Текст книги "100 великих загадок астрономии"

Можно ли совершить путешествие в черную дыру?

В научной фантастике встретишь и такое. «Корабль “Энтерпрайз”, безмолвно скользя, приближался к черной дыре – к этим звездным вратам, открывавшим путь в другую Вселенную…» Для ученых подобные фантазии звучали бессмыслицей. Ведь любой корабль, ненароком подобравшийся к черной дыре, будет поглощен ею. Будет буквально «измолот» в этой гравитационной ловушке, или, как в свое время иронично сказал Стивен Хокинг, «переработан на спагетти».

Однако новейшие расчеты показывают, что, даже погрузившись в эту бездонную пропасть, можно выжить, но произойдет это «при определенных условиях», отмечает российский астрофизик Игорь Новиков. Что же увидит человек, угодив в эти «недра преисподней», из которых как будто нет выхода?

Допустим, когда-нибудь космический корабль и впрямь приблизится к центру нашей Галактики, где находится черная дыра именно той разновидности, в которую может проникнуть исследователь. Согласно гипотезе Новикова, выжить можно лишь в недрах сверхмассивной черной дыры. Кроме того, должны быть соблюдены два следующих условия:

черная дыра должна совершать вращательное движение;

возраст ее должен быть достаточно велик.

Именно этим условиям отвечает черная дыра Стрелец А*, расположенная посреди Млечного Пути.

Некоторые ученые считают, что путешествие в черную дыру возможно при соблюдении некоторых условий

…Уже при приближении к ней – я пока ничего не чувствую! – прибор замечает что-то необычное. Почему дрогнула стрелка? Очевидно, откуда-то доносятся звуки, недоступные моему слуху. Как выяснили исследователи НАСА, черные дыры излучают акустические волны, напоминающие монотонное жужжание.

Вокруг – тысячи, десятки тысяч звезд, проваливающихся – сколько хватает взгляда – в эту пучину. Многие звезды, сталкиваясь друг с другом, как древние корабли, идущие на таран, крушатся, распадаются. Какие катастрофы! Звезды снежинками падают вниз. А космическая метель, кажется, все усиливается.

Неожиданно из мрачной воронки взлетают блики света, и над ее склоном растекаются яркие, искристые фонтаны. Лишь приглядевшись, я замечаю, что они пробиваются не из пучины, а из краев черной дыры – из этого бешено вращающегося диска, который окаймляет бездну, из аккреционного диска. Ведь черная дыра напоминает динамо-машину. Вокруг нее создается мощное магнитное поле. Когда напряжение становится слишком велико, эта «машина» сбрасывает пар – разряжается. Из ее окрестностей тогда вырываются потоки элементарных частиц, пылая, как сотни миллиардов солнц.

Здесь, у края аккреционного диска, можно осмотреться и даже загадать, какой из предметов, скользящих рядом, скорее умчится в пучину. После нескольких ошибок придет озарение. Все, что движется медленнее частиц света, рано или поздно нырнет во мрак и исчезнет. Лишь лучи света будут монотонно кружить по краю диска – как кружат по дорожке стадиона велосипедисты, – по одной и той же линии, никуда не смещаясь, балансируя в преддверии смерти. Это порождает необычный эффект.

Мчась среди мириады фотонов, я начинаю видеть себя со стороны. Световые лучи, согнувшись в кольцо, вырисовывают впереди диковинную фигуру. У нее те же пропорции, что у меня, тот же костюм космонавта, та же застылая поза, такой же массивный затылок. Что за странный вид, что за совпадение… Господи, да где же я видел его раньше? Да это я сам, только вижу себя со спины. Перевожу взгляд, потираю глаза, пытаюсь прогнать наваждение, но опять и опять впереди движется та самая фигура.

Сколько может продолжаться кружение? Вот сейчас непременно корабль сделает роковой маневр и перемахнет через горизонт событий – наружный край черной дыры. Стоит пересечь эту воображаемую поверхность, и вернуться назад будет нельзя. За этой чертой нет ничего, кроме бездны. И сколько будет длиться падение в нее?

Это смотря куда падать! В иную черную дыру, прежде чем попадешь, тебя, как заметил Хокинг, и впрямь искрошит, как спагетти. Все дело в приливном эффекте.

«Когда ты падаешь в черную дыру, – поясняет американский астрофизик Нил де Грассе Тайсон, автор книги «Причина смерти: черная дыра», – сила гравитации сильнее воздействует на твои пальцы ног, чем на голову. В первые мгновения это даже приятно – ты словно выполняешь упражнение на растяжку. Но наступит момент, когда эта сила превысит силу молекулярных связей в твоем теле, – тот самый момент, когда ты будешь разорван пополам». Мало того! «Каждая из этих частей будет вновь разорвана пополам». Счет можно вести до бесконечности. «Мы, астрофизики, люди простые. Наш совет: избегайте черных дыр!»

Но все ли эти чудовища так ужасны? Когда масса черной дыры превысит несколько тысяч солнечных масс, космический корабль может беспрепятственно миновать горизонт событий. В такую черную дыру, как Стрелец А*, можно попытаться и заглянуть. Сам момент погружения я даже не замечу. Лишь взгляд на звездное небо выдает, что я проник в иной мир. Небо сжалось, свернулось в кружок, поскольку сила гравитации заметно искривила пространство. Чем дальше я погружаюсь, тем меньше диаметр звездного неба. Оно буквально стягивается в овчинку.

Совсем иную картину будет наблюдать экипаж другого космического корабля, пребывающего в стороне от черной дыры и следящего за моим путешествием. Для этих космонавтов я внезапно прекратил двигаться. Мой корабль, как приклеенный, застыл на краю черной дыры, и эта картина сохраняется, как заставка на телеэкране в тот момент, когда прямая трансляция по какой-то причине прервалась. А в это время я навсегда исчезаю в космической пучине, тону в ней. Лишь моя вечная тень, отпечатавшаяся на краю черной дыры, никуда не исчезает. Линия, где расположилась тень, маркирует для постороннего наблюдателя точку отсчета наступившей для меня Вечности.

При погружении в черную дыру постепенно возрастает сила гравитации, а поскольку эта сила замедляет бег времени, оно течет все медленнее. Каждая секунда, как капля из опустевшего сосуда, неторопливо скатывается на мои часы, лишь изредка толкая стрелку. Зато время за пределами черной дыры помчалось, как лавина с горы. За доли секунды остынет Солнце – будто и не было семи миллиардов лет. За то же мгновение небо покроется новыми галактиками, растратив вчистую еще миллиарды лет. Стрела времени, недавно уходившая в вечность, для меня сжалась в точку. В этой точке уместится все, чему суждено быть «до скончания веков». А потом?

По всем расчетам, для меня должна наступить сингулярность – то особое состояние, выхода из которого нет. Сингулярность в центре черной дыры – средоточие нашего неведения. Там нарушаются законы физики. Температура и плотность возрастают до бесконечности, а время и пространство стремятся к нулю. Время останавливается. Все это – лишь результат математических выкладок. Никто не знает, что действительно происходит в центре черной дыры.

Ведущие физики мира давно пытались бороться с сингулярностью. Еще в 1976 году американский физик британского происхождения Фриман Дайсон предположил, что информация из нашей Вселенной может перетекать в другую Вселенную. Канал, соединяющий их, разверзается посреди черной дыры. Позднее к той же мысли пришли Стивен Хокинг и американский космолог Ли Смолин. Вот и Игорь Новиков обратил внимание на то, что во вращающихся сверхмассивных черных дырах со временем образуется неприметная вроде бы трещинка – та лазейка, сквозь которую можно из безвременья вернуться в вяло текущую вечность. Эта трещинка – туннель, уводящий в белую дыру.

Куда?!

Существуют ли белые дыры?

Во вращающихся сверхмассивных черных дырах, как полагают некоторые астрофизики, образуется неприметная вроде бы трещинка – туннель, ведущий в так называемую белую дыру. В той черной дыре, что разрастается посреди Млечного Пути, она тоже возникла. Все, что попадает в Стрелец A*, с другой стороны вылетает… как вода из дырявого ведра. Но напрасно мы стали бы искать в окрестностях этой черной дыры куски просыпавшейся из нее материи. Мы ничего не обнаружим! «Все, что попадает туда, оказывается в другой Вселенной… еще до того, как будет поглощено черной дырой», – предполагает Игорь Новиков.

Произнести это легко. Вообразить – невозможно, как нельзя и вернуться назад. «Трещинка» – это туннель с односторонним движением. Из белой дыры не выбраться в нашу Вселенную. Если религиозно настроенные умы сравнивали уже черную дыру с адом, то белую дыру, может быть, и стоило бы назвать раем, но только ни из ада, ни из рая, выстроенных по законам физики, никому не суждено возвратиться, чтобы поведать, что там райское, а что – адово.

Белая дыра　– это черная дыра наоборот

Если черные дыры без устали поглощают материю, белые дыры неустанно порождают ее. Одни пожирают целые миры, другие созидают новые миры. Воистину их симбиоз есть Начало и Конец, Альфа и Омега. Здесь могила Прошлого смыкается с колыбелью Будущего. Разумеется, это лишь гипотеза. Но почему бы не отправиться по ее следам?

…Возможно, космос и впрямь – один гигантский организм? Живой организм с присущими всему живому процессами? Поглощение, порождение, поглощение, порождение… Если это так, то закономерности его бытия мы только начинаем постигать.

Вот уже несколько десятилетий внимание ученых привлекают черные дыры. Сперва – предполагаемые объекты Вселенной, теперь – изучаемые. Для чего они, эти бездны, утягивающие в себя всю окружающую материю? Вселенная, словно страшный зверь, усеянный тысячами пастей, охотится за звездами, планетами, космической пылью… Конечно, это лишь образ, литературщина. Однако в работах некоторых исследователей Вселенная и впрямь оборачивается ненасытным чудищем, не знающим, как ублажить свою утробу. Видения астрофизиков становятся еще фантастичнее, перекликаются с откровениями средневековых мистиков.

Убыль, мрак, смерть – черная дыра. Разве что по соседству с ней не хватает ворона – черного, хмурого ворона, кричащего: «Nevermore». Никогда уж не вернуть! Как предполагают, посредине едва ли не любой галактики ширится подобная пасть, хлопает клубами гибнущей материи.

Так было. Ученые сомневались, критиковали эту модель, но смирились, приняли ее как нечто неизбежное. В расцвете жизни космос объят смертью.

С недавних пор за этими мертвыми безднами что-то забрезжило. Стал пробиваться – по крайней мере, в некоторых гипотезах – таинственный, нездешний свет. Вдруг вспышка, выброс энергии, выброс материи. Рождение? Воскресение? Что? «Встань, о честная глава, из гроба твоего, встань, отряхни сон! Ведь ты не умер, но спишь до общего всем воскресения. Встань! Ты не умер!» (Иларион) И разверзлись тут белые дыры…

Разумеется, эта идея так же гипотетична, как выглядела поначалу идея Карла Шварцшильда о существовании черных дыр. Белые дыры никто не наблюдал воочию – разве что… на экране монитора.

Астрофизики Калифорнийского университета, моделируя на суперкомпьютере процесс формирования Вселенной, с удивительной неизбежностью получали в своей модели не только реки «мертвой воды», впадающие в свои бездны – черные дыры, но и ключи «живой воды» – потоки вещества и энергии, пробивающиеся из белых дыр. Модель создавалась учеными исключительно на основе формул общей теории относительности.

У теории Эйнштейна есть любопытное следствие: симметрия времени. Это подразумевает, что время может двигаться как вперед, так и назад. В таком случае, если в нашей повседневной жизни оно неизменно бежит вперед, если в недрах черной дыры, за чертой горизонта событий, оно замирает, то должна существовать и область мироздания, где время течет вспять, в обратном направлении. Почему бы не там, не за горизонтом черной дыры? Именно в этом и кроется залог существования белых дыр. Эти странные объекты вполне удовлетворяют законам природы.

По гипотезе британского космолога Роджера Пенроуза, они и не могут быть доступны нашему наблюдению, они, так сказать, «запрещены космической цензурой». Они скрываются где-то в глубинах черных дыр. Если бы белые дыры никак не были отделены от остальной части космоса, это привело бы к нарушению причинно-следственных связей.

Ученые не знают доподлинно, что происходит с материей, исчезнувшей в недрах черной дыры. Что если там, в этой обители смерти, есть область, где все, что подхвачено ей, вновь изливается наружу? Любое вещество и излучение, проникшие внутрь черной дыры, минуют узкий пространственно-временной канал и, достигнув некой сингулярной точки, словно разбросанные взрывом, вырываются оттуда.

Эти области космоса, пополняющие его все новой материей, и называются белыми дырами. Или, как гласит определение, белые дыры – это черные дыры, которые вращаются в направлении, противоположном по отношению к оси времени.

Самой большой белой дырой была наша Вселенная в момент Большого взрыва, когда из крохотной точки, словно из атрибута фокусника, появилось бесконечное количество материи, из которой образовались звезды, галактики, планеты, черные дыры, белые дыры…

Так, может быть, белые дыры связывают наш мир с другой, нарождающейся Вселенной? И все, что в нашем мире скатилось в непроясненную бездну черной дыры, возникает в другом мире, родившемся из белой дыры – этой лопнувшей «почки», «взорвавшейся почки»? Белые дыры – это прямая дорога в параллельные Вселенные? Или в другие измерения?

Итак, если оба направления стрелы времени для Вселенной равнозначны, то тогда должно существовать столько же белых дыр, сколько и черных. Белые дыры, убежден американский космолог Блейк Темпл, разбросаны по всему космосу. Некоторые физики сравнивают их с вулканами, извергающими материю, поглощенную черными дырами. В чем-то они напоминают зоны спрединга – зоны разрастания земной коры, откуда изливается базальтовая лава. Существование таких зон – важная часть новой глобальной тектоники, то есть теории движения литосферных плит. В одних районах планеты вещество Земли проваливается в ее недра, словно в тартарары, в других районах – извергается вновь. Не правда ли, этот механизм, движущий континенты, напоминает ту самую астрономическую махину, как она представляется, например, исследователям из Калифорнийского университета?

Однако все это – лишь досужие разговоры. Результат теоретических расчетов, математических моделей. Пока ученые ничего не могут сказать о том, существуют ли действительно белые дыры, или же это – лишь плод увлеченного ума. Астрономы никогда не наблюдали подобные объекты, но, с их точки зрения, они не могут не существовать. Так есть ли они, эти белые дыры, давно открытые на кончике математического пера?

Остается лишь принимать научные гипотезы на веру. Так, профессор Новиков считает, что в другой Вселенной, произрастающей из нашей «родимой» черной дыры Стрелец A*, действуют совершенно иные законы природы. «Может быть, там вообще нет времени и царит вечность». Его коллеги полагают даже, что по ту сторону белых дыр нет и смерти. В любом случае вернуться оттуда в наш мир невозможно. У этого путешествия никогда не будет конца.

Тайна гамма-вспышек

Первую необычайно мощную гамма-вспышку зарегистрировали 2 июля 1967 года американские спутники «Vela 4A и B», которые следили за незаконными испытаниями атомного оружия на территории СССР. Впоследствии вспышки иногда повторялись. Но лишь в 1973 году ученые из Лос-Аламосской лаборатории убедились в том, что потоки гамма-лучей приходят из глубин космоса.

Поначалу эти события казались редкими: за десять лет наблюдений удалось заметить около семидесяти вспышек. Однако скудная статистика объяснялась «слепотой» наших приборов. Потоки гамма-лучей не могут проникнуть сквозь атмосферу Земли, поэтому обнаружить их можно только с помощью космических аппаратов.

Всерьез ученые занялись гамма-вспышками лишь после запуска в космос в 1991 году Комптоновской обсерватории. Тогда их феномен был открыт фактически заново. Первоначально ведь полагали, что источники вспышек находятся где-то в Млечном Пути. Трудно было поверить в то, что столь мощные потоки излучения приходят из отдаленных галактик. Однако источники вспышек так равномерно распределялись по всему небосводу, что ученым пришлось согласиться: речь идет о каких-то загадочных событиях, которые происходят далеко за пределами нашей Галактики.

Распределение по небесной сфере всех гамма-вспышек

В 1997 году рентгеновский спутник «BeppoSAX» впервые зарегистрировал отголосок гамма-вспышки в рентгеновском диапазоне. Благодаря этому удалось определить точное расстояние до того места, где она произошла. Это была одна из дальних галактик.

К этому времени астрономы регистрировали вспышки ежедневно: порой по три раза на дню в различных уголках Вселенной случались эти таинственные катастрофы. Их яркость была в миллиарды миллиардов раз выше, чем яркость Солнца. Особенно грозной оказалась январская вспышка 1999 года; ее источник был в 10¹⁹ раз мощнее Солнца!

Что порождает такие вспышки? Что дает им энергию? Их природа, несомненно, различна. Одни из них длятся от 0,01 до 2 секунд, другие – от 2 до 1000 секунд. При коротких вспышках выделяется от 10⁴¹ до 10⁴³ джоулей энергии, а при длинных – от 10⁴⁴ до 10⁴⁶ джоулей!

Чаще всего астрономы связывают эти «странные маяки», зажигаемые на краю мироздания, с нейтронными звездами. Возможно, эти жуткие молнии вспыхивают, когда нейтронная звезда исчезает в чреве огромной черной дыры. Проваливаясь в бездну, она на долю секунды бросает последний луч, удивительным заревом освещая Вселенную. А может быть, эти короткие вспышки возникают, когда две нейтронные звезды, неосторожно сблизившись, сливаются друг с другом? Какое-то время астрономы думали, что источниками наиболее коротких вспышек могут быть магнитары. Однако, судя по дальнейшим наблюдениям, эта гипотеза, вероятно, является ошибочной.

Что же касается длинных вспышек, то их связывают с новым классом взрывающихся звезд, о котором астрономы много говорят в последнее время, – с «гиперновыми» звездами, живущими всего несколько миллионов лет. Их взрывы – самые грандиозные события в космосе со времен Большого взрыва. Они происходят, когда громадные звезды, чья масса в 20–30 раз и более превышает массу нашего Солнца, израсходуют свое топливо и превратятся в быстро вращающуюся черную дыру, окруженную диском из остатков вещества. Тогда вдоль оси вращения звезды в космос устремляется мощный поток гамма-излучения. В этот момент выделяется гораздо больше энергии, чем при взрывах сверхновых.

Есть и другие, более спорные гипотезы. По некоторым предположениям, гамма-вспышки связаны с темным веществом, из которого состоит значительная часть Вселенной. Как пишет на страницах журнала «В мире науки» российский астроном С.И. Блинников, «если бы оказалось, что пространственное распределение гамма-всплесков в галактиках согласуется с распределением не какого-то типа звезд, а именно темного вещества, это позволило бы пролить свет как на происхождение самих гамма-всплесков, так и на природу невидимого вещества».

Некоторые ученые даже полагают, что эти молнии рождаются, когда вещество сталкивается с антивеществом. Возможно, где-то существуют «зеркальные миры», сложенные из антивещества. Во всяком случае, популярная у физиков «теория струн» допускает это. При встрече потоков вещества и антивещества – а где им встречаться, как не на краю мироздания? – происходит мгновенная аннигиляция. Она сопровождается мощными выбросами гамма-лучей.

Вот несколько замечательных вспышек, наблюдавшихся в последние годы.

4 сентября 2005 года космическая обсерватория НАСА «Свифт» зафиксировала вспышку GRB 050904, длившуюся 200 секунд. Она произошла на расстоянии 12,7 миллиардов световых лет от Земли. Иными словами: событие, ее породившее, случилось в ту пору, когда Вселенная была еще очень молода.

Рекорд на сегодняшний день установлен 23 апреля 2009 года. Вспышка GRB 090423, длившаяся 10 секунд, случилась всего через 630 миллионов лет после Большого взрыва. Как полагают астрономы, ее причиной был взрыв гиперновой звезды.

В том же 2008 году – 19 марта – обсерватория «Свифт» стала свидетельницей самой грандиозной известной на то время вспышки – GRB 080319B. Источник ее находился на расстоянии 7,5 миллиардов световых лет от Земли. По мощности она в 2,5 миллиона раз превзошла наиболее яркую сверхновую звезду.

Но и этот рекорд был вскоре побит. 21 июня 2010 года та же обсерватория зафиксировала вспышку GRB 100621А, которая оказалась в 5 раз мощнее.

Если одна из таких вспышек произойдет на расстоянии нескольких тысяч световых лет от Земли, то последствия окажутся губительны для всего живого. Возможно, подобные вспышки в конце концов уничтожают любую космическую цивилизацию, – если, конечно, за пределами Земли есть жизнь.

В 2005 году детальный расчет последствий гамма-вспышки для земной биосферы опубликовали Брайан Томас и Эдриан Мелотт из Канзасского университета. Если бы она произошла, например, на расстоянии 6000 световых лет от Земли, то озоновый слой, защищающий нашу планету, стал бы меньше на треть, а над экватором уменьшился бы на 55 %. Сейчас он поглощает более 90 % ультрафиолетового излучения, испускаемого Солнцем. Если же он станет меньше наполовину, то излучение будет беспрепятственно проникать к поверхности Земли. Это ведет к нарастанию генетических дефектов. Особенно губительны эти лучи будут для планктона, что подорвет основу пищевых цепей в морях и океанах.

По предположению Томаса и Мелотта, катастрофическое вымирание животных в конце ордовикского периода, около 445 миллионов лет назад (тогда погибло около половины всех видов организмов, населявших нашу планету), могло быть вызвано гамма-вспышкой. Возможный сценарий событий таков. После вспышки, уничтожившей большую часть озонового слоя, к Земле устремился поток ультрафиолетового излучения. Эти лучи проникали в толщу морской воды, что имело гибельные последствия для животных, оказавшихся менее чем в метре от поверхности моря (в ту пору жизнь еще не выбралась на сушу). Косвенным доводом в пользу этой версии служит то, что в конце ордовика внезапно вымерли многие трилобиты, обитавшие близ поверхности воды.

Как показывает статистика, за последний миллиард лет хотя бы один раз в радиусе 6000 световых лет от Земли наблюдалась мощная гамма-вспышка.

… Итак, природа этих загадочных явлений окончательно не выяснена. Их изучение только начинается.