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

В течение последующих шести дней две дыры постепенно сближаются друг с другом и ускоряют свое орбитальное движение. За день перед слиянием расстояние между ними сократилось от 30000 километров до 18000, а их орбитальный период упал с 13 до 6,3 секунды. За час до слияния они находятся на расстоянии 8400 километров друг от друга, а их орбитальный период равен 1,9 секунды. До слияния остается одна минута: расстояние между ними стало равно 3000 километров, а период уменьшился до 0,41 секунды. Десять секунд до слияния: расстояние 1900 километров, период 0,21 секунды.

Затем в последние десять секунд ваш корабль и ваши тела вдруг начинают вибрировать. Сначала слабо, а потом все сильнее и сильнее. Как будто гигантская пара рук схватила вас за голову и ноги и поочередно сдавливает и растягивает вас все сильнее и сильнее, быстрее и быстрее. А потом еще более неожиданно, чем все это начиналось, тряска прекращается. Все успокаивается.

— Что это было? — шепчете вы ЗАРЕ дрожащим голосом.

— Тише, тише! — успокаивает она, — Это была ондуляционная приливная сила гравитационных волн, появившихся при слиянии дыр. Вы привыкли к таким слабым гравитационным волнам, что их могут зарегистрировать только очень чувствительные приборы, но здесь, вблизи сингулярности, они были необычайно сильны, настолько, что если бы наш звездолет попал на в 30 раз меньшую орбиту, его бы разорвало этими волнами. Но сейчас мы в безопасности. Слияние завершилось, волны ушли дальше во Вселенную, неся далеким астрономам описание симфонии слияния[36].

Направляя один из корабельных телескопов на источник гравитации под вами, вы обнаруживаете, что ЗАРЯ, как всегда, права: слияние закончилось. Там, где раньше было две дыры, теперь осталась только одна и, насколько вы можете судить по завихрению падающих атомов, она быстро вращается. Эта дыра будет идеальным генератором энергии для вашей команды и тысяч поколений потомков.

Измеряя орбиту звездного корабля, Карес получает, что масса оставшейся дыры составляет 45 солнечных масс. Поскольку родительские дыры имели массу 48 солнечных масс, 3 солнечные массы должны были превратиться в энергию и унестись гравитационными волнами. Неудивительно, что вас так тряхнуло!

Пока вы настраиваете остальные телескопы на черную дыру, неожиданно мимо звездолета, щедро разбрасывая во всем направлениях сверкающие искры, проносится маленький объект и затем взрывается, оставив пробоину в борту вашего корабля. Ваша хорошо тренированная команда и роботы спешат к своим боевым местам, а вы судорожно обшариваете пространство в поисках атакующего вражеского корабля. Тогда, отвечая на призыв о помощи, ЗАРЯ успокаивает всех по громкоговорящей системе корабля:

— Тише, тише! На нас никто не нападает, это была ненормальная первичная черная дыра, которая испарялась, а потом схлопнулась[37].

— Что-что?! — кричите вы.

— Первичная черная дыра, испарявшаяся, а затем уничтоженная своим схлопыванием, — повторяет ЗАРЯ.

Вы требуете объяснений.

— Что это значит, первичная? Что ты подразумеваешь под словами испарявшаяся и слопнувшаяся? Это бессмысленно. Предметы могут попадать в черную дыру, но ничто не может выйти оттуда; она не может «испаряться». И потом, черная дыра живет вечно: она все время растет и никогда не уменьшается. Черная дыра не может «схлопнуться» и разрушиться. Это абсурд!

Как всегда терпеливо ЗАРЯ начинает просвещать вас:

— Большие объекты, такие как люди, звезды и черные дыры, образованные схлопыванием звезды, управляются классическими законами физики, законами теории относительности Эйнштейна и т. д. Напротив, мелкие объекты, например, атомы, молекулы и черные дыры, меньшие, чем атом, управляются совершенно другим набором законов, законами квантовой физики[38]. И хотя классические законы запрещают черной звезде нормальных размеров испаряться, уменьшаться, схлопываться или разрушаться, законы квантовой физики диктуют иное. Они требуют, чтобы любая черная дыра атомных размеров постепенно испарялась и уменьшалась до тех пор, пока не достигнет критического размера длины окружности, примерно такого, как ядро атома. Тогда дыра, которая, несмотря на свои крошечные размеры, весит миллиард тонн, разрушается с мощным схлопыванием. Схлопывание преобразует всю массу дыры в миллиард тонн в энергию взрыва, это в триллион раз больше энергии, которая выделяется при самом мощном ядерном взрыве из тех, которые проводили на Земле в XX веке. Как раз такой взрыв поблизости и повредил наш корабль.

— Но не стоит беспокоиться о последующих схлопываниях, — продолжает ЗАРЯ, — такие события случаются исключительно редко, поскольку крошечные черные дыры чрезвычайно редки. Единственный момент, когда такие крошечные дыры могли появиться, был во Вселенной во время Большого взрыва, пятнадцать миллиардов лет тому назад. Именно поэтому их называют первичными дырами. Большой взрыв породил только небольшое количество таких первичных черных дыр, и с момента своего рождения они медленно испарялись и уменьшались. Однажды в некоторый момент одна из них достигла минимального размера и схлопнулась[39]. Это была абсолютная случайность, исключительно маловероятное событие, что такая дыра схлопнулась поблизости от нашего корабля, и абсолютно невероятно, что наш корабль когда-нибудь еще раз встретит другую такую же дыру.

Успокоенный, вы приказываете своей команде приступить к ремонту звездолета, а сами с помощниками настраиваете телескопы для изучения быстро вращающейся под вами черной дыры в 45 солнечных масс.

Вращение дыры очевидно не только благодаря завихрению падающих атомов, но и из-за формы черного пятна, окруженного ярким ободком, который виден на небе под вами: черное пятно выглядит как расплющенная тыква, у экватора она выпячивается, а на полюсах уплощена. Утолщение и уплощение создаются благодаря центробежной силе вращения черной дыры[40]. Но утолщение не симметрично: с правого края, который удаляется во вращении от вас, выпячивание диска выглядит больше, чем с левого. ЗАРЯ объясняет, что это происходит потому, что горизонт ловит лучи звездного света гораздо лучше, если они направляются к вам вдоль правой стороны, против направления вращения, чем с левой стороны, где они идут по направлению вращения.

Измерив форму пятна и сравнив результат с формулами общей теории относительности, Брет находит, что угловой момент вращения дыры составляет 96 процентов максимального для дыры такой массы. И зная этот угловой момент и массу дыры в 45 солнечных, вы вычисляете другие свойства дыры, включая скорость вращения ее горизонта — 270 раз в секунду и длину окружности ее экватора — 533 километра.

Вращение дыры интригует. Никогда ранее вам не доводилось так близко наблюдать вращающуюся черную дыру. С угрызениями совести вы вызываете робота-добровольца для исследования окрестности горизонта и передачи на корабль полученных экспериментальных данных. Вы обстоятельно инструктируете робота по имени Колоб: «Спуститесь на десять метров над горизонтом, запустите свои двигатели, чтобы удержаться, располагаясь прямо под звездолетом. Используйте двигатели, чтобы противостоять как гравитационному тяготению, так и завихрению пространства».

Жадный до приключений Колоб покидает звездолет и, устремившись вниз, сначала осторожно запускает свои двигатели, а затем все больше их разгоняет, чтобы преодолеть завихрение пространства, и остаться прямо под кораблем. Сначала Колоб не встречает никаких проблем. Но когда он достигает окружности длиной в 833 километров, на 56 процентов больше горизонта, его лазерный луч приносит послание: «Я не могу преодолеть завихрение, я не могу, я не могу!» И как камень, захваченный смерчем, он затягивается в круговое обращение вокруг дыры[41].

«Не волнуйтесь, — передаете вы. — Старайтесь, как можете, сопротивляться завихрению и продолжайте спускаться, пока вы не будете в 10 метрах над горизонтом».

Колоб подчиняется. По мере своего спуска он захватывается во все более быстрое вращение. В конце концов, когда он заканчивает свой спуск и зависает в десяти метрах над горизонтом, он кружится вокруг дыры, почти привязанный к горизонту со скоростью 270 оборотов в секунду. Как бы он не пытался противостоять этому движению, он не может. Завихрение пространства не дает ему остановиться.

«Развернись в противоположном направлении, — приказываете вы. — Если не получается кружиться медленнее, чем 270 раз в секунду, попробуем кружиться быстрее».

Колоб честно пытается. Он разгоняется, оставаясь в 10 метрах над горизонтом, пытаясь увеличить скорость обращения. Но хотя он ощущает обычное ускорение своих двигателей, вы видите, что его движение не меняется. Он по-прежнему обращается со скоростью 270 оборотов в секунду. А потом прежде чем вы успеваете передать новые инструкции, топливо у него кончается, и он начинает камнем падать вниз. Его лазерный луч связи пробегает весь электромагнитный спектр от зеленого до красного, инфракрасного, радиоволн и пропадает, хотя никакого изменения в круговом движении не заметно. Он ушел вниз, в дыру, падая на жестокую сингулярность, которую вы никогда не увидите.