Жизнь черных дыр

Во Вселенной есть черные дыры разных размеров: от объектов величиной с мегаполис с массой звезды до гигантов размера Солнечной системы с массой галактики. Как рождаются и проживают свою жизнь черные дыры? История начинается с Большого взрыва и продолжается бурной гибелью звезд и схождением массы в центрах галактик. Используя наблюдение, теоретические знания, компьютерное моделирование и капельку воображения, астрономы воссоздали историю черных дыр. Они даже задались вопросом, не является ли черной дырой сама Вселенная.

Семена Вселенной

В ранней Вселенной царили хаос и неупорядоченность. По мере формирования галактик, звезд и планет гравитацией Вселенная становилась «комковатой», она никогда не была идеально равномерной. Сразу после Большого взрыва появились небольшие неоднородности, и, поскольку средняя плотность Вселенной была чрезвычайно высокой, гравитация в этих областях должна была быть очень сильной. Таким образом, семена будущих галактик возникли еще в ранней Вселенной. Это еще не все. В том же году, когда Стивен Хокинг предсказал излучение, получившее его имя, он вместе со своим студентом Бернардом Карром написал статью о черных дырах, которые могли сформироваться в очень молодой Вселенной, — первичных черных дырах. Они утверждали, что, даже если вариации плотности, случившиеся сразу же после Большого взрыва, были в среднем слабыми, в некоторых областях пространства они могли быть достаточными для создания гравитационного притяжения, превосходящего силу космического расширения. В этих местах должен был происходить гравитационный коллапс и могла образоваться черная дыра. Этот процесс мог вести к появлению черных дыр практически любой массы. Могли ли первичные черные дыры Хокинга стать вселенскими семенами?

Самые ранние черные дыры должны были сформироваться в так называемое планковское время — период продолжительностью 10–43 секунды после Большого взрыва, когда размер Вселенной составлял 10–35 м. Образовавшиеся тогда черные дыры имели бы массу 10–8 кг — примерно как у крупицы пыли. Эти ранние черные дыры не могли расти из-за быстрого расширения Вселенной, поэтому быстро испарились. Любая черная дыра, сформировавшаяся менее чем через 10–23 секунды после Большого взрыва и име­ющая массу менее 1012 кг, к настоящему моменту уже должна была испариться, но более поздние и массивные могли дожить до наших дней. Первичная черная дыра, образовавшаяся через секунду после Большого Взрыва, имела бы массу по меньшей мере в 100 000 солнечных — ненамного меньше, чем у массивной черной дыры в центре Млечного Пути.

Согласно другой интересной теории, первичные черные дыры могли сохраниться в неожиданной форме. Последние 40 лет астрономы пытаются решить проблему темной материи. Звезды в галактиках всех типов движутся слишком быстро — и это нельзя объяснить их собственной гравитацией. Представляется, что целостность галактик поддерживает какой-то дополнительный компонент массы, в пять или шесть раз больший, чем сумма всех звезд. Эта темная материя оказывает гравитационное воздействие, но не излучает свет и никак не взаимодействует с излучением. Результаты гравитационного линзирования показывают, что темная материя заполняет и пространство между галактиками. Что если темная материя состоит из первичных черных дыр? Это интересная идея. Теоретически первичные черные дыры, как и темная материя, должны образовываться в космосе повсеместно, и если отвести им роль источника темной материи, то не придется изобретать новую элементарную частицу, не вписывающуюся в нормальную физику (и до сих пор не обнаруженную в экспериментах с ускорителями).

К сожалению, тщательные наблюдения исключили основные варианты существования первичных черных дыр, в том числе и в форме темной материи. Когда черная дыра испаряется, то дает мощное гамма-­излучение; но, когда к 1980-м гг. NASA вывело на орбиту спутниковые детекторы рентгеновских лучей, они не обнаружили излучения с ожидаемыми характерными признаками. Гравитационное линзирование исключает широко распространенные черные дыры с массами от галактической до земной. Недавние теоретические исследования закрыли последнее окно возможностей: это черные дыры от 1014 до 1021 кг, то есть от массы всего углерода в атмосфере Земли до массы небольшого спутника планет Солнечной системы. Первичных черных дыр не так много, чтобы объяснить темную материю, но это не значит, что они не существуют в той или иной форме. Они предсказываются космологической теорией и потенциально могут пролить свет на раннюю историю Вселенной. Поиск продолжается.

Первый свет и первая тьма

Всего через несколько секунд после Большого взрыва условия перестали быть благоприятными для формирования первичных черных дыр. В этот момент Вселенная была почти однородным варевом из высокоэнергетических частиц и фотонов с вариациями по плотности в пространстве менее 0,001%. Через несколько минут после Большого взрыва температура упала настолько, что могли образовываться ядра атомов. Синтез преобразовал четверть массы Вселенной из водорода в гелий со следовыми количествами лития и изотопов водорода и гелия. Это заняло не больше времени, чем уходит на варку яйца. Температура была 10 млн °C; чтобы увидеть в то время Вселенную, нужно было обладать рентгеновским зрением.

Вселенная продолжила расширяться и остывать. Следующий важный этап был пройден примерно через 50 000 лет, когда плотности энергии материи и излучения сравнялись. После этого плотность энергии излучения падала быстрее массовой плотности, поскольку расширение приводило к красному смещению фотонов. В результате гравитация усилила хватку, и во Вселенной начали возникать крохотные вариации плотности. Вселенная имела температуру 10 000 °C. Будь там наблюдатель, он увидел бы ее голубое свечение. Примерно через 400 000 лет после Большого взрыва температура упала до 3000 °C, и электроны объеди­нились с ядрами, образовав стабильные атомы. Впервые излучение стало свободно распространяться, «красный туман» рассеялся, обнажив возникающие структуры.

Все это случилось на заре истории Вселенной. По сравнению с ее нынешним возрастом 13,8 млрд лет, 400 000 лет — мгновение, аналог первых десяти часов жизни 40-летнего человека. По мере расширения Вселенная исчезала из виду, ее излучение из тусклого красного становилось невидимым инфракрасным. Начались Темные века. Они длились до возникновения первых звезд и галактик — примерно через 100 млн лет после Большого взрыва, таким образом, вся эта эпоха заняла первый 1% возраста Вселенной.

Что интересно, хотя первый краткий этап существования Вселенная был темным, он, возможно, не был безжизненным. Между 10 и 20 млн лет после Большого взрыва Вселенная имела температуру от точки кипения до точки замерзания воды. В сегодняшней Вселенной чрезвычайно холодно, а биологическая жизнь, какой мы ее знаем, способна существовать только в узкой обитаемой зоне вблизи звезд, а также, возможно, в более холодных местах под поверхностью планеты или ее естественного спутника, где вода остается жидкой благодаря давлению сверху и радиоактивному теплу снизу. Однако было время, когда вся Вселенная имела температуру обитаемой зоны. Неясно, могли ли редкие ранние звезды наработать достаточно углерода для развития биологических форм и тяжелых элементов для формирования планет, на которых обитали бы эти существа. Сомнительно также, что 20 млн лет — достаточный срок для возникновения жизни из простых химических соединений.

С Темными веками связан ряд важнейших вопросов космологии. Когда они завершились? Что сформировалось раньше — звезды или галактики? Как на процессы формирования влияло отсутствие тяжелых элементов? Какими методами лучше всего регистрировать первый свет во Вселенной? И главный вопрос для нашего повествования: какие черные дыры образовались раньше всего?

Предположим, что темная материя — это предсказанная теоретиками элементарная частица нового типа, объединяющая три силы природы. В качестве элемента космологии темная материя довольно проста: она оказывает гравитационное воздействие, но не взаимодействует со светом или любым другим излучением. Темной материи в шесть раз больше, чем нормальной, следовательно, она управляет формированием структуры Вселенной. По мере того как гравитация концентрирует темную материю, начинают возникать сгустки малого размера или массы. Первые структуры, образовавшиеся через 100 млн лет после Большого взрыва и по окончании Темных веков, состояли из 106 солнечных масс темной материи. Это масса крохотной карликовой галактики в современной Вселенной. Время шло, сгустки сливались во все более крупные. В каждом сгустке темной материи содержался «комок» нормального вещества (газа) в одну шестую массы темной материи, и этот газ коллапсировал в центр гравитационного «колодца» темной материи. При коллапсе газа сформировались звезды, был излучен первый свет. Согласно сценарию «снизу вверх», маленькие объекты образуются раньше больших, звезды — раньше галактик (илл. 37).

Вселенная была совсем другой, когда кончились Темные века и вспыхнули первые светила. Она была в 30 раз меньше, в 30 раз горячее и в 30 000 раз плотнее, чем сейчас. Другим принципиальным отличием было отсутствие элементов тяжелее водорода или гелия. Процесс формирования звезд требует сброса тепла в окружающее пространство, чтобы гравитация могла вызвать коллапс газового облака. Углерод и кислород имеют спектральные переходы, которые очень эффективно уносят энергию. Отсутствие этих элементов в ранней Вселенной означает, что облака, из которых формируются звезды, были более горячими и массивными. В локальной и современной Вселенной верхний предел массы звезды составляет примерно 100 масс Солнца. В ранней Вселенной первые звезды, вероятно, достигали 200–300 солнечных масс. Очень давно в сгустках темной материи массой в миллион солнечных масс возникали звезды, которые были в среднем в десятки раз массивнее тех, что формируются сейчас в окрестностях Солнца.

Жизнь первых звезд была короткой. Они исчерпывали ядерное топливо за несколько миллионов лет. При компьютерном моделировании самые массивные звезды взрываются, становясь сверхновыми, не оставляя ничего после себя, или сразу коллапсируют в черную дыру от 20 до 100 солнечных масс. Как и первые звезды, оставшиеся после них черные дыры массивнее черных дыр, обнаружива­емых нами поблизости, в Млечном Пути.

Все, что вы сейчас читаете, основывается на теории и компьютерном моделировании. Что можно сказать об экспериментальном поиске первого света? Есть два подхода, и оба подобны поиску иголки в стоге сена, поскольку первые звезды — немногочисленны, а Вселенная неустанно создавала звезды в течение 14 млрд лет. Первый подход заключается в поиске в Млечном Пути звезд, состоящих только из водорода и гелия, что означало бы, что они образовались из газа, не «загрязненного» никакими предшествующими поколениями звезд. В 2012 г. группа ученых Европейской южной обсерватории обследовала тусклую звезду в рамках Слоуновского цифрового небесного обзора и обнаружила, что содержание в ней тяжелых элементов в 200 000 раз меньше, чем в Солнце. При возрасте 13 млрд лет — это лучший кандидат в первичные звезды.

Второй подход заключается в поиске звезд без тяжелых элементов в далеких галактиках. В 2015 г. другая европейская группа увидела древние звезды в галактике с красным смещением z = 6,6, означающим, что свет датируется менее чем миллиардом лет после Большого взрыва. Ее руководитель Давид Собрал из Лиссабонского университета назвал галактику CR7 — в соответствии с сокращением от «космическое красное смещение 7», а также в честь своего любимого футболиста Криштиану Роналду. Собрал сказал: «Ничего более потрясающего нельзя себе представить. Это первое прямое свидетельство о звездах, которые в конечном счете сделали возможным наше существование, синтезировав тяжелые элементы и изменив химический состав Вселенной».

Рождение черной дыры в звездном катаклизме

В июле 1967 г. два американских спутника Vela зарегистрировали импульсы гамма-­излучения. Созданные во времена холодной вой­ны, эти спутники должны были фиксировать факты нарушений Советским Союзом Договора о запрещении испытаний ядерного оружия 1967 г. Общественность не знала, что в то время правительство США находилось в состоянии повышенной готовности к вой­не.

К счастью, команда ученых из Национальной лаборатории в Лос-­Аламосе доказала, что вспышки гамма-­лучей не характерны для испытаний ядерного оружия, и сделала вывод, что их источники находятся далеко за пределами Солнечной системы. В 1973 г. с этого открытия был снят гриф секретности и опубликована посвященная ему научная статья. Однако тайна все больше окутывалась мраком. Г­де-нибудь в небе ежедневно происходил гамма-­всплеск. На краткий миг эти источники в гамма-­диапазоне становились ярче всей остальной Вселенной, но быстро гасли — излучение длилось примерно от нескольких миллисекунд до 30 секунд. Оценки местоположений вспышек гамма-­спутниками были слишком грубыми, делая невозможным дальнейшее отслеживание, а источники проявлялись случайно, что не давало никакого намека на их происхождение.

Прорыв произошел в конце 1990-х гг., когда для сбора данных на орбите начали использовать быстродействующий рентгеновский телескоп. Он мог быстро разворачиваться и успевал зарегистрировать низкоэнергетическое рентгеновское излучение гамма-­всплеска, а точное определение положения событий по рентгеновскому излучению позволяло оптическим астрономам ловить затухающее после­свечение. Спектроскопия показала, что объекты-­источники вспышек находятся в далеких галактиках в миллиардах световых лет от Земли. Судя по большому расстоянию, вспышки должны быть феноменально яркими. В 2008 г. одну из них можно было наблюдать невооруженным глазом в течение 30 секунд, хотя событие произошло через пол-­Вселенной от нас. Свет, вспыхнувший на краткий миг в 2008 г., излучился за 3 млрд лет до формирования Земли. Другая вспышка, наблюдавшаяся в 2009 г., случилась в галактике с красным смещением z = 8,2, то есть на момент события возраст Вселенной составлял лишь 4% нынешнего. При самых мощных вспышках выделяется энергия порядка 1044 Дж. Такой объем энергии Солнце выделит за всю свою жизнь, но он излучается за секунду, а не в течение десяти с лишним миллиардов лет!

Когда затухает гамма-­всплеск, поймать оптическое послесвечение — это единственная возможность измерить красное смещение и светимость, которые позволяют узнать возраст объекта и оценить его массу. Несколько лет назад, находясь у 6,5-метрового Многозеркального телескопа (ММТ) обсерватории Маунт-­Хопкинс в Аризоне, я получил срочное оповещение по интернету. Спутник NASA Swift зарегистрировал гамма-­всплеск, и по всему миру разослали запрос на проведение спектрального анализа. Было три часа ночи, но я отодвинул в сторону чашку кофе: ничто так не бодрит, как возможность наблюдать звездный катаклизм. Через считаные минуты мы были готовы. На телемониторе ничего не было видно, поэтому мы работали вслепую, надеясь нащупать сигнал. На следующий день обработанные данные принесли нам зазубренную полосу со следами эмиссионных линий — недостаточно сильными, чтобы измерить красное смещение. На следующую ночь сигнал ослабел настолько, что уже не регистрировался. В астрономии иногда приходится довольствоваться азартом погони.

Астрономы считают, что гамма-­всплески — это визитная карточка свежеобразованных черных дыр. Тысячи изученных на данный момент событий делятся на две группы: длинные события с высокой светимостью — и короткие с низкой. Самые яркие всплески обусловлены коллапсом вращающегося ядра массивной звезды — обычно в 30 с лишним раз массивнее Солнца, — при котором формируется черная дыра. Вещество, находившееся возле ядра звезды, падает в черную дыру и закручивается в аккреционный диск. Падающий газ порождает парные джеты вдоль оси вращения, которые движутся со скоростью в 99,99% световой и, пробив себе путь сквозь поверхность звезды, излучаются в гамма-­диапазоне. Значительная часть гравитационной энергии высвобождается в форме нейтрино, а не фотонов (илл. 38). Более короткие всплески, как считается, вызваны слиянием двух нейтронных звезд или нейтронной звезды и черной дыры. В любом случае образуется одна черная дыра. Энергия слияния по большей части выделяется в форме гравитационного излучения, колебаний пространственно-­временного континуума, которые распространяются вовне со скоростью света, согласно предсказанию общей теории относительности. Вещество, пада­ющее в новоявленную черную дыру, образует аккреционный диск и дает выброс энергии.

Гиперновая звезда — еще более экстремальное событие, при котором формируется черная дыра. Она выделяет в сотни или тысячи раз больше энергии, чем нормально гибнущая массивная звезда во взрыве сверхновой. Рекордсменом стал взрыв, зафиксированный в 2016 г., он был в полтриллиона раз ярче Солнца. Представьте: свет, в 20 раз более яркий, чем свет всех звезд Млечного Пути, сконцентрирован на участке пространства 16 км. Этот взрыв стал самым мощным из зарегистрированных за все время с момента Большого взрыва — умопомрачительный факт, заставляющий усомниться в любой физической теории происхождения высвобожденной при этом энергии.

Подобные колоссальные взрывы вызывают неприятный вопрос: опасен ли звездный катаклизм для Земли? Иными словами, хотя нам не приходится бояться падения в черную дыру, не явится ли черная дыра к нам сама, чтобы поглотить нас? Хорошие новости: это редкие события, происходящие в каждой галактике примерно раз в миллион лет. Кроме того, излучение концентрируется в парных пучках, и взрывы ориентированы в пространстве случайным образом, так что 99,5% из них проходят мимо нас. Это снижает среднюю повторяемость события до одного в 200 млн лет на галактику. Плохие новости: если мы случайно окажемся на «линии огня», а вспышка произойдет в пределах нескольких тысяч световых лет, Земля и ее биосфера получат удар высокоэнергетического излучения. Гамма-лучи на 75% уничтожат озоновый слой, резко подскочит число мутаций. Трудно оценить общее воздействие на экосистему, но, по мнению одной группы ученых, позднеордовикское массовое вымирание, случившееся 450 млн лет назад, было вызвано гамма-­всплеском. Данные о вымирании согласуются с разрушением озонового слоя и гибелью наземных биологических видов, однако астрономы не смогли бы обнаружить следы настолько древнего взрыва, поскольку от него осталась лишь черная дыра.

Имеется еще более впечатляющее свидетельство менее разрушительного события, свершившегося уже в историческую эпоху. В 774 г. мир Запада представлял собой лоскутное одеяло из мелких воюющих государств. Карл Великий укреплял королевство, завоевывая Тоскану и Корсику, а в Японии, где буддизм быстро становился государственной религией, императрица Кокэн приказала изготовить миллион свитков со священными текстами — это одни из самых старых печатных трудов в мире. Углеродное датирование показывает, что в деревьях, из которых делали бумагу для этих свитков, замечен резкий рост соотношения углерода-14 к углероду-12.

Этот пик роста — самый веский довод в пользу того, что около 1250 лет назад Землю облучило гамма-­всплеском. Углерод-14 радиоактивен и распадается с образованием азота. То, что он вообще существует, объясняется космическими лучами, высокоэнергетическими частицами из космоса, сталкивающимися с азотом в атмосфере. Этот процесс поддерживает постоянный низкий уровень углерода-14, но наблюдающееся в свитках резкое десятикратное увеличение должно иметь дополнительную внешнюю причину. Вторым доказательством служит рост содержания углерода-14 в древесине деревьев Европы и Америки, хотя дату установить сложнее. Третье свидетельство — небольшой скачок радиоактивного бериллия-10 примерно в то же время. Бериллий-10 образуется при попадании высоко­энергетических частиц на открытую поверхность, его концентрация используется для датирования продвижения ледников, лавовых потоков и других геологических событий в каменных породах возрастом до 30 млн лет. Ничто из этого не объясняется вспышкой на Солнце. Для объяснений не подходит и сверхновая, поскольку любая настолько близкая сверхновая была бы видна в дневное время, но записи об этом отсутствуют в средневековых рукописях. Остается только гамма-­всплеск. С расстояния около 5000 световых лет он выбросил бы в земную атмо­сферу 200 мегатонн энергии гамма-­излучения. Послесвечение длилось лишь несколько дней, и, хотя его было видно невооруженным глазом, похоже, этого никто не заметил и не потрудился упомянуть в летописях.

Между тем астрономы положили глаз на массивную звезду WR104, что в 8000 световых годах от нас: вероятно, в ближайшие несколько сотен тысяч лет она погибнет в жестоком коллапсе ядра. Мы не можем определить ее ориентацию в пространстве, и остается надеяться, что, когда это случится, один из мощных джетов не будет направлен на нас. Время астрономических событий вычисляется довольно грубо, так что особо уповать на отдаленность события не приходится. Оно может произойти гораздо раньше. Впрочем, пока у нас есть иные веские причины для тревог.

Поиск недостающих звеньев

Мы говорили о двух типах черных дыр. Одни формируются в результате гибели массивной звезды, которая, начав жизнь с массой, составляющей от 8 до 100 солнечных, оставляет после себя темный объект массой от 3 до 50 солнечных. Другие образуются в центре галактики и имеют массу от нескольких миллионов солнечных в неактивных спиральных галактиках — таких как Млечный Путь — до нескольких миллиардов в гигантских эллиптических галактиках наподобие М87. Остается огромный разрыв между массами — 510, от нескольких десятков до нескольких миллионов масс Солнца. Существуют ли черные дыры промежуточной массы?

Было обнаружено небольшое количество объектов, укладывающихся в разрыв — ближе к его нижней границе. Вспомним, что Артур Эддингтон рассчитал предел яркости черной дыры. Чем активнее питается черная дыра, тем ярче она светится, но, даже если ей от звезды-­компаньона по двой­ной системе достается огромное количество газа, она имеет предел яркости. Давление излучения аккреционного диска противодействует гравитационному притяжению черной дыры, и в какой-то момент избыточный газ, пытающийся упасть в нее, отбрасывается обратно в окружающее пространство. Это так называемый предел Эддингтона. Тридцать лет назад был открыт редкий класс ультра­ярких рентгеновских источников (ultra-­luminous X-ray source, ULX). Они выбрасывают в миллион раз больше суммарной энергии Солнца в виде рентгеновского излучения и имеют такую яркость, что наблюдаются в галактиках, удаленных на миллионы световых лет. Согласно пределу Эддингтона, эти черные дыры должны быть в сотни или тысячи раз массивнее Солнца, то есть находиться точно посередине разрыва масс.

Яркие двой­ные источники рентгеновского излучения важны по другой причине. Некоторые являются уменьшенными версиями квазаров. Необычная двой­ная система SS433 находится в 18 000 световых лет, в созвездии Орла. Громадная голубая звезда делает оборот вокруг черной дыры за 13 дней и поставляет газ в окружающий ее аккреционный диск. Часть горячего газа падает в черную дыру, а остальное выбрасывается в парных джетах вдоль оси вращения черной дыры. Газ движется на одной четвертой скорости света, проходя 1,6 км за 20 мкс. SS433 — эталонный микроквазар (илл. 39). Микроквазары имеют все элементы квазара — вращающуюся черную дыру, аккреционный диск, мощное высокоэнергетическое излучение, релятивистские джеты, — но меньше в миллион раз. В Млечном Пути есть только 100 известных нам микроквазаров, но они очень полезны для моделирования и понимания экстремальной астрофизики квазаров. Время потребления топлива квазарами намного превышает человеческую жизнь, тогда как у микроквазаров этот период составляет несколько часов, поэтому их легко наблюдать.

Что можно сказать о нижней границе масс сверхмассивных черных дыр? Давайте обратимся к главному предположению минувших десятилетий: тьма лежит в сердце каждой галактики. Квазары и активные галактики редки. Центральные черные дыры большинства галактик неактивны большую часть времени, и их можно обнаружить только по их влиянию на звезды возле центра галактики. Собирая все больше данных о черных дырах соседних галактик, астрономы заметили поразительную зависимость. Масса неактивной центральной черной дыры точно предсказывается разбросом скоростей — диапазоном движений, указывающих на общую массу, — старых звезд галактики. Удивительная корреляция! Черная дыра этого типа распространяет свое влияние лишь на область в самом центре галактики, а звезды галактики имеют в 500 раз бо́льшую массу. Почему эти разнородные показатели связаны?

Астрономы не дают уверенного ответа, но недавно эта корреляция была также примерена на карликовые галактики и даже шаровые звездные скопления с черными дырами в несколько тысяч солнечных масс (илл. 40). Эллиптические галактики очень велики и почти полностью состоят из старых звезд, поэтому имеют самые массивные черные дыры. В спиральных галактиках — как Млечный Путь — меньше старых звезд, основная часть которых сконцентрирована в маленьком центральном балдже, поэтому их черные дыры имеют более скромные размеры.

Наблюдение за небольшими черными дырами — трудная задача, телескопы и детекторы должны работать на пределе возможностей. Лучшими объектами являются шаровые звездные скопления — сферические облака из звезд на орбитах в гало больших галактик. Поскольку они содержат от нескольких сот тысяч до нескольких миллионов звезд, то, согласно вышеописанной корреляции, их черные дыры должны иметь массу в несколько тысяч солнечных. Сообщалось об их обнаружении, но ни одно заявление не выдержало скрупулезной проверки. Тем не менее несколько объектов заполнили этот пробел. В 2012 г., например, в карликовой галактике ESO 243–29 была обнаружена черная дыра в 20 000 солнечных масс, а в 2015 г. в карликовой галактике RGG 118 — черная дыра в 50 000 солнечных масс.

Самое крупное открытие черной дыры средней массы произошло в конце 2015 г.: японские радиоастрономы заметили облако спирально закрученного газа всего в 200 световых годах от центра Млечного Пути. Они отследили вращение по спектральным линиям 18 разных молекул и сделали вывод о наличии темного объекта в 100 000 масс Солнца. Открытие поддерживает идею того, что черные дыры растут так же, как агрессивные корпорации, — путем слияний и поглощений. Через миллионы лет чудовище в центре нашей Галактики — черная дыра в 4 млн солнечных масс — сожрет эту зверушку среднего размера, вырастет на 2,5% и, надо думать, удовлетворенно «отрыгнет». Через 27 000 лет эта «отрыжка» будет зарегистрирована на Земле как импульс высокоэнергетического излучения.

Компьютерное моделирование экстремальной гравитации

Эйнштейн совершенно по-новому думал о гравитации. Это не то, что, как утверждал Ньютон, тянет или толкает тела в пространстве. Тело, движущееся вследствие гравитации, следует по кратчайшему пути — так называемой геодезической траектории через искривленный пространственно-­временной континуум. Астронавт, медленно падающий в направлении космического корабля, просто следует искривлению пространственно-­временного континуума. Луна обращается вокруг Земли, поскольку кратчайший путь сквозь пространственно-­временной континуум возвращает ее в одну и ту же точку в пространстве. Двумерная версия этого процесса наблюдается всякий раз, когда вы совершаете длинный авиаперелет. Представьте, что летите из Лос-­Анджелеса в Мадрид. Хотя эти города находятся на одной широте, самолет не летит прямо на восток. Он направляется на север и облетает южную оконечность Гренландии, прежде чем направиться на юг. Он следует кратчайшим путем между этими двумя точками, в чем вы убедитесь, если натянете нить через поверхность глобуса. Пилоту незачем поворачивать налево или направо: курс представляет собой прямую линию на искривленной двумерной поверхности.

В простейшей форме общий принцип относительности записывается в виде: G = 8πТ, где G — кривизна пространства-­времени в данной точке и Т — масса в точке (строго говоря, масса-­энергия, но, поскольку энергия согласно уравнению Е = mc2 имеет крохотный эквивалент массы, в астрономии можно учитывать только массу). Это короткое уравнение применимо ко всем точкам пространства и включает все, что нам нужно знать о гравитации.

Однако это изящное уравнение слишком компактно и непригодно для решения какой бы то ни было реальной проблемы. Чтобы применить общий принцип относительности к объекту наподобие черной дыры, необходимо использовать полное выражение, разворачивающееся в десять отдельных многочленных уравнений. Для их решения требуется сложная алгебра и множество вычислений. Чтобы понять, что происходит, когда сливаются две черные дыры разных масс, приходится использовать каждый член каждого из уравнений Эйнштейна — в письменном виде это 100 страниц зубодробительной математики, и никакие упрощения невозможны.

В 1990-х гг. вместе со стремительным развитием компьютеров и усложнением математических расчетов ученые взялись за численные релятивистские расчеты. Были разработаны приближенные уравнения Эйнштейна. Они опираются на методы, разделяющие пространство и время и рассматривающие пространство на таких малых интервалах, что к ним применяют евклидову геометрию. При компьютерных расчетах используется «адаптивная сетка»: пространственная сетка слишком крупная для слабой и плоской гравитации и слишком мелкая для тех мест, где гравитация сильная и искривленная. Сетка постоянно адаптируется по мере изменения ситуации. Скорость вычислений измеряется числом операций с плавающей точкой в секунду (флопс). Компьютер IBM 7090, являвшийся последним словом техники в 1962 г., имел скорость 100 000 флопс. В 1993 г. самый быстрый компьютер работал в миллион раз быстрее. Теперь рекордная скорость еще в миллион раз выше — ошеломляющие 1018 флопс. Национальный научный фонд поддержал и ускорил эти исследования, предложив грант «Большой вызов» за моделирование слияния черных дыр двой­ной системы. Расчеты принесли некоторые сюрпризы. Слияние может порождать невероятно мощное излучение гравитационных волн: 8% общей массы черных дыр. Кроме того, когда две черные дыры сливаются, возникающей в результате черной дыре может быть дан «толчок», причем полученной скорости — 400 км/ч — хватит, чтобы вышвырнуть ее из любой галактики.

Давайте метафорически представим себе невидимый пространственно-­временной континуум в виде ткани. Холст окрашен гравитацией. До сих пор мы только растягивали холст пустого пространственно-­временного континуума (илл. 41). Общая теория относительности — это геометрическая теория гравитации, поэтому пространственно-­временной холст изгибается, если ­где-либо имеется масса; он также может иметь проколы, разрывы и складки. Холст является трехмерным и не поддается визуализации. Однако это еще не все. Черная дыра в реальной Вселенной окружена излучением, горячим газом, высокоэнергетическими частицами и магнитным полем.

Мы рассматриваем три уровня сложности. Первый уровень — сложные взаимодействия частиц и излучения. На втором уровне добавляются магнитные поля. Третий включает гравитацию. В настоящее время ученые исследуют метод релятивистской магнитогидродинамики — верное средство оборвать разговор на любой вечеринке. Если прибегнуть к аналогии с играми, три уровня сложности соотносятся друг с другом, как шашки с шахматами, а те — с японской игрой го. В этом спектре технических возможностей я очень хорош в шашках, кое-что могу в шахматах, но совершенно беспомощен в го. Полный численный анализ ставит целью описать сложную астрофизику не только черной дыры, но также аккреционного диска и парных джетов. Это мастерский уровень моделирования черных дыр. Менее 100 человек в мире имеют техническую подготовку, необходимую для этой работы.

На компьютерах можно моделировать маленькие черные дыры, но что делать с большими, которые живут в центрах галактик? На этот вопрос ответит Саймон Дэвид Мэнтон Уайт, член Королевского научного общества и директор Института астрофизики Макса Планка в Гархинге. Он творит чудеса с компьютерным моделированием гравитации, поэтому будем звать его Чародеем. У Чародея печальный взгляд, аккуратные усы и седеющая курчавая грива. Он выглядит усталым, но любой устанет, создавая Вселенную с нуля.

Чародей получил степень доктора философии в Кембридже под руководством Дональда Линден-­Белла, передового мыслителя и предсказателя черных дыр. На его счету более 400 публикаций в рецензируемых изданиях и свыше 100 000 случаев цитирования — умопомрачительные показатели, возносящие его на недостижимые высоты в данной науке. Это эксперт мирового уровня по свой­ствам темной материи и формированию структуры Вселенной.

Вот как создается Вселенная в компьютере. Задайте трех­мерную пространственную сетку. Добавьте нормальную материю и темную материю в нужных пропорциях. Включите гравитацию. Заставьте пространство расширяться согласно модели Большого взрыва и наблюдайте, как будет выкристаллизовываться тонкое кружево крупномасштабных структур из изначально равномерно распределенной массы. Астрономические объекты могут быть представлены огромным числом «частиц». Например, миллион частиц — это скопление звезд, где одна звезда — одна частица, но никакая модель не сможет изобразить галактику по системе одна частица на звезду или Вселенную, где одна частица представляет галактику, поэтому на практике частица представляет собой изменяющееся количество массы. Приведу аналогию. Представьте, что используете миллион частиц для моделирования человеческих популяций. В модели мира каждая частица соответствовала бы 7500 человек, то есть населению большой деревни или маленького сельскохозяйственного района. Дальнейшая детализация была бы невозможна. Однако та же модель может быть чрезвычайно подробной — по частице на человека — для небольшого американского штата, например Род-­Айленда, или такого скромных размеров города, как Остин в штате Техас.

С увеличением количества частиц стремительно растут требования к вычислительной мощности, поэтому Уайт и другие гуру программирования прибегают к хитростям, резко ускоряющим моделирование. В конце концов никто не хочет провести 13,8 млрд в ожидании результата. Модель Уайта называется «Миллениум», потому что это первая мощная модель большого фрагмента Вселенной после 2000 г.

Эти расчеты включают только гравитацию. Однако галактики содержат не только звезды, но и газ, который ведет себя не так, как звезды. Когда сталкиваются две спиральные галактики, звезды и частицы темной материи почти никогда не сливаются — эти компоненты галактик проходят сквозь друг друга. Напротив, газовые составляющие соударяются, нагреваются, ярко светятся и формируют звезды. Газ ведет себя скорее как жидкость, чем как множество частиц. Чтобы работать с газом, модели имитируют его поведение при помощи сглаженных частиц, имеющих вероятностное распределение, а не конкретное местоположение. В них включен и физический слой: уравнения позволяют учесть важные, хоть и мелкомасштабные, детали — например, взрывы сверхновых и формирование черных дыр. Саймон Уайт рассказывает о своем эпохальном космологическом моделировании.

Новаторством изначального «Миллениума» стал прежде всего общий объем, примерно в десять раз превышающий предыдущие вычисления. А также то, что мы использовали методы, позволившие проследить реальное формирование видимых галактик хотя и приблизительно, но физически обоснованно. Мы смогли предсказать не только распределение невидимого компонента Вселенной — темной материи, но и местоположение видимых объектов и их свой­ства. …Здесь нас тоже ждали сюрпризы. В частности, пришлось признать, что для понимания свой­ств видимых галактик мы должны понимать эффекты черных дыр, расположенных в центре. Реальное население галактик определялось развитием черных дыр в их ядрах. Несмотря на то, что черные дыры содержат лишь одну десятую процента звездной массы галактики — ничтожную долю, неверно считать, что этот маленький объект в центре оторван от остальной галактики.

Моделирование «Миллениума» было завершено в 2005 г. 10 млрд частиц изображали куб пространства Вселенной со стороной 2 млрд световых лет. (Для хранения результатов потребовалось 25 терабайт.) Это не вся Вселенная, но достаточно большой фрагмент, который служит «достоверным образцом» и охватывает самые крупные структуры, потенциально формируемые гравитацией за 14 млрд лет. На основе этого моделирования были опубликованы сотни научных статей. Наивысшим достижением на сегодняшний день является модель «Иллюстрис». Согласно закону Мура, описывающему увеличение вычислительной мощности вследствие уменьшения размера транзисторов, размер лучшей модели удваивается каждые 20 месяцев. К концу 2017 г. модели преодолели барьер в триллион частиц. Благодаря «Иллюстрис» впервые стало возможно реалистичное моделирование существенной части Вселенной вплоть до уровня детализации, позволяющего различить структуру галактики. Теперь компьютер может проследить, как питаются и растут миллионы сверхмассивных черных дыр на протяжении 13 млрд лет.

Как многие теоретики в астрономии, Саймон Уайт изначально получил математическое образование. Он вспоминает, как рассматривал перспективы обучения в магистратуре: «В Кембридже у меня было два варианта. Можно было заняться теоретической механикой жидкостей и газов, аэродинамикой и тому подобным. Эти студенты сидели в здании в центре Кембриджа, в подвальных кабинетах без окон. Другим вариантом была астрофизика. Центр астрофизики находится за пределами города, в здании со множеством окон. Еще там есть деревья, коровы пасутся через дорогу. Я решил, что астрофизика выглядит немного привлекательнее».

Как растут черные дыры и галактики

Судьбы черных дыр и галактик переплетены. Сверхмассивная черная дыра занимает крохотную долю объема галактики и имеет крохотную долю ее массы. Тем не менее, как мы узнали, каждая галактика содержит черную дыру, масса которой тесно связана с массой всех ее звезд. Исходя из этого, что мы можем сказать о совместном росте черных дыр и галактик с течением космического времени?

Славные дни квазаров далеко в прошлом. Мы обнаруживаем сверхмассивные черные дыры, прячущиеся в ближних галактиках, но они по большей части спокойные, как и черная дыра в нашей Галактике. Одна из 100 умеренно активна и одна из миллиона является квазаром. Исследования в оптическом и рентгеновском диапазонах позволяют ретроспективно проследить яркость квазаров. Пик активности квазаров имел место при красном смещении z = 2 ÷ 3, то есть около 11 млрд лет назад, через 2–3 млрд лет после Большого взрыва. Они были в тысячи раз активнее, чем сейчас. Древнее ночное небо существенно отличалось от нашего. Вселенная была в четыре раза меньше, в ней сливались галактики, где быстро формировались звезды. Сотни галактик были бы видны невооруженным глазом, тогда как сейчас мы можем увидеть лишь три, а ближайший квазар находился в 100 раз ближе и был бы виден невооруженным глазом. Благодаря наблюдениям мы можем проследить историю резкого роста активности квазаров, за которым последовал медленный спад.

Все большие галактики имеют сверхмассивные черные дыры, но из этого не следует, что все они проявляют активность квазаров. Откуда нам известно, что активность квазаров эпизодична и не является неотъемлемым свой­ством определенной группы галактик? Трудно ответить на этот вопрос, потому что астрономы не могут заглянуть в конкретные галактики и отследить их эволюцию. Они проводят исследования, охватывающие большое число галактик всех эпох, и на основе полученных данных составляют «моментальный снимок» активности определенной эпохи.

В последнее десятилетие я занимался исследованиями именно в этой области. Моя цель — понять процессы роста и взаимосвязи черных дыр и галактик. Мне нравятся астрономические исследования — они существенно отличаются от исследований в физике, для которых требуются тысячи сотрудников и инструменты, постройка которых занимает десятилетие. Я все еще могу, вооружившись хорошей идеей и взяв в помощь магистранта, засесть на несколько ночей перед телескопом и этим внести вклад в развитие науки.

Именно поэтому мы с Джонатаном Трампом оказались в предгорьях Анд: смотрели, как темнеет небо над горной цепью, и подготавливали лист наблюдений. Нас интересовал волшебный период роста черных дыр — от 3 до 10 млрд лет после Большого взрыва, когда галактики по большей части завершили слияния, а черные дыры подъели почти все, что смогли. В частности, мы пытались установить нижнюю границу активности ядер галактик. При каком минимальном уровне аккреции черная дыра может светиться как квазар? Мы сумели найти черные дыры в 10 млрд световых лет — спящие, как и черная дыра в центре нашей Галактики. В нашем распоряжении была новая технология — фотопластинкам, которыми я пользовался в Австралии 30 годами раньше, пришел конец. Одна ночь везения — и мы могли не только обнаружить 300 квазаров, но и измерить массы их черных дыр.

Джон был энергичным новичком, а я — убеленным сединами ветераном, но на деле мы часто менялись ролями. Со временем я не утратил интереса к исследованиям и иногда, поторопившись со сбором данных, допускал серь­езные промахи, а Джон обуздывал мои порывы и брал управление телескопом в свои твердые руки. Однажды посреди ночи мы уперлись в облака. Я пытался проявлять терпение. Фотоны проделали путь в миллиарды лет, чтобы попасть в большую линзу нашего телескопа, и несколько лишних часов ничего не решали. Я вышел на улицу и стал смотреть, как расчищается небо. К западу вплоть до Тихого океана громоздились облака. На востоке контур Анд четко вырисовывался на фоне звездного поля. Над головой кондор беззвучно описывал круги.

Мы провели последнюю ночь у телескопа, опустошенные и печальные. На закате нам довелось увидеть зеленый луч. Раз в год получить неделю работы за большим телескопом — большая удача для астронома. Если в эти ночи облачно, придется вернуться в следующем году. Еще один сеанс — и мы с ним расстанемся.

Мы изображали полученные данные точками на диа­граммах и ломали головы. У некоторых квазаров были мощные черные дыры, но слабенькое излучение. Другие при крошечных черных дырах ослепительно сияли. Механизм их питания оставался загадкой. За неделю мы насобирали 500 черных дыр, но это была жалкая горстка для Вселенной с сотнями миллиардов галактик, каждая из которых скрывает в себе черную дыру. Казалось, черные дыры беззвучно смеются над нами, тщательно оберегая свои секреты.

Как мы уже узнали, для постоянной яркости уровня квазара достаточно аккреции нескольких солнечных масс в год. Столь скромное потребление предполагает два вывода. Первое: в центральных областях галактик немного газа, и черные дыры редко заглатывают звезды целиком, поэтому топливо истощается менее чем за 100 млн лет. Газ просачивается в галактику из межгалактического пространства, а также добавляется при слиянии галактик, но сейчас, когда Вселенная велика и галактики далеко разнесены, оба процесса неэффективны. Поскольку «топливо» черной дыры расходуется намного быстрее, чем время, необходимое для расцвета и упадка наблюдаемой популяции квазаров, отдельные квазары должны быть «включены» малую часть времени и «выключены» большую часть времени.

Второе: скромные темпы роста черных дыр означают, что они не должны слишком быстро дорастать до огромных размеров. Однако они дорастают! Слоуновский цифровой небесный обзор ищет квазары в пределах первых нескольких миллиардов лет после Большого взрыва. Старейший квазар, обнаруженный на данный момент, — яркий квазар с красным смещением z = 7,5. Из этого следует, что сверхмассивные черные дыры в несколько миллиардов солнечных масс сформировались и выросли в течение первого миллиарда лет после Большого взрыва. Это не соответствует медленному, постепенному развитию больших галактик из маленьких путем слияний. Не согласуется это и с пределом роста черной дыры, который 100 лет назад вывел Артур Эддингтон. Невозможно от «семечка» в 10 солнечных масс, что типично для черной дыры, остающейся после смерти массивной звезды, дорасти за миллиард лет до миллиарда солнечных масс. Чтобы возникли древние яркие квазары, нужно было «семечко» в 10 000 масс Солнца.

Недавние расчеты предложили такое объяснение. В первой волне формирования галактик через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва фоновое излучение поначалу препятствовало образованию звезд. Если они ­все-таки возникали, это был стремительный бурный процесс, оставивший после себя множество маленьких черных дыр, которые в условиях высокой плотности среды сливались в «семена» черных дыр — от 104 до 106 солнечных масс. Вследствие стремительного скачка черные дыры смогли дорасти за следующие полмиллиарда лет до сверхмассивного уровня (миллиард или больше солнечных масс).

Гипотеза обратной связи увязывает наблюдения воедино. Черная дыра имеет симбиотические отношения с родительской галактикой. Она не может вырасти или зажечься, как квазар, не получая газ из центральных областей галактики. Однако когда она активна, то выделяет так много энергии, что выталкивает газ из центральных областей галактики и подавляет формирование звезд. В активной фазе, продолжительностью 10 млн лет, квазар излучает 1053 Дж энергии. Это примерно равно гравитационной энергии, удерживающей звезды на орбитах в большой галактике. Очевидно, энергии квазара хватит, чтобы разрушить галактику. За счет обратной связи квазары отталкивают газ и глушат собственную активность. Обратная связь сводит в единое целое эволюцию внутренней области галактики и черной дыры в ее центре, и это объясняет замеченную астрономами корреляцию между массой черной дыры и массой звезд с гораздо большими масштабами распределения.

В общем, в первые нескольких миллиардов лет после Большого взрыва галактики и черные дыры вошли в фазу интенсивного строительства. Под управлением темной материи галактики росли иерархически: мелкие объекты формировались первыми и со временем сливались, образуя более крупные. Темпы формирования звезд и слияний достигли максимума, после чего стали медленно снижаться по мере сокращения запаса топлива и увеличения Вселенной. Проект строительства черных дыр развивался иначе. Самые глубокие гравитационные потенциалы быстро образовали крупнейшие галактики и самые массивные черные дыры. Сегодня мы наблюдаем их в форме эллиптических галактик, давно истощивших свой газ, с прячущимися в центре мертвыми квазарами. Между тем мелкие гравитационные потенциалы образовали галактики среднего размера — такие как Млечный Путь, которые «вырастили» у себя менее массивные черные дыры, — с более долгим периодом роста и активности. Золотая пора сотворения галактик и черных дыр давно миновала (илл. 42). Когда наступят сумерки Вселенной, будут умирать последние звезды и почти перестанут образовываться новые — им на смену и единственным развлечением станут редкие случаи столкновения двух зрелых галактик и слияния их массивных черных дыр.

Вселенная как черная дыра

Является ли Вселенная черной дырой? Между ними есть некоторые внешние признаки сходства. Масса и радиус наблюдаемой Вселенной удовлетворяют отношению шварцшильдовских массы и радиуса черной дыры. Вселенная имеет горизонт событий, представляющий собой границу между галактиками, которые мы можем видеть, и галактиками, невидимыми для нас, поскольку их свету не хватило времени достичь нас за период существования Вселенной.

Наблюдаются и принципиальные отличия. Самое очевидное: у черной дыры есть внутренности — запечатанное в пределах горизонта событий пространство и время — и внешняя часть. Вселенная по определению есть все пространство и время, так что у нее нет ничего «снаружи». Кроме того, горизонт событий черной дыры является односторонним барьером: хотя никакая информация не может просочиться наружу, мы могли бы пройти сквозь горизонт событий и узнать, что там внутри. В нашей ускоряющейся Вселенной горизонт событий, удаленный на 16 млрд световых лет, отделяет события, которые мы никогда не увидим, сколько бы ни ждали. Мы можем увидеть, что происходило в галактиках перед тем, как они пересекли горизонт событий; все последующее навсегда исчезает от нашего взгляда. Нед Райт, профессор астрономии Калифорнийского университета в Лос-­Анджелесе, емко выразил это в своих ответах на часто задаваемые вопросы о космологии: «Большой взрыв на самом деле не имеет ничего общего с черной дырой. Большой взрыв — это сингулярность, распространившаяся на все пространство в одно мгновение времени, а черная дыра — это сингулярность, распространившаяся на все время в одной точке пространства». Иначе говоря, наша Вселенная в прошлом имела сингулярность, из которой возникло все, а черная дыра имеет сингулярность, в которой объекты могут исчезнуть в будущем.

О черных дырах также вспоминают при попытках объяснить существование Вселенной. Это умозрительная космология, так что пристегните ремни! Теория Большого взрыва опирается на эпизод инфляции, период экспоненциального расширения через 10–35 после Большого взрыва, в течение которого Вселенная раздулась от размера меньше протона до примерно метра в поперечнике. Некоторые наблюдения свидетельствуют в пользу инфляции, но до сих пор отсутствует убедительная теория вызвавших ее причин.

В занимательной статье, опубликованной в 2010 г., ученые попытались устранить необходимость в инфляции, распространив теорию гравитации на новый тип элементарных частиц. Теория обратилась к идее силы отталкивания — так называемой торсионной силы. Торсионная сила при нормальных плотностях и температурах незаметна, но в условиях Большого взрыва она обеспечила бы формирование Вселенной из внутренности черной дыры. В таком случае наша Вселенная являлась бы пространственно-­временным континуумом, исторгнутым черной дырой. Побочным преимуществом этой идеи является объяснение стрелы времени. Время для нас течет вперед вследствие асимметричного по времени потока материи на горизонт событий из родительской Вселенной. Это значит, что по другую сторону горизонта событий, в родительской Вселенной, время течет в обратном направлении. Возникает немыслимая ситуация: события, случившиеся после Большого взрыва, в родительской Вселенной развиваются в обратном порядке.

Еще более сумасшедшая теория, опубликованная в 2014 г., воспользовалась инструментарием теории струн. Попытавшись обойтись без сингулярности Большого взрыва, ученые Института теоретической физики «Периметр» в Ватерлоо (Канада) выдвинули теорию, согласно которой наша Вселенная возникла в результате формирования черной дыры во вселенной большей размерности. В нашей трехмерной Вселенной черные дыры имеют двухмерные горизонты событий. В четырехмерной вселенной горизонт событий черной дыры должен иметь три измерения. Ниайеш Афшорди и его коллеги предполагают, что наша Вселенная начала существовать, когда звезда в четырехмерной вселенной коллапсировала в черную дыру. Большой взрыв — мираж, отзвук более многомерного события. Они объясняют это при помощи платоновской аллегории с пещерой: «Двухмерные тени — единственное, что видят пленники, — их единственная реальность. Оковы не позволяют им увидеть настоящий мир, имеющий на одно измерение больше, чем мир, который они знают. <…> Узники у Платона не понимают, какие силы управляют Солнцем, как мы не понимаем четырехмерной объемной Вселенной».

Лабораторная черная дыра

Но давайте вместе с черными дырами вернемся на Землю и зададимся вопросом: по силам ли нам создать черную дыру? Прежде чем ответить на него, вспомним, что это за необыкновенный объект — черная дыра. Радиус Шварцшильда пропорционален массе. Чтобы превратить Солнце в черную дыру, его пришлось бы сжать до радиуса 3 км, что соответствует плотности 20 трлн кг на куб. м. Превращение Земли в черную дыру потребовало бы сжать ее до радиуса 9 мм — это меньше шарика для настольного тенниса. Плотность будет чудовищной — 1024 кг/м3. Для сравнения приведем плотность типичной скальной породы — 2000 кг/м3. Супермен с его фантастической силой может, стиснув кусок угля, превратить его в алмаз, но плотность при этом увеличивается всего лишь от 900 до 3500 кг на куб. м. Чтобы достичь плотности черной дыры, пришлось бы сжать материю еще в тысячу миллиардов миллиардов раз! Вперед, Супермен!

Создание черных дыр выходит далеко за пределы наших нынешних возможностей. Большой адронный коллайдер (илл. 43) вырабатывает беспрецедентную энергию, но и ее в 10 млн раз меньше, чем нужно для получения черной дыры — даже в теории. Что не помешало СМИ окрестить его «машиной Судного дня» и предположить, что коллайдер породит микроскопические черные дыры, которые провалятся в центр Земли и поглотят нашу планету. Поиск микроскопических черных дыр не дал результатов, и всевозможные апокалипсические сценарии были убедительно опровергнуты.

Если дополнительные измерения существуют, гравитация в нашей Вселенной может перетекать в другие измерения. Этим объясняется столь слабое гравитационное взаимодействие. Кроме того, поскольку энергия, необходимая для создания микроскопической черной дыры, зависит от количества измерений пространства, создавать микроскопические черные дыры было бы проще. С этой точки зрения факт, что ускоритель частиц не способен сформировать миниатюрные черные дыры, противоречит идее дополнительных измерений. О­пять-таки, энергии, позволяющие создавать микроскопические черные дыры и существенно превосходящие возможности Большого адронного коллайдера, наблюдаются каждые несколько месяцев в форме космических лучей, однако нет никаких свидетельств, что космические лучи порождают черные дыры. Наконец, даже если коллайдер создал бы черные дыры, они были бы крохотными — 10–23 кг, чтобы дорасти до кило­грамма, им потребовалось бы поглощать материю в течение 3 трлн лет. Однако, если теория черных дыр верна, их шансы вырасти равны нулю, поскольку они полностью испарятся за ничтожную долю секунды вследствие излучения Хокинга.

Если в принципе можно было бы создать миниатюрные черные дыры, они могли бы использоваться в перспективе как транспорт для путешествий к звездам. Идея межзвездных полетов пробуксовывает с самого начала, поскольку наши ракеты летают благодаря химической энергии. Это неэффективное топливо может использоваться для доставки людей на орбиту Земли и грузов в Солнечную систему, но его возможности безнадежно малы для путешествия за триллионы километров даже к ближайшим звездам. Однако энергия, выделяемая микроскопической черной дырой в форме излучения Хокинга, могла бы разогнать космический корабль до скоростей, сопоставимых со скоростью света. Черная дыра, используемая в космических полетах, должна быть довольно маленькой, чтобы ее можно было создать искусственно, иметь массу, аналогичную массе корабля, и достаточно долго жить для полезного применения. Подошла бы черная дыра в полмиллиона тонн. Она имела бы размер 10–18 м, выходную мощность 1017 Вт, продолжительность жизни 3–4 года и с учетом 10%-ной эффективности преобразования энергии в кинетическую, разогнала бы космический корабль до 10% скорости света за 200 дней. Черную дыру разместили бы в точке фокуса параболического отражателя для создания тяги. Такова идея. Дело всего лишь за технической реализацией!

Отправить