Бездонные пропасти черных дыр
Именно астроном-любитель, который всегда начеку, чует первые признаки беды.
Он надеялся сделать несколько снимков Урана через свой автоматизированный телескоп, но компьютер упорно разворачивал его в другом направлении. Перейдя в ручной режим, астроном в конце концов находит планету в нескольких угловых минутах от расчетного положения. Озадаченный, он звонит другу, и быстро выясняется, что у того такая же проблема. Поиск по нескольким форумам в интернете свидетельствует о том, что многие астрономы во всем мире сталкиваются с тем же самым.
День за днем ситуация только ухудшается. Теперь уже, похоже, и с Юпитером происходит что-то странное. Однако Сатурн, который сейчас находится с другой стороны от Солнца, вроде бы в порядке. Ползут слухи.
Затем ситуация становится очень странной. Обсерватория для наблюдения за Солнцем и проведения гелиосферических исследований, находящаяся на орбите, где силы тяготения Земли и Солнца равны, начинает смещаться. Инженеры озадачены, но вскоре им приходится решать другие проблемы. Теперь Марс не на месте. На Красную планету летит зонд NASA: попадет ли он на нее? Но вскоре это уже под вопросом, так как космический аппарат также смещается. Через несколько дней становится ясно, что зонд потерян... и что зонд — это наименьшая из наших проблем.
Астрономы, наблюдающие за Солнцем, обнаруживают, что его положение также сместилось. Этого не может быть! Что может сдвинуть целую звезду?.. Но очень быстро они понимают, что проблема не с Солнцем, а с Землей. Как и другие планеты, Земля уже не вращается вокруг Солнца как обычно, а сходит со своей предначертанной орбиты.
Распространяется паника. Ученые приходят к очевидному выводу: к Земле приближается некий массивный объект, и его притяжение смещает нас с курса. По данным о движении других планет они определяют положение этого объекта, но на том участке неба ничего нет.
Как ни странно, именно тот факт, что они ничего не видят, подтверждает их самые мрачные прогнозы: это черная дыра. После анализа ее траектории становится ясно, что она движется практически прямо на нас с невероятной скоростью 800 км/с. По расчетам астрономов, ее чудовищная масса в десять раз больше массы Солнца — такой легко накликать конец света для нас на Земле. Сначала ее гравитационное воздействие еле ощущается, но быстро нарастает.
Всего через несколько недель после обнаружения первых признаков проблемы, когда черная дыра все еще находится в 480 млн км от нас, ее гравитационное воздействие на Землю сравнивается с гравитационным воздействием Солнца. Земля уже обращается не вокруг одной звезды: она захвачена двумя — одной живой, другой мертвой. Еще через несколько дней влияние черной дыры перевешивает влияние Солнца. Схватив Землю невидимыми пальцами, сколлапсировавшая звезда отрывает нас от Солнца и притягивает к себе.
По мере приближения гравитационные приливные силы черной дыры начинают растягивать Землю. Приливные силы от Луны вызывают приливы и отливы в океанах, но масса черной дыры в 200 млн раз превышает массу Луны. Даже с расстояния в миллионы километров приливная сила черной дыры вызывает обширные наводнения, мощные землетрясения, гигантские цунами.
Вскоре нанесен решающий удар. Когда черная дыра подходит на расстояние всего 11 млн км, ее силы тяготения, ощущаемые объектами на поверхности Земли, сравниваются с силами тяготения самой Земли. Горстка выживших людей после событий последних дней внезапно начинают чувствовать невесомость, так как их тянет вверх и вниз с одинаковой силой.
Через несколько минут, когда черная дыра подходит еще ближе, сила, направленная кверху, начинает преобладать. Вздымающийся ураганный поток воздуха уносит невесомых людей вместе с камнями, автомобилями, океанами...
Через час все кончено. Колоссальные силы тяготения мертвой звезды разрывают Землю в клочки, превращая ее в пар. Вещество, когда-то бывшее нашим родным миром, падает в ненасытную утробу дыры, все быстрее кружась вокруг нее, образуя диск из разогретой до миллиона градусов плазмы, прежде чем нырнуть с концами.
Все также плавно и спокойно черная дыра продолжает свой путь, прочь из Солнечной системы, оставляя за собой хаос, разбросанные планеты и смерть.
Черная правда
Что такое эти черные дыры? Не укладывающаяся в голове физика, абсолютная разрушительная мощь, каким сверхъестественным образом они искажают наши представления о реальности, пространстве и времени?
Может быть, они очаровывают нас просто потому, что они такие крутые.
Рождающиеся в адском сердце сверхновой, возвещающие о своем появлении двойными пучками ярости, не знающими преград, и поглощающие (почти) все, что попадается им на пути, черные дыры прочно сидят в общественном сознании. Им посвящают фильмы, телевизионные передачи, книги, бессчетные статьи и бесконечные дискуссии. И при всем этом восхищении и интересе большинство людей имеют лишь смутное представление о том, что такое черные дыры и какими они обладают способностями.
Но никогда не забывайте — они опасны. Черная дыра может убить вас разными способами. Некоторые из них простые, а некоторые очень замысловатые. Если вы не напрашиваетесь на неприятности, все эти способы крайне маловероятны, но если вам нужны массовые разрушения в крупных масштабах, тогда черная дыра — это подходящая идея.
Я упал и не могу подняться
Как говорилось в главе 4, согласно определению, черная дыра — это объект, скорость убегания (вторая космическая скорость) для которого равна скорости света или превышает ее. Это означает, что все, что попадает в дыру, выбраться из нее не может, потому что, насколько нам известно, ничто не может двигаться со скоростью больше скорости света.
Следовательно, первая и самая очевидная опасность от черной дыры — это, буквально, падение в нее. Если такое происходит, ну что ж, ничего не поделаешь. Это поездка в один конец. С вами покончено. Больше не о чем говорить.
Это не очень-то впечатляющий способ, которым черная дыра может расправиться с вами — никаких лучей смерти, никаких массовых и ужасных разрушений. Просто плюх! И вас уже нет.
Такое отсутствие драматизма как-то скучновато для рассказа. Но это также противоречит здравому смыслу. Если вы находитесь на ракете, погружающейся в черную дыру, разве нельзя просто развернуть ракету, включить двигатели на самую полную мощность и улететь?
Нет, нельзя. Исключительно мощные силы тяготения вблизи черной дыры заставляют нас изменить свой взгляд на пространство, время и движение.
С математической точки зрения притяжение, которое вы ощущаете от объекта, уменьшается с квадратом расстояния до него; удвойте свое расстояние до объекта, и его притяжение, которое вы ощущаете, упадет в 2 × 2 = 4 раза. Отойдите в десять раз дальше, и притяжение упадет в 10 × 10 = 100 раз. Отдаляйтесь на сколь угодно большое расстояние — притяжение продолжает действовать, и эта сила никогда на самом деле не снижается до нуля.
Итак, представьте, что вы находитесь на поверхности Земли (это должно быть достаточно просто) и держите в руках мяч. Вы подбрасываете его в воздух. Летящий вверх мяч тянет вниз сила тяготения, замедляя его скорость. В конце концов мяч останавливается (скорость = 0), после чего начинает падать на Землю, постоянно ускоряясь, пока вы не поймаете его.
Теперь представьте, что вы подбросили мяч очень высоко, скажем, на несколько километров. Он летит вверх, а сила тяготения тянет его вниз, замедляя движение, но чем выше он поднимается, тем слабее становится сила тяготения, потому что он удаляется от Земли. Поэтому да, он замедляется, но чем выше он поднимается, тем медленнее он начинает замедляться, потому что с высотой притяжение ослабевает.
Это означает, что, если вы сможете подбросить мяч с подходящей скоростью, силы тяготения будут замедлять его с такой же интенсивностью, с какой сами будут ослабевать. Мяч будет постоянно замедляться, но так никогда и не достигнет нулевой скорости. Он будет постоянно удаляться от Земли, но все медленнее и медленнее.
Это определение второй космической скорости, или скорости убегания, — начальная скорость, которую вы должны придать подброшенному телу, такая, при которой оно будет постоянно удаляться от объекта (такого как Земля), постоянно замедляясь, но никогда не останавливаясь и не падая обратно на поверхность.
Если вы подбросите мяч со скоростью чуть меньше второй космической, он улетит далеко, но в конце концов вернется. Если вы подбросите его сильнее, он просто улетит. При второй космической скорости — 11,18 км/с на поверхности Земли — мяч как раз сможет преодолеть притяжение Земли.
Однако, так как притяжение ослабевает с расстоянием, вторая космическая скорость также уменьшается с расстоянием. Если бы вы стояли на вершине очень высокой горы, скорость, с которой вам нужно было бы подбросить мяч, была бы чуть меньше скорости, которую вам нужно придать ему на уровне моря. Кроме того, вторая космическая скорость — это импульс; то есть это скорость, которую вам нужно сразу придать объекту, чтобы он смог преодолеть притяжение. Если каким-то образом вам удастся продолжать увеличивать скорость летящего вверх тела, тогда концепция второй космической скорости становится немного сложней.
Например, вы действительно можете улететь от Земли на более низкой скорости, чем вторая космическая, — по крайней мере, вторая космическая скорость на поверхности. Предположим, у вас есть ракета с неистощимым запасом топлива. Вы запускаете ее со скоростью, скажем, 96 км/ч и регулируете тягу так, чтобы поддерживать именно такую скорость, не замедляясь и не ускоряясь. В конце концов ракета отойдет от Земли на такое расстояние, где притяжение планеты гораздо слабее и скорость убегания упала до 96 км/ч. В этот момент вы преодолели притяжение, но вовсе не на скорости 11,18 км/с — второй космической скорости на поверхности Земли.
Значит, мы можем экстраполировать это на черные дыры, так? Если бы я провалился в черную дыру и имел достаточно большую ракету, то мог бы использовать ее тягу и улететь достаточно далеко от дыры, туда, где скорость убегания становится более приемлемой. И тогда я свободен!
Печально, но это не сработает. Если бы черные дыры были лишь еще одним массивным объектом, с вами все было бы в порядке, именно как в примере выше. Но черные дыры не просто какой-то привычный объект!
Одним из больших достижений Альберта Эйнштейна в науке была идея, что пространство — это объект. Оно не пустое; оно подобно ткани, в которой находятся массивные объекты. Объект, обладающий массой, обладает силами тяготения, и эти силы тяготения изгибают пространство (примером в прошлой главе был шар для боулинга, лежащий на матрасе и прогибающий его). Траектория любого объекта, проходящего мимо более массивного, будет искривлена таким прогибом пространства за счет силы тяготения.
ВАЖНОЕ ПРИМЕЧАНИЕ. Когда кто-то объясняет идею черных дыр, искривляющих пространство, он неизбежно использует сравнение с плоской поверхностью, изгибаемой тяжелым объектом, как матрас под шаром для боулинга. К сожалению, это ведет к ошибочному представлению, что черные дыры — это круги в искривленном в виде воронки пространстве. Но это не так: реальность трехмерна, а в этой аналогии используются только два измерения (поверхность матраса можно считать двухмерной, но шар для боулинга прогибает ее, придавая ей третье измерение). Черные дыры — сферические, а изогнутое пространство не похоже на воронку. На самом деле форму изогнутого пространства невероятно сложно описать, потому что мы живем в этих измерениях, и описывать их — это все равно что пытаться описать красный цвет тому, кто слеп от рождения. Мы можем описывать искривление математическими формулами, делать прогнозы о нем и, вероятно, даже использовать его для понимания других явлений физики, но мысленно представить его если не совершенно, то практически невозможно.
Так что все следующие описания водопадов, утесов и всего такого — это сравнения, двухмерные представления искривленной трехмерной реальности. Вам от этого, вероятно, легче не станет, но Вселенная умеет причинять нам неудобства. Если бы это было не так, эту книгу было бы не о чем писать.
А сейчас вернемся к регулярным плановым смертям и разрушениям от черных дыр.
Но черная дыра не просто создает прогиб пространства; она вырезает бездонную яму, бесконечно глубокую дыру с вертикальными стенками. Как только вы в нее попали, выбраться оттуда вы не сможете ни на какой скорости. Вы проваливаетесь в нее, и ничто вас не может удержать. Скорость убегания на поверхности черной дыры — называемой горизонтом событий — это скорость света.
Более точным было бы рассуждать об этом, пользуясь математическими формулами Эйнштейна и физическими принципами относительности. Эндрю Гамильтон, астрофизик с кафедры астрофизики и планетологии Университета штата Колорадо в Боулдере, довольно долго изучал черные дыры и у него есть интересное сравнение:
Понять, что происходит, будет легче, если представить, что черная дыра подобна водопаду. Только в черную дыру падает не вода, а само пространство. Снаружи горизонта событий скорость падения пространства меньше, чем скорость света. На горизонте пространство падает со скоростью света. А внутри горизонта пространство падает быстрее, чем свет, унося с собой все, даже свет. Такое представление черной дыры как области пространства-времени, где пространство падает быстрее света, это не просто хорошая концептуальная картинка... у нее есть прочное математическое обоснование [подчеркиваю].
Может показаться, что это нарушает еще один закон Эйнштейна — ничего не может двигаться быстрее, чем свет, — но это применимо только к физическим объектам, обладающим массой (и к самому свету). Пространство же отличается от материи и света (еще одна из великих идей Эйнштейна), поэтому оно может вести себя как захочет, в частности двигаться быстрее света.
Если вы находитесь внутри горизонта событий, пространство стекает в черную дыру быстрее скорости света... и, если вы проваливаетесь, оно уносит вас с собой. Если вы попытаетесь выгрести против водопада, у вас ничего не получится, потому что вы никогда не сможете заставить свою лодку двигаться вверх быстрее, чем текущая вниз вода. Так и внутри черной дыры: в пространстве, текущем с транссветовой скоростью к ее центру, вы не сможете выгребать в своей ракете достаточно быстро. Вы обречены.
Можно представить это и по-другому, но такое сравнение будет еще более фантастическим (если такое вообще возможно). Если вы взглянете на (чертовски сложные) уравнения, описывающие поведение пространства и времени вблизи черной дыры, вы обнаружите, что внутри горизонта событий переменные, представляющие пространство, ограничены. Вне черной дыры — например, там, где вы находитесь сейчас, — вы можете свободно двигаться в пространстве: вверх и вниз, вперед и назад, влево и вправо. Однако внутри черной дыры эта свобода исчезает. Движение возможно лишь в одном направлении — вниз.
Черные дыры забавны: даже такое элементарное действие, как движение, оказывается сложным. Но основной вывод таков: если вы проваливаетесь, что бы там ни было, вам конец.
Тайм-аут
Или не конец?
Другая великая идея Эйнштейна заключалась в том, что время и пространство тесно переплетены, настолько, что мы даже используем для них один термин — пространство-время. Когда Эйнштейн формулировал свою теорию относительности, он осознавал, что для кого-то, кто движется относительно кого-то еще, как пространство, так и время выглядят по-другому. Возможно, вы об этом уже слышали: представьте двух людей, каждый на своем космическом корабле и каждый держит часы. Если один космический корабль движется очень быстро относительно другого, оба астронавта будут видеть, что часы другого идут медленнее, а его собственные идут нормально.
Это не механическая проблема с часами; это физическое проявление, вплетенное в ткань самого пространства-времени. И это не просто догадка: бессчетные эксперименты доказали, что Эйнштейн был совершенно прав. Так как пространство и время — это две стороны одной медали, относительное движение сквозь пространство влияет на то, как мы воспринимаем время.
Более того, поток времени также искажают силы тяготения. Чем ближе вы к объекту, обладающему большими силами тяготения, тем медленнее будут идти ваши часы — будет создаваться впечатление, что время течет медленнее, — для того, кто находится дальше от массивного объекта. Вы же будете уверены в том, что ваши часы идут абсолютно точно. Повторю, это было также подтверждено экспериментами. Если хотите прожить дольше, найдите самое низко расположенное место! На вас будут действовать бо́льшие силы тяготения, а другим будет казаться, что ваши биологические часы идут медленнее. Разумеется, на Земле этот эффект незначителен, потому что ее силы тяготения очень слабые. Возможно, вы проживете на микросекунду дольше на уровне моря по сравнению с тем, если бы вы жили на вершине горы, но только и всего. А что еще хуже — сами вы не заметите разницы, так как для вас ваши часы будут идти точно вне зависимости от того, где вы находитесь.
Но сил тяготения (и времени, которое нужно убить) у черных дыр в изобилии. Время вблизи черной дыры очень сильно замедляется. Представьте, что вы астронавт и находитесь у черной дыры. Вы оставляете второго пилота и позволяете черной дыре затянуть вас. По мере того, как вы приближаетесь к ней, вашему другу, уютно устроившемуся в безопасности своей капсулы, будет казаться, что ваше время течет медленнее, чем его собственное. Чем ближе вы к горизонту событий черной дыры, тем медленнее течет ваше время. Вы пытаетесь переговариваться с ним, но ваши фразы начинают ра-а-ас-с-с-тя-я-я-ги-и-и-ва-а-ать-ся-я-я...
Когда вы проваливаетесь в черную дыру, по сути, вы летите вместе с проваливающимся пространством. Чем ближе вы, тем быстрее и быстрее оно начинает падать. На горизонте событий пространство проваливается в дыру со скоростью света. С точки зрения вашего напарника, наблюдающего за вами по свету, который вы испускаете, вы так никогда и не пересечете горизонт событий, потому что свет, который вы излучаете, поднимается с такой же скоростью, с какой пространство опускается. Это все равно что стоять на месте. Насколько он может сказать, вы будете оставаться в подвешенном состоянии на горизонте событий бесконечно и никогда не провалитесь.
Однако с точки зрения билета в бессмертие — это не очень приятная поездка. Потому что это только восприятие вашего друга. Для вас это просто падение. Плюх! Для вас горизонт событий — это не какое-то особое место или время, и ваши часы продолжают идти. Вы проваливаетесь прямиком в центр (в сингулярность, где вся материя сжата в точку) — и это конец.
Некоторые спорят, что из-за этого растяжения времени вы никогда не провалитесь в черную дыру, но это ошибочное представление. Наверняка провалитесь — и больше не вернетесь. Ваши друзья могут это воспринимать по-другому, но они-то сидят в безопасном месте, а вы падаете в черную дыру, поэтому какое вам дело до того, что они думают?
Спагет-ти
Кое в чем черная дыра не сильно отличается от любого другого объекта.
У всего, что имеет массу, имеются силы тяготения. У вас они есть и у меня. У бревна, у Земли, у Солнца, а также у черной дыры. Притяжение от объекта, которое вы ощущаете, определяется всего двумя факторами. Первый — масса этого объекта: удвойте массу объекта, и притяжение, которое вы ощущаете, также удвоится.
Второй фактор, от которого зависят силы тяготения, — на каком расстоянии вы находитесь от объекта, или, точнее, ваше расстояние от центра масс объекта. Помните, как описано выше, силы тяготения уменьшаются с квадратом расстояния, то есть эти силы увеличиваются с таким же темпом по мере того, как вы приближаетесь к объекту.
Возьмем Солнце. Оно очень массивное — 2 × 1027 т (это двойка с 27 нулями), что весьма впечатляет, — и оно довольно большое, примерно 1 391 000 км в поперечнике. Если бы вы могли стоять на поверхности Солнца, не испарившись, вы бы ощущали притяжение в 28 раз больше того, что вы чувствуете здесь, на Земле.
Но это, собственно, максимальное притяжение, которое вы могли бы ощутить от Солнца. Если вы отодвинетесь (хорошая идея), притяжение, которое вы ощущаете, уменьшится, потому что вы будете находиться дальше. А если вы стоите на его поверхности, вы не сможете приблизиться еще сильнее. В противном случае вы очутились бы внутри Солнца — ближе к его центру, но теперь между вами и его поверхностью находится определенная масса. Вы можете представить, что эта масса тянет вас кверху, немного компенсируя силу тяготения, тянущую вас вниз. По мере приближения к центру Солнца притяжение, которое вы ощущаете, уменьшается. А в самом центре вы не ощущали бы притяжения совсем.
Но теперь давайте немного изменим ситуацию. Давайте сожмем Солнце так, чтобы его масса осталась без изменений, но диаметр стал, скажем, 5,8 км. Так как вся масса теперь утрамбована в сферу диаметром всего 1/240 000 от первоначального, сила тяготения на поверхности взмывает... Но притяжение, которое вы ощущали бы на расстоянии 695 500 км (начальный радиус Солнца), было бы абсолютно таким же!
Сами подумайте: масса такая же, и ваше расстояние (от центра масс сжатого Солнца) такое же. Так как силы тяготения зависят только от этих двух параметров, притяжение, которое вы ощущаете, точно такое же, какое было у Солнца нормальных размеров.
Разница в том, что, если вы приближаетесь, сила тяготения растет. Раньше она уменьшалась, потому что вы были внутри Солнца. Но теперь Солнце стало маленьким, поэтому вы можете приближаться и приближаться, и при этом сила тяготения увеличивается. Она будет постоянно расти, пока вы не приблизитесь на расстояние 2,9 км от центра (половина диаметра), и в этой точке у вас начнутся настоящие проблемы.
Почему? Потому что ту цифру — 5,8 км — я взял не из воздуха. При таком диаметре силы тяготения Солнца были бы настолько большими, что даже свет не мог бы убежать (держу пари, вы гадали, к чему я клоню). Правильно — если бы мы могли сжать Солнце до таких размеров, оно стало бы черной дырой.
Важный момент здесь заключается в том, что на большом расстоянии сила тяготения черной дыры действует точно так же, как и сила тяготения гораздо большего объекта, но такой же массы. На огромном расстоянии притяжение черной дыры с массой в десять раз больше массы Солнца ощущалось бы точно так же, как и притяжение нормальной звезды с массой в десять раз больше массы Солнца.
Черные дыры опасны, потому что есть риск приблизиться к ним. Именно в этом заключена реальная мощь черных дыр. Они необязательно массивнее других объектов — многие звезды гораздо более массивны, чем черные дыры. Их сила в размере. Или в его отсутствии: они маленькие. Они настолько малы, что вы можете оказаться очень близко, а по мере приближения к ним их притяжение возрастает колоссально.
Если бы вы были достаточно храбрым — или безрассудным, — чтобы приблизиться к черной дыре, вы бы наблюдали удивительные последствия. Более того, просто сногсшибательные.
Когда вы падаете в черную дыру вниз ногами, ваша голова будет находиться примерно на 180 см дальше от черной дыры, чем ноги (в зависимости от вашего роста, разумеется). Так как силы тяготения зависят от расстояния до центра, черная дыра будет притягивать ваши ноги сильнее, чем голову. На большом расстоянии эта разница в гравитационном воздействии на голову и на ноги невелика, но по мере приближения она будет увеличиваться.
Эта разница называется приливной силой. На Землю действует приливная сила Луны: притяжение Луны тянет ту сторону Земли, которая находится ближе к ней, немного сильнее, чем обратную. От этого Земля под Луной выпячивается. Но, как это ни странно, поверхность Земли выпячивается с двух сторон: под Луной и с обратной, дальней стороны от Луны.
Это объясняется тем, что Луна притягивает сильнее центр Земли, чем ее противоположную сторону — центр Земли находится ближе к Луне. Поэтому, по сути, Луна оттягивает центр Земли от противоположной стороны; результат — «горб» на противоположной от Луны стороне Земли. Для объекта, на который действуют приливные силы, это подобно растяжению — как если бы вы взяли один конец резиновой ленты в одну руку, а второй конец в другую и развели руки в стороны.
Приливная сила подобна силе тяготения, но, если сила тяготения увеличивается обратно пропорционально квадрату расстояния, приливы становятся сильнее обратно пропорционально кубу. Уменьшите свое расстояние до объекта наполовину, и сила тяготения увеличится в четыре раза, а приливная сила увеличится в восемь раз. Приблизьтесь в десять раз, и сила тяготения увеличится в 100 раз, а приливы в 1000 раз.
Очевидно, это будет проблемой.
Скажем, вы астронавт, парите в скафандре над обычной черной дырой с массой, допустим, в пять раз больше массы Солнца, горизонт событий которой имел бы диаметр 29 км. Астрономы называют такие объекты черной дырой звездной массы, потому что ее масса примерно такая же, как у звезды. Давайте также допустим, что вы находитесь очень далеко, на расстоянии примерно 16 000 км. Если вы начнете свое падение оттуда, даже если вы сначала стояли на месте, всего через пару секунд вы окажетесь на горизонте событий! На таком расстоянии невероятное притяжение дыры в 270 000 раз сильнее, чем притяжение Земли. Но что странно — вы бы этого не почувствовали. Так как вы находились бы в свободном падении и ничто не противодействовало бы гравитационному воздействию, вы бы ощущали невесомость, как парашютисты в падении несколько первых секунд затяжного прыжка или астронавты на орбите Земли.
На таком расстоянии приливная сила, обусловленная разницей в 180 см между вашей головой и ступнями, незаметна.
Через секунду или около того ваше падение ускорится. Последние 8000 км до горизонта событий вы промчитесь примерно за одну секунду. Если бы вы могли реагировать быстрее, соображать быстрее (поскольку жить вам осталось всего одну секунду, и мы хотим, чтобы вы понимали, какие ужасы происходят с вами), вы могли бы заметить странное ощущение, такое чувство, как будто бы вас растягивает в двух направлениях, одновременно к черной дыре и от нее, как если бы вы были канатом в игре на перетягивание каната. Общая сила, действующая на ваше тело, по-прежнему огромна, но приливы от черной дыры генерируют небольшое дополнительное усилие на ваши ступни, направленное к черной дыре, равное примерно четверти земного притяжения, и такое же усилие будет приложено к вашей голове, но в направлении от черной дыры. Если вы весите 72 кг, это ощущалось бы так, как будто к вашим ногам привязали 18-килограммовую гирю и такая же гиря тянула бы вашу голову вверх. Это неприятно, но не смертельно. Однако от этого у вас буквально волосы встанут дыбом. К несчастью, через долю секунды все изменится.
На расстоянии 2500 км ощущения гораздо сильнее. Как будто бы вас растягивает как конфету-тянучку — сила, действующая на ваши ступни и направленная вниз, теперь в десять раз больше силы тяготения Земли, 725 кг веса. И такая же сила тянет вашу голову вверх! Кровь приливает к вашей голове, и вы теряете сознание (то, что пилоты истребителей называют «красная пелена», в отличие от потемнения в глазах, когда кровь отливает от мозга). Это оказывается благом. На следующие несколько миллисекунд вам лучше бы отключиться.
Именно тогда начинаются настоящие неприятности. На расстоянии 800 км от черной дыры приливные силы, действующие в противоположных направлениях, разрывают вас с чудовищным усилием в 550 раз больше силы тяготения Земли, свыше 40 т веса. Человеческое тело не в состоянии выдерживать такие нагрузки. Мягкие ткани разрываются, а ваши голова и ступни лопаются от крови, заливающей их с силой в сотни ньютонов.
На расстоянии 80 км от черной дыры приливы превышают силу притяжения Земли больше чем в 700 000 раз. Это как будто бы вас подвесили над пропастью, привязав к ногам круизный лайнер. Ваши кости переламываются пополам, затем еще раз и еще раз, на крошечные кусочки.
Но погодите! Это еще не все: вас не просто растягивает в длину, вас еще сжимает. Ваш левый бок падает к центру черной дыры по слегка отличающейся траектории, чем та, к которой стремится правый бок. Оба пытаются упасть в центр дыры по прямой; поэтому на ваш правый бок действует сила, направленная влево, а на левый бок — направленная вправо. От этого вас сжимает, и эта сила тоже невероятно мощная, примерно такая же, как и сила растяжения. Вас растягивает и сжимает.
Вы — тюбик с зубной пастой в стальном кулаке черной дыры. Вы превращаетесь в тонкую «спагеттину» человеческой тянучки.
Когда ваши ступни — то, что когда-то было вашими ступнями, — находятся прямо над горизонтом событий черной дыры, в вас уже не узнать человека. Вас растянуло в невероятно тонкую линию, в километры длиной, как макаронную нить. Ученые называют этот процесс спагеттификацией.
И тут черная дыра, как будто бы оценив сравнение, засасывает вас, причмокивая.
Так что, видите, просто провалиться в черную дыру — это не единственный способ, которым она может убить вас. Само путешествие туда — это половина удовольствия.
Поджарен светом
Как мы обсуждали в главе 4, рождающаяся черная дыра может сеять разрушения невообразимых масштабов, выстреливая пучки излучения, прожигающие парные дыры в галактике. Пучки генерируются, когда материя коллапсирующей звезды образует аккреционный диск вокруг черной дыры и из него по спирали проваливается в дыру. Благодаря участвующим в этом процессе невероятным магнитным полям, вдоль оси вращения диска выстреливают пучки.
Оказывается, что такая ситуация возникает не только в момент рождения черной дыры. Всякий раз при падении материи в черную дыру может образоваться такой диск и также могут генерироваться пучки. Например, если черная дыра вращается вокруг нормальной звезды (они образуют двойную систему, в которой одна звезда изначально имела очень высокую массу, а затем взорвалась и образовала черную дыру), она может высасывать материю из второй звезды. Обычно такое происходит, когда нормальная звезда приближается к концу своей жизни и становится гигантом (см. главу 8); при этом черная дыра может затягивать ее наружные оболочки.
Поступающая материя образует аккреционный диск, такой же как и при рождении черной дыры, и этот диск невероятно разогревается. Удивительно, но в основном этот нагрев вызывает вполне обычная, хорошо известная сила — трение! При приближении к черной дыре материя начинает вращаться все быстрее и быстрее. Из-за чудовищных сил тяготения частицы, которые находятся чуть ближе к черной дыре, могут двигаться существенно быстрее, чем те, что немного дальше. Они трутся друг о друга и от трения нагреваются.
Как принято у черных дыр, они ничего не делают наполовину. От этого трения диск может разогреться буквально до миллионов градусов. Такая раскаленная материя излучает во всем электромагнитном спектре, от радиоволн до рентгеновских лучей. Более того, генерируется столько света, что, как ни странно, черные дыры (точнее, их аккреционные диски) могут быть одними из самых ярких объектов во Вселенной.
Именно так была открыта первая черная дыра. Когда запустили первые спутники, регистрирующие рентгеновское излучение, они обнаружили множество таких источников высокоэнергетического излучения в небе. Одним из источников оказалась гигантская звезда в созвездии Лебедя. Несмотря на то что этот объект по имени HDE 226868 — настоящий громила (его масса в 30 раз больше массы Солнца), у звезды просто нет харизмы для такого мощного рентгеновского излучения, которое наблюдалось. И точно, полученные спектры звезды свидетельствовали о том, что вокруг нее вращается другой объект с массой, примерно в семь раз превышающей массу Солнца, однако на изображениях ничего не было видно. Значит, это должна была быть черная дыра: звезду с массой в семь раз больше, чем масса Солнца, было бы легко обнаружить. Плюс это, естественно, объясняет рентгеновское излучение, вырывающееся из той системы: черная дыра (названная Лебедь X-1) перетягивала на себя материю гигантской звезды и выстреливала рентгеновские лучи, когда вещество, кружась, спускалось навстречу своей погибели.
И под «выстреливает» я именно это и имею в виду — выстреливает. Если взять всю энергию, излученную Солнцем, и сложить ее, то в одном лишь рентгеновском диапазоне черная дыра будет в 10 000 раз ярче. Это один из самых ярких источников рентгеновского излучения в небе, даже на расстоянии 6500 световых лет. Если бы она была на расстоянии всего нескольких световых лет, ее рентгеновское излучение могло бы представлять угрозу нашим спутникам и астронавтам, участвующим в космической программе (см. главу 2).
Так что черная дыра даже необязательно должна быть особенно близко к вам, чтобы представлять опасность.
Лебедь X-1 — это ближайшая к Земле черная дыра из известных, но, оценив, сколько рождается звезд, которые могут превратиться в черные дыры за все существование Млечного Пути, ученые прикинули, что в одной нашей Галактике, возможно, существуют миллионы других черных дыр.
Я знаю, что вы думаете: «Миллионы? Миллионы черных дыр таятся в Галактике? А-а-а!»
Ну а что, да. Это страшно, так что, может быть, нам следует выделить минутку и поговорить об этом тоже...
Просто пролетая
В Галактике полно черных дыр. Они повсюду! Но что, если одна окажется у нас на пороге? Повлияет ли это на планеты, и даже на Землю?
Давайте сразу скажем: это практически невозможное событие. Космос большой, и в нем есть где околачиваться.
Галактика Млечный Путь — это скопление газа, пыли и сотен миллиардов звезд, удерживаемых вместе благодаря гравитации. Наша Галактика спиральная, и ее главным признаком является плоский диск диаметром 100 000 световых лет с огромными красивыми спиральными рукавами, как у детской вертушки на палочке. Чтобы вы могли представить, насколько она велика: Солнце, находящееся примерно на полпути от центра до кромки диска, обращается вокруг центра Галактики со скоростью 225 км/с, и даже на такой скорости ему требуется гораздо больше 200 млн лет на один полный оборот.
Все звезды, которые вы видите в небе, находятся относительно близко, большинство на расстоянии менее 100 световых лет — это крошечная доля от размеров Галактики. Ближайшая известная звезда — это тройная система Альфа Центавра, расположенная на расстоянии чуть больше четырех световых лет. Это примерно 40 трлн км, так что у нас тут на галактических окраинах не так уж тесно.
В течение жизни Солнца некоторые звезды наверняка подходили к нам ближе, чем Альфа Центавра, но это зависит от того, что вы подразумеваете под словом «близко». Космос большой, а звезды маленькие. Одно исследование показало, что на расстоянии примерно в один парсек (3,26 светового года, или 32 трлн км) мимо Солнца проходит всего одна звезда в 100 000 лет, и это расстояние все равно слишком большое, чтобы мы почувствовали притяжение этой звезды. Более близкие контакты случаются еще реже, и крайне маловероятно, чтобы звезда прошла от нас настолько близко, чтобы ее гравитация существенно повлияла на Землю.
Это касается звезд в целом. На каждую черную дыру в Галактике приходятся тысячи звезд. Надеюсь, вы начинаете понимать, что шансы на близкий контакт с черной дырой довольно низки. Самая близкая известная нам черная дыра — как мы уже знаем — Лебедь X-1, расположенная довольно далеко, на расстоянии 1600 световых лет. Это в некотором роде не лучший пример для книги с нашим заголовком, но мы не должны закрывать глаза на реальное положение дел, даже если черные дыры не представляют для нас угрозы.
Тем не менее, как и с другими темами в главах книги, об этом интересно поразмышлять. Что бы произошло, если бы черная дыра нанесла нам визит?
Вероятнее всего, мы бы никогда ее не увидели. Если бы она путешествовала в космосе в одиночестве, она просто была бы именно черной дырой в пространстве, невидимой. Черная дыра звездной массы обычно имеет всего несколько километров в поперечнике, поэтому ее можно заметить, только когда уже будет слишком поздно.
Ближние звезды обращаются вокруг центра Млечного Пути примерно в том же направлении и примерно с той же скоростью, что и Солнце, но только примерно. Как и в случае автомобилей на гоночной трассе, небольшая разница в скорости означает, что некоторые автомобили обгоняют друг друга. Несмотря на то что автомобили могут ехать со скоростью 300 км/ч, они обгоняют друг друга относительно медленно, на скорости всего несколько километров в час. То же верно применительно к звездам. Солнце, а также другие ближние звезды, обращаются вокруг центра Галактики со скоростью 258 км/с. Обычная скорость, с которой они движутся относительно Солнца, гораздо меньше, всего несколько десятков километров в секунду. Чтобы на таких скоростях пройти от орбиты Плутона до орбиты Земли, звезде понадобятся годы.
Но, оказывается, есть исключения. Некоторые звезды — настоящие лихачи, и, что интересно, мы видим, как некоторые компактные объекты, такие как нейтронные звезды, мчатся по Галактике на удивительно больших скоростях, на сотни километров в секунду быстрее, чем можно было ожидать.
Сначала эти странствующие звезды были загадкой, но сейчас считается, что их высокие скорости обусловлены взрывом сверхновой, в котором эти звезды родились. Если сам взрыв сверхновой был слегка смещен, больше направлен в одну сторону, чем в другую, вещество и энергия, выбрасываемые из звезды, будут действовать как ракета, толкая звезду в противоположном направлении. Невероятно, но даже слегка смещенный взрыв может передавать огромную энергию остающейся после взрыва нейтронной звезде, разгоняя ее до высоких скоростей. Кроме того, если прародитель сверхновой находится в тесной двойной системе, обращаясь вокруг другой звезды, орбитальные скорости могут составлять несколько сотен километров в секунду. Когда прародитель взрывается, обе звезды разлетаются в противоположных направлениях на больших скоростях.
В любом случае физически это возможно, даже вероятно, что нейтронная звезда или черная дыра могут пробегать километры по Галактике в очень хорошем темпе.
Что, если она направляется в нашу сторону? Выживем ли мы, если мимо нас пройдет черная дыра с массой, в десять раз превышающей массу Солнца, и движущаяся на скорости, скажем, 800 км/с (высокая, но правдоподобная скорость)?
Сценарий, описанный в начале этой главы, должен дать вам представление о том, что случится дальше. Но, разумеется, это зависит от того, насколько близко объект подойдет к Земле. Давайте пробежимся по событиям, происходящим при сближении, и посмотрим.
По мере того как мародерствующая черная дыра приближается к Солнечной системе, планета будет ощущать ее притяжение, а также притяжение Солнца. Когда черная дыра подходит ближе, планета чувствует, что ее притяжение усиливается. Как игрушка, которую двое жадных детишек рвут друг у друга из рук, орбита планеты начнет искажаться. Если черная дыра проходит достаточно далеко (скажем, с противоположной стороны от Солнца), планета может быть в относительной безопасности — ее орбита, возможно, станет чуть более вытянутой, только и всего. Но, если объект подходит достаточно близко, его притяжение будет преобладать над притяжением Солнца, особенно для более далеких планет, таких как Уран или Нептун, где силы тяготения Солнца относительно слабы. Если такое происходит, планета может начать обращаться вокруг черной дыры, или, что более вероятно, от гравитационного воздействия дыры планету просто выбросит из Солнечной системы, как камень из рогатки. В целом, при контакте, в котором участвуют два массивных тела (такие как звезда и черная дыра) и маленькое тело (планета), очень вероятно, что маленькое будет вытолкнуто из системы.
Таков масштаб катастрофы, о которой мы рассуждаем: целые планеты буквально смахивает щелчком пальцев.
По мере приближения черной дыры к Земле мы, ее обитатели, сначала не заметим особых изменений в притяжении, но Земля как объект заметит. Чем ближе черная дыра, тем сильнее возмущения орбиты Земли вокруг Солнца. Когда дыра будет находиться от Земли на расстоянии примерно в три раза большем, чем расстояние от Земли до Солнца, или приблизительно 480 млн км, ее притяжение сравнится с притяжением Солнца. Когда такое происходит, Земля перестает быть «привязанной» к Солнцу. Она могла бы упасть на Солнце, или провалиться в черную дыру, или быть выброшенной из Солнечной системы.
Что вы предпочитаете? Ну-у… варианта «жили долго и счастливо» тут нет.
Не то чтобы у нас был большой выбор. А дальше все будет только ухудшаться.
Приливная сила от черной дыры, ответственная за спагеттификацию нашего незадачливого астронавта, о котором мы говорили ранее, начнет также воздействовать на Землю. На расстоянии 480 млн км, где притяжение дыры равно притяжению Солнца, приливная сила составляет примерно треть от приливной силы Солнца. Это не много (гораздо меньше, чем приливы, вызванные Луной) и вряд ли причинит какой-либо ущерб.
Но с каждой секундой черная дыра приближается еще на 800 км, проходя 69 млн км каждый день. На такой скорости она может проделать 480 млн км примерно за неделю, поэтому через день или около того вызванные ею приливы начинают преобладать. К тому времени, когда она подойдет к Земле на такое же расстояние, как и расстояние до Солнца, ее приливы будут в пять раз сильнее, чем приливы от Луны. Прибрежные города и поселения будут затоплены и могут ощущаться слабые землетрясения.
Через день она уже вполовину ближе к нам, чем Солнце. Теперь ее приливы в 40 раз сильнее приливов от Луны. На побережья обрушиваются приливные волны многометровой высоты, убивая миллионы людей. И с каждой минутой сила становится все мощнее и мощнее.
Всего несколько часов спустя, когда черная дыра находится всего в 11 млн км (в 30 раз дальше, чем Луна), кто-то, находящийся на поверхности Земли, ощутит такое же притяжение от черной дыры, как и от самой Земли. В течение всего нескольких мгновений вы оказались бы невесомы и даже, лишь слегка подпрыгнув, взлетели бы.
Наслаждайтесь, пока можете. Поразительно, но на таком расстоянии приливы от черной дыры в 20 000 раз сильней приливов от Луны (которые когда-то были — мощное гравитационное воздействие черной дыры уже выбросило бы Луну с орбиты вокруг Земли). Земля испытывает колоссальные нагрузки, и землетрясения были бы сильней, чем любые когда-либо зарегистрированные. Целые континенты начало бы разрывать на части, а вулканы извергались бы не переставая.
Наконец приливы становятся такими сильными, что Земля не выдерживает. Ее разрывает на части, вытягивает как спагетти планетарного масштаба. То, что осталось от нашей когда-то цветущей планеты, разорвано в клочки, нагрето до миллионов градусов и спускается по спирали в чрево черной дыры.
И это, повторюсь, в принципе, все.
Удивительно, но все это время сама черная дыра настолько мала, чуть меньше 64 км диаметром, что, даже если бы она не была совершенно черной, она все равно была бы всего лишь точкой в небе. Только самые мощные телескопы смогли бы разглядеть что-то большее... но повторюсь, она черная. Там ничего не увидеть.
Что касается прогноза для остальных объектов Солнечной системы — он зависит от траектории черной дыры. Само Солнце может пережить этот визит относительно спокойно, если дыра не подойдет к нему слишком близко. В противном случае его разорвет. Если черная дыра пройдет мимо на достаточном расстоянии, возможно, траектория Солнца в Галактике лишь слегка изменится, а само Солнце может выжить.
Разве это не утешает?
Черненькие дырочки
Самая маленькая черная дыра, которая может образоваться из сверхновой, будет иметь диаметр примерно 20 км, и это очень страшно. Представьте: это примерно в два раза больше горы Эверест и в 3 квадрильона раз больше ее массы.
Ужас! Но если большая дыра страшная, то маленькая должна быть миленькой?
В отношении черных дыр — нет. Все они довольно страшные. Но могут ли в принципе существовать черные дыры меньших размеров?
Теоретически — да. Они называются первичными черными дырами (или черные мини-дыры, или иногда даже квантовые черные дыры). Такие дыры были бы очень маленькими, с массами гораздо меньше дыр звездной массы и, может быть, даже меньше массы Земли. Их никогда не наблюдали, но, возможно, бессчетные экземпляры таких черных дыр плавают в глубинах космоса. Они называются первичными, потому что их возраст равен возрасту самого космоса.
В самом начале Вселенной, всего через несколько мгновений после Большого взрыва, огромные энергии и сгустки материи разбрасывало вокруг, как снежинки в метели. Само пространство было сложено как фигурка оригами, и в течение кратчайшего из мгновений, практически сразу после начального Взрыва, условия были таковыми, что относительно небольшое количество материи могло быть сжато колоссальными силами. Если бы плотность материи увеличилась достаточно сильно и достаточно быстро, она сформировала бы настоящий горизонт событий и стала черной дырой. Эти черные мини-дыры могли бы иметь очень скромную массу, порядка массы горы, несколько миллиардов или триллионов тонн.
Такая крошечная черная дыра была бы диковинным объектом даже для черной дыры. Горизонт событий был бы крошечным: черная дыра с массой Земли была бы всего около сантиметра в поперечнике — это размер стеклянного шарика для игр. Дыра с массой астероида или горы была бы гораздо меньше атома!
Очевидно, такую черную дыру было бы еще сложней обнаружить, чем обычную. Поэтому, возможно, их никогда и не видели (хотя, честно говоря, их может и вовсе не существует; это по-прежнему только теория). Даже если бы они поглощали материю, поток, идущий к черной мини-дыре, был бы настолько мал, что они были бы невидимы даже с относительно небольших расстояний.
Но у черных мини-дыр есть секрет. Вам может показаться, что черные дыры постоянно растут, бесконечно пожирая материю и энергию, все больше увеличиваясь в размерах. Но оказывается, что черные дыры, возможно, не вечны. Они могут испаряться.
В 1970-х гг. ученый Стивен Хокинг выдвинул одну идею. Она выглядела довольно безумной, но, когда вы имеете дело с черными дырами, идеи очень быстро переходят в категорию «безумных». Применив законы квантовой механики и термодинамики к черным дырам, Хокинг пришел к мысли, что в некотором смысле у черных дыр есть температура. Они на самом деле могут излучать энергию, совершенно как нормальная материя. Та энергия должна откуда-то возникать, и он предположил, что она возникает из самой массы черной дыры.
Вот как это происходит. В квантовой механике правила, по которым играет Вселенная, становятся по-настоящему причудливыми. Энергия и масса взаимозаменяемы, причем энергия легко может конвертироваться в массу и наоборот. Но другой странный факт заключается в том, что само пространство может изрыгать небольшие количества энергии ниоткуда, из ничего, если хотите. Более того, ткань пространства кишит энергией, которая может вырваться в реальный мир.
Может показаться, что это нарушает одно из самых базовых свойств Вселенной: вы не можете создать или уничтожить энергию или материю. Обычно это так и есть. Но эта энергия, возникшая из ничего, может существовать только очень короткое время, пока уходит обратно в ничто, откуда появилась, очень быстро.
Это как брать кредит в банке. В конце концов вам приходится его возвращать. И чем больше вы занимаете, тем лучше побыстрее вам его вернуть.
Если Вселенная решает извергнуть чуточку энергии, ничего страшного, при условии, что она быстро возвращается в ткань пространства. Если это происходит достаточно быстро, все законы природы сохраняются.
Но, если это происходит около горизонта событий черной дыры, ситуация становится щекотливой. Силы тяготения черной дыры могут фрагментировать этот пучок энергии, создавая материю. В большой Вселенной такое происходит постоянно: гамма-лучи — вид энергии (излучение) — могут преобразоваться в материю, если столкнутся друг с другом или будут взаимодействовать с материей. Так как во всем должен сохраняться баланс, создаются две частицы: одна — нормальной материи, например старый добрый электрон, а вторая — антиматерии. Антиматерия — это в точности как материя, но с противоположным зарядом, поэтому антиэлектрон (называемый позитроном) имеет положительный заряд. Это уравновешивает отрицательный заряд электрона, и в космических бухгалтерских книгах сохраняется баланс.
Но, если такое происходит на самой границе горизонта событий, может получиться так, что одна частица провалится, а вторая останется на свободе. Она может улететь, и далекому наблюдателю покажется, будто бы черная дыра испустила частицу. Этот баланс масс (или, что то же самое, энергии) нужно восстановить, и это происходит за счет массы черной дыры. По сути, черная дыра потеряла крошечное количество массы.
Можно представить это и по-другому, используя приливную силу. Около горизонта событий черной дыры появляются частицы — хоп! Приливная сила от черной дыры растаскивает две частицы в разные стороны. Одна проваливается, вторая вырывается. Для разделения частиц требуется энергия, которую нужно откуда-то взять. Она берется из самой черной дыры — помните, энергия и масса эквивалентны, поэтому, когда такое происходит, черная дыра теряет крошечный кусочек материи.
Это очень медленный процесс, и он зависит от массы черной дыры. Чем меньше масса черной дыры, тем меньше горизонт событий и тем легче такому процессу произойти (или точно так же, чем меньше масса, тем сильнее приливы вблизи горизонта событий). Так как черная дыра излучает массу и энергию, весь этот процесс выглядит так, как если бы у черной дыры была температура — она теплая и излучает энергию, чтобы остыть. Чем меньше черная дыра, тем выше температура, так как она быстрее теряет массу и энергию. Это, в свою очередь, означает, что массивные черные дыры проживут дольше, чем дыры меньших размеров, так как они излучают свою массу медленней. Черная дыра звездной массы будет иметь температуру всего примерно 60 миллиардных долей градуса!
Но черные дыры меньших размеров, быстрее испускающие частицы, будут «горячее». Температура теряющей массу дыры растет, и это означает, что она излучает материю еще быстрее... это неуправляемый, постоянно разгоняющийся процесс. Как только дыра приблизится к определенной массе, примерно 1000 т, она испускает всю остающуюся энергию менее чем за секунду. Бум! Получается взрыв. Мощный взрыв: энергия и материя вырвались бы из черной дыры эквивалентно 1 млн ядерных бомб мощностью в 1 Мт.
Черная мини-дыра, образовавшаяся при зарождении Вселенной, с массой примерно миллиард тонн, сейчас была бы как раз на этом этапе. Любая дыра с меньшей массой уже давным-давно бы испарилась, а более массивные были бы по-прежнему стабильны. Черная дыра звездной массы может жить-поживать в течение невероятно долгого времени, прежде чем начнет волноваться про испарение; прогнозируемая продолжительность жизни такой дыры более 1060 лет, что гораздо, гораздо больше, чем нынешний возраст Вселенной (но см. главу 9, где описано, что происходит, когда этот срок в конце концов наступает).
Никаких взрывов квантовых черных дыр никогда не наблюдалось (хотя в течение определенного времени выдвигались предположения, что это может объяснить всплески гамма-излучения), но даже то количество энергии было бы сложно зарегистрировать на расстоянии многих световых лет. Могут ли квантовые черные дыры бродить по Галактике? Что бы произошло, если бы одна из них подошла слишком близко? Была бы она так же опасна, как и черная дыра звездной массы?
Представьте, что к Земле направляется черная дыра массой 10 млрд т — это примерная масса небольшой горы. Она слишком мала, чтобы ее можно было обнаружить по искажению звезд на заднем плане — она меньше одной триллионной сантиметра в поперечнике, меньше, чем атом. Ее сил тяготения было бы недостаточно, чтобы повлиять на планеты, Луну или Землю, которые гораздо, гораздо массивней. Однако мы бы заметили ее достаточно заблаговременно: благодаря излучению Хокинга она бы неистово горела с температурой в миллиарды градусов! Оттого что она такая маленькая, она была бы тусклее, чем самая тусклая звезда, видимая невооруженным глазом, но такие спутники, как обсерватория NASA Swift, могли бы зарегистрировать при ее приближении излучаемые ею гамма-лучи.
Наконец, она погружается в нашу атмосферу. При падении сквозь воздух она не затянула бы в себя много вещества; притяжение черной дыры массой 10 млрд т едва бы ощущалось, даже на расстоянии нескольких метров. Но ближе, на расстоянии меньше пары сантиметров, ее силы тяготения были бы в сотни раз больше земных. Она бы засосала весь воздух, находящийся от нее на таком расстоянии. Этот воздух мог бы образовать небольшой и временный аккреционный диск, но при обычных скоростях столкновения, составляющих несколько километров в секунду, для этого вряд ли было бы время до того, как она уйдет под поверхность Земли.
Для такой черной дыры твердая материя Земли — все равно что хороший вакуум. Так как она гораздо меньше атома, она прошла бы прямиком сквозь Землю, а на сверхзвуковых скоростях у нее было бы мало шансов поглотить много материи. Наверняка она двигалась бы быстрее, чем вторая космическая скорость для Земли, поэтому пронеслась бы прямо сквозь нас, став, возможно, лишь самую чуточку тяжелее, после чего полетела бы весело по своим делам.
Впрочем, это не очень опасно. И не очень интересно. Давайте-ка возьмем ту, что побольше.
Предположим, вместо этой у нас будет черная дыра с массой, равной массе самой Земли, и в результате серии незадачливых обстоятельств, она направляется прямиком к нам. Более того, чтобы уж точно получить интересные результаты, давайте также предположим, что она движется очень медленно относительно Земли, всего несколько километров в секунду. Это весьма маловероятно — можно сказать, что такого, возможно, не произошло бы ни разу, даже если бы Вселенная была в тысячу раз старше, — так что это просто предположение из серии «а что, если», и вам не стоит из-за этого всю ночь не смыкать глаз.
Создать условия для такого медленного сближения было бы сложно, но не невозможно. Например, если бы первичная черная дыра двигалась достаточно медленно для начала и по дороге завернула бы к одной-двум планетам и к Луне, ее орбита могла бы измениться настолько, что она смогла бы столкнуться с Землей, вместо того чтобы уйти в космос. Это был бы красивый гравитационный танец и менее вероятный, чем, скажем, забить все шары в лузы с начального удара десять раз подряд при игре в пул. Но мы хотим побольше действия, поэтому посмотрим, что это нам даст.
Ситуация была бы... интересной. Прежде всего, мы бы никогда не обнаружили ее приближение непосредственно. Излучение Хокинга от нее было бы очень слабым; ее температура была бы такой же, что и у окружающего космического пространства, значительно ниже нуля, поэтому она не излучала бы никакого заметного света. Однако мы бы заметили ее по косвенным признакам. По мере ее приближения мы бы ощущали огромные приливные силы. Черная дыра очень маленькая, примерно 1 см в поперечнике, размером со стеклянный шарик, но имеет массу, равную массе всей Земли. Помните, что на большом расстоянии ее силы тяготения такие же, как и у Земли. Луна пострадала бы очень серьезно; вероятнее всего, ее с силой выбросило бы с орбиты вокруг Земли. Если бы все сложилось определенным образом, возможно, скорость движения Луны относительно Земли замедлилась бы настолько, что она рухнула бы на нас как гигантский камень, которым она и является. В этом случае черная дыра была бы наименьшей из наших забот. От выделенной при ударе энергии поверхность Земли испарилась бы и все живые существа на ней, вплоть до основания земной коры, погибли бы.
Несмотря на то что это довольно апокалиптическая картина, мы хотим, чтобы в этом фантастическом сценарии поучаствовала черная дыра, поэтому давайте предположим, что Луну выбрасывает. Что произойдет при приближении черной дыры к Земле?
Когда она все еще на расстоянии 384 000 км, как от Земли до Луны, ее приливы были бы огромными, в 80 раз сильнее приливов Луны. По мере ее приближения приливная сила растет, вызывая землетрясения и наводнения.
В конце концов черная дыра падает в нашу атмосферу. В тот момент, когда она находится, скажем, на высоте 160 км от поверхности Земли, разрушения были бы невообразимые. Одно только притяжение было бы грандиозным: вы бы ощущали силу, тянущую вас кверху, к черной дыре, в 1600 раз сильнее, чем притяжение Земли! Любой, оказавшийся в пределах видимости приближающейся черной дыры, был бы поднят на воздух и унесен, как листок потоком торнадо.
Проходя сквозь нашу атмосферу, она засасывала бы довольно много газа, возможно создавая аккреционный диск и излучая высокоэнергетические лучи. Возникла бы мощная ударная волна, как при ядерном взрыве, которая вызвала бы разнообразные разрушения — если бы к тому моменту еще оставалось что разрушать.
Когда черной дыре остается меньше 2 км до земли, любой, кто мог бы еще стоять (на самом деле таких уже не осталось бы), почувствовал бы как приливная сила, в 40 000 раз превосходящая притяжение Земли, пытается разорвать его на части. Спагеттификация была бы неизбежна. Все на поверхности Земли было бы буквально разорвано на клочки.
Когда через мгновение черная дыра достигает твердой поверхности, скорость захвата вещества возросла бы, значительно нагревая его. Возможно, достаточно энергии выделилось бы очень быстро, и это было бы похоже на взрыв... но в тот момент такой вариант развития событий довольно спорный.
Для невероятно плотной черной дыры Земля, по сути, представляет собой вакуум. Она бы прошла более или менее свободно сквозь нашу планету. При этом ее яростные приливы разорвали бы поверхность Земли, разрушая все за собой.
В каком-то смысле, это очень плохо. Мы бы пропустили реально страшную часть.
Черная дыра настолько плотная, что она, по сути, обращалась бы вокруг центра Земли внутри самой Земли. Когда она проходила бы сквозь вещество Земли, даже микроскопический кусочек породы, если бы он находился слишком близко к черной дыре, ощущал бы невероятную разницу в притяжении, которая легко могла бы равняться миллионам раз. Такая приливная сила разрывала бы породу на куски, невероятно нагревая и испаряя ее. Поэтому черная дыра внутри Земли была бы окружена сферой колоссально горячего и невероятно сжатого газа, как тот, что находится в ядре Солнца. В центре этого облака черная дыра жадно пожирала бы материю. Она прожигала бы свой путь сквозь Землю, как паяльная лампа, нагревая вещество вокруг себя и пожирая его.
Несмотря на то что черная дыра маленькая, это гало из испарившегося вещества достаточно большое, и оно бы терлось о твердые или жидкие породы, окружающие его. Это трение тормозит черную дыру, и со временем она замедляет свое движение сквозь Землю. Она бы двигалась по спирали, спускаясь к центру Земли. Там благодаря давлению от окружающей ее материи, она имела бы постоянный источник пищи... и со временем сожрала бы Землю.
Целиком.
Ничего бы не осталось... кроме черной дыры.
К тому времени нас бы уже давно не было, разумеется. Но для стороннего наблюдателя, находящегося не на планете, эти последние несколько моментов — всего через несколько десятилетий после того, как черная дыра впервые приблизилась к Земле, — были бы невероятно зрелищными. Скукожившаяся и искореженная планета была бы всего несколько метров в поперечнике и раскалена добела. Наконец, за одну миллисекунду последний ее кусочек упал бы в аккреционный диск черной дыры. Разогретые до миллионов градусов остатки того, что когда-то было нашей планетой, поглотив колоссальную энергию, излучаемую в районе горизонта событий черной дыры, вероятно, взорвались бы. А после того, как обломки рассеялись, от нашей планеты ничего бы уже не осталось, лишь черная дыра, ставшая после еды чуть потолще, примерно 2,5 см в диаметре, спокойно вращающаяся вокруг Солнца.
Человеческая дыра
Несмотря на то что эти последние сценарии уж точно апокалиптические — они первые, рассмотренные нами, в которых Земля буквально разрушается, — они также наименее вероятные из всех. Мы даже не знаем, существуют ли первичные черные дыры, а если существуют, то сколько их. Даже если они существуют, и в огромных количествах, шансы на то, что одна из них подойдет достаточно близко к Земле, невероятно малы. Хотя мы вполне уверены в том, что в Галактике таятся черные дыры звездной массы, шансы на то, что одна из них подойдет слишком близко и испортит нам день, также микроскопические. Космос огромен, а Земля крошечная, поэтому мимо нас легко проскочить. Сам факт, что Земля просуществовала 4,6 млрд лет, служит тому надежным доказательством.
Но что, если одна из них возникнет не в глубинах космоса? Что если одна из них появится прямо здесь, на Земле?
Новое поколение коллайдеров — которые раньше называли ускорителями частиц — может вбивать субатомные частицы друг в друга так сильно, что теоретически они могут создать невероятно крошечные черные мини-дыры. Несколько лет назад эти новости попали в заголовки некоторых изданий, когда было объявлено, что релятивистский коллайдер тяжелых ионов (RHIC) в Нью-Йорке способен именно на такое. Сожрет ли Землю искусственно созданная черная дыра?
Многие газетные статьи предсказывали, что это вполне вероятно, однако существуют две причины, согласно которым это невозможно и никогда не произойдет. Первая — это то, что, как мы уже убедились, крошечные черные дыры очень быстро испарятся за счет излучения Хокинга. Черная дыра, возникшая при таких столкновениях, которые выполняются в RHIC, просуществовала бы самую крошечную долю секунды. У таких дыр не было бы никакого шанса поглотить какую-либо массу до испарения (а их собственная масса была бы настолько мала, что взрыв был бы также совершенно крошечным).
Вторая причина — энергии, генерирующиеся в RHIC, в действительности гораздо меньше, чем те, что возникают в верхних слоях атмосферы Земли миллиарды раз в день! Космические лучи — субатомные частицы, разогнанные до дьявольских энергий во взрывах сверхновой, — постоянно врываются в воздух при гораздо больших энергиях, чем те, что мы можем рассчитывать создать на Земле. Этих энергий более чем достаточно для того, чтобы сформировать крошечные черные дыры, однако такого не происходит. За миллиарды лет, в течение которых эти частицы проливались на нас дождем, Землю ни разу не пожирала появившаяся при этом черная дыра.
Газеты, журналы и телевидение любят раздувать такие истории, потому что знают, что они продаются. Но, когда вы обратитесь к настоящей науке, вы увидите, что нам совершенно не грозит быть проглоченными черной дырой, созданной природой или нашими собственными руками.
И это вся правда.
