Текст книги "100 великих загадок астрономии"

Что находится в центре млечного пути?

Еще в начале ХХ века астрономы полагали, что Солнце пребывает неподалеку от центра некой космической туманности, по ту сторону которой простирается беззвездная пустота – «великий Тихий океан космоса». Лишь точные наблюдения за перемещениями звезд помогли американскому астроному Харлоу Шепли в 1918 году определить, где находится подлинный центр нашей Галактики. Как оказалось, он расположен позади темного облака, лежащего в созвездии Стрельца.

На фотографиях, сделанных в сантиметровом диапазоне, перед нами проступает некий расплывчатый сгусток шириной в несколько световых лет. Именно эти клубы ионизованного газа, окружающие центральную часть Галактики, мешали астрономам вглядеться в нее – подобно тому, как атмосферная рябь не дает наблюдать за отдаленными звездами с поверхности нашей планеты. «Рябь», заслоняющая от нас центр Галактики, рассеивается по мере того, как мы смещаемся в коротковолновую часть диапазона наблюдения. Мы все отчетливее видим облако, в котором газовые массы, кружа по спирали, устремляются куда-то в центр, где сияет яркое пятно.

С повышением разрешающей способности телескопов удалось точнее оценить размеры этого объекта, который поначалу представлялся лишь облаком, испускавшим мощное радиоизлучение. Начиная с 1992 года, астрономы исследовали в инфракрасном диапазоне окрестности Стрельца А* (Sagittarius A*, или Sgr A*). На сделанных фотографиях (инфракрасное излучение в определенном диапазоне может пробиться сквозь облачную завесу) отчетливо видны стайки звезд, кружащие возле Sgr A*. Их траекторию можно определить, а значит, и вычислить ту неимоверную силу, что притягивает их к себе. Эта сила так велика, что даже скопления нейтронных звезд было бы недостаточно, чтобы создать такое гравитационное поле.

Изображение звездного кластера Sgr A* в центре нашей Галактики

Наблюдения засвидетельствовали, что там, в центральной части Галактики, сосредоточена громадная масса вещества. Объяснить это можно было лишь наличием там черной дыры. Первоначально ее размеры оценили примерно в 2,7 миллиона солнечных масс. Измерения в инфракрасном и рентгеновском диапазоне показали, что этот объект поразительно быстро вращается.

Позднее, тщательно изучив траектории и скорость движения расположенных поблизости звезд, астрономы определили, что там, на участке диаметром «всего» 12 миллионов километров, простирается черная дыра, чья масса ориентировочно в 4,3 миллиона раз превышает массу Солнца.

Итак, теперь нам известно, что посредине нашей Галактики, на расстоянии 26 тысяч световых лет от Земли, расположена огромная черная дыра Стрелец А* – «ненасытная звездная смерть», пожирающая все, что приблизится к ней. Там, на небольшом участке пространства, скопилась такая масса вещества, что его хватило бы на миллионы звезд. И ведь когда-то многое в этом черном чреве Галактики было звездами. Прожив свою блистательную жизнь, все они исчезли в этом «мире ином». Уже первые наблюдения за этой областью Млечного Пути показали, насколько неуютно жилось бы там, если бы наше Солнце и впрямь пребывало в центре Галактики. Там, где одна катастрофа спешит настичь другую, где воцарился хаос и где гибель звезд – такое же будничное событие, как и гибель солдат на фронте. Там, где потоки космического излучения выжигают поверхность всех еще находящихся там планет. Нет, слово «неуютно» здесь не вполне подходит – «невозможно»!

Подобные исследования порождают у ученых все новые вопросы. Они удивляются, например, тому, что в окрестности черной дыры обнаружены молодые звезды. Как они появились здесь? Несомненно, что они не могли сформироваться там, где сейчас находятся. Действие приливных сил, создаваемых черной дырой, так велико, что нарождающиеся звезды были бы сразу разорваны ими. С другой стороны, эти звезды слишком молоды, а потому у них было мало времени, чтобы перебраться в эту часть Галактики издалека. Итак, они не могли ни родиться здесь, ни перекочевать сюда. Откуда же они взялись?

Кроме того, в ноябре 2004 года астрономы пришли к выводу, что центральная черная дыра в нашей Галактике, по всей видимости, вовсе не одинока. Как оказалось, среди группы звезд GCIRS 13E, расположенной на расстоянии всего трех световых лет от Sgr A*, похоже, скрывается еще один гравитационный монстр – черная дыра, которая весит примерно в 1300 раз больше, чем Солнце. Ее судьба пока не ясна ученым. Возможно, со временем она сольется с черной дырой, лежащей в центре Галактики. А может быть, попытается убежать от нее? Или они будут двигаться и впредь параллельным курсом?

Но вернемся к главной бездне нашей Галактики. Миллионы звезд могли бы выпорхнуть из этой космической темницы, если бы та рухнула, но она все пополняется новыми узниками Стрельца А*. Перед тем, как исчезнуть, обреченные звезды и клубы газа и пыли на какое-то время попадают в «камеру смертников» – скапливаются в так называемом аккреционном диске, расположенном вокруг экватора черной дыры. Этот диск напоминает кольцо, окружающее планету Сатурн, – только он очень разогрет по сравнению с ним. Кроме того, динамика процессов, протекающих в окрестностях черной дыры, так сложна, что часть вещества, приблизившегося к ней, все же ускользает из этой ловушки – выбрасывается в виде двух мощных струй (джетов). Так, звезды, как ни сбиваются они в стайки в преддверии черной дыры, редко проскальзывают туда. В иных галактиках струи вещества, выброшенного в стороны от центральной черной дыры, вообще тянутся через всю галактику.

Сама черная дыра Sgr A* так же безостановочно кружится, как и ее жертвы, исполняя свой Todestanz – свою «пляску смерти». Вообще же, эта «хищница», пребывающая в центре нашей Галактики, на своем царственном месте, ведет себя на удивление спокойно – она, словно лев или пантера, почивает после удачной охоты. Многие исследователи полагают, что в далеком прошлом эта черная дыра проявляла куда большую активность, нежели теперь.

Возможно, она скоро пробудится и начнет глотать звезду за звездой, пополняя запас сил. Галактика в таком случае кажется подобием джунглей или саванны, где притаившийся зверь – этакая «черная пантера космоса» – иногда бросается на стаю зазевавшихся звезд, душит одну, другую, пожирает, а потом вновь прячется среди ветвей, по которым клочьями тумана свешивается межзвездный газ, мешая заметить «хищницу». «Быть может, нечто подобное происходит каждые десять тысяч лет, – полагает немецкий астроном Андреас Эккарт. – Такое яркое зрелище – это поистине что-то незабываемое». От одного лишь гравитационного «удара» бедные звезды рассыпаются, и их истерзанные тела – эти клубы растекшегося газа – будут всасываться черной дырой, словно тельца устриц. Во время подобной трапезы будущие поколения астрономов поведут наблюдения за ней в инфракрасном, радио– и рентгеновском диапазонах – в них агония жертв отразится во всей своей красочной жути и прелести, словно бог смертоликий Танатос рождается в эти мгновения среди мрака черной дыры, сияя всеми бликами и переливами космической смерти.

Какое счастье, что нам не суждено жить в центре Галактики! В звездной империи, как в людской истории: «Если выпало в Империи родиться, лучше жить в глухой провинции у моря» (Иосиф Бродский) – там, куда не долетит ликующий, смертоносный свет, куда не простирается мрак царственного существования.

В поисках черных дыр средних размеров

В глубинах космоса скрываются «могильные поля» прошлого. Это – черные дыры. Долгое время их принято было делить на два класса.

Одни образовались на месте взорвавшихся звезд. Их масса составляет, по расчетам ученых, от 3 до 100 солнечных масс, а диаметр – от 20 до 600 километров. В каждой крупной галактике подобные объекты исчисляются миллионами. Как правило, за ними невозможно наблюдать с помощью приборов, которыми располагают современные астрономы, – ведь эти черные дыры не поглощают громадные облака газа. Чаще всего они потихоньку добывают себе пропитание у ближайшей звезды, пожирая ее, словно пауки, которые, к слову, как и эти черные дыры, прячась от чужих глаз, поедают добычу, угодившую к ним в сети. Астрономам известно много звездных пар, где один из объектов – черная дыра, которая постепенно губит свою соседку-звезду.

Другие черные дыры – это, наоборот, невероятные исполины. Они, словно громадный костяк, стягивающий воедино рыхлое тело галактики, покоятся в глубине каждой. Их масса – от миллиона до 10 миллиардов солнечных масс. В поперечнике они могут достигать от 5 до 60 000 миллионов километров. Их присутствие можно обнаружить, наблюдая за движением звезд и газовых облаков, расположенных в их окрестностях. Если какая-либо звезда окажется в непосредственной близости от этого гравитационного монстра, то мощные приливные силы буквально разорвут ее на части. Ее остатки, перемещаясь по спирали, рано или поздно низвергнутся в недра черной дыры.

Но что разделяет эти два класса черных дыр? Что располагается между ними в когорте «гравитационных ловушек»?

С точки зрения теоретиков, должны были существовать и черные дыры средних размеров. Их масса составляет от 100 до миллиона солнечных масс, а диаметр – от 6000 до 600 тысяч километров. Само присутствие в галактиках сверхмассивных черных дыр давало надежду на то, что подобные средневесы есть (или хотя бы имелись в прошлом). Ведь не были же эти исполины изначально такими огромными!

Но где искать черные дыры средних размеров? Когда они могли существовать? И сохранились ли они еще и теперь, в современных нам галактиках? Лишь в последние годы удалось доказать, что эти черные дыры – не выдумка ученых, а реальность.

В　современной Вселенной редко встречаются черные дыры средних размеров

Согласно компьютерным моделям, подобные объекты чаще всего зарождались в молодых галактиках, на заре существования нашей Вселенной. Ведь через 1–2 миллиарда лет после Большого взрыва было множество очень массивных звезд, которые жили очень недолго. После их скорого коллапса возникали черные дыры, весившие зачастую в несколько десятков раз больше, чем Солнце. В плотных звездных скоплениях они могли поглощать огромное количество газа. Кроме того, они нередко сталкивались со звездами или другими черными дырами – и потому росли, росли. «Победители получали всё».

По другой гипотезе, важную роль играло появление парных систем, состоявших из двух черных дыр. Ведь во Вселенной существует множество звездных пар. После того, как обе звезды пережили коллапс, возникала система, состоявшая из двух расположенных рядом черных дыр. Рано или поздно они сливались друг с другом. Как полагают астрофизики, во время этих коллизий излучались гравитационные волны. Их пытаются обнаружить сейчас с помощью самых современных детекторов. Возможно, именно эти события вызывают кратковременные вспышки гамма-излучения в отдаленных частях Вселенной, за миллиарды световых лет от Земли.

Итак, черные дыры средних размеров не возникают мгновенно, при коллапсе какой-либо звезды. Они разрастаются постепенно. Точно так же формировались галактики – по иерархическому принципу. Звездные скопления объединялись, образовывали карликовые галактики. При их слиянии возникали спиральные галактики; наконец, формировались громадные эллиптические галактики. Одновременно соединялись и увеличивались в размерах черные дыры, располагавшиеся внутри этих скоплений и галактик. Это объясняет, например, почему масса громадных черных дыр пропорциональна светимости их родных галактик. Если эта теория верна, то не удивительно, что в современной Вселенной так редко встречаются черные дыры средних размеров. Большинство из них давно поглощено их громадными наследницами. Однако в молодых галактиках, по-видимому, продолжается формирование черных дыр-средневесов.

Обнаружить их можно так же, как и другие черные дыры, – по особенностям движения звезд и газопылевых облаков, их окружающих. Динамика звезд – надежный индикатор их присутствия. Впрочем, на больших расстояниях, – а молодые галактики, как правило, находятся очень далеко от Земли, – за ними трудно вести наблюдение. Поэтому астрономы уделяют большое внимание мощным рентгеновским вспышкам, которые выдают присутствие черных дыр. Мощность этих необычайно ярких вспышек составляет порядка 10³² ватт в секунду.

Первые ультрамощные рентгеновские вспышки были зафиксированы в 1980-е годы обсерваторией «Эйнштейн», выведенной на околоземную орбиту в 1978 году. Впоследствии другие рентгеновские обсерватории – ROSAT, RXTE, «Ньютон» и особенно «Чандра» – обнаружили сотни подобных объектов.

В большинстве галактик, как и в нашем Млечном Пути, подобные источники излучения не обнаружены; в других, как правило, отмечено лишь по одному такому источнику. Чаще всего их регистрируют в тех галактиках, где продолжаются процессы бурного звездообразования, или в галактиках, которые испытывают силу притяжения расположенной поблизости огромной галактики.

Согласно опубликованному недавно перечню, включающему 475 кандидатов в ультрамощные рентгеновские источники, 307 из них обнаружены в 142 спиральных галактиках, а 168 – в 98 эллиптических галактиках, хотя последние встречаются вдвое чаще спиральных. Это опять же указывает на связь между ультрамощными источниками и процессами образования звезд, поскольку в эллиптических галактиках звезды зарождаются реже. (Разумеется, не все эти источники являются черными дырами средних размеров. В некоторых случаях речь идет, например, о недавно вспыхнувших сверхновых звездах.)

В карликовых галактиках тоже можно обнаружить черные дыры средних размеров. Это делает «карликов» точными копиями больших галактик и лишний раз свидетельствует о том, что последние, вероятно, образовались за счет их слияния и поглощения. Так, наблюдая за движениями звезд в эллиптической карликовой галактике POX 52, расположенной на расстоянии 300 миллионов световых лет от Земли, Аарон Барт из Калифорнийского технологического института убедился, что там прячется черная дыра, которая весит в 160 тысяч раз больше, чем Солнце. Похожую черную дыру – только немного поменьше (70 тысяч солнечных масс) – телескоп «Хаббл» обнаружил и в проявляющей активность карликовой галактике SDSS J160531.84 + 174826.1.

В последнее время много говорится о том, что подобная черная дыра есть и в нашей Галактике. В 2004 году Брэд Хансен из Калифорнийского университета и Милош Милосавлевич из Калифорнийского технологического института предположили, что среди звездного скопления GCIRS 13E, расположенного на расстоянии трех световых лет от галактического центра, скрывается небольшая черная дыра (1300 солнечных масс). Как полагают астрономы, уже в этом десятилетии, анализируя движение звезд в центральной части Галактики, можно будет доказать или опровергнуть эту гипотезу. Вполне может быть, что черные дыры средних размеров никуда не исчезли из нашей Галактики, а продолжают пополнять «закрома» той громадной черной дыры, что притаилась посредине Млечного Пути.

Испаряются ли черные дыры?

С точки зрения общей теории относительности, срок жизни, отпущенный черным дырам, бесконечно велик. Так считали много лет, пока британский физик Стивен Хокинг не исследовал их по законам квантовой механики (законы эти действуют в мире элементарных частиц). До тех пор не удавалось свести воедино общую теорию относительности и квантовую механику. И все же Хокинг попытался это сделать и столкнулся с поразительным эффектом. Он обнародовал свои выводы в 1975 году; попробуем о них рассказать.

Для физика вакуум – это нечто иное, чем пустота, чем ничто. В вакууме беспрерывно рождаются и гибнут элементарные частицы. Их называют виртуальными, поскольку они существуют лишь краткие мгновения. Виртуальные частицы всегда возникают попарно. Когда подобная пара частиц образуется в непосредственной близости от черной дыры, на границе горизонта событий, то под действием гравитации уже через 10—2⁴ секунды эта пара распадается. Одна из частиц исчезает в недрах черной дыры, а другая успевает ускользнуть. Получая энергию извне, эта частица из виртуальной становится реальной. Удаляясь от черной дыры, она только увеличивает свою энергию. Поток подобных частиц и называется «излучением Хокинга»; он позволяет обнаружить присутствие поблизости черной дыры. Первой же частице следует соответственно приписать отрицательную энергию. В таком случае, по знаменитому закону Эйнштейна (E = mc²), с ее появлением внутри черной дыры та не только теряет некоторое количество энергии, но и ее масса уменьшается на величину, исчисленную по этой формуле. Со стороны это выглядит так, словно черная дыра «испаряется», постепенно уменьшаясь в размерах. Гигантские черные дыры испускают в основном такие частицы, как фотоны и нейтрино. В спектре небольших черных дыр присутствуют и тяжелые частицы.

Излучение Хокинга позволяет обнаружить присутствие черной дыры

Итак, черные дыры тоже убывают в размерах. Впрочем, процесс этот протекает очень медленно. Возьмем, например, черную дыру, что весит в три раза (всего в три раза!) больше нашего Солнца. Пройдет 10⁶⁷ лет, прежде чем она испарится почти полностью. Что означает этот промежуток времени? Он примерно в 10⁵⁷ раз превышает теперешний возраст Вселенной.

На месте черной дыры может остаться лишь крохотный, но стабильный сгусток размером порядка 10^—33 сантиметра, что соответствует известной константе – так называемой длине Планка. Возможно, подобные «сгустки» – реликты бывших черных дыр – образуют новый, не известный науке тип элементарных частиц. Пока их существование не доказано, но ученые уже подобрали им многочисленные имена: «максимоны», «планкеоны», «информоны», «инфотоны» или «корнукопионы» (от английского cornucopia, «рог изобилия»).

Тогда же, в начале 1970-х годов, Стивен Хокинг первым предположил, что помимо громадных черных дыр, возникающих на месте взорвавшихся звезд, на ранней стадии развития Вселенной могли существовать и миниатюрные («примордиальные», как их еще называют) черные дыры. Они образовались сразу после Большого взрыва на тех участках пространства, где локальная плотность массы и энергии была необычайно высока. Согласно расчетам, через тысячную долю секунды после Большого взрыва плотность этих «сгустков» превышала плотность атомного ядра.

Анализ космического фонового излучения подтверждает, что такие флуктуации и впрямь появлялись. Это стало причиной зарождения звезд, галактик и, может быть, миниатюрных черных дыр. Не будь этих флуктуаций, вероятно, вещество и теперь было бы равномерно распределено во Вселенной.

Масса миниатюрных черных дыр, как показали расчеты, составляла в среднем 10¹⁸ граммов, или 10—1⁵ солнечных масс. Это соответствует массе какой-нибудь земной горы. Радиус горизонта событий подобного объекта равнялся 10—1² метров. Таким образом, примордиальные черные дыры имели субатомарный размер.

Опять же, согласно расчетам, чем меньше масса черной дыры, тем быстрее та испаряется, поскольку сила ее притяжения не так велика и все больше и больше частиц улетучивается. При этом возрастает и ее температура. Миниатюрная черная дыра буквально пышет жаром. В конце концов она разогревается до температуры в несколько миллионов кельвинов. При ее испарении выделяется энергия, сопоставимая со взрывом нескольких миллионов водородных бомб. Продолжительность жизни миниатюрных дыр составляет около 13,5 миллиардов лет. Вполне возможно, что сейчас они одна за другой испаряются, и грандиозные гамма-вспышки, которые иногда наблюдают астрономы, – это живое свидетельство их испарения. Впрочем, доказать эту гипотезу пока не удалось.

Что же касается черных дыр, которые образовались на месте взорвавшихся звезд, то они, наоборот, очень холодные, а потому интенсивность их излучения мала, они медленно уменьшаются в размерах. Так, температура черной дыры, чья масса в 10 раз выше массы Солнца, составляет всего несколько миллиардных долей кельвина. Эта черная дыра значительно холоднее окружающего ее пространства (средняя температура в ее окрестностях – около 4 кельвинов). Она, очевидно, разогревается, увеличивая при этом свою массу. В итоге, как уже говорилось, продолжительность жизни такой черной дыры больше возраста самой Вселенной.

Итак, излучение Хокинга доказывает, что черные дыры все-таки не являются абсолютно черными. Еще в 1960-е годы некоторые физики пришли к выводу, что почти вся информация о теле, угодившем в черную дыру, теряется. Могут уцелеть лишь сведения о его массе, моменте количества движения и электрическом заряде.

«Эта потеря информации отнюдь не представляла собой проблемы для классической физики, – вспоминает Стивен Хокинг. – Согласно традиционным представлениям, черная дыра живет вечно, и можно предполагать, что информация сохранится в ее недрах, хотя и останется не очень-то доступной. Ситуация изменилась, когда я открыл, что черная дыра вследствие квантовых эффектов испускает излучение. Делая допустимое приближение, можно предположить, что это излучение является полностью тепловым, а значит, не может нести в себе никакой информации. Что же произойдет с той информацией, которая заключена в недрах черной дыры, когда та испарится и перестанет существовать?»

Если эта информация безвозвратно погибнет, значит, мир – в новейших прозрениях физиков – превратится в коварный хаос, где произойти может, что угодно, вопреки всяким правилам. Иными словами: не всякое конечное физическое состояние объекта будет однозначно соотноситься с его начальным состоянием.

Впоследствии появились гипотезы, согласно которым черные дыры все-таки должны содержать информацию о своих предшественниках – об объектах, из которых возникли. Излучение Хокинга может впитывать эту информацию и, рассеиваясь в пространстве, окружающем черную дыру, уносить ее с собой. Как заявил Хокинг: «Это позволит нам сделать вывод, что сохраняется и информация, попавшая в недра черной дыры; она оказывается на бесконечно далеком расстоянии от нее».

Бесконечность, в рассуждениях Хокинга принимающая все, что вырвалось из недр черной дыры, тем и хороша, что в ней можно не учитывать влияние самой черной дыры. Там на поведении частиц, излучаемых этой дырой, никак не сказываются флуктуации пространства-времени, создаваемые ей. Там классическая теория сохраняет свои права. С такой же убедительностью можно сказать, что и человек – сгусток информации, исчезающий в черной дыре смерти, – сохраняется на бесконечно далеком расстоянии от нее, от себя прежнего.