Нил Тайсон - Смерть в черной дыре и другие мелкие космические неприятности
Краткий список звездных трупов всем, наверное, знаком: черные дыры, нейтронные звезды (пульсары) и белые карлики – все это тупиковые ветви на эволюционном древе звезд. Однако у них есть и кое-что общее: вещество, из которого они состоят, навсегда исключается из вселенского строительства. Иначе говоря, если звезды сгорают, а новых не появляется, во Вселенной в конце концов не останется ни одной живой звезды.
А как же Земля? Мы рассчитываем, что Солнце будет исправно изо дня в день поставлять нам энергию на поддержание жизни. Если мы лишимся и Солнца, и энергии от других звезд, все механические и химические процессы на Земле и в ее недрах, в том числе и жизнь, остановятся, словно незаведенные часы. В конце концов вся энергия движения израсходуется на трение, и температура по всей системе выровняется. Земля зависнет под беззвездным небом и окажется беззащитной перед холодом расширяющейся Вселенной. Температура на ней упадет – так остывает на подоконнике свежевыпеченная шарлотка. Однако такая судьба ждет не только Землю. Когда пройдет много триллионов лет и ни одной звезды не останется, а все процессы во всех уголках Вселенной остановятся, все части Вселенной остынут до той же температуры, что и остывающий фон. К этому времени никакие межзвездные путешествия никого не спасут, поскольку замерзнет даже преисподняя. И тогда можно будет объявить, что Вселенная умерла – не с шумом и треском, а с тихим всхлипом.
Глава тридцать первая
Галактические двигатели
Галактики во многих отношениях – объекты феноменальные. Во-первых, это фундаментальные единицы организации видимой материи во Вселенной. Всего их насчитывается сотня миллиардов. В каждой из них упакованы сотни миллиардов звезд. Галактики бывают спиральные, эллиптические или неправильной формы. По большей части они светятся. Большинство летает в пространстве поодиночке, хотя некоторые в результате гравитационного взаимодействия вращаются парами, семейными группами, скоплениями и сверхскоплениями.
Галактики бывают самой разнообразной формы, что породило всевозможные классификации, обогащающие словарный запас астрофизиков. Одна из разновидностей – так называемая активная галактика, центр которой испускает необычно много энергии в одном или нескольких диапазонах. Именно в центре галактики и расположен галактический двигатель. Именно в центре галактики и расположена сверхмассивная черная дыра.
Список обитателей зоопарка активных галактик выглядит будто перечень призов для беспроигрышной лотереи: галактики с активным звездообразованием, лацертиды, сейфертовские галактики (I и II типа), блазары, N-галактики (от слова «nucleus» – ядро), LINER-галактики (от словосочетания «low-ionization nuclear emission-line region» – «ядро с эмиссионными линиями слабой ионизации»), инфракрасные галактики, радиогалактики и, разумеется, сливки общества активных галактик – квазары. Незаурядная светимость этих элитных галактик объясняется загадочной активностью в небольшой области, скрытой глубоко в их ядре.
Самые экзотичные из них – квазары, открытые в начале 60-х годов XX века. Среди них есть объекты со светимостью в тысячу раз больше, чем у нашей галактики Млечный Путь, однако энергию они черпают из области, которая вполне вписалась бы в орбиты планет нашей Солнечной системы. Любопытно, что поблизости от нас таких объектов нет. Ближайший находится на расстоянии примерно 1,5 миллиарда световых лет, то есть свет от него шел до нас через межзвездное пространство 1,5 миллиарда лет. А большинство квазаров расположены дальше 10 миллиардов световых лет. Поскольку квазары маленькие и находятся на огромном расстоянии, на фотографиях их невозможно отличить от точечек, которые оставляют ближайшие звезды из нашей собственной галактики Млечный Путь, так что при помощи оптического телескопа квазар не откроешь. Первые квазары открыли по данным наблюдений радиотелескопов. Поскольку звезды не испускают много радиоволн, было понятно, что объекты с сильным радиоизлучением – это что-то другое, притворяющееся звездой. Поскольку астрофизики придерживаются традиции «что вижу, то пою», они прозвали эти объекты «Quasi-Stellar Radio Sources» – «квазизвездные радиоисточники», а если коротко – квазары.
Что же это за птица – квазар?
Возможности описать и понять какое-то новое явление всегда ограничены преобладающим научно-техническим инструментарием. Если бы к нам ненадолго занесло человека XVIII столетия, он, вернувшись, описывал бы автомобиль как карету без лошади, а лампочку – как свечку без пламени. Если ничего не знаешь о двигателях внутреннего сгорания и об электричестве, до подлинного понимания будет далеко. А теперь позвольте мне с этой оговоркой заявить, что мы, кажется, понимаем основные принципы устройства квазара. Согласно так называемой «стандартной модели» двигателями и квазаров, и всех активных галактик считаются черные дыры. Внутри горизонта событий – границы черной дыры во времени и пространстве – вещество так сконцентрировано, что для того, чтобы вырваться оттуда, нужна скорость больше скорости света. Поскольку быстрее света двигаться невозможно и это ограничение фундаментально, если попадаешь в черную дыру, то это навсегда – даже если состоишь из чистого света.
* * *Читатель вправе спросить, как это объект, не испускающий никакого света, может быть источником энергии для объекта, испускающего рекордное количество света во Вселенной? В конце 60-х и в 70-е годы астрофизики довольно быстро успели разобраться, что экзотические свойства черных дыр добавляют в арсенал теоретиков поистине поразительные инструменты. Согласно некоторым хорошо известным законам гравитационной физики, когда газообразное вещество устремляется в черную дыру, то прежде, чем опуститься за горизонт событий, оно разогревается и испускает интенсивное излучение. Энергию оно получает от почти безотходной переработки потенциальной энергии гравитации в тепло. Между прочим, преобразование потенциальной энергии гравитации все мы наблюдали в обычной жизни на Земле, хотя не всегда понимали, что это такое. Если вам случалось уронить тарелку на пол и разбить ее, если вы когда-то сталкивали что-то с подоконника во двор и оно разбивалось вдребезги внизу, значит, вы понимаете, что такое потенциальная энергия гравитации и на что она способна. Проще говоря, это неприкосновенный запас энергии, которым тело обладает просто благодаря расстоянию от другого тела, о которое оно ударится, если упадет. Когда тело падает, то обычно набирает скорость. Но если что-то остановит падение, вся энергия, которую тело успело накопить, преобразуется в ту разновидность энергии, которая все ломает и разбивает. Именно поэтому у вас больше шансов погибнуть при прыжке с высокого здания, чем с низкого.
Если что-то мешает телу набрать скорость, однако оно продолжает падать, то преобразование потенциальной энергии происходит как-то иначе – обычно в тепло. Это наглядно видно на примере того, как нагреваются космические корабли и метеоры, когда входят в атмосферу Земли: им хочется набрать скорость, но мешает сопротивление воздуха. Английский физик XIX века Джеймс Джоуль поставил опыт, ставший знаменитым: он придумал устройство, которое размешивало воду в емкости, вращая лопасти энергией опускающихся грузов. Потенциальная энергия грузов передавалась воде и успешно повышала ее температуру. Вот как Джоуль описывал, что у него получилось:
Лопасть двигалась в емкости с водой, преодолевая сильное сопротивление, так что грузы (по четыре фунта каждый) опускались медленно – со скоростью около фута в секунду. Блоки находились на высоте двенадцати ярдов от земли, а следовательно, когда грузы опускались до самого низа, их требовалось поднимать обратно, чтобы возобновить движение лопастей. Когда эта операция была повторена шестнадцать раз, при помощи весьма чувствительного и точного термометра было зарегистрировано повышение температуры воды. … Из этого я могу заключить, что получено доказательство наличия эквивалентных отношений между теплом и обычными видами механической мощности… Если мои представления верны, то температура реки Ниагары из-за падения с высоты 160 футов поднимается примерно на одну пятую градуса.
(Shamos 1959, p. 170)Речь в мысленном эксперименте Джоуля идет, само собой, о великом Ниагарском водопаде. Но если бы он знал о существовании черных дыр, то, пожалуй, сказал бы: «Если мои представления верны, то температура газа, устремившегося к черной дыре, поднимается на миллион градусов в результате падения с высоты в миллиард миль».
* * *Как вы, вероятно, уже догадались, черные дыры с аппетитом заглатывают и звезды, подобравшиеся слишком близко. Парадокс галактических двигателей состоит в том, что черные дыры, чтобы светиться, должны есть. Тайна топлива для галактических двигателей состоит в том, что черная дыра способна безжалостно и с наслаждением разрывать звезды в клочки еще до того, как те достигнут горизонта событий. Приливные силы гравитации черной дыры вытягивают шарообразные в нормальных обстоятельствах звезды примерно так же, как приливные силы Луны вытягивают земные океаны, отчего и возникают приливы и отливы. Газ, который прежде был частью звезд, а может быть, находился внутри обычных газовых облаков, не может просто набрать скорость и упасть в черную дыру, поскольку газ уже разодранных в клочья звезд мешает безоглядному свободному падению. А что в результате? Потенциальная энергия звезды, находящейся в гравитационном поле, преобразуется в огромное количество тепла и излучения. И чем больше гравитация цели, тем больше запас гравитационной потенциальной энергии, которую можно преобразовать.
