«Черные» и «белые дыры» вселенной

«Черные» и «белые дыры» вселенной

В марте 1974 года в Государственном астрономическом институте имени П. Н. Лебедева АН СССР появилось у входа любопытное объявление. На объединенном семинаре должен был читаться доклад под названием «Взрываются ли „белые дыры“?». Научный авторитет докладчиков Я. Зельдовича, И. Новикова и А. Старобинского и необычность темы привлекли внимание многих.

Вообще в появлении таких странных и «ненаучных» терминов, как «черные» и «белые дыры», виноваты прежде всего космологи. Некогда, разрабатывая гипотезу «Большого Взрыва», они первыми описали процесс, в результате которого из «ничего» образовалось «все». В чем-то они даже конкурировали с господом богом. Правда, их «космологово ничего» имело бесконечную плотность в точке. У бога же «ничто» так и было «ничем».

Впрочем, о самом моменте превращения «ничего» в «что-то» космологи тоже предпочитают особенно не распространяться. Темное это дело, теоретическое… Основные их исследования касались того времени, когда вещество уже родилось и стало разлетаться в разные стороны, формируя нашу вселенную. Естественно предположить, что, разлетаясь, сгустки вещества должны слегка притормаживать друг друга силами взаимного притяжения. А значит, и скорость их движения должна постепенно падать.

Любое умозаключение должно подтверждаться расчетами. Посчитали и в данном случае. Получилась неприятность. Для торможения имеющихся галактик общая масса вещества во вселенной должна была быть раз в десять больше той, которая получается, если сложить всю наблюдаемую материю: и галактики, и газовые облака туманностей, и даже массу частиц космических лучей. Все вместе дает всего 10 процентов требуемой массы. А откуда же брать остальные 90 процентов? Тут-то и пришли на помощь «черные дыры». Раз их не видно, то почему бы не свалить на них ответственность за недостачу массы во вселенной?

Вообще надо сказать, что эти придуманные еще в 1939 году теоретические, гипотетические и какие угодно еще, только не реальные, объекты оказались сущим кладом для астрономии. Однако серьезные наблюдатели относились к ним всегда скептически. И вдруг… Впрочем, сначала что они собой представляют.

Рассматривая процесс коллапса — неудержимого сжатия звезды в конце эволюционного цикла, когда все водородное горючее истрачено, — теоретики пришли к любопытным выводам. Мы уже говорили о том, что нормальные звезды с массой порядка солнечной могут сжаться до плотности атомного ядра и превратиться в нейтронные сгустки. Это тоже сначала было предположением, но потом открыли пульсары. Исследуя процесс сжатия дальше, теоретики установили, что звезды с массой, превосходящей Солнце раз в пять, десять и больше, сжимаются неограниченно, то есть коллапсируют, превращаясь в «черную дыру». При этом, несмотря на резкое сокращение радиуса, масса звезды остается прежней. И вы представляете, как изменяются условия возле такого съежившегося до крохотного объема гигантского шара вещества?

Если размеры тела становятся меньше так называемого гравитационного радиуса — величины, зависящей от массы звезды и скорости света, — то для внешнего наблюдателя оно исчезает из глаз. Чтобы читатель смог представить себе более наглядно эту величину, достаточно сказать, что для Солнца с радиусом фотосферы примерно 7 · 10⁵ километров гравитационный радиус всего 3 километра.

У сколлапсировавшего объекта градиент, или мера возрастания гравитации на границе, очерченной этим радиусом, становится настолько велик, что никакому излучению не пробиться сквозь него. Завернутые силами взбесившейся гравитации частицы и лучи, едва покинув поверхность, тут же падают обратно, не вынося за пределы гравитационного радиуса никакой привычной нам информации. Ни фотонам видимого света, ни инфра-, ни ультра-, ни радио-, ни рентгено-, ни гамма-лучам не пробиться сквозь такой барьер. Для внешнего наблюдателя светило просто как бы исчезает. И лишь принадлежащие ему печальные планеты, кометы и астероиды продолжают обращаться в непроглядной тьме по прежним орбитам.

Исчезнуть-то оно исчезло, но только из виду. В принципе же оно осталось, и притяжение его на расстоянии не изменилось. Хотя в областях, близких к «черной дыре», все процессы описываются теперь не законами Ньютона, а общей теорией относительности. В этих областях меняются даже свойства пространства-времени: геометрия пространства нарушается, а время затормаживается. Получается действительно как бы дырка в пространстве-времени. Дырка, через которую теоретики и астрофизики тщатся заглянуть и выудить оттуда сведения о самых фундаментальных свойствах окружающего мира.

Надо сказать, что гипотеза «черных дыр» одинаково привлекательна и для сторонников старой, классической космогонии и для сторонников новой. Одни видят в них прекрасный пример заключительной эволюции звезд. Другие твердо считают, что существование «черных дыр» — важнейшее доказательство существования сверхплотного состояния вещества, а следовательно, и справедливости новой точки зрения на образование звезд.

Представим себе, что условия равновесия кома вещества, спрессованного до плотности «черной дыры», нарушились, и он взорвался! Вы спросите: почему взорвался?

А кто его знает. Мы как-то уже говорили, что звезды склонны к такой форме проявления своего характера. Но, взрываясь, «черные дыры» превращаются в своих антиподов — в «белые дыры». И если до взрыва их можно было считать продуктом заключительной стадии эволюции, то после взрыва — это явно начало эволюции! Сверхплотное тело дает начало новым небесным объектам!

Может быть, именно здесь как раз и произойдет стыковка двух непримиримых сегодня космологических концепций?..

Лет десять тому назад профессор И. Новиков, рассматривая условия возникновения квазаров, предложил такую гипотезу: когда произошел Большой Взрыв и наша вселенная стала расширяться из сверхплотного состояния, отдельные ее части не поспевали за общим темпом. По каким-то причинам они некоторое время оставались в первозданном виде и лишь много позже включились в общий ритм. Эти отдельные части, дожившие без малого до нашего времени, и являются квазарами, или особыми точками вселенной, так сказать, «разлетевшейся сингулярностью». Далекий наблюдатель, глядя на них, должен бы видеть в пространстве метагалактики скорее всего некие «черные дыры», которые по истечении определенного срока вдруг взрываются и превращаются в «дыры белые».

Согласитесь, что квазары и активные ядра галактик как нельзя лучше подходят в качестве «белых дыр». Однако первоначальная гипотеза И. Новикова не учитывала квантовых эффектов, сопровождавших рождение частиц, и посему не сводила концы с концами. И вот новый доклад, с которого мы начали этот раздел.

Докладчики вовсе не хвастались тем, что теперь-де нашли и учли все аспекты события. Уточнения теории привели к тому, что для «белых дыр» оказались равновозможными два крайних состояния: одно неустойчивое, а второе, наоборот, устойчивое абсолютно. Находясь в первом состоянии, «белая дыра» взрывается сразу, через стотысячную долю секунды после своего образования. Во втором случае она не взорвется никогда, оставаясь для наблюдателя вечной «черной дырой».

Правда, опыт здравого смысла учит, что, когда есть крайности, середина пустой не остается. Задержка взрыва на некоторое определенное время тоже возможна. Но пока, по расчетам, для этого должны сложиться настолько маловероятные начальные условия, что подобное явление должно встречаться в метагалактике исключительно редко. А квазаров и активных ядер галактик в обозримом пространстве немало. Значит?.. Значит, разрабатываемая для их объяснения теория опять недостаточна.

Вывод не слишком радостный для создателей теории, но вывод. И если он не подтвердится, не беда; в науке не редкость, когда отрицательный результат ценнее многих положительных.

Но существуют ли эти гипотетические объекты на самом деле? Пока все рассуждения не выходили за пределы теоретических предположений. Действительно, как же их искать, если они невидимы? Ну, во-первых, можно попробовать поискать некие «водовороты» космического газа, втягивающегося в черное «ничто». Приближаясь к «черной дыре», падающий на нее газ начнет излучать. Может быть, это будут радиоволны, а может быть, рентгеновские лучи? Обнаружить такое излучение, обшаривая небо, густо усыпанное звездами, — задача не из простых.

Есть и иной путь. Помните, как Ф. Бессель в свое время догадался о существовании невидимого спутника у Сириуса? А что было бы, будь вассал по массе больше своего сюзерена? Тогда яркий Сириус крутился бы вокруг невидимой точки, связанный с нею узами притяжения. Нам с Земли казалось бы, что он обращается вокруг пустого места.

Во вселенной множество двойных звезд. Не исключено, что между ними могут быть и такие пары, у которых одна из компонент — «черная дыра». Тогда нормальный спутник интересующего нас объекта должен непрерывно терять свое вещество, и оно будет течь к невидимому компаньону, закручиваться вокруг него, образуя диск. Трение газовых слоев разорвет диск, и он станет источником рентгеновского излучения. Кроме того, в газовом вихре по мере приближения к гравитационному радиусу нарастают магнитные поля. Заряженные частицы газовой плазмы в этих условиях ускоряются, а следовательно, начинают излучать переменные электромагнитные волны. Теоретики высчитали период этих колебаний. Он оказался лежащим в пределах десятитысячных долей секунды. Такие «черные дыры» назвали флуктуарами. Теперь осталось совсем немного — найти их на небе! Ситуация ничем не отличалась бы от той, когда мы собирались искать газовые «водовороты», если бы не вторая звезда пары.

Рентгеновские лучи от газового диска интенсивно обстреливают близко расположенную нормальную звезду, неравномерно разогревая один ее бок. На поверхности звезды появляется как бы «горячее пятно». А такой феномен можно углядеть и с Земли, пользуясь оптическими методами.

В последние годы теорией рентгеновских источников и процессами излучения систем, содержащих в себе «черные дыры», занимались очень многие специалисты. Большой вклад внесли сотрудники Государственного астрономического института имени П. Штернберга. Существует мнение, что уж одну-то «черную дыру» астрономы нашли почти наверняка. В созвездии Лебедя наблюдается подозрительная пара, состоящая из нормальной звезды — сверхгиганта — и невидимого в оптических лучах компонента с массой порядка десяти солнечных. Сильное рентгеновское излучение, тесное расположение компаньонов и то обстоятельство, что спектр излучения во многом соответствует предсказанному теоретически, вдохновляют охотников за «черными дырами».

Пока стопроцентной гарантии, что поймана невидимка, нет. Но, судя по тому, как быстро меняется поток рентгеновских лучей, его источник должен весьма шустро вертеться вокруг своей оси. А это значит — он на редкость малых размеров. И при такой малости за каждую вспышку, которая и длится-то не больше тысячной доли секунды, в окружающее пространство выделяется энергии больше, чем при взрыве миллиарда водородных бомб. Именно такое сравнение приводят Я. Зельдович, И. Новиков и Р. Сюняев, рассказывая об исследованиях новых объектов.

Сегодня внимание специалистов разного профиля в разных странах приковано к поискам «черных дыр». Астрофизики надеются с их помощью глубже проникнуть в недра звезд и исследовать справедливость существующих законов и теорий. Физики-теоретики ждут от «черных дыр» подтверждения или опровержения своих предположений о свойствах пространства-времени в окрестностях этих феноменов. Космогонисты возлагают большие надежды на новые объекты, рассчитывая уточнить механизм происхождения звезд и решить многие споры принципиального характера. Новые небесные объекты — это физические лаборатории с уникальными условиями и возможностями. Смоделировать их на Земле невозможно. Поэтому надо во что бы то ни стало найти надежные способы получать от них ту информацию, которую они так щедро рассеивают в пространство. Вот почему в программах работ орбитальных станций такое важное место занимали и занимают наблюдения рентгеновских источников…

Данный текст является ознакомительным фрагментом.