Судьба черных дыр

Жизнь черных дыр — это краткий период роста и длительное испарение. Наши далекие предки смогут увидеть ослепительное превращение центра нашей Галактики в квазар и слияние сверхмассивных черных дыр нашего Млечного Пути и галактики Андромеды. Постепенно черные дыры достигнут максимального размера, а новые образовываться не будут. Жизнь, возможно, сумеет уцелеть во Вселенной даже в будущую эру тьмы, но окончательная победа сил диссипации и распада станет для нее серьезнейшей угрозой.

В настоящее время, однако, черные дыры дают нам возможность подвергнуть теорию гравитации решающей проверке. Стремление объединить квантовую теорию и общую теорию относительности привело к разработке гравитации многомерного пространственно-­временного континуума. Три привычных пространственных измерения служат лишь намеком на дополнительные скрытые измерения. Черные дыры должны быть включены в эту новую схему.

Новая эпоха изучения гравитации

Почему гравитация является такой слабой? Этот вопрос кажется абсурдным, особенно в дни, когда трудно встать с кровати, — тут следует вспомнить, как маленький магнит поднимает скрепку, побеждая увлекающую ее вниз силу притяжения всей Земли. Гравитация намного слабее трех других фундаментальных сил, попытка объяснить этот простой факт уводит нас через кроличью нору в скрытые измерения и множественные вселенные.

Как мы видели, физики уже допускали, что четыре фундаментальные силы могут проявляться как единая суперсила при достаточно высоких температурах или энергиях. Объединение двух из четырех сил наблюдалось в ускорителях частиц в 1970-е гг. и ознаменовалось присуждением нескольких Нобелевских премий. Следуя этим путем, ученые пришли к идее суперсимметрии. В обыденном мире частицы с полуцелыми спинами — такие, как электроны и кварки (класс фермионов), — не взаимодействуют с частицами с целым спином — например, фотонами и глюонами (класс бозонов). Для субатомных частиц спин является умозрительным математическим свой­ством, а не прямой аналогией вращения волчка или планеты. Фермионы и бозоны столь же чужды друг другу, как масло и вода. Суперсимметрия объединяет эти категории, предсказывая множество «теневых» частиц у каждого фермиона и бозона, причем утверждается, что все силы, кроме гравитации, сливаются в одну силу при чудовищной температуре — 1029 кельвинов. Теоретики дошли до суперсимметрии в погоне за мечтой о единстве, лежащем в основе великого множества различных субатомных частиц. Однако идея суперсимметрии была поставлена под сомнение, поскольку никаких признаков существования этих теневых частиц не наблюдалось даже в экспериментах в Большом адронном коллайдере.

Второе наступление на концепцию объединения сил началось в 1980-х гг. — посредством теории струн. Теория струн ловко обходит проблемы стандартной модели физики частиц, выдвигая гипотезу о том, что частицы не являются фундаментальными, а представляют собой режимы колебаний крохотных одномерных объектов, названных струнами. Увлечение теорией струн распространилось в сообществе физиков-­теоретиков как лесной пожар. Теория опирается на очень точную математику и естественным образом объединяет гравитацию с тремя другими силами. Однако после десяти с лишним лет интенсивных исследований многие физики разочаровались в ней. Ее математика очень сложна и часто не проверяема, требует наличия у пространственно-­временного континуума девяти измерений — на целых пять больше, чем нужно! В теории струн «скрытые» измерения реализуются лишь при невероятно высокой температуре — 1032 кельвинов или в невероятно маленьком масштабе — 10–35 м. Создавалось впечатление, что теория не проверяема.

Познакомимся с Лизой Рэндалл. В детстве она увлеклась математикой, поскольку любила точные ответы. Она была первой девушкой-­капитаном математической команды своей школы — Стайвесант, Нью-­Йорк — и одноклассницей видного теоретика струн Брайана Грина. В 18 лет она победила на конкурсе научных талантов памяти Вестингауза с проектом Гауссовых целых чисел. Получив докторскую степень в Гарварде, она перебралась на другой берег реки, в МТИ, где стала адъюнкт-­профессором и восходящей звездой теоретической физики.

Лизу Рэндалл увлекает не только математика, но и музыка. В мире не так много опер, на создание которых вдохновила теоретическая физика. Представителя этого научного направления может воодушевить даже идея оперы-буфф, например «Эйнштейн на пляже» Филипа Гласса. Лиза Рэндалл пополнила этот скудный репертуар. «Гипермузыкальный пролог: проективная опера в семи планах» была написана испанским композитором Гектором Паррой на ее либретто.

Чтобы понять, что побудило Лизу Рэндалл творчески подойти к гравитации, вернемся к запутанной проблеме сингулярностей. Согласно общей теории относительности, каждая черная дыра содержит сингулярность, где искривление пространственно-­временного континуума бесконечно. Оказавшись внутри черной дыры, уравнения Эйнштейна «садятся в лужу» и предсказывают нечто бессмысленное с точки зрения физики. Стивен Хокинг доказал, что сингулярности — обязательный элемент черной дыры, и эффект­но сформулировал проблему: общая теория относительности содержит зерна собственного разрушения.

Вариант выхода из тупика предлагает теория струн. Она возникла как следствие ряда проблем фундаментальной физики. Одна из проблем — объединение сил природы в одной схеме. «Гладкая» теория искривленного пространственно-­временного континуума не согласуется с «зернистой» теорией субатомных частиц. Поиск квантовой гравитации десятилетиями приводил Эйнштейна в замешательство. Кроме того, успешная в целом Стандартная модель физики частиц имеет недостаток. У электронов в этой модели — нулевой размер, следовательно, они должны иметь бесконечную плотность вещества и бесконечную плотность заряда — еще один пример сингулярностей, словно нарушающих законы физики. Мы пока не можем объяснить, почему существует так много элементарных частиц с разными массами, материя преобладает над антиматерией, а темная материя и темная энергия являются двумя главными составляющими Вселенной.

Рэндалл знала, что теория струн в ходе исследований 1990-х гг. привела к открытию многообразия бран. Брана — сокращение от «мембрана» — это тело меньшей размерности в многомерном пространстве. Представьте лист бумаги, являющийся двумерным объектом в трехмерном пространстве. Муравьи, ползающие по листу бумаги, могут перемещаться только в двух измерениях: они не подозревают о третьем. Возможно даже существование другого листа бумаги, по которому ползают муравьи, не знающие о параллельной «вселенной» рядом с ними в третьем измерении. Подобным образом наша Вселенная может быть браной, трехмерным островом в океане пространства большей размерности. К бране привязаны частицы, но не гравитация, поскольку, согласно общей теории относительности, гравитация должна существовать в полной геометрии пространства. Рэндалл увидела в этом возможность объяснения удивительной слабости гравитации.

Несколько лет Рэндалл отвергала концепцию дополнительных измерений, но участвовала в мозговых штурмах на тему бран в МТИ вместе с Раманом Сандрумом из Бостонского университета. Разработанный ими математический аппарат описывал пару вселенных, четырехмерные браны, слабо разделенные пятимерным пространством. Ученые обнаружили, что пространство между бранами деформировано, причем деформация может увеличивать и уменьшать тела или силы между бранами. Следовательно, гравитация может быть такой же сильной, как и другие силы одной браны, но если мы находимся в другой бране, то ощущаем гравитацию как чрезвычайно слабую (илл. 63). Затем Рэндалл и Сандрума ошеломила догадка: пятое измерение может быть бесконечным, и мы об этом не догадаемся. До этого момента физики принимали устоявшуюся точку зрения теории струн: считалось, что дополнительные измерения скручены так туго, что никакой эксперимент не позволит провести испытания. В теории Рэндалл и Сандрума они могут наблюдаться в экспериментах на ускорителях частиц.

Этот труд сделал их суперзвездами. Сандрум получил семь предложений работы. Результат превзошел все ожидания, особенно если вспомнить, какую тревогу вызывали у него эти идеи: «Это была умопомрачительная работа. У нас были причины для ужасных волнений. Всякий раз был отчетливый страх выставить себя полными дураками». Рэндалл стала первым «пожизненным» профессором теоретической физики в долгой истории Гарвардского университета, начала писать книги для массового читателя. Несколько больше хлопот доставляют регулярные приглашения выступить на тему женщин в науке. «Мне нравится решать простые проблемы, например, дополнительные измерения пространства, — невесело шутит она. — Все считают простой тему “женщины в науке”, но она намного сложнее».

Браны имеют непосредственное отношение к черным дырам. Как мы увидели в главе 1, Стромингер и Вафа с помощью теории струн воспроизвели энтропию и излучение черных дыр, выведенные Стивеном Хокингом из классической физики. Обернув браны вокруг тесно скрученных областей пространственно-­временного континуума, теоретики доказали, что могут вычислить массу и электрический заряд внутренней зоны черной дыры. Тот факт, что чистая математика, разработанная совершенно с другой целью, может использоваться для расчетов свой­ств «реальных объектов» — таких как черные дыры, был расценен как триумф теории струн.

Возможно, мы живем в трехмерном пузыре, плава­ющем в море мембран с пятью, шестью, семью или более измерениями. Все это многообразие сведено в одно целое, которое называется мультивселенной. Она отличается от мультивселенной, описанной в конце последней главы и основанной на других пространственно-­временных континуумах, которые могут следовать из квантовых вакуумных состояний, сосуществующих с Большим взрывом. Мультивселенная теории струн — это комплекс неведомых многомерных пространств, сосуществующих со Вселенной, в которой мы живем.

Более высокие измерения пока не были зарегистрированы ни в лабораторных экспериментах, ни на ускорителях частиц, и многие физики считают браны, как и струны, лишь хитроумными математическими построениями, мало связанными с реальностью. В некоторых кругах здоровый скептицизм превратился в резкое отторжение. Однако Рэндалл не теряет надежды. Гуру гравитации продолжает свою работу в неизведанных областях высшей математики. Пусть последнее слово останется не за физиком, а за лириком Э. Э. Каммингсом: «Слушайте, здесь по соседству есть чертовски хорошая вселенная, пойдемте!»

Квазар у нас под боком

Черные дыры — это эволюционные тупики. Для массивной звезды это итог существования: больше никакая энергия не вырабатывается — и гравитация побеждает. Сверхмассивные черные дыры в центрах галактик являются глубочайшими гравитационными колодцами в космосе. Они неуклонно растут и не могут голодать вечно. Мы заняли лучшие места в театре, где наблюдаем за эволюцией ближайшей массивной черной дыры — она находится в нашей собственной Галактике. Можно ли заглянуть в тот момент прошлого, когда Млечный Путь впервые засиял, и предсказать, когда он снова ярко засияет в будущем?

Лучший показатель активности — рентгеновское излучение, поскольку оно проходит сквозь газ и пыль диска Галактики, тогда как оптическое излучение поглощается и рассеивается. В течение 20 лет наблюдений через рентгеновские телескопы объект Стрелец А* по большей части вел себя очень спокойно. Каждые несколько месяцев происходят вспышки, менее чем на час делающие его в 5–10 раз ярче.

Однако это лишь 20 лет наблюдений. Изменения питания черной дыры заметны только в масштабах времени, превышающих человеческую жизнь. Объединенные данные четырех спутников зарегистрировали рентгеновское «эхо» большой вспышки, произошедшей 300 лет назад. В тот момент Стрелец А* стал в миллион раз ярче, затем излучение отразилось от молекулярного облака, находящегося в нескольких сотнях световых лет от черной дыры, и пришло на Землю. Первоначальное излучение по большей части достигло Земли в начале XVIII в., когда не существовало рентгеновских телескопов для наблюдения за ним. Само событие произошло 27 000 лет назад, когда наши древние предки достигли северной Азии, впервые покинув Африку. В столь ярком событии, по всей видимости, участвовала черная дыра, поглотившая звезду.

Что можно сказать о еще больших масштабах времени? Можем ли мы узнать, что делала дремлющая ныне черная дыра в центре нашей Галактики миллионы лет назад? Да, и это решает проблему, связанную с балансом вещества Млечного Пути. Наша Галактика весит в триллион раз больше Солнца. Около 85% этой массы составляет темная материя — невидимая и таинственная субстанция, удерживающая все галактики вместе. На долю нормальной материи остается около 150 млрд солнечных масс. Когда астрономы сложили массу всех звезд, газа и пыли, то насчитали лишь половину этого количества. Потерянную материю они обнаружили с помощью рентгеновского телескопа — в форме горячего плотного тумана, пронизывающего Галактику. Они увидели «пузырь» малой плотности, выдающийся из центра Галактики на две трети расстояния до Земли. Они вычислили энергию, необходимую для опорожнения такого большого пузыря, и сделали вывод, что галактика Млечный Путь должна была в прошлом пройти фазу квазара. Ударная волна движется со скоростью 3,2 млн км/ч и достигнет нас примерно через 3 млн лет, так что для паники нет причин. Если отмотать назад 20 000 световых лет, мы поймем, что фаза квазара началась 6 млн назад, когда по Земле бродили ранние гоминиды. Хронология подтверждается наличием звезд возрастом 6 млн лет возле центра Галактики, вероятно, образовавшихся из вещества, падающего в черную дыру в течение еще более ранней фазы питания. Черная дыра Млечного Пути активно питалась 6 млн лет назад, затем извергла так много энергии и газа, что осталась без пищи и впала в спячку.

Что уготовило центру Галактики будущее? Сейчас он очень спокоен, но это не навсегда. Можно ожидать, что квазар у нас под боком зажигается каждые несколько сотен миллионов лет. Есть признаки того, что центр Галактики готовится к очередной активной фазе. Рентгеновские наблюдения принесли свидетельства наличия сонма из 20 000 черных дыр и нейтронных звезд в пределах трех световых лет от Стрельца А*. Это самая высокая концентрация остатков коллапсировавших звезд во всей Галактике. Они перемещаются к центру в течение нескольких миллиардов лет. Если вы наполните горшок одинаковыми шариками из черного мрамора и из дерева и встряхнете его, то мраморные шарики переместятся на дно, потому что они тяжелее. Аналогичным образом гравитационные взаимо­действия заставляют черные дыры стягиваться ближе к центру, в отличие от более многочисленных нормальных звезд.

Однако шансы того, что мы станем свидетелями возвращения активности квазара, чрезвычайно малы. Черная дыра в центре такой галактики, как Млечный Путь, имеет шанс стать ярче в миллиард раз в течение лишь 1% оставшегося срока жизни Солнца 5 млрд лет. В последний раз Млечный Путь был квазаром, когда шимпанзе и люди разошлись на эволюционном древе. Следующий раз, вероятно, произойдет через десятки миллионов лет в будущем.

Если наш биологический вид еще будет существовать, что он увидит? Воочию — ничего. Между нами и Стрельцом А* так много пыли, что почти весь видимый свет будет блокирован. Радиоджеты, невидимые для человеческого глаза, пересекут небо под прямым углом к Млечному Пути. Будет и высокоэнергетическое излучение, которое вызовет увеличение уровня мутаций. Если мы не спрячемся в стационарных убежищах, наша ДНК станет неуклонно разрушаться. Зато, если мы сумеем подняться на 100 световых лет над диском Галактики, то получим великолепный вид на сияющую черную дыру с ярким, как полная луна, аккреционным диском.

Слияние с Андромедой

Мы движемся встречным курсом с нашей ближайшей соседкой. До того как умрет Солнце, Млечный Путь и галактика Андромеды сблизятся, вступят во взаимодействие и сольются — последствия этого для Солнечной системы и ее обитателей непредсказуемы. Слияние черных дыр в центрах обеих галактик станет одним из самых зрелищных событий, какое только можно себе представить.

Уже 100 лет мы знаем, что М31, галактика Андромеды, приближается к нам со скоростью 120 км/с. В целом, галактики удаляются от нас вследствие расширения Вселенной, но Млечный Путь и галактика Андромеды находятся достаточно близко, и их обоюдная гравитация преодолевает расширение космоса. Измерения бокового движения галактики Андромеды, полученные космическим телескопом «Хаббл», показывают, что она направляется почти точно навстречу нам. По данным компьютерного моделирования, через 2 млрд лет галактики пройдут мимо друг друга. Пока они будут расходиться, их соединит едва различимый мост из звезд и газа. Сейчас галактика Андромеды — это слабое размытое пятнышко света, едва различимое невооруженным глазом. Через 4 млрд лет она будет грозно нависать в ночном небе над всеми, кто еще будет жить на Земле (илл. 64). Примерно через 4,5 млрд лет от настоящего времени галактики снова сблизятся, совершат несколько тесных оборотов и сольются. Пройдет еще миллиард лет, и они примут окончательную форму большой новой галактики — Млекомеды.

Название гипотетической новой галактике дал Ави Лёб из Гарвардского университета, разработавший вместе с постдоком из Гарварда Т. Дж. Коксом компьютерное моделирование слияния. Они играли с допущениями и начальными условиями, и каждый раз на моделирование уходило две недели работы машины, эквивалентной 20 самым продвинутым персональным компьютерам. Столкновение двух галактик не похоже на лобовой удар двух автомобилей. Галактики представляют собой по большей части пустое пространство, поэтому лишь немногие звезды действительно столкнутся. Если бы звезды были величиной с мяч для гольфа, то в той области, где находится Солнце, их разделяло бы пространство в 1000 км, и даже в центре Галактики межзвездный интервал составил бы 3–4 км. Гравитация сильно сместит звезды, но их планетные системы останутся нетронутыми, поэтому, когда нас столкнет с привычной орбиты в диске Млечного Пути, будущие земляне увидят новое ночное небо.

Что произойдет с Землей и Солнечной системой в галактической катастрофе? Имеется 10%-ная вероятность, что во время первого прохода галактик вблизи друг друга Солнце будет выброшено в приливной хвост. (Приливной хвост образуется, когда гравитация двух протяженных объектов возмущает и деформирует их.) Тогда мы сможем взглянуть на последующие события с высоты птичьего полета. Есть 3%-ный шанс, что галактика Андромеды «похитит» Солнце у Млечного Пути. Во втором и последнем сближении Солнце с вероятностью 50% сместится к плотной внутренней области Млекомеды или, что столь же вероятно, будет выброшено вовне, и нашим потомкам доведется издали наблюдать, как гравитация формирует правильную галактику из того, что получилось после столк­новения.

Однако все это — лишь разогрев перед выступлением. Гвоздем программы станет контакт черной дыры Млечного Пути в 4 млн солнечных масс и в 50 раз более массивной черной дыры галактики Андромеды. Черные дыры соединятся возле центра Млекомеды, они будут перемещаться внутрь, передавая энергию звездам на пути, причем некоторые из этих звезд будут вообще выброшены из Млекомеды. Это займет около 10 млн лет. Когда они сблизятся на расстояние одного светового года, то вой­дут в смертельную спираль и после мощного выплеска гравитационных волн сольются.

Слияние Млечного Пути и галактики Андромеды не будет чем-то необычным. Подобные события постоянно происходят во Вселенной. Частота слияний падает по мере расширения Вселенной, но все еще остается существенной. Не все слияния следуют схеме соединения черных дыр, зарегистрированной LIGO. Когда сливаются двой­ные черные дыры звездной массы с противоположными направлениями осевого вращения, гравитационные волны могут нести импульс такой силы, что соединяющаяся пара получит толчок «отдачи». Силы отдачи может хватить, чтобы выбросить вовне останки этого слияния. Такие галактики, как Млечный Путь, временами выкидывают черные дыры в межгалактическое пространство. После соединения двух галактик это может произойти и со сверхмассивными черными дырами. Какая удивительная картина: гигантские «голые» черные дыры плывут в космосе между галактиками со скоростью миллионы километров в час.

Обнаружено с полдесятка двой­ных систем сверхмассивных черных дыр. Из предыдущей главы мы узнали, что для регистрации их слияния был создан космический интерферометр LISA. Теоретические инструменты, необходимые для моделирования этих слияний, — недавняя разработка. Нам не придется ждать сигнала миллиарды лет, как в случае Млекомеды. Квазар PG 1302–102 находится от нас в 3,5 млрд световых лет. Он имеет двой­ную систему черных дыр на орбите с периодом пять лет, из чего следует, что черные дыры разделяет всего один световой месяц. Это значит, что смертельная спираль неизбежна (впрочем, это уже случилось 3,5 млрд лет назад — если учитывать время, в течение которого информация доходит до нас). Еще более многообещающей является пара черных дыр в 10 млрд световых лет отсюда, каждая из которых в несколько миллиардов раз массивнее Солнца. Судя по орбитальному периоду в полтора года, между ними — 6 радиусов Шварцшильда, следовательно, система уже близка к слиянию, которое вызовет гравитационные волны. На самом деле эти черные дыры слились миллиарды лет назад, но нам нужно подождать несколько тысячелетий, чтобы услышать их пространственно-­временную песню.

Самые большие черные дыры во Вселенной

Когда слышишь о сверхмассивных черных дырах, вспоминается Гаргантюа — это темная центральная система фильма «Интерстеллар». Гаргантюа — цель космических путешественников, надеющихся через кротовую нору совершить прыжок сквозь пространственно-­временной континуум. Она в 100 млн раз массивнее Солнца, имеет горизонт событий размером с орбиту Земли и вращается со скоростью в 99% световой. Как мы узнали, Гаргантюа — самое реалистичное изображение черной дыры в массовой культуре благодаря участию Кипа Торна, проследившего за тем, чтобы фильм удовлетворял требованиям науки и искусства.

Масса Гаргантюа в 25 раз больше, чем у черной дыры в центре Млечного Пути, но и она — малышка по сравнению с самыми массивными черными дырами. Слоуновский цифровой небесный обзор выявил в дальней вселенной десять черных дыр более 10 млрд солнечных масс. Они должны были очень быстро поглощать вещество, чтобы всего за 1,5 млрд лет увеличиться в миллион раз от своей начальной массы. Рядом с этими чудищами меркнет размер Солнечной системы (илл. 65). Рекордсменом является мощный радиоквазар с черной дырой в 40 млрд солнечных масс.

Астрономы обращаются с большими числами довольно бесцеремонно, но давайте остановимся и задумаемся о параметрах экстремальных черных дыр. Черная дыра в 40 млрд раз массивнее Солнца, имеет радиус Шварцшильда в 4 свето­вых дня, следовательно, ее горизонт событий в 20 раз больше Солнечной системы до орбиты Плутона и других карликовых планет. Черная дыра вращается со значительной частью скорости света. Если внешние планеты Солнечной сис­темы проходят орбиту за 250 лет, то этот намного более крупный объект совершает полный оборот за три месяца. В объем Солнечной системы втиснута масса маленькой галактики, но ее средняя плотность в 100 раз меньше, чем у воздуха, которым вы дышите. Черная дыра совершенно не излучает свет, но окружающий ее аккреционный диск ярко светится. Черная дыра такой массы в фазе активного квазара излучает в 100 трлн раз сильнее Солнца.

Что ждет самые массивные черные дыры во Вселенной? Галактики растут, поглощая газ из космического пространства, а также увеличиваются путем слияний. В обоих случаях источники скудеют. По мере увеличения Вселенной запасы газа истощаются, а галактики расходятся все дальше и сливаются реже. Масса всех звезд галактики коррелирует с массой ее центральной черной дыры — в диапазоне от черных дыр в 104–105 солнечных масс в шаровых скоплениях до черных дыр 106–107 солнечных масс в галактиках, подобных Млечному Пути, и далее до черных дыр в 1010 солнечных масс в эллиптических галактиках, совокупность звезд которых в триллион раз массивнее Солнца. Независимо от размера звездной системы центральная черная дыра составляет около 1% массы ее звезд и всего 0,1% массы галактики с учетом темной материи.

Я много лет пытался постичь жизнь и судьбу сверхмассивных черных дыр. Мы с моим студентом Джонатаном Трампом провели в общей сложности десятки ночей у 6,5-метровых телескопов в Аризоне и Чили. Благодаря современному оборудованию данные, которые когда-то приходилось копить всю жизнь, можно собрать за время, пока аспирант пишет диссертацию. В классической спектро­скопии свет одной активной галактики проходит через щель инструмента и раскладывается в спектр. В инструменте, которым мы пользовались в Чили, маленькие щели наводились на сотни объектов в области неба размером с полную Луну. Одна долгая выдержка — и у вас есть 100 объектов с массой черной дыры. Из этих данных мы надеялись воссоздать связную картину расцвета и упадка активности квазаров во Вселенной. Квазары находятся очень далеко, и неважно, в какую сторону направлен теле­скоп, но я предпочитаю южное небо. Млечный Путь, протянувшийся над головой, как рваная серебряная занавесь, выглядит великолепно, а дополнительные бонусы — это соседние с нами галактики, Магеллановы Облака, разбросанные, словно ватные шарики, по черному полотнищу. На улице было так темно, что под светом звезд можно было читать книгу.

Мы собрали статистические данные, охватывающие всю линию эволюции черных дыр в масштабах космического времени. Для этого нужно учесть все черные дыры, не только экстремальные. Я избавился от юношеской одержимости блазарами и теперь хотел узнать, от чего зависит все население активных галактик. По аналогии, если вы заинтересуетесь составом автопарка, то насчитаете намного больше фордов и тойот, чем машин марки «Феррари» и «Астон-­Мартин». Большой загадкой являлось то, что черные дыры активны лишь малую часть времени. Вторая тайна — тесная взаимосвязь между массой черной дыры в центре галактики и массой всех старых звезд в той же галактике, разбросанных на масштабные расстояния. Кажется, черная дыра «знает», в какой галактике живет.

По нашим данным, самые большие черные дыры быстро росли первые несколько миллиардов лет после Большого взрыва, а затем у них кончилось топливо. Более многочисленные черные дыры меньшей массы росли медленнее, но в последние 5 млрд лет тоже в большинстве своем успокоились. Пик эры квазаров давно миновал, но черные дыры не исчезли, и можно предположить, что они «голодают», поскольку со временем их питание урезается. Это звучит разумно, так как расширяющаяся Вселенная становится менее плотной и частота слияний галактик снижается. Однако невозможно предсказать для каждой эпохи космического времени и конкретной массы галактики, какая черная дыра будет активной, а какая — спокойной. Столь же трудно предсказать будущее квазаров.

Мы превратили исследование в игру, разложив на столе карточки с описаниями квазаров, как филателисты. Некоторые квазары были яркими — не потому ли, что имели галактику-­компаньона, которой кормятся? В отдельных случаях, но не всегда. Не потому ли некоторые из них тусклые, что живут в галактике, бедной газом? Необязательно. Мы не могли найти фактор, который запускал бы ядерную активность. Композиция нашей картины была логичной, но отдельные ее фрагменты были окрашены случайным образом.

Природа изобретательна: она создает черные дыры, массы которых различаются в миллиард раз (илл. 66). В ходе нашей работы мы ни разу не нашли черную дыру, превышающую 10 млрд солнечных масс. Что даже слегка удручает: я всегда мечтал упомянуть о таком открытии в своем резюме. Предсказания теоретиков устанавливают предел массы черной дыры в десять раз больше, около 1011 солнечных. На этом уровне становится важна физика процесса аккреции, независимо от массы родительской галактики. По-видимому, это естественный предел для черных дыр. Чтобы стать еще больше, черная дыра должна поглощать 1000 солнечных масс в год, а такое количество газа коллапсировало бы в новые звезды на пространстве в сотни световых лет, не успев достигнуть черной дыры. Кроме того, в черных дырах запускаются процессы саморегуляции. Испускаемое вовне излучение отталкивает поступающий газ и препятствует дальнейшему питанию. Раздувшееся чудовище жаждет пищи, но в доступных пределах ничего нет.

Эра звездных остатков

Хотя массивные черные дыры в центрах галактик приближаются к естественному пределу, смерть массивных звезд по-прежнему формирует новые черные дыры малой массы. Звездная эволюция — это битва между силами света и тьмы: энергия термоядерного синтеза поддерживает распухание звезды, а гравитация пытается заставить ее сжаться. Как мы видели, в Солнце эти силы будут в равновесии следу­ющие 5 млрд лет, затем гравитация победит и сожмет ядро в белый карлик. Массивные звезды эволюционируют быстрее, и после победы гравитации от них остаются нейтронные звезды или черные дыры.

Вселенная катится во тьму. Первые звезды образовались примерно через 100 млн лет после Большого взрыва, когда Вселенная была в 30 раз меньше и горячее, чем сейчас. Пик строительства галактик и формирования звезд про­изошел примерно через 3 млрд лет после Большого взрыва, и с тех пор наблюдается спад. Уровень формирования звезд в настоящее время составляет от 30 до 40% от пикового, и спад продолжится, поскольку новым звездам доступно все меньше газа. Даже если мы будем ждать вечно, количество новых звезд оставит всего 5% от числа возникших на данный момент. Это средние показатели: в любую эпоху в более массивных и богатых газом галактиках темпы формирования звезд выше, чем в менее массивных и бедных газом. Уменьшение количества доступного газа будет долгое время компенсироваться звездами, которые в конце жизни выбрасывают часть своей массы или гибнут как сверхновые.

Наряду со снижением темпов звездообразования все большая доля звездной массы всех галактик будет находиться в состоянии коллапсировавших остатков. Когда формирование звезд полностью завершится и возникнет последняя черная дыра примерно через 100 трлн лет от нынешнего времени, — гравитация одержит окончательную победу. Так совпало, что это ожидаемая продолжительность жизни красных карликов наименьшей массы — холодных звезд лишь чуть массивнее порогового значения, что позволяет поддерживать термоядерный синтез: 0,08 солнечных масс. Временной размах впечатляет. Мы пока находимся в самой ранней фазе жизни Вселенной, озаренной звездами, — в масштабах человеческой жизни это возраст младенца недели от роду.

В отдаленном будущем, по окончании звездной эры, 400 млрд звезд Млекомеды поровну разделятся на белые и коричневые карлики, дополненные малочисленным населением нейтронных и черных дыр. Звезды более 0,08 и менее 8 солнечных масс коллапсируют приблизительно до размеров Земли и излучат оставшуюся энергию в космос, став белыми карликами. Несостоявшиеся звезды — от 0,01 до 0,08 солнечных масс (10–80 масс Юпитера) — коллапсируют в коричневые карлики, возможно, синтезирующие гелий из дейтерия в минимальных объемах. Нейтронные звезды составят 0,3% всех звездных остатков Млекомеды, а черные дыры буду равны ничтожным 0,03%.

По прошествии необозримого времени белые и коричневые карлики настолько остынут, что их излучение сместится в невидимые инфракрасные частоты. Какое-то время черные дыры в двой­ных системах будут ярко сиять благодаря газу, оттягиваемому у компаньонов, но постепенно и компаньоны станут звездными остатками, и газовый источник истощится. Галактики постепенно погрузятся во тьму.

Будущее испарение и распад

Описанное нами отдаленное будущее ждет не только Млекомеду, но и каждую из сотен миллиардов галактик наблюдаемой Вселенной. На их звезды действуют те же законы астрофизики, что и на звезды в нашей системе. Однако наши потомки не смогут увидеть, как погаснут все другие галактики. Причина — в темной энергии.

Темная энергия — главная тайна космологии. В 1995 г. астрономы обнаружили, что расширение Вселенной ускоряется из-за неизвестной силы, противодействующей силе гравитации, которая должна была бы замедлять этот процесс. Космический «пирог» состоит на 25% из темной материи, на 70% из темной энергии и на 5% из нормальной материи. На большие и маленькие черные дыры приходится до 0,005% Вселенной, так что это очень малозначительный компонент. Из-за темной энергии наблюдаемые сейчас галактики постепенно исчезнут из виду, поскольку будут удаляться прочь быстрее скорости света. Через 100 млрд лет, что в десять раз больше нынешнего возраста Вселенной, все галактики, кроме Млекомеды, покинут наш горизонт событий. Нам останется, образно выражаясь, смотреть на собственный пупок. Конец звездной эры и последу­ющие события можно будет наблюдать только в Галактике, в которой мы обитаем.

После того как Млекомеда станет темной, ее ждет испарение и распад. Со временем звезды галактики начнут обмениваться энергией: более легкие станут получать энергию, а более тяжелые — терять. Вспомните сравнение с горшком, заполненным мраморными и деревянными шариками одинакового размера: если его встряхнуть, мраморные шарики перемещаются на дно. Некоторые звезды получат достаточно энергии, чтобы покинуть Млекомеду, и галактика станет меньше и плотнее. При этом частота взаимодействий между звездами увеличится и процесс ускорится. В то же время разрушение звездных орбит вследствие излучения гравитационных волн заставит звезды переместиться внутрь галактики. Примерно через 1019 лет 90% звездных остатков будет извергнуто. Млекомеда испарится, последние 10% остатков упадут в сверхмассивную черную дыру. После слияния Млечного Пути с Андромедой центральная черная дыра будет приблизительно в 200 млн раз массивнее Солнца. Постепенно она дорастет до 10 млрд солнечных масс. Если бы теперешний возраст Вселенной составлял первую неделю вашей жизни, вам нужно было бы прожить еще 10 млн лет, чтобы увидеть, как все это случится.

Еще более отдаленное будущее туманно, остаются только догадки. Физики выходят за рамки Стандартной модели физики частиц, чтобы объяснить, почему во Вселенной намного больше материи, чем антиматерии, и попытаться объединить электромагнитную силу со слабым и сильным ядерными взаимодействиями. Эти модели называются теориями Великого объединения (Grand Unified Theories, GUT), и многие предсказывают распад протона. Если протоны распадаются, нормальная материя теряет стабильность. Эта форма распада никогда не наблюдалась, и на сегодня время жизни протона при наличии распада оценивается в 1034 лет, что исключает некоторые, но не все, теории Великого объединения. Если распад протона существует, то все остатки звезд, кроме черных дыр, развалятся на электроны, нейтрино и фотоны.

Окончательное исчезновение Вселенной займет невероятно много времени. Если предположить, что нормальная материя распадется, то останутся только черные дыры — звездной массы и сверхмассивные. Стивен Хокинг предсказал, что черные дыры испускают небольшое количество низкоэнергетического излучения, из-за чего медленно испаряются. Важно понимать, что это умозрительная конструкция, поскольку излучение Хокинга никогда не наблюдалось и не имеется технологии наблюдения. Процесс испарения остатков массивной звезды занимает 1076 лет. Сверхмассивная черная дыра в центре Млекомеды испарится за 10100 лет. Никакие сравнения с повседневностью и близко не могут передать этой бездны времени, почти вечности. Однако и это лишь промежуточная станция на пути к окончательной тепловой смерти Вселенной (илл. 67).

«Все рушится, ничто не устоит, над миром всем анархия царит», — писал Уильям Батлер Йейтс в 1919 г. Он говорил о Первой мировой вой­не, но то же можно отнести и к предчувствию конца Вселенной. Научный контекст такого исхода — второй закон термодинамики, описыва­ющий универсальную тенденцию к увеличению энтропии и хаоса. Артур Эддингтон подтвердил общую теорию относительности, но не поверил в предсказание существования черных дыр. Однако он однозначно высказался о неизбежности тепловой смерти Вселенной: «Закон, согласно которому энтропия всегда возрастает, занимает, я полагаю, главенствующее положение среди законов Природы. Если кто-то скажет, что ваша излюбленная теория находится в противоречии с уравнениями Максвелла — что ж, тем хуже для уравнений Максвелла. Если обнаружится, что она противоречит наблюдениям — что ж, экспериментаторы иногда халтурят. Но если окажется, что ваша тео­рия нарушает второй закон термодинамики, надеяться вам не на что; ей не остается ничего другого, кроме как провалиться в ничтожество и забвение».

Черные дыры — загадка, и то, что именно они станут последними объектами во время конца Вселенной, — вполне закономерно.

Жизнь среди черных дыр

Наше повествование стало темным и мрачным, но не будем забывать, что Вселенная создана для жизни. Хотя астрономы еще не нашли следов биологической жизни за пределами Земли, они полны оптимизма. Потенциально обита­емые места Солнечной системы есть на Марсе, Европе и Титане, а также на десятках лун планет-­гигантов, где под панцирем из камня и льда течет вода. В 1995 г., после десятилетий безуспешных поисков, была открыта первая экзо­планета, то есть планета, обращающаяся вокруг другой звезды. С тех пор словно открылись шлюзы, и нынешний список подтвержденных экзопланет включает больше 3700 позиций. Первые экзопланеты были найдены методом Доплера, суть которого состоит в выявлении притяжения, действующего со стороны планеты на родительскую звезду; впоследствии почти все открытия совершались транзитным методом — во время затмения экзопланета на мгновение делает родительскую звезду более тусклой.

В Млечном Пути находится громадное количество — 10 млрд — землеподобных планет с условиями на поверхности, пригодными для наличия жидкой воды. Многие из 100 млрд звезд Млечного Пути имеют землеподобные планеты. Если для жизни нужны только углеродный материал, жидкая вода и местный источник энергии, то найдется еще несколько сотен миллионов пригодных для обитания мест на менее гостеприимных спутниках и планетах. Время — другой постоянный актив, столь же ценный, что и пространство. Во Вселенной было достаточно углерода для формирования «клона» Земли в пределах миллиарда лет после Большого взрыва, поэтому некоторые земле­подобные планеты имели перед Землей эволюционную фору в 8 млрд лет. Мы просто слишком несведущи и не можем вообразить все формы биологической жизни, которые могли развиться в этих бесчисленных мирах.

Поскольку мы не знаем о существовании жизни даже в одном ином мире, возможно, задумываться о перспективах жизни в далеком будущем — это самонадеянно, но мы ­все-таки попробуем.

Жизни не нужна звезда. Все, что ей нужно, — источник энергии. Согласно второму закону термодинамики, биологические формы нуждаются в разнице температур, создающей пригодный для использования источник энергии. Земля поглощает фотоны Солнца с температурой 6000 кельвинов и излучает в небо в 20 раз больше фотонов с температурой 300 кельвинов. В биологических организмах протекают сложные процессы, локально снижающие энтропию — или хаос, но эти организмы излучают тепло или тратят энергию, которая со временем излучается в космос. Энергетический аргумент применим даже к искусственной (искусственный интеллект), небиологической жизни, поскольку любая обработка информации требует энергии в той или иной форме.

Когда звезды Вселенной исчерпают ядерное топливо, гипотетическая цивилизация далекого будущего все еще сможет использовать разницу температур между последними остывающими угольками — белыми и коричневыми карликами — и глубоким космосом. Физик Фримен Дайсон размышлял о будущем жизни и пришел к такому выводу: биологические организмы могут выжить в эру снижения энергопотока, впадая в спячку на все более долгие промежутки времени. Так можно протянуть около 10 млрд лет, но что будет, когда все звезды окончательно погаснут?

Спасением станут черные дыры. Теоретически энергию можно извлекать из вращения черной дыры. Сразу за горизонтом событий имеется область, которая называется эрго­сферой. Это слово происходит от греческого «работа» и было предложено, что и неудивительно, Джоном Уилером. Эрго­сфера увлекается вращающейся черной дырой, как вода водо­воротом, и на полюсах черной дыры она тоньше — представьте себе вращающийся воздушный шарик, наполненный водой: из-за вращения образуется выпуклость на экваторе. Роджер Пенроуз в 1969 г. предположил, что из эргосферы можно получать энергию. При правильной траектории тело сумеет проникнуть в эргосферу и покинуть ее с большей энергией, чем на входе. В результате вращение черной дыры только слегка замедлится. Цивилизация, проведя тщательные расчеты, сможет бросать объекты в черную дыру и получать дополнительную энергию, которую объекты обретут, будучи выброшенными обратно.

Другая здравая идея — поменять температуры местами и получить холодную звезду и горячее небо. Черные дыры в сегодняшней Вселенной часто бывают яркими, потому что вещество, падая в них, образует горячий аккреционный диск. Однако в далеком будущем газ уже будет поглощен, и черные дыры станут холодными и темными, за исключением слабенькой «мороси» излучения Хокинга с температурой в долю градуса. По сравнению с этим Вселенная является «комфортно теплой» — ее температура 2,7 кельвина обеспечивается остаточным излучением Большого взрыва, но будет снижаться по мере дальнейшего расширения Вселенной. Теоретики рассчитали, что землеподобная планета на орбите черной дыры — достаточно близкой, чтобы та казалась такого же размера, что и Солнце на нашем небе, — могла бы выиграть около киловатта на разнице температур. Возможно, этого хватит для миниатюрной или очень эффективной цивилизации (илл. 68).

Аналогичная стратегия была использована в фильме «Интер­стеллар», в котором мир под названием планета Миллер находился вблизи массивной вращающейся черной дыры Гаргантюа. Гравитация настолько замедляет время, что один час на планете равен семи годам во внешнем мире. В теории обитатели планеты Миллер могли бы добывать 130 ГВт энергии, но то, что люди способны там жить, — смелое кинематографическое допущение. Такая огромная энергия разогреет планету до 900 °C — достаточно, чтобы расплавить металл.

Проблемой использования черных дыр для получения энергии излучения Большого взрыва является скорость расширения космического пространства. Температура этого излучения сейчас составляет 2,7 кельвина, но, поскольку темная энергия вызывает экспоненциальный рост Вселенной, фотоны излучения растягиваются вследствие ее расширения, длина их волны становится очень большой, а их энергия очень малой. Через 100 млрд лет температура излучения Большого взрыва будет равна крохотной доле градуса.

Цивилизациям придется менять стратегии. Излучение Хокинга у черной дыры минимальной массы, составля­ющей три солнечные, имеет температуру 2 × 10–8 кельвинов и светимость 10–29 Вт. Оно совсем слабое, но, кроме энергии вращения черной дыры, оно будет единственным источником энергии до тех пор, пока черные дыры не испарятся — через 1076 лет. Чтобы собрать все это излучение, цивилизация должна будет окружить черную дыру разновидностью сферы, которую, по мнению Фримена Дайсона, могут использовать разумные инопланетяне. Затем внимание будет обращено на сверхмассивную черную дыру в центре Млекомеды. При температуре 6×10–18 кельвинов и светимости 10–48 Вт она станет угасающим костром, у которого можно будет погреть руки. Жизнь в далеком будущем потребует экономии и терпения, но, пока не испарится последняя черная дыра — что случится через 10100 лет, — единственным недефицитным ресурсом во Вселенной будет время.

В своих исследованиях я лишь бросил беглый взгляд на черные дыры. Они огромны и непостижимы, видны через безбрежные пространства, разделяющие нас с далекими галактиками. Моя жизнь коротка в сравнении с их жизнью. Сколько они просуществуют? Моргните. Вы могли бы сделать это миллиард миллиардов раз с момента Большого взрыва. Время, за которое большинство массивных черных дыр исчезнет, относится к возрасту Вселенной так, как возраст Вселенной относится к продолжительности моргания глаза. И так еще три раза, пока не пройдет 10100 лет.

Это непостижимая бездна времени. Английское слово clock («часы») — старинное слово. Оно происходит от слова из среднеанглийского языка, обозначающего колокольчик, и напоминает о временах, когда у часов не было ни стрелок, ни цифр, ведь совсем немногие были грамотными. Далеко в будущем, после эпохи существования человечества, после маятниковых часов, а затем эры механических часов с ее Timex и Rolex, после распада последних радиоактивных атомов и после того, как остановится последний пульсар, настанет время черных дыр.

Я представляю себе, что бессмертен. Если бы я смог дожить до конца времени черных дыр, наблюдая за тем, что делаем мы или цивилизации с других звезд, что бы я увидел?

Сначала была бы эпоха варваров — продолжение той, в которой живем мы, когда цивилизации воюют друг с другом, и худшая судьба для побежденного врага — быть брошенным в черную дыру и мучительно погибнуть, будучи разорванным на части гравитацией. Затем, возможно, наступает эпоха цивилизации, когда живые существа оставляют образы, застывшие на горизонте событий больших черных дыр, в качестве вечных памятников. Я оптимист и воображаю эпоху знания, когда одни учатся считывать информацию, сохраняющуюся в голографической форме на горизонте событий, а другие отваживаются проникать во вращающиеся черные дыры, чтобы обрести убежище на времяподобной поверхности, в зале зеркал времени, где можно путешествовать назад и вперед, встречаясь со своими прошлыми и будущими «я», но откуда невозможно выйти. Наконец, наступает эпоха чувствования, когда жизнь сводится к чистой обработке информации, а черные дыры являются разновидностью информационного хранилища. Приятно думать, что их тайнописью, возможно, поддерживается ритм жизни вселенной, возможно, поддерживают ритм жизни Вселенной.

Гравитация — слабейшая из сил, но наиболее почита­емая и самая упорная. Другие силы давным-­давно перестали действовать. Все субатомные частицы распались, электромагнитное излучение рассеялось и растянулось, превратившись в ничто. Оглушительные раскаты гравитационного излучения, испускаемого при слиянии черных дыр, навсегда отгремели. Последняя музыка сфер — басовое бренчание вращения черных дыр. Они медленно и неуклонно испаряются. Это конец. Вселенная распадается в почти идеальную однородность, и только квантовые флуктуации слегка тревожат вакуум.

Отправить