Нил Тайсон - Смерть в черной дыре и другие мелкие космические неприятности
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.
Покойный Жерар де Вокулер, великолепный специалист по морфологии галактик, задумавшись о том, как стремительно растет количество терминов для описания диковинных галактик, поспешил напомнить астрономическому сообществу, что автомобиль, пострадавший в аварии, не становится автомобилем другой марки (de Vaucouleurs 1983). Философия автокатастроф привела к созданию стандартной модели активных галактик, которая позволила по большей части унифицировать весь этот зоопарк. В этой модели много всевозможных гибких параметров, которые объясняют почти все основные наблюдаемые черты галактик. Например, газ, устремляющийся в черную дыру, прежде чем попасть за горизонт событий, часто образует непрозрачный вращающийся диск. Если направленный наружу поток излучения не может проникнуть за диск уплотнившегося газа, излучение оказывается направлено вверх и вниз от диска, и за счет истекающего вещества и излучения возникает колоссальная реактивная тяга. Наблюдаемые свойства такой галактики будут разными в зависимости от того, куда направлен реактивный выброс, на вас или в сторону, и от того, как движется испускаемый материал – медленно или с околосветовой скоростью. На то, как диск выглядит, влияет его плотность и химический состав, а также темп поглощения звезд.
Чтобы прокормить здоровый квазар, нужно, чтобы его черная дыра заглатывала до десяти звезд в год. Другие, не такие активные галактики из нашего балаганчика растерзывают в год гораздо меньше звезд. Светимость некоторых квазаров меняется день ото дня и даже час от часа. Позвольте удивить вас и объяснить, почему это так необычно. Если бы активная часть квазара была размером с Млечный Путь (100 000 световых лет в поперечнике) и решила бы засветиться вся одновременно, то вы узнали бы об этом сначала по той стороне галактики, которая расположена к вам ближе, а потом, через 100 000 лет, до вас дошел бы и свет с дальней стороны галактики. То есть вам потребовалось бы 100 000 лет только на то, чтобы пронаблюдать, как весь квазар светится одновременно. Чтобы яркость квазара колебалась в пределах нескольких часов, габариты его двигателя не должны превышать несколько световых часов. А сколько это? Примерно с Солнечную систему.
Если провести тщательный анализ колебаний интенсивности света во всех полосах спектра, можно сделать грубую, но информативную оценку трехмерной структуры вещества, окружающего активное ядро. Например, светимость в рентгеновском диапазоне может колебаться в пределах нескольких часов, а в диапазоне видимого красного света – в течение нескольких недель. Если вы сопоставите эти факты, то сделаете вывод, что часть активной галактики, которая испускает красный свет, значительно больше, чем часть, которая излучает в рентгеновском диапазоне. Это упражнение можно проделать для разных диапазонов света – и тогда получится на удивление полная общая картина всей системы.
Все это происходило в далеких квазарах вскоре после рождения Вселенной – а почему больше не происходит? Почему у нас под боком нет ни одного квазара? Может, у нас под носом таятся мертвые квазары, просто мы о них ничего не знаем?
Есть несколько хороших способов это объяснить. Самое очевидное объяснение – в ядрах соседних галактик кончились звезды, служившие топливом для галактических двигателей, поскольку все звезды, чьи орбиты проходили слишком близко к черной дыре, уже поглощены и образовался вакуум. А без еды и никакой отрыжки не будет.
Более интересный механизм отключения галактических двигателей основан на том, что происходит с приливными силами по мере нарастания массы черной дыры (и расширения горизонта событий). Как мы увидим чуть дальше, приливные силы не имеют отношения к общему гравитационному воздействию на тело, главное – разница гравитации с разных его сторон, а чем ближе к центру, тем эта разница больше. Поэтому большие, сверхмассивные черные дыры на самом деле обеспечивают меньше приливных сил, чем маленькие черные дыры с небольшой массой. В этом нет никакого противоречия. Гравитационное воздействие Луны на Землю очень мало по сравнению с гравитацией Солнца, однако близость Луны позволяет ей оказывать гораздо более сильное приливное воздействие на нас с расстояния всего в 384 000 километров.
Значит, если черная дыра съест очень много, то ее горизонт событий разрастется до таких размеров, что его приливных сил уже не хватит на то, чтобы разорвать звезду. И тогда вся потенциальная энергия гравитации звезды преобразуется в скорость, и звезда, попав за горизонт событий, заглатывается целиком. Не будет никакого преобразования в тепло и излучение. Этот отсечной клапан запускается, когда черная дыра набирает массу примерно в миллиард масс Солнца.
Все это очень правдоподобные гипотезы, которые и в самом деле снабжают нас богатым арсеналом инструментов для объяснения происходящего. Единая картина предсказывает, что квазары и другие активные галактики – это просто начальные главы в жизни галактического ядра. Чтобы это подтвердилось, нужны изображения квазаров с особой экспозицией, на которых была бы видна неяркая размытая структура галактики вокруг ядра. Квазар настолько ярче окружающей галактики, что нужно применять особые фильтры, чтобы увидеть хоть что-нибудь кроме самого квазара. И в самом деле, почти все изображения с высоким разрешением показывают окружающий квазар «пух». Однако есть и несколько исключений – «голые» квазары, которые обманывают ожидания стандартной модели. А может быть, эти галактики просто невозможно рассмотреть, потому что не хватает чувствительности приборов.
Единая картина предсказывает также, что рано или поздно квазары сами себя отключают. В сущности, единая картина должна предсказывать это хотя бы потому, что поблизости от нас нет ни одного квазара. Но еще это означает, что черная дыра в ядре галактики – это обычное явление, даже если ядро галактики неактивно. И в самом деле, список ближайших галактик, в ядрах которых затаились спящие сверхмассивные черные дыры, растет с каждым месяцем, и в него входит наш Млечный Путь. Их существование выдают сверхскорости, до которых разгоняются звезды, когда они приближаются (но не слишком) по своим орбитам к черной дыре.
Плодотворные научные модели – это всегда соблазнительно, но иногда нужно задаваться вопросом, почему, собственно, модель так плодотворна – потому что она описывает глубокие научные истины или потому, что в ее конструкцию входит много переменных, которые можно подстраивать таким образом, чтобы объяснить что угодно. Можно ли сказать, что мы уже достаточно поумнели, или нам просто не хватает какого-то инструмента, который изобретут или откроют завтра? Об этой дилемме очень хорошо написал английский физик Деннис Скьяма:
Если нам трудно построить подходящую модель определенного типа, значит, Природе это тоже трудно. Этот довод упускает из виду вероятность, что Природа умнее нас. И даже вероятность, что завтра мы можем стать умнее, чем сегодня.
(Sciama 1971, p. 80)Глава тридцать вторая
Прихлопни их!
С тех самых пор, когда люди обнаружили кости вымерших динозавров, ученые высказывали самые разные предположения о том, куда подевались эти злополучные звери и почему так вышло. Может быть, глобальное потепление иссушило все доступные источники воды. Или вулканы покрыли всю землю слоем лавы и отравили воздух. А может, слишком много первых млекопитающих полюбили есть яйца динозавров на ужин. Или динозавры-мясоеды подъели всех динозавров-вегетарианцев. Или потребность в воде привела к массовым миграциям, отчего стремительно распространились инфекционные заболевания. А может быть, все дело было в изменении ландшафта из-за тектонических сдвигов.
