не можем предсказать, окажутся ли Земля и Солнце, в конечном счете, в центральной черной дыре галактики или будут выброшены прочь из галактики. Однако мы можем быть уверенными, что, если Землю, в конечном счете, проглотит дыра, это падение случится в будущем примерно через 1018 лет, и за это время Землю и человечество почти наверняка смогут постигнуть многие другие катастрофы.

10 РЯБЬ КРИВИЗНЫ

глава, в которой гравитационные волны несут к Земле закодированные симфонии столкновений черных дыр, а физики изобретают инструменты, чтобы следить за этими волнами и расшифровывать эти симфонии

В ядре удаленной галактики за миллиард световых лет от Земли и миллиард лет тому назад образовался плотное скопление из газа и сотен миллионов звезд. Скопление постепенно сжималось, поскольку то одна, то другая звезда выскакивала наружу, а оставшиеся 100 миллионов еще плотнее сбивались в центре. После 100 миллионов лет скопление сжалось до размера в несколько световых лет, и маленькие звезды начали иногда сталкиваться и сливаться, формируя большие звезды. Большие звезды потребляли их топливо и затем схлопывались, образуя черные дыры, а черные дыры, пролетая вблизи друг друга, иногда объединялись в пары и начинали обращаться вокруг друг друга.

Рисунок 10.1 показывает вложенные диаграммы для одной такой двойной черной дыры. Каждая дыра создает глубокую яму (сильное искривление пространства-времени) во вложенной поверхности, и поскольку дыры обращаются вокруг друг друга, вращающиеся ямы производят рябь кривизны, которая начинает распространяться во все стороны со скоростью света. Рябь формирует разворачивающуюся спираль в материи пространства-времени вокруг двойной системы, напоминающую струи воды от быстровращающегося разбрызгивателя на лужайке.

Так же как каждая капля воды летит от разбрызгивателя в сторону почти по радиусу, так и каждый кусочек кривизны летит в сторону от черных дыр почти по радиусу; и так же как летящие в стороны капли все вместе образуют спиральные струи воды, так и все кусочки кривизны вместе формируют спиральные хребты и долины в ткани пространства-времени.

10.1. Вложенная диаграмма, изображающая искривление пространства в плоскости орбиты двойной системы, образованной двумя черными дырами. В центре — две ямы, которые представляют сильное искривление пространства-времени вокруг двух дыр. Эти ямы — такие же, как и те, с которыми мы сталкивались на предыдущих вложенных диаграммах черных дыр, например, на рис. 7.6. Поскольку дыры обращаются относительно друг друга, они создают распространяющуюся во все стороны рябь кривизны, называемую гравитационными волнами. [Предоставлено Проектом LIGO, Калифорнийский технологический институт]

Так как кривизна пространства-времени — это то же самое, что гравитация, рябь кривизны является фактически волнами гравитации, или гравитационными волнами. Общая теория относительности Эйнштейна недвусмысленно предсказывает, что такие гравитационные волны должны появляться всякий раз, когда две черные дыры начинают обращаться вокруг друг друга, так же как и вообще в случае обращения вокруг друг друга двух любых звезд.