Cтанислав Зигуненко - Тайны космоса
Масса же ядра того же водорода состоит в основном из протона. И атом гелия тоже состоит наполовину из протона. Таким образом и получается, что протоны составляют около 85 процентов массы.
Однако последние годы замечено, что, похоже, баланс этот стал нарушаться. Астрономы увидели: звезды внутри галактик, да и сами галактики, движутся во Вселенной так, словно на их передвижение влияет какая-то дополнительная масса.
Причем величина этой скрытой массы отнюдь не малая — наблюдаемые нами звезды и галактики, согласно расчетам, составляют всего-навсего от 1 до 10 процентов общей массы Вселенной.
Где скрывается скрытая масса? В поисках недостачи ученые стали примерять на роль носителя скрытой массы различные объекты.
Так, например, часть исследователей полагает, что большую часть массы берут на себя звезды-карлики — те бывшие светила, которые прошли уже свой цикл жизненного развития, перестали светиться, а потому и невидимы. Но они по-прежнему содержат в себе немалое количество вещества, причем в весьма сверхплотном состоянии. Согласно некоторым расчетам, получается, что наперсток вещества с такой звезды может весить около 1 млрд т!
Другие полагают, что одних карликов для покрытия недостачи мало, и предлагают покрыть ее за счет антиматерии. Дело в том, что в январе 1996 года группе физиков из Европейского центра ядерных исследований впервые за всю историю человечества удалось получить то, что до сей поры считалось предметом фантастическим, — несколько атомов антиводорода.
Эти антиатомы послужили иллюстрацией возможности существования наряду с нашим миром еще и некоего зазеркального, где все наоборот: электроны обладают положительным зарядом, протоны — отрицательным и т. д.
Ныне выдвинуто предположение, что в космосе возможно существование двух или даже нескольких замкнутых пространств, в одних из которых доминирует материя, а в других — антиматерия. По этому поводу известный писатель-фантаст Станислав Лем выразился однажды так: «Представьте себе, вы пустили десяток-другой мыльных пузырей, и они плывут рядышком по воздуху. Подобное происходит и во Вселенной. Мы живем в мире с положительно заряженной материей, а где-то, быть может, кочуют во Вселенной антимиры».
Вот эти-то антимиры и создают то гравитационное воздействие, которое обуславливается эффектом скрытой массы. Ведь, как полагают многие физики, в этом мире большинство законов природы должно быть таким же, как и в нашем мире. По крайней мере, яблоки под действием силы тяжести падают вниз, а не летят вверх.
Однако такое трактование имеет и свои недостатки. Во-первых, непонятно, каким образом эти антимиры скрываются от земных наблюдателей? Во-вторых, как полагают некоторые теоретики, по крайней мере, в некоторых из таких антимиров может существовать и антимасса, в какой-то мере уравновешивающая массу. А стало быть, в этом случае количество антимиров должно составлять не половину, а намного превосходить количество миров (не забывайте, нам необходимо компенсировать до 99 процентов общей массы). Но почему тогда в природе наблюдается такая асимметрия?..
В общем, надо было поискать еще какое-нибудь объяснение наблюдающимся событиям. И оно, конечно, было найдено. «Недостающая масса скрывается в черных дырах», — предполагают ныне многие исследователи.
Пропасти космоса
«Черные дыры» — уже сами эти слова подразумевают тайну, путь в неизведанное. Откуда же они взялись?
«Курьез» Вселенной? Возможность их существования вытекала из общей теории относительности Альберта Эйнштейна, сформулированной им еще в 1915 году, но долгое время многими учеными воспринималась не более как научный курьез — игра ума теоретиков. Но ныне, кажется, положение меняется.
Предполагается, что черные дыры могут иметь самые различные размеры. На одном конце шкалы сверхтяжелые черные дыры с массой, превышающей массу нашего Солнца в 100 млн раз, они находятся в центре квазаров — источников колоссальной энергии, действующей в глубинах Вселенной. Что касается другого конца шкалы, то астрономы рассматривают сейчас вероятность существования черных минидыр, плавающих в космосе и обладающих массой горы, «спрессованной» в точку размером с атомную частицу.
В общем, черные дыры настолько необычны, что можно было бы приписать их появление писателямфантастам. Однако не они первые додумались до возможности их существования. Впервые существование подобных объектов было предсказано французским математиком Пьером Лапласом еще в 1796 году. Он отметил, что в соответствии с законом всемирного тяготения Ньютона небесное тело с достаточно большой силой притяжения не даст возможность ничему, даже свету, ускользнуть от него. И поэтому оно должно быть абсолютно невидимым, то есть стать черной дырой.
Впрочем, вывод Лапласа долгое время оставался не более чем теоретическим курьезом. Подобная история повторилась еще раз, в 1939 году, когда группа физиков, возглавляемая Робертом Оппенгеймером, ставшим впоследствии отцом атомной бомбы, доказала, что аналогичный вывод следует из общей теории относительности Альберта Эйнштейна.
Астрономы полагали, что если даже черные дыры и существуют, то, согласно теории, они должны быть невидимыми, и поэтому их невозможно обнаружить. Так стоит ли вообще беспокоиться?
Подобное отношение изменилось только в 1968 году, когда радиоастрономы из Кембриджа объявили об открытии пульсаров — небольших по космическим масштабам, даже крошечных пульсирующих объектов, которые, как вскоре выяснилось, оказались нейтронными звездами. Они представляют собой небесные тела со столь высокой концентрацией материи, чтр наперсток вещества такой звезды может весить 1 млн т!
Свое название они получили из-за того, что, по мнению теоретиков, электроны и протоны атомов вещества, из которого когда-то состояли эти небесные тела, были «смяты» силой гравитации до такой степени, что превратились в более компактные нейтроны.
Нейтронные звезды — важный ключ к пониманию природы образования черных дыр, поскольку эти два объекта, по всей вероятности, возникли одинаковым путем — в результате гибели больших звезд.
Сценарий тут примерно таков. Звезды, как и люди, имеют свой цикл жизненного развития. Причем светила, превышающие по массе наше Солнце в десятки, а то и сотни раз, на последней стадии своего существования, перед тем как угаснуть окончательно, на короткое время превращаются в сверхновые звезды. Говоря попросту, они взрываются, разбрасывая вокруг осколки вещества. То же, что остается после взрыва — масса, примерно соответствующая весу Солнца, — может затем превратиться в нейтронную звезду, сжавшись под действием собственной силы тяжести. Если же остаток достаточно велик, как минимум втрое превышает массу Солнца, то сжатие может оказаться настолько сильным, что бывшая звезда превратится в черную дыру.
Так, по крайней мере, получалось по расчетам теоретиков. Но соответствует ли это действительности? И как можно обнаружить черные дыры?
Это и попытался выяснить профессор Стивен Хокинг из Кембриджа в конце 60-х годов.
Черные дыры, кажется, «засветились». Что происходит, когда огромное количество звездного вещества втягивается в черную дыру? Эту проблему Хокинг исследовал вместе со своим коллегой Роджером Пенроузом, ныне профессором Оксфорда. У них получилось, что вещество достигает точки сингулярности, где плотность становится бесконечной и все физические законы перестают действовать.
Иными словами, происходит нечто прямо противоположное расширению Вселенной — своего рода Большой взрыв, только с обратным знаком. Так первичная точка, из которой родилась Вселенная, становится матерью всех дальнейших сингулярностей.
Тогда же, 30 лет назад, в голову Хокинга пришла еще одна идея. Черные дыры, по его мнению, не совсем черные. Когда Хокинг применил для анализа квантовую механику, вышло, что черные дыры при определенных условиях должны испускать в окружающее пространство некие частицы. С ними они мало-помалу теряют свою энергию и, уменьшаясь в размерах, могут со временем взорваться.
Теоретически радиацию Хокинга — так теперь называют подмеченное им явление — можно зафиксировать экспериментально. Этим сейчас и занимаются астрофизики многих стран.
Первое важное свидетельство существования подобных объектов появилось в 1971 году, когда с помощью спутников в созвездии Лебедя был обнаружен источник рентгеновского излучения, названный Лебедем Х-1. Он обращался по орбите вокруг голубой сверхгигантской звезды, в 30 раз превышающей по массе Солнце.
Вообще-то говоря, ничего особенного в обнаружении двойной звезды не было — на сегодняшний день таких объектов обнаружено во Вселенной уже несколько сотен. Из них порядка 150 двойных звездных систем испускают рентгеновское излучение. Почти во всех случаях оно вызывается горячим газом, попадающим на нейтронную звезду со звезды-"компаньона". Но в случае с Лебедем Х-1 наблюдения показали, что источник рентгеновского излучения должен иметь массу, вдесятеро большую, чем у Солнца. А это слишком много для нейтронной звезды. Тогда что черная дыра? «Природа Лебедя Х-1 представляется достаточно определенной, — сказал по этому поводу доктор Питер Стенфорд из Муллардской лаборатории космических исследований в Лондоне. — Суть явления заключается в том, что газ с видимой звезды»компаньонки" втягивается в исключительно сильное гравитационное поле, окружающее черную дыру, и нагревается до десятков миллионов градусов, испуская при этом рентгеновское излучение".
