Пространство, время и движение. Величайшие идеи Вселенной - Кэрролл Шон

Черные дыры перешли из разряда теоретических диковинок в авангард современной астрофизики. Несмотря на то что никто пока не видел ни одной из них (что, может быть, и к лучшему), существует множество доказательств их существования и проявления во многих астрофизических процессах.

Черные дыры весьма разнообразны и по размерам, и по происхождению. Наиболее известная их разновидность — те, что образуются на месте погасших звезд. Звезда сияет, пока легкие элементы внутри нее сливаются в массивное ядро, выделяя энергию. Но топливо со временем заканчивается. На этом этапе большинство звезд становятся белыми карликами, которые постепенно остывают, или, при большей массе, — нейтронными звездами, внутри которых протоны и электроны, объединяясь, образуют нейтроны. На месте же самых массивных звезд появляются черные дыры. Ученые считают, что большинство черных дыр, которые образовались подобным образом, имеют массу по меньшей мере в три раза больше, чем Солнце.

Но как же мы сможем обнаружить такие черные дыры? Они ведь действительно черные. Все дело в том, что они вращаются. Даже небольшое вращение исходной звезды может сильно раскрутить черную дыру при сжатии до ее размеров. Вращение же приводит к тому, что притянутая дырой материя, накапливаясь, образует на ее экваторе аккреционный диск. Такой материи может быть очень много, особенно когда черная дыра возникает на месте одной из звезд двойной звездной системы. Температура аккреционного диска очень высока, достаточна для сильного рентгеновского излучения. Именно его и могут наблюдать астрономы. К сожалению, у большинства черных дыр таких аккреционных дисков нет. Тем не менее, с учетом количества массивных звезд во Млечном Пути, ученые считают, что в нашей галактике могут быть сотни миллионов черных дыр. (На фоне ста миллиардов звезд это совсем немного.)

В центрах галактик скрываются черные дыры другого типа. Их масса очень велика: в миллионы и даже миллиарды раз больше, чем масса Солнца. Ученые считают, что такие дыры есть в большинстве крупных галактик, в том числе и в нашем Млечном Пути. (Наша черная дыра в четыре миллиона раз тяжелее Солнца.) Ученые узнали о ней, наблюдая за орбитами звезд, вращающихся вокруг компактной темной области в созвездии Стрельца. Именно за эти наблюдения Генцель и Гез и получили Нобелевскую премию.

Млечный Путь — довольно старая галактика, и большая часть газа и пыли давно превратилась в звезды. Нечему скапливаться вокруг черной дыры, и ее плохо видно. Но в молодых галактиках часто встречаются черные дыры с огромными, ярко светящимися аккреционными дисками. Они разбросаны по всей наблюдаемой нами Вселенной и предстают перед нами в виде квазаров или (в более общем смысле) активных галактических ядер.

Вот что Кип Торн рассказывает о Первом техасском симпозиуме по релятивистской астрофизике, который состоялся в Далласе в декабре 1963 года [30]. Тогда астроном Мартен Шмидт впервые измерил расстояние до квазара и показал, что оно очень велико. Квазар кажется очень ярким даже при взгляде с Земли, так что едва ли мы можем представить себе его реальное свечение. Собравшиеся на симпозиум ученые были в восторге. Они увлеченно спорили о квазарах, об их изучении с помощью теории относительности. Тем временем один молодой математик из Новой Зеландии прочел небольшой, но очень мудреный доклад о новом решении уравнения Эйнштейна для вращающегося пространства-времени. Слушатели почти не заметили его, а многие даже вышли из зала, чтобы перекусить. Докладчиком был Рой Керр. Тогда почти никто не понял, что он предложил инструмент, который сыграет важнейшую роль в изучении квазаров, — метрику черной дыры.

В 2015 году появился совершенно новый способ для сбора данных о черных дырах: гравитационные волны. Если гравитация — это искривление пространства-времени, то гравитационная волна — пульсация кривизны, которая распространяется со скоростью света. Подобно тому как при быстром движении заряженных частиц возникают привычные нам электромагнитные волны, быстрое движение массивных объектов вызывает волны гравитационные.

Но гравитация — очень слабая сила, и потому обнаружить такие волны непросто. В 2015 году об их существовании впервые сообщили ученые из лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO), которые работали в сотрудничестве со специалистами из обсерватории VIRGO в Европе. LIGO состоит из двух обсерваторий, в каждой из которых имеются пары вакуумных лазерных тоннелей, расположенных под прямым углом друг к другу. Длина каждого тоннеля — четыре километра. Лазерный луч испускается из одного конца тоннеля, отражается от зеркала на другом конце и возвращается к источнику. Гравитационные волны вызывают едва заметные искажения пространства-времени, что изменяет время, которое необходимо лучу на путь до зеркала и обратно. Воздействие действительно очень мало: типичная волна отклоняет зеркало не больше чем на диаметр протона. Неудивительно, что для создания столь чувствительного прибора потребовались миллионы долларов и годы проектирования. Неудивительно и то, что в 2017 году Райнер Вайс, Кип Торн и Барри Бэриш получили за эту работу Нобелевскую премию.

Обнаруженные в 2015 году гравитационные волны возникли при слиянии двух черных дыр, масса которых была в 36 и 29 раз больше массы Солнца, двух гигантов, летевших рядом друг с другом примерно в миллиарде световых лет от нас. Орбитальное движение порождало гравитационные волны, и дыры, теряя энергию, постепенно сближались. Слияние произошло почти мгновенно, и через несколько секунд вместо двух черных дыр появилась одна.

С тех пор в обсерваториях LIGO и VIRGO наблюдали десятки подобных событий, чаще всего с участием черных дыр массой от десяти до ста Солнц. И это при том, что детекторы могут улавливать не все волны: на это влияет и природа конкретных черных дыр, и длина самих волн.

Современные астрофизики полны ожиданий и надежд. Ведь перед ними открылось еще одно окно, через которое видно космос. Мы, разумеется, узнаем много нового о черных дырах и жизненных циклах звезд, структуре галактик и даже, быть может, о форме и размерах Вселенной. Настоящие ученые всегда готовы узнать что-то совершенно неожиданное.

Приложения

Приложение A. Функции, интегралы и производные

На случай, если вы вдруг преисполнитесь сил заняться решением уравнений, которые мы обсуждали, в этом приложении мы рассмотрим наиболее часто встречащиеся функции и операции с ними.

Несколько слов об обозначениях. Мы часто используем буквы из конца алфавита (например, x, y и z) в качестве переменных — величин, которые нам неизвестны и которые нужно найти. Начальные буквы алфавита (например, a, b и c) обычно обозначают константы — некоторые определенные значения. Буквы f, g и им подобные традиционно используются для функций, отображающих одну переменную на другую. Едва ли не в каждой книге встречаются формулы типа f(x) = ax + b, где x — переменная, a и b — константы, а f(x) — функция от x. При этом переменная x может принимать любые, совершенно произвольные значения, тогда как константы a и b неизменны, даже когда их точные значения нам неизвестны или непринципиальны. Это различие очень важно.

Все это, конечно, просто традиция. Никто не запрещает использовать любые буквы. К тому же мы скоро исчерпаем латинский алфавит и будем вынуждены прибегнуть к греческому.

Определенные и неопределенные интегралы

Во время знакомства с интегралами в главе 2 мы упустили одну важную деталь: интеграл представляет собой площадь под кривой. Но это имеет смысл только в том случае, если мы указываем начало и конец области, площадь которой мы ищем. Поэтому различают определенные интегралы, для которых начальная и конечная точки заданы, и неопределенные, для которых они не указываются.