Поглотит ли нас черная дыра?
Завязка драмы
В нашей Галактике, да и в других тоже, звезды иногда собираются в виде гигантских звездных роев, насчитывающих сотни тысяч звезд. Это шаровые звездные скопления, которые движутся по вытянутым орбитам, иногда удаляясь от центра на громадные расстояния. По этой причине большую часть своей жизни они находятся вдалеке от центра Галактики. Что собрало такое сборище звезд в небольшом объеме пространства?
Группа исследователей из Ликской обсерватории в США, изучая одно из шаровых скоплений, расположенных в скоплении Пегаса, смогли проникнуть настолько близко к его центру, как никто до них. И что же они “увидели”? Чем ближе они приближались к ядру скопления, тем большее количество звезд они смогли подсчитать. Руководитель работ Пураджра Гухатхакурта считает, что чудовищная концентрация звезд объясняется тем, что они находятся под воздействием сверхмассивного объекта - черной дыры, которая сама не видна.
В космосе, как на Земле - сильный побеждает слабого?
И еще один факт, связанный уже с более массивными обитателями Вселенной - галактиками, семьи которых насчитывают сотню - другую миллиардов звезд. Изучая 27 таких семеек, расположенных от нас по соседству, ученые из Мичиганского университета пришли к выводу, что каждая галактика имеет сверхмассивную черную дыру. Причем чем больше масса галактики, тем больше масса и небесного “монстра”. Весьма интересна и модель, которая объясняет, каким образом в центральных частях галактик возникает что - то необычное. Сначала черная дыра была маленькой и .то было на заре молодости любой галактики. Но с течением времени аппетиты черной дыры росли и она поглотила столь много газа и пыли, что превратилась в гигантское скопление, что - то вроде небесного Гаргантюа. Но все равно эти чудовища нигде не смогли поглотить все вещество своего “родителя”.
Итак, два, казалось бы, страшных факта. В природе существуют какие - то объекты, называемые черными дырами, которые угрожают всему окружающему веществу (газу, пыли, звездам с их планетами, а , значит, и с подобными нам существами) своей прожорливостью - этакие небесные пираньи. Что же такое черные дыры? Не поглотит ли нас, если не завтра, так послезавтра, какая - нибудь космическая разбойница?
Белые и черные в космосе
Цвет звезд, как и кожи человека определяется тем, какими они рождаются. Чем горячей звезда, тем она голубей. В цветах звезд представлено все цвета радуги. Но вот “смерть” звезд сводит всю палитру их окрасок лишь к двум - белому и черному. Эта попытка будет напоминать эпизод из сказки Льюиса Кэрола “Алиса в Зазеркалье”, в котором Король спрашивает Алису:
- Взгляни - ка на дорогу! Кого ты там видишь?
- Никого, - сказала Алиса.
- Мне бы такое зрение! - заметил Король с завистью. - Увидеть Никого! Да еще на таком расстоянии.
Увидеть непосредственно черные дыры в телескоп или запечатлеть их на фотографии невозможно по той причине, что из-за сильного тяготения ничто, даже свет, не может покинуть пределов влияния черных дыр. Правда, это справедливо только для черных дыр, которые не вращаются либо вращаются очень медленно.
Как же тогда можно доказать существование таких объектов во Вселенной? И как же представить то, что происходит в окрестностях или внутри черных дыр? Этому могут помочь теоретические представления, развиваемые учеными.
Кроме того, черные дыры не существуют изолированно от других тел - они взаимодействуют с пылью, газом межзвездного пространства, с другими звездами галактик, создают в окружающих окрестностях поле необычной структуры.
Немного истории
История черных дыр, которые американский физик К. Торн назвал “монстрами Вселенной”, весьма продолжительна, поскольку их предсказание было сделано французским математиком и астрономом П.С.Лапласом еще в 1795 году в книге “Изложение системы мира”.
В ней создатель первой научной космогонии планетной системы писал, что “светящаяся звезда с плотностью, равной плотности Земли и диаметров в 250 раз больше диаметра Солнца, не дает ни одному световому лучу достичь нас из -за своего тяготения; поэтому возможно, что самые небесные тела во Вселенной оказываются по этой причине невидимыми”.
А существуют ли такие тела, на поверхности которых вторая космическая скорость равна скорости света? Если да, то поле тяготения такого объекта ничто не в состоянии покинуть, ведь для этого надо иметь скорость большую, чем скорость света. Значит, черная дыра не выпускает вовне даже свет, а это и означает, что такой объект никто не сможет увидеть со стороны! Получается, что в пространстве как бы образуется дыра, правда, в нее лучше не попадать!
Страшная ассоциация
Откуда взялся странный термин “черная дыра”? С его произношением у человека ассоциируется что -то чрезвычайно необычное и не очень -то приятное. Понятие “черной дыры” возникло еще раньше рассуждений Лапласа в 1757 году в Калькутте. Правитель Бенгалии Наваб Сирадж - Уддаулах при помощи силы хотел решить спор с Британской Ост _ Индской компанией. Небольшой гарнизон не смог противостоять 50-тысячной армии Наваба, который потерял тысячи жизней из - за отчаянного сопротивления защитников форта. Оставшихся в живых ждал кошмар: помещение 5 на 6 метров правитель Бенгалии приказал затолкать 146 узников. За 10 часов в ночь с 20 на 21 июня, самое жаркое в Индии время 123 пленника погибли. Эту камеру, имеющую два маленьких оконца, и назвали “черная дыра Калькутты”. Объекты Вселенной, представляющие, в частности, одну из конечных стадий жизни звезд, еще в 1968 году американский астрофизик Дж. Уилер и назвал “черной дырой”. Так чего же слишком много в небесной черной дыре?
Солнце станет белым
Что же заставляет в природе замыкаться звезду самое на себя, то есть становиться изолированным объектом? Причина “исчезновения” тела для внешнего мира заключается в проявлении сил тяготения. Этой силе, пока внутри звезды идут термоядерные реакции , противостоит давление газа и излучения. Но “горючего” в каждой звезде ограниченное количестве и наступает время, когда в ней уже не может происходить превращение водорода в гелий. И тогда уменьшающее давление газа, которое происходит из - за потерь энергии звездой (она ведь продолжает светится!) не в состоянии противостоять силе всемирного тяготения. Звезда сжимается! Причем размеры объекта, переходящего из одного состояния в другое, уменьшаются в сотни и тысячи раз. Все зависит от того, какова первоначальная масса звезды.
Если масса звезды, не превышает 1,4 массы Солнца, то сжатие может остановиться из - за того, что ему сопротивляется гелиевый газ. Плотность вещества увеличивается в миллионы раз! В одном кубическом сантиметре такой звезды находится сотни тонн вещества. И при таких плотностях вещество ведет себя уже по иному! Объекты такого рода были названы белыми карликами и открыт они уже давно: спутник ярчайшей звезды неба Сириуса был даже запечатлен невдалеке от него. Белые карлики могут светить, остывая, многие миллиарды лет, превращаясь уже в холодные тела, которые можно было бы назвать черными карликами.
Сигналы “зеленых” человечков
В начале 60-х годов открытием астрономов были взбудоражены почти все - были обнаружены сигналы из космоса, которые менялись со строгой периодичностью. Не иначе, как какая - то цивилизация дает знать о своем существование. Их так и назвали “зеленые” человечки! Но все оказалось значительно проще - необычными мачками в космосе оказались небольшие, в диаметре около 15 километров звезды, которые быстро вращались. И маяк был связан с таким объектом! Что же это за светило? Астрономы вспомнили, что в начале 1930-х годов наш соотечественник Л.Д.Ландау предсказал существование таких объектов - нейтронных звезд. Они - то и должны иметь малые размеры из - за того, что после исчерпания звездного “топлива” тоже стали сжиматься, но из - за своей массы это сжатие не остановилось, когда звезда “на мгновение” стала белым карликом.
Оно продолжалось до тех пор, пока вещество звезды стало настолько плотным, что почти равнялось плотности атомных ядер. По этой причине нейтронные звезды имеют столь малые массы. Кстати, из - за переменности радиомаяков на таких звездах их назвали пульсарами. Сейчас их обнаружено несколько сотен. Наше Солнце никогда не станет пульсаром из - за малости своей массы. Вот если бы оно было раза в два по - массивнее, тогда другое дело! Красоваться бы на нашем небе совсем маленькой звезде, но уж очень горячей.
Судьба очень тучных звезд
А если звезда еще более массивна, ну, например, более чем в 3 раза массивнее Солнца, что тогда? Как тучному человеку трудно держать себя на ногах, так и “тучная” звезда лишь до определенного времени может находиться в равновесии. Когда кончается внутренний термоядерный жар у таких звезд, то они как и белые карлики, или как нейтронные звезды начинаются сжиматься. Но в этом случае сжатие уже будет катастрофическим - звезда стремится занять как можно меньше места в пространстве!
И на какой - то стадии сжатия звезда как бы исчезает для внешнего наблюдателя. Так появляются черные дыры! Если бы можно было сжать Солнце до размеров в 6 км, то оно стало бы черной дырой.
Как увидеть невидимку?
Герой знаменитого романа Герберта Уэллса “Человек - невидимка”, чтобы жить среди людей, обматывал себя марлей. Правда, тогда вместо лица можно было увидеть что - то странное, но, по крайнее мере, осязаемое! Так и черные дыры - чтобы их “увидеть”, они тоже должны быть чем - то окутаны.
Одиночные черные дыры очень трудно обнаружить, хотя на них падают межзвездные частички пыли и атомы газа. Но энергии они выделяют немного, так что их призывы SOS слишком слабы. Правда, сверхмассивные черные дыры так и обнаруживают, но такие объекты не являются “родственниками” звезд. В ядрах галактик такие объекты могут содержать внутри себя столько вещества, из которого можно было бы “слепить” сотни миллионов и миллиарды обычных звезд.
А где на черную дыру, которая когда-то была звездой, может падать столько вещества, что оно будет способно “засветить” себя? Конечно, в том случае, если рядом есть другая звезда. Космический монстр буквально сдирает с обычной звезды часть ее вещества, которое со все увеличивающейся скоростью падает на черную дыру, разогреваясь при этом до температур в миллионы градусов! Вот этот - то газ и светится! Таким образом в нашей Галактике открыты несколько черных дыр. Сколько их может быть? Ответ на этот вопрос зависит от того, какова судьба звездных изгоев. Сейчас практически никто не знает, что будет в дальнейшем с черными дырами. Ведь в принципе все вещество во Вселенной должно превратиться в белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры. Но мы то с вами видим все небо в звездах. Значит, со звездными “трупами” что - то происходит такое, что позволяет им превратиться в обычное вещество, из которого возникают новые поколения звезд. Но что именно?
Была звезда и нет ее
Если взять с десяток звезд и следить за ними, то обязательно какая - то из них превратится в черную дыру. Почему же в результате поистине титанического труда на протяжении десятилетий в нашей Галактике открыто лишь несколько черных дыр? Может быть картина исчезновения звезды происходит незаметно для внешнего мира? В том то и дело, что перед тем, как перейти в мир иной звезда испытывает грандиозную катастрофу в своей жизни - она взрывается, сбрасывая иногда большую часть своего вещества. А вот из оставшегося вещества звезды как бы оставляет после себя надгробный памятник в виде черной дыры. Но мы знаем, что вспышки звезд редки. И если бы знать, какая именно из них на небе даст знать о своей кончине грандиозным фейерверком, то можно было бы пронаблюдать рождение пустого места и в пространстве и во времени. Почему дыра в пространстве - уже ясно, а вот почему и во времени?
Вспомним, что в движущихся системах время течет не так, как на Земле - оно замедляется. Чем ближе скорость сжатия звезды к скорости света, тем медленнее там течет время. Оно как бы замирает, если звезда пересекает гравитационный радиус. Время на черной дыре перестает течь - чем не дыра во времени! Получается, что мы и не должны заметить переход звезды в небытие?
Свет от звезды будет ослабевать из - за того, что вещество черной дыры как бы удаляется от нас со все большей скоростью. Именно это и приведет к тому, что сжимающаяся звезда исчезнет для мира сего задолго до того, как она станет настоящей черной дырой.
Если бы у нас была аппаратура, способная следить за миллионами звезд одновременно, то обнаружение звезд, которые распрощались со своими собратьями, прекратив посылать им свет, было бы сделано уже давно. Вполне возможно, что буквально на днях мы и узнаем об открытии такого явления. Американские ученые ввели в строй систему, при помощи которой они следят за состоянием звездного неба. Цель у этой системы весьма практическая - заблаговременное обнаружение объектов, которые могут столкнуться с Землей. Но она пригодна и для открытия черных дыр!
“Черные дыры не имеют волос”
Так охарактеризовал свойства черных дыр Дж. Уилер, имея в виду, что две черные дыры было бы весьма затруднительно отличить друг от друга. Из различных свойств звездных объектов останется только масса, электрический заряд и вращение. Представьте себе посиделки черных дыр: им было бы весьма скучно -все они были бы на одно “лицо”. Представьте себе, что два весьма отличающихся объекта, скажем, Квазимодо и Нарцисс падают на черную дыру. Через некоторое время отличить их друг от друга уже будет нельзя.
Черные дыры могут отличаться еще и тем, что одна дыра может вращаться быстрее другой, причем за 1 секунду они могут совершать сотни тысяч оборотов вокруг своей оси.
Кроме того, они могут быть еще и по разному заряженными. Последнее свойство определяет весьма экзотическое свойство черных дыр: они могут светиться! Но этот космический фонарик будет очень слабым.
Американские горки вблизи черных дыр
Любителям острых ощущений можно будет в отдаленном будущем испытать свои нервы, совершая путешествия в окрестностях черных дыр. Иногда в фантастических романах описывается жуткая ситуация захвата космического аппарата черной дырой: попав в поле тяготения монстра, космический корабль неудержимо падает в “преисподнюю”. Хаос и смятение царят тогда среди звездоплавателей - им неминуемо предстоит быть разорванными перепадами гравитации в чудовищном поле тяготения черной дыры. Но такое описание верно лишь отчасти! Звездолет, подошедший издалека к орбите, имеющей радиус, в два раза больше гравитационного, обернется вокруг черной дыры, а затем снова улетит в космос, конечно, если у экипажа нет жажды самим упасть в объятия черной дыры! Он будет захвачен в плен, если вплотную подойдет к орбите, имеющей размеры в два гравитационных радиуса.
Описанная картина возможна из - за того, что движение небесных тел вокруг черной дыры происходит удивительным образом. Из механики Ньютона известно, что любое тело может двигаться вокруг другого, более массивного по весьма ограниченному числу кривых - эллипс, парабола или гипербола. Если эллипс кривая замкнутая, то две другие - разомкнуты. Планеты движутся вокруг Солнца по эллиптическим орбитам - это известный первый закон Кеплера, установленный еще в 1609 году. Само собой никакое тело Солнечной системы не может покинуть пределов тяготения Солнца. И любое тело, пролетающее мимо Солнца, например, комета, не может быть захвачена им. Этому объекту нужно избавиться от излишней энергии, чтобы с гиперболической орбиты перейти на эллиптическую. А это означает, что для захвата необходимо присутствие третьего тела. А вокруг черной дыры движение по окружности в течение длительного времени не может быть осуществлено, так как всякое движение там неустойчиво. Небольшое возмущение может “сбить” тело с орбиты, поэтому оно либо упадет на черную дыру, либо покинет ее пределы.
Будущее сверхоружие?
Англичанин Р. Пенроуз предложил способ извлечения энергии из черных дыр. Правда, в таком случае черная дыра должна быть вращающейся, но что во Вселенной не вращается. Если космический аппарат попадет в сферу влияния черной дыры, так называемую эргосферу, в которой располагается вихревое гравитационное поле, то включив там двигатель, корабль вылетит из нее, обладая большей энергией, нежели обладал ранее. Корабль как будто захватит часть энергии “монстра”, уменьшив тем самым ее массу. На этом свойстве могут быть созданы уникальные объекты, которые были названы гравитационными бомбами. Для создания такого уникума надо окружить черную дыру искусственной сферой и направить туда излучение. Оно может быть усилено черной дырой и уйти прочь, но этому мешает зеркальная поверхность сферы. Луч света опять вернется к черной дыре, после взаимодействия с которой снова увеличит свою энергию и так до тех пор, пока количество энергии окажется настолько большим, что разорвет сферу. Чем не рецепт оружия для фантастического боевика о борьбе двух цивилизаций! Изготовить сейчас такую бомбу невозможно, так как мы еще не умеем создавать черные дыры и навряд ли сумеем это сделать в ближайшее время. Лететь же к ближайшей черной дыре мы сможем тоже нескоро.
Путешествие по времени?
С черными дырами связано путешествие во времени и в пространстве. Как считает И. Д. Новиков коллапсирующее вещество, не достигая нулевого объема, может начать расширяться, и объект может снова появиться в поле зрения внешнего наблюдателя, но уже в другой Вселенной. А И. С. Шкловский считал, что после перехода через гравитационный радиус наблюдатель за короткое время увидит все будущее Вселенной ! “Выскочив” в “новую” Вселенную путешественник увидит всю прошлую историю новой Вселенной. Правда, последние исследования показывают, что если такие переходы и возможны, то лишь в редких случаях.
Каких только нет черных дыр!
Есть ли предел для массы черной дыры, то есть могут ли встречаться космические “монстры” с массами, например, в тысячи раз большими солнечной. Никаких ограничений для массы черных дыр нет, кроме как ограничений на минимальную массу. Астрономы считают, что они давным - давно “открыли” черные дыры: источниками активности некоторых галактик могут быть сверхмассивные черные дыры. Других объяснений, почему квазары излучают столь громадное количество энергии из небольшого объема , как выделение ее при падении окружающего вещества, даже может быть целых звезд, на сверхмассивную черную дыры практически нет. Даже в центре нашей собственной Галактике ученые подозревают наличие громадной черной дыры.
Сверхмассивные черные дыры обнаружены уже десятками и где их только нет. Вблизи центральной части шарового скопления М15 нашей галактики звезды движутся с необычайно большими скоростями. Это говорит о громадной массе того компактного объекта, вокруг которого звезды и вынуждены нестись с ужасающими воображение скоростями, чтобы не свалиться на черную дыру.
А активность многих галактик никак нельзя объяснить, не допустив в их центральных областях наличие очень массивных черных дыр. Массы некоторых из них измеряются миллиардами масс Солнца.
Нет ли поблизости черной дыры?
О черных дырах интересно знать, но находиться вблизи этих “монстров Вселенной”, как их назвал К. Торн, их известный исследователь, не всегда безопасно. А нет ли поблизости от Солнечной системы подобного объекта? В этом бы ничего не было необычного, поскольку черных дыр в нашей Галактике немало. Но никаких свидетельств их близкого присутствия нет. Ведь перед появлением черной дыры должно произойти явление сверхновой звезды. На памяти человечества такие вспышки звезд были замечены, но все эти катастрофы произошли очень далеко от Земли. Есть доказательства того, что 65 миллионов лет тому динозавры вымерли из - за того, что недалеко от Солнца вспыхнула какая - то звезда. Смертоносное излучение погубило многое из того, что существовало на Земле в те времена. Но где та черная дыра, которая должна была от нее остаться? Не несется ли она сейчас на нас?
Закончим наш рассказ о черных дырах эпизодом из той же книги о Алисе, которая просит Кота “исчезать и появляться не так внезапно”, поскольку у нее иначе кружится голова. И тогда Кот исчез, но очень медленно, причем последней исчезла улыбка. "Она долго парила в воздухе, когда все остальное уже пропало.
- Д -да! - подумала Алиса. - Видала я котов без улыбок, но улыбка без Кота! Такого я в жизни еще не встречала".
