Физики заглянули за горизонт событий
Астрономы полагают, что в центре нашей Галактики находится "черная дыра" массой 4 миллиона солнечных масс, Уже создается новое поколение точнейших приборов, которые снимут с "черных дыр" завесу таинственности. Когда же? На вопросы корреспондента "Парламентской газеты" отвечает директор Государственного астрономического института им. П. К. Штернберга МГУ, член-корреспондент РАН Анатолий ЧЕРЕПАЩУК.
- Анатолий Михайлович, почему ученые называют эти интригующие объекты "кандидатами" в "черные дыры"?
- О возможности существования "черных дыр" ученые-теоретики говорят и пишут уже двести с лишним лет, астрономы-наблюдатели ищут неоспоримые доказательства их реального присутствия во Вселенной. И сейчас слово "кандидаты" уже опускается. Мы наблюдаем более 300 объектов, по своим свойствам они могли бы получить статус "черных дыр", которые не имеют наблюдаемой поверхности.
- Как это - не имеют наблюдаемой поверхности?
- Дело в том, что в процессе эволюции каждой звезды есть длительный стабильный период: миллионы и миллиарды лет в недрах звезд, как и в недрах нашего Солнца, происходит ядерный синтез, ядра водорода сливаются в ядра гелия, затем идет синтез более тяжелых элементов. Эта термоядерная звездная печь создает внутри звезды давление, уравновешивающее гравитацию. Но когда все ядерное топливо выгорело, упругое сопротивление звездного ядра ослабевает, силы гравитационного притяжения перевешивают и вещество внешних слоев звезды начинает под действием силы тяжести падать к ее центру. В зависимости от начального состояния исходы этого процесса могут быть различными. Небольшие звезды с массой ядра в полтора-два раза больше, чем наше Солнце, могут закончить свою эволюцию спокойно или взрывом сверхновой и превратиться в "белого карлика" или нейтронную звезду, и тогда мы можем наблюдать, что происходит на их поверхности.
Если же в стадию гравитационного коллапса вступает массивная звезда, а звезды в десятки раз тяжелее, чем Солнце, совсем не редкость, то в результате образуется компактный объект с такой силой притяжения, что никакая частица и даже световой квант не могут преодолеть его и вырваться за пределы некоторой сферы, которую называют горизонтом событий. Это не поверхность звезды, это условная граница, и что происходит внутри этой сферы - неизвестно. Чтобы улететь в космос с Земли, надо набрать вторую космическую скорость - 11, 2 км/сек, а чтобы оторваться от "черной дыры", даже скорости света 300 000 км/сек будет недостаточно, к тому же со скоростью света ни одно тело с ненулевой массой покоя двигаться не может. Вот так и получается космический объект, не имеющий наблюдаемой поверхности, все скрывает горизонт событий.
- Если звезда не позволяет вырваться в космос даже лучу света и вообще "не подает признаков жизни", то как ее наблюдать? Как измерить ее массу?
- Ну кое-какие признаки жизни есть. Во-первых, это ее гравитационное поле, причем вблизи горизонта событий звезды оно не подчиняется закону тяготения Ньютона, оно гораздо больше, здесь уже начинают играть роль релятивистские поправки общей теории относительности Эйнштейна. Во-вторых, это эффект квантового испарения "черной дыры", явление, описанное английским физиком Стивеном Хокингом тридцать лет назад. Споры по поводу теории Хокинга не прекращаются все эти годы, и сам Хокинг на симпозиуме в Дублине сообщил, что он не во всем был прав, некоторые детали его теории нуждаются в доработке. Тем интереснее будет проверить их на практике, хотя сейчас говорить об этом преждевременно.
Измерение массы достаточно точно можно произвести в системе двойных звезд, их взаимное движение описывается законами классической механики, и массу каждой можно вычислить, измерив параметры орбит. К тому же, если ракурс наблюдения позволяет нам видеть регулярные затмения, когда то одна, то другая звезда закрывает от нас своего партнера, то если одна из них - "черная дыра", есть шанс "увидеть" ее на фоне другой, светящейся звезды.
Как еще можно увидеть "черную дыру", придумали российские ученые во главе с академиком Яковом Зельдовичем. Они показали, что частицы межзвездного вещества могут быть захвачены полем тяготения "черной дыры". Процесс гравитационного захвата и падения вещества на космическое тело называется аккрецией. Падающие в "черную дыру" частицы разгоняются до огромных скоростей и закручиваются вихрями, подобно тому как вода, вытекающая из ванны, образует воронку. Эти вихри раскаленного газа создают вокруг "черной дыры" светящийся аккреционный диск, частицы диска обладают огромной энергией и излучают в рентгеновском и гамма-диапазоне. А как только частица "нырнула" под горизонт событий - все, никакого излучения мы уже не видим. Значит, если наблюдать окрестности "черной дыры" в высокочастотном диапазоне, ее можно увидеть именно как темное пятно - дыру в ореоле рентгеновского свечения.
Подобные наблюдения возможны только в космосе. Уже третий год на околоземной орбите работает международная обсерватория "Интеграл", наблюдения ведутся в жестком рентгеновском и гамма-диапазонах. Российские астрономы в этом проекте участвуют, для запуска использовалась наша ракета "Протон", и нам предоставляется 25 процентов времени наблюдения. К 2012 году США намерены построить в космосе рентгеновский интерферометр, настолько "дальнозоркий", что ближайшую к нам массивную "черную дыру" в центре Галактики можно будет рассмотреть в деталях. Разрешающая способность нового интерферометра позволит нарисовать ее изображение в рентгеновских лучах, увидеть, как туда падает вещество, и доказать окончательно, что это и есть реально существующая "черная дыра".
- А что будет, если обнаружится не горизонт событий, а обычная поверхность? Если, падая на эту поверхность, отдельные порции вещества будут порождать характерные вспышки излучения? Если все 300 кандидатов в "черные дыры" не выдержат окончательной проверки?
- Подчеркиваю, все наблюдаемые сейчас проявления кандидатов в "черные дыры" находятся в полном соответствии с предсказаниями общей теории относительности Эйнштейна, и никаких неожиданностей от окончательной проверки мы не ждем, эксперименты должны завершиться "постоянной пропиской" "черных дыр" во Вселенной. Но даже если обнаружатся какие-то аномалии, наука от этого не пострадает. Огорчатся, может быть, писатели-фантасты, экзотические свойства "черных дыр" давали им пищу для сочинений про космических монстров, пожирающих все и вся, про путешествия во времени и переходы в другие миры. Эйнштейн бы порадовался - ведь он до конца своих дней не мог примириться с мыслью о существовании "черных дыр".
Есть много интересных работ по "черным дырам". Вот, например, есть научная работа нашего академика Анатолия Логунова, в которой показано, что если гравитон - частица-переносчик гравитационного взаимодействия - имеет ненулевую массу покоя, то наблюдать горизонт событий и все связанные с ним эффекты вряд ли удастся. Таким образом, отсутствие горизонта событий у кандидатов в "черные дыры" подтолкнет физиков развивать концепции Логунова, искать пока неуловимый гравитон. Любое продвижение в изучении фундаментальных свойств вещества - благо. Плохо другое: в нашем государстве при таком количестве всемирно известных ученых фундаментальная наука не является приоритетным направлением, и выделяемые скудные средства не дают возможности проводить важнейшие исследования. Вот и эксперименты по созданию "черных мини-дыр" будут осуществляться не у нас, а на специальном ускорителе - коллайдере, разработанном в Швейцарии.
- Наша газета об участии в этом международном проекте наших физиков уже писала. Но "черная дыра" в коллайдере - разве это возможно? И не опасно?
- В принципе возможно. Ведь не имеет значения, что выступит в роли сдавливающего пресса - гравитация или другая сила, главное, загнать некоторое количество вещества под горизонт событий.
Что касается опасений и страхов, они происходят больше от незнания. Я уже говорил, что релятивистские добавки к классическому ньютоновскому тяготению существенны только вблизи гравитационного радиуса объекта. "Черная дыра", пока она далеко, влияет на нас не больше, чем любая другая звезда Вселенной. Вы чувствуете притяжение звезд?
- Вот именно. Если же к нам приблизится любое массивное космическое тело, оно может нарушить равновесие Солнечной системы с роковыми последствиями для жизни на Земле, и для этого совсем не надо ему быть "зловещей и коварной, незаметно подкрадывающейся" "черной дырой".
Что касается "черных дыр" в коллайдере. Чтобы превратить нашу Землю в "черную дыру", нужно ее сжать в шарик
размером 9 мм. Теперь попробуйте вообразить, о каких размерах "черной дыры" идет речь, если сжимать не планету, а всего лишь горстку нейтронов или протонов. Если удастся это сделать, то приборы едва успеют зафиксировать такой микрообъект, как он испарится по Хокингу или как-то иначе.
Процессы, происходящие в микромире, мы не чувствуем, как и тяготение далеких звезд. Через нас проходят потоки космических частиц совершенно неощутимо. Если бы в этом потоке попадались "черные микродырочки", мы бы и их не почувствовали. Нам нужно научиться создавать такие объекты искусственно, и нужны измерительные приборы, с помощью которых их можно регистрировать и изучать.
Видите, как получилось, астрономы и физики оказались рядом перед одной из фундаментальных загадок природы. "Черные дыры" - важнейшая область исследований, никто не знает, годятся ли для этих объектов известные законы физики, возможно, что нам понадобится другая физика и что именно на этом направлении мы получим принципиально новые знания о материи.