Знание-сила, 2009 № 01 (979)

Дыры бывают разные

Дарья Злобина

Черные дыры бывают разных видов. Физики различают их по массам. Самые гигантские они называют супермассивными. Это такие черные дыры, масса которых составляет миллионы и даже миллиарды масс нашего Солнца. Самые небольшие — это звездоподобные с массой от полутора до тридцати наших Солнц. Есть еще и мини- или микродыры, но о них разговор особый. Сейчас нас интересуют дыры промежуточные. По теории, они тоже должны существовать, но их долгое время никому не удавалось обнаружить. Гигантские черные дыры находили одну за другой, звездоподобные тоже, а с промежуточными никак не получалось. И это, ясное дело, волновало всех. Но вот совсем недавно эта странность получила наконец правдоподобное объяснение, и мы сочли необходимым об этом рассказать.

Обнаружить черные дыры можно по косвенным признакам. Например, супермассивные черные дыры притягивают к себе межзвездный газ и даже целые звезды, которые крошатся под действием их тяготения. Такие дыры окружены облаком бешено вращающегося вещества, которое по спирали падает на них, испуская при этом энергию в окружающее пространство. Вот по этому излучению, по его специфическим характеристикам, ученые и опознают, что в центре этого облака должна быть гигантская черная дыра. Не всякое тело способно так свернуть пространство. Дело тут не в массе. Солнце, например, массивно, но на такое не способно. Нужно, чтобы достаточная масса была сосредоточена в достаточно малом объеме. Тогда она сможет создать снаружи себя такое огромное тяготение, что вырваться из ее гравитационного поля сумеют лишь тела, находящиеся на достаточном расстоянии от нее. Это предельное расстояние, эту сферу, изнутри которой ничто уже не может вырваться, называют «горизонтом» дыры. У Солнца тоже есть «горизонт», только он находится внутри нашего светила. Будь масса Солнца сосредоточена внутри этого горизонта, оно бы тоже стало черной дырой, и плохо бы нам тогда было. Но Солнце, слава Природе, не такое плотное.

Возвращаясь к классификации, — как образуются разные виды черных дыр? Это важно уразуметь, иначе мы не поймем то открытие, о котором говорили выше. По мнению астрономов, звездоподобные черные дыры образуются в результате коллапса очень массивных звезд. Внутри звезды происходит процесс выгорания водорода, а затем гелия (эта термоядерная реакция и заставляет их светиться), и наступает момент, когда тяжесть наружных слоев звезды не может быть уравновешена давлением изнутри, и звезда коллапсирует, то есть ее масса сжимается в очень малый объем. А это как раз и значит, что она превращается в черную дыру. Конечно, во время такой катастрофы значительная часть массы звезды выбрасывается наружу, мы видим это как взрыв, как появление новой и очень яркой звезды (как говорят, «сверхновой»), и потому, например, черная дыра массой в 5 Солнц может образоваться из звезды, которая до коллапса имела массу двадцать Cолнц, — остальные 15 рассеиваются при взрыве.

Если звезда не выбросит достаточно массы и не сожмется в довольно малый объем, из нее после коллапса может получиться не черная дыра, а так называемая нейтронная звезда, то есть сверхплотное тело, в котором все атомы сжаты так, что электроны вмялись в протоны и из всех из них сделались нейтроны. Это тоже очень заметный экспонат космического зоосада. Для нашего рассказа особенно интересно в нейтронных звездах то, что при столкновении они могут сливаться в черные дыры. Это второй путь образования звездоподобных черных дыр. Такие дыры могут служить зародышами более крупных. Притягивая и поглощая окружающий газ и близкие звезды, они мало-помалу растут и становятся промежуточными, а потом и гигантскими черными дырами. Но гиганты могут получаться и другим путем. В галактиках есть места довольно плотного скопления звезд. Вот такие скопления под влиянием гравитации могут стягиваться в суперогромную звезду, которая обычно выгорает за несколько миллионов лет и коллапсирует сразу в черную дыру-гиганта.

Таким образом, черные дыры промежуточного размера вроде бы должны возникать вполне естественно, как промежуточная стадия образования гиганта. Ничего загадочного в них быть не должно. Это не какие-нибудь микродыры, о которых до сих пор идут споры. Дело в том, что, как следует из сказанного выше, черные дыры могут возникать только за счет гравитационного коллапса, а расчеты приводят к выводу, что коллапсировать могут только звезды, масса которых не меньше полутора-трех солнечных масс. Как же тут возникнуть черным дырам меньшей массы?

Тем не менее теоретики указывают, как минимум, на три процесса, которые без всякого коллапса могут так сильно сжать маленькую массу, что она уместится в сверхмикроскопический объем, то есть станет микродырой. Это, во-первых, испарение большой черной дыры. Да, хотя черная дыра не выпускает наружу свет, но, как подсчитал знаменитый Хоукинг, в результате определенных квантовых процессов она должна выбрасывать наружу микрочастицы и постепенно терять массу. На этом пути она может дойти до стадии микродыры, а потом и вовсе испариться. Микродыра, по Хоукингу, долго не живет. Другой путь ее образования — это Биг Бэнг. На ранних стадиях образования Вселенной могли существовать такие высокие давления, при которых возможно было и образование микродыр. А третий путь — это столкновения частиц с высочайшей энергией — например, в ускорителе. Вот и сейчас в связи с окончательным пуском нового грандиозного ускорителя под Женевой, так называемого Большого коллайдера, опять возобновились апокалиптические разговоры, что в нем, мол, может возникнуть микродыра, которая вырвется на свободу и «проест насквозь» весь земной шар.

В этой связи позволим себе отвлечься. Если бы такое было возможно, микродыры рождались бы многократно, при любом вторжении в атмосферу достаточно мощных частиц космического излучения, которые много энергичнее, чем любой земной ускоритель. Такие микродыры имели бы скорость космической частицы и проходили бы сквозь Землю за четверть секунды без всякого ущерба для нашей планеты, а затем на той же околосветовой скорости уносились бы в неведомую космическую даль, чтобы там испариться на лету. В ускорителях с мощностью Большого коллайдера микродыры могли бы возникнуть только при условии, что мы жили бы в пространстве не трех, а много больше измерений, как это утверждают некоторые варианты новейшей теории струн. Однако эта теория весьма спекулятивна и гипотетична. Но даже если она верна и такие дыры могли бы возникнуть, то они оставались бы практически в покое (в отличие от тех, что могут быть образованы космическими лучами) и за несколько секунд испарились бы без остатка. Разве что неверен вывод Хоукинга об испарении дыр вообще, но это уж слишком много «разве что» и «если».

Поэтому оставим в покое микродыры и вернемся к промежуточным дырам. Мы сказали, что именно они до сих пор почему-то упорно не обнаруживались. А какие у нас есть свидетельства существования других дыр? Ну, гигантские черные дыры выдают себя несколькими признаками. Во-первых, как мы уже говорили вначале, вокруг них должно обращаться облако (точнее — плоский диск) раскаленного вещества, и тогда перпендикулярно этому диску должны выбрасываться в две стороны длинные факелы движущегося с околосветовой скоростью газа. Правда, это явление может сопровождать также нейтронную звезду, поэтому желательно, чтобы был и второй признак — сильное излучение ренгтеновских или даже гамма-лучей (то есть самого мощного излучения, какое есть в природе). И есть еще третий признак — гравитационная линза. Как мы знаем, гравитация массивного объекта искривляет световые лучи. Поэтому супермассивная черная дыра должна фокусировать лучи находящегося позади нее объекта, подобно тому, как обычная линза фокусирует солнечные лучи.

Вот, опираясь на все эти приметы, вместе взятые, астрономы и утверждают сегодня, что в центре почти всех крупных галактик находятся супергигантские черные дыры с массой порядка миллиардов солнечных масс, существование которых вызывает невероятно активные процессы в центрах этих галактик (такие центры так и называются «активными галактическими ядрами», и считается, что именно они являются источником пронизывающих Вселенную космических лучей). Есть такая дыра и в центре нашего Млечного Пути, в направлении на созвездие Саггитариус. Об этом говорит быстрое вращение некой звезды S2 на расстоянии всего 17 световых часов от центра нашей галактики. Расчеты показывают, что такое вращение может вызвать масса примерно в 4 миллиона солнечных масс, сконцентрированная в сфере радиусом всего шесть с хвостиком световых часов. Такими параметрами может обладать только гигантская черная дыра.

С помощью таких же признаков астрономы недавно (в январе 2008 года) обнаружили самую гигантскую из всех найденных до сих пор черных дыр. Этот рекордсмен массой в 18 миллиардов (!) солнечных масс находится жутко далеко от нас, но что интересно — имеет спутника в виде другой черной дыры, размером поменьше, «всего» в 100 миллионов солнечных масс, которая постепенно сближается с первой. При каждом обращении дыра-спутник пронизывает диск вещества, окружающий основную дыру, и это вызывает выброс излучения, вспышку, по которым астрономы опознали эту систему и рассчитали все ее параметры. Существуют и другие кандидаты в рекордсмены массы, но сведения о них менее точны. В общей сложности на данный момент астрономы насчитывают около 160 супермассивных черных дыр во всей разведанной Вселенной. Судя по данным о них и основанным на них расчетам, все эти дыры быстро вращаются. Упомянуть об этом стоит, потому что, в отличие от стационарных черных дыр, вращающиеся дыры, согласно расчетам теоретика Керра, который ими первый занялся, имеют поразительные свойства — в их центре, например, могут открываться туннели, ведущие в другие точки нашей Вселенной или даже в другие вселенные, если таковые существуют.

Но вернемся все же к черным дырам промежуточного размера и к загадке их видимого отсутствия. Насчет признаков наличия во Вселенной гигантских дыр мы уже сказали. Признаки существования небольших звездоподобных дыр тоже достаточно многочисленны. Но вот намеки на существование дыр с массой в сотни или тысячи солнечных масс можно пересчитать по пальцам. Поэтому каждый новый такой намек вызывает большой интерес. Например, в 2002 году внимание ученых привлекли сообщения сразу двух групп астрономов, которые заявили, что нашли признаки существования промежуточных черных дыр массой в 4 тысячи и 20 тысяч наших Солнц в так называемых «шаровых скоплениях» двух галактик, нашей и туманности Андромеды. И что еще более интересно — оказалось, что массы этих промежуточных черных дыр так же пропорциональны массам своих скоплений, как массы гигантских черных дыр в центрах галактик — массам своих галактик. Это сходство явно о чем-то говорило, но ни авторы, ни их коллеги не могли догадаться, о чем.

Зато другая особенность — тот факт, что обе промежуточные дыры были найдены внутри шаровых звездных скоплений, — стал толчком к новому открытию. Дело в том, что такие шаровые скопления — частое явление в галактиках. В одном только Млечном Пути их насчитывается около 150. И вот американский астроном Келли Холли-Бокельман высказала смелую гипотезу, что именно эти скопления являются главным местом образования черных дыр промежуточного размера. Звезды в шаровых скоплениях расположены особенно плотно, и если некоторые из этих звезд, как то часто бывает, сколлапсируют и дадут начало звездоподобным черным дырам, то здесь будет повышенная вероятность, что такие дыры встретятся и сольются, образовав промежуточную черную дыру. Но если так, то такие дыры должны наблюдаться достаточно часто, ведь шаровых скоплений много. Где ж они?

Чтобы решить этот вопрос, Холли-Бокельман провела длительное компьютерное моделирование процессов, которые могут происходить при столкновении черных дыр различной массы и различной скорости вращения, и недавно, тоже в январе 2008 года, предложила неожиданное объяснение загадки. По ее компьютерным расчетам, при соударениях, приводящих к рождению черной дыры промежуточного размера, эта дыра получает огромный реактивный толчок, который придает ей скорость в сотни или даже тысячи километров в секунду. В результате от 70 % до целых 98 % (в зависимости от условий столкновения) образовавшихся черных дыр промежуточного размера должны вылетать из своих шаровых скоплений и становиться «сиротами», одиноко блуждающими в космосе и потому совершенно невидимыми. Вот почему их и невозможно обнаружить обычными методами.

Это открытие «на кончике пера», сделанное Холли-Бокельман, уже привлекло сочувственное внимание коллег. А один из них, астроном Крэг Уиллер, даже выдвинул гипотезу, что вывод Холли-Бокельман можно расширить, предположив, на том же основании, что в космосе могут блуждать и другие, гораздо более многочисленные «невидимки» — миллионы звездоподобных черных дыр, возникших в результате коллапса одиночных звезд, не относившихся ни к каким созвездиям или скоплениям. Жуткая вырисовывается картина: невидимки всех мыслимых размеров, от эфемерно существующих микродыр и черных дыр в несколько солнечных масс и вплоть до громадин в несколько тысяч масс Солнца, блуждают во всех направлениях по нашему Млечному Пути и, возможно, уже в данную минуту приближаются к нашей Солнечной системе, а мы ни о чем таком не догадываемся?

Картина, конечно, жуткая, но опасаться не стоит. Даже если она верна, то вероятность столкновения Солнечной системы с такой блуждающей черной дырой ничтожно мала — не больше, чем вероятность встречи с какой-нибудь блуждающей звездой, каких тоже немало должно быть в Галактике. Разумеется, даже самое маловероятное явление может произойти в любой момент, но в наших ли силах его предотвратить?! Нужно примириться с тем, что мы вообще живем по милости вероятностей, и заняться лучше куда более вероятными — земными — неприятностями.