Чёрные дыры: туннели сквозь пространство и время

Чёрные дыры с недавних пор завладели воображением широкой публики. Исследованию этого странного предположения Эйнштейна, финальной стадии смерти коллапсирующей звёзды, посвящены книги и документальные фильмы. Парадокс, но публика по-прежнему не подозревает о самой, пожалуй, необычайной особенности чёрных дыр — что они могут служить воротами в другую вселенную. Более того, в научном сообществе активно высказываются предположения о способности чёрных дыр открывать туннели во времени.

Для того чтобы понять, что такое чёрные дыры и как трудно отыскать их, следует сначала выяснить, почему сияют звёзды, как они растут и как в конце концов погибают. Звезда рождается, когда огромное облако водорода, размерами многократно превосходящее нашу Солнечную систему, медленно сжимается под действием силы гравитации. Эта сила, сжимающая газ, постепенно нагревает его, поскольку гравитационная энергия преобразуется в кинетическую энергию атомов водорода. В обычных условиях отталкивающего заряда протонов в водороде достаточно, чтобы атомы оставались обособленными. Но в определённый момент, когда температура повышается до 10–100 млн кельвинов, кинетическая энергия протонов (ядер водорода) преодолевает электростатическое отталкивание, и они врезаются друг в друга. Тогда сила ядерного взаимодействия одерживает верх над электромагнитной силой, и два ядра водорода «сливаются», образуя гелий и выделяя огромные количества энергии.

Другими словами, звезда — это ядерная печь, в которой сгорает топливо — водород и образуется ядерная «зола» — отходы в виде гелия. Кроме того, звезда — случай шаткого равновесия между силой гравитации, стремящейся полностью уничтожить звезду, и силой ядерного взаимодействия, обладающей мощностью триллионов водородных бомб, которая стремится разорвать звезду. Расходуя своё ядерное топливо, звезда достигает зрелости и старости.

Для того чтобы понять, как в ходе ядерной реакции выделяется энергия, и выяснить, какие жизненные этапы проходит звезда, прежде чем стать чёрной дырой, обратимся к рис. 10.1, на котором представлен один из наиболее важных графиков современной науки, иногда называемый кривой энергии связи. На горизонтальной оси отражена атомная масса различных элементов — от водорода до урана. На вертикальной оси — грубо говоря, приблизительный средний «вес» каждого протона в ядре. Обратите внимание: протоны водорода и урана в среднем тяжелее, чем протоны других элементов в центре графика.

Наше Солнце — обыкновенная жёлтая звезда, состоящая главным образом из водорода. Как и при Большом взрыве, в ней из водорода образуется гелий. Но, поскольку протоны водорода тяжелее протонов гелия, возникает избыток массы, который преобразуется в энергию в соответствии с формулой Эйнштейна Е = mc?. Эта энергия и связывает ядра вместе. Кроме того, энергия высвобождается при образовании гелия из водорода. Вот почему солнце светит.

Но за миллиарды лет водород постепенно расходуется, в жёлтой звезде накапливается слишком много гелия и ядерная печь прекращает работу. Когда это происходит, гравитация наконец одерживает верх и уничтожает звезду. При резком увеличении температуры звезда раскаляется достаточно, чтобы сжечь избыток гелия и преобразовать его в другие элементы, такие как литий и углерод. Обратим внимание, что энергия продолжает выделяться по мере снижения кривой в сторону более тяжёлых элементов. Иными словами, горение гелия всё ещё возможно (точно так же обычная зола при определённых условиях может продолжать гореть). Несмотря на существенное уменьшение размера звёзды, её температура довольно высока, а внешняя оболочка значительно увеличивается в размерах. В сущности, когда наше Солнце исчерпает запасы водорода и начнёт сжигать гелий, внешняя оболочка Солнца достигнет орбиты Марса. Возникнет так называемый красный гигант. Разумеется, это означает, что в процессе его возникновения Земля превратится в пар. Таким образом, кривая предсказывает окончательную участь Земли. Поскольку возраст нашего Солнца средний, т. е. ему примерно 5 млрд лет, пройдёт ещё 5 млрд лет, прежде чем оно поглотит Землю. (По иронии судьбы, Земля родилась из того же вихревого газового облака, из которого возникло наше Солнце. В настоящее время физики высказывают предположение, что Земля, созданная вместе с Солнцем, воссоединится с ним.)

И наконец, когда будет израсходован гелий, ядерная печь снова прекратит работу, и гравитация уничтожит звезду. Красный гигант сожмётся и станет белым карликом — миниатюрной звездой, сократившейся примерно до размеров планеты Земля{94}. Белые карлики светят слабо, так как относятся к нижней части кривой, которой соответствует совсем небольшой избыток энергии согласно формуле Е = mc?. Белый карлик сжигает то немногое, что остаётся на нижней части кривой.

Наше Солнце в конце концов превратится в белого карлика и на протяжении миллиардов лет будет медленно умирать, так как истощит все свои запасы ядерного топлива. В итоге оно станет тёмной, выгоревшей карликовой звездой. Однако считается, что если звезда обладает достаточной массой (в несколько раз превышающей массу нашего Солнца), то большинство элементов, содержащихся в белом карлике, будут по-прежнему участвовать в реакциях с образованием всё более тяжёлых элементов и со временем дело дойдёт до железа. Излишки массы уже не будут давать энергии, ядерная печь прекратит работу. Гравитация вновь окажется сильнее и будет сжимать звезду, пока температура не увеличится сразу в тысячу раз, достигая триллионов градусов. В этот момент железное ядро сжимается, а наружная оболочка белого карлика разрушается, процесс сопровождается самым мощным в галактике выбросом энергии и образованием взрывающейся звёзды — сверхновой. Всего одной сверхновой достаточно, чтобы на время затмить целую галактику со 100 млрд звёзд.

После взрыва сверхновой мы обнаруживаем совершенно мёртвую звезду — нейтронную звезду размером с Манхэттен. Плотность составляющих нейтронной звёзды настолько велика, что, грубо говоря, нейтроны «трутся» друг о друга. Хотя нейтронные звёзды почти невидимы, их можно обнаружить с помощью приборов. Вращаясь, они распространяют излучение, так что действуют как космические маяки. Мы видим их как мерцающие звёзды, или пульсары. (Этот сценарий выглядит, как научная фантастика, тем не менее свыше 400 пульсаров было обнаружено с тех пор, как их открыли в 1967 г.)

Компьютерные вычисления показали, что большинство элементов, более тяжёлых, чем железо, могут синтезироваться при температурах и давлении, характерных для сверхновой звёзды. Когда звезда взрывается, в космический вакуум выбрасывается уйма «звёздного мусора», состоящего из тяжёлых элементов. Этот «мусор» в итоге смешивается с прочими газами, пока не накопится достаточное количество водорода, чтобы процесс гравитационного сжатия начался опять. Из газопылевых облаков, изобилующих тяжёлыми элементами, рождаются звёзды второго поколения. Некоторые из этих звёзд (такие как наше Солнце) окружены планетами, содержащими тяжёлые элементы.

Так разрешается давняя загадка космологии. Наши тела состоят из элементов, более тяжёлых, чем железо, но наше Солнце не настолько горячее, чтобы создать такие элементы. Если Земля и атомы нашего тела возникли из того самого газового облака, откуда тогда в нашем теле взялись тяжёлые элементы? Вывод однозначен: тяжёлые элементы нашего тела были синтезированы в сверхновой звезде, которая взорвалась до появления нашего Солнца. Другими словами, некая безымянная сверхновая звезда взорвалась миллиарды лет назад, породив исходное газовое облако, из которого и образовалась наша Солнечная система.

Эволюцию звезды можно представить в виде автомата для игры в пинбол, как на рис. 10.1, имеющего форму кривой энергии связи. Шар начинает движение сверху, перескакивая от водорода к гелию, от более лёгких элементов к более тяжёлым. При каждом его скачке по кривой появляется звезда другого типа. И наконец, шар достигает нижней части кривой, где находится железо, и в результате взрыва рождается сверхновая звезда. Затем звёздное вещество опять собирается в новую звезду, богатую водородом, и процесс «игры в пинбол» возобновляется.

Отметим, однако, что существуют два способа движения шара вниз по кривой. Это движение может начаться с другой стороны кривой, с урана, и достигнуть дна единственным скачком, с расщеплением ядра урана. Поскольку средняя масса протонов таких продуктов деления, как цезий и криптон, меньше средней массы протонов урана, избыток массы преобразуется в энергию согласно формуле Е = mc?. Это и есть источник энергии атомной бомбы.

Таким образом, кривая энергии связи не только объясняет рождение и смерть звёзд и возникновение элементов, но и делает возможным существование водородной и атомной бомб! (Учёных часто спрашивают, можно ли создать ядерные бомбы помимо атомных и водородных. Как видно из кривой энергии связи, ответ на этот вопрос отрицательный. Отметим, что кривая исключает возможность создания кислородной или железной бомбы. Эти элементы расположены вблизи нижней части кривой, поэтому избытка массы не хватит для бомбы. А упоминающиеся в прессе бомбы вроде нейтронной — это разновидности урановой и водородной бомб.)

Когда впервые слышишь историю жизни звёзд, невольно относишься к ней скептически. Ведь никто же не мог прожить 10 млрд лет и стать свидетелем эволюции звёзд. Но, поскольку звёзд в небе бесчисленное множество, несложно увидеть звёзды почти на всех этапах их эволюции. (К примеру, в 1987 г. сверхновая звезда, которую можно было наблюдать невооружённым глазом в южном полушарии, обеспечила нас множеством астрономических данных, соответствующих теоретическим предположениям о схлопывающемся карлике с железным ядром. Кроме того, остаток великолепной сверхновой звёзды, которую наблюдали древнекитайские астрономы 4 июля 1054 г., в настоящее время идентицифирован как нейтронная звезда.)

Вдобавок наши компьютерные программы стали настолько точными, что мы в принципе можем численно прогнозировать порядок звёздной эволюции. Когда-то у меня был сосед-аспирант, специализировавшийся на астрономии. Он неизменно уходил рано утром и возвращался поздно вечером. Перед уходом говорил, что ставит звезду в духовку, чтобы увидеть, как она растёт. Поначалу я думал, что он шутит. Но, когда я стал расспрашивать его, он со всей серьёзностью объяснил, что закладывает звезду в компьютер и весь день наблюдает за тем, как она эволюционирует. Поскольку уравнения термодинамики и термоядерных реакций хорошо известны, остаётся лишь задать определённую массу водорода и дождаться, когда компьютер представит эволюцию этого газа в численном виде. Таким способом можно убедиться, что наша теория звёздной эволюции воспроизводит известные стадии жизни звёзды, которые мы видим в телескопы.