Визг и чириканье из открытого космоса

Рецензия Дмитрия Борисова на «Маленькую книгу о черных дырах».

Почему кротовые норы не годятся для путешествий сквозь вселенную, что представляют собой белые дыры и в чем заключается «теория об отсутствии волос», оппонентом которой выступал Стивен Хокинг. Дмитрий Борисов убедился, что из книги Стивена Габсера и Франса Преториуса, вышедшей в финал премии «Просветитель. Перевод», можно узнать и не такое.


Стивен Габсер, Франс Преториус. Маленькая книга о черных дырах. Питер, 2019. Перевод с английского К. Л. Масленникова



Насыщенная пятилетка

Нобелевскую премию по физике в 2020 году поделили между исследователями черных дыр: одним «теоретиком» и двумя «экспериментаторами». К первым относится классик общей теории относительности Роджер Пенроуз, доказавший возможность существования черных дыр еще в 1965 году. Ко вторым — астрофизики Райнхард Генцель и Андреа Гэз, ставшие нобелиатами «за открытие сверхмассивного компактного объекта в центре Галактики» (черной дыры).

Повышенное внимание научного мира к этой теме не случайно: исследование черных дыр знаменует переход к эре гравитационно-волновой астрономии. Именно с этого громкого заявления начинается книга Стивена Габсера и Франса Преториуса. Конкретное событие, ставшее вехой на этом пути, произошло 14 сентября 2015 года, когда приемники обсерваторий LIGO и Virgo зарегистрировали гравитационные волны, образовавшиеся от слияния двух черных дыр (ниже мы расскажем об этом подробнее).

Событие это авторы книги характеризуют не просто как уникальное, а по-настоящему революционное. Причем с того момента, как в 2017 году «Маленькая книга о черных дырах» вышла на языке оригинала, было зафиксировано по меньшей мере четыре аналогичных космических сигнала.

Кроме того, 17 августа 2017 года удалось поймать гравитационную волну от столкновения нейтронных звезд (на момент написания «Маленькой книги...» такого рода событие все еще оставалось «недоступным для регистрации самыми чувствительными измерительными приборами»).

А в 2019-м было сделано первое в истории фото «тени» черной дыры. Как готовились к этой «фотосессии» Габсер и Преториус тоже в подробностях рассказывают: группа исполинских радиотелескопов, установленных по всему земному шару, работала как единый инструмент с угловым разрешением телескопа, который был бы размером со всю планету.

Короче говоря, сегодня ученые озабочены черными дырами как никогда, но в целом эта тема привлекает их внимание много лет. Вспомним, чем ознаменовался этот исследовательский век.



Все началось с Эйнштейна

Как известно, есть «ранняя» и «поздняя» версии его теории — специальная теория относительности (СТО) и общая теория относительности (ОТО) соответственно.

СТО Эйнштейн предложил в 1905 году. В ней он рассматривал движение объектов друг относительно друга. В отличие от классической механики, в СТО ключевую роль играет зависимость пространства и времени от скорости. Она основана на неискривленном пространстве Минковского.

«<...> в рамках специальной теории относительности была выведена формула E = mc2, связывающая энергию тела E, его массу m и скорость света c, — одно из самых знаменитых уравнений во всей физической науке, а может, и вообще одна из главных вершин человеческого знания. Применение этой формулы позволило высвободить гигантскую энергию, скрытую в атомных ядрах <...> Формула E = mc2 имеет прямое отношение и к физике черных дыр. При первом наблюдавшемся астрономами слиянии черных дыр выделилась энергия, эквивалентная трем массам Солнца, что и стало прямой иллюстрацией эквивалентности массы и энергии. Чтобы представить себе, насколько огромны масштабы этой космической катастрофы, вспомним, что при взрыве атомной бомбы мощностью в 400 килотонн выделяется энергия, эквивалентная массе всего в 19 граммов».

Позже СТО станет частью ОТО. Можно сказать, что в СТО пространство-время представляло собой пустую сцену, а всякое движение было относительным. В ОТО пространство-время становится главным игроком: всякая масса искривляет пространство и меняет ход времени.


И еще одно дополнение: пространство искривляется, но эта кривизна внутренняя. Это искажение пространства внутрь себя, а не его изгиб в какое-то дополнительное измерение.

ОТО Эйнштейн представил в 1915 году, а в 1916-м немецкий астроном и физик Карл Шварцшильд предложил точное решение уравнений, описывающих кривизну пространства-времени вокруг сферически-симметричного массивного объекта, что, по сути, и допускает возможность существования черных дыр. Также ученый фактически ввел понятие горизонта событий (названный радиусом Шварцшильда), важнейшего «элемента» черных дыр.

Перейдем к их описанию.



«У черной дыры нет волос»

Не мы придумали эту метафору (а либо Вернер Израэль, либо Джон Уилер, либо Яаков Бекенштейн — кто-то из этих ученых мужей), но соответствующая теория, которую нельзя обойти вниманием, закрепилась именно под таким кодовым названием. Как говорил герой Юрия Никулина — «чтобы никто не догадался».

Считается, что черные дыры — чрезвычайно простые космические объекты. У них есть масса, спин и заряд (последние два необязательны) — вот и все. Если эти характеристики черной дыры известны, «то ее геометрия полностью определена. Именно это <...> и называется теоремой об отсутствии волос или <...> теоремой однозначности», пишут Габсер и Преториус.

Иными словами, у дыры нет «особенностей рельефа», которые потом бы сглаживались. Абсолютно все равно, из чего сделано тело, попадающее в черную дыру, и каково его внутреннее состояние, — от него не останется ничего. Имеет значение только масса. Гипотетические неровности горизонта можно было бы метафорически описать как холмы, горы и возвышенности, но их почему-то назвали «волосами».

При этом исчерпывающего математического описания данной теории нет, так что по факту это все-таки гипотеза. Ее оспаривал, например, Стивен Хокинг, допускавший, что у черной дыры есть «мягкие волосы» — фотоны с почти нулевой энергией. Также Хокинг утверждал, что черные дыры имеют температуру. Это породило соответствующую исследовательскую оптику — термодинамику черных дыр.

Главное мы сказали, теперь перейдем к частностям.



Сто тысяч солнц и многим больше

Считается, что черная дыра образуются после «смерти» массивной звезды. Когда в ее недрах заканчивается ядерное «горючее», звезда коллапсирует — обрушивается внутрь самой себя. Большая часть вещества выбрасывается в окружающее пространство в результате взрыва, называемого вспышкой сверхновой (считается, что такие коллапсы играют ключевую роль в распространении металлов и других тяжелых элементов во Вселенной). Оставшееся вещество — «звездный остаток» — называется нейтронной звездой. Считается, что, если ее масса по крайней мере в три раза превышает массу Солнца, коллапс продолжается — возникает черная дыра.

Как отмечают Габсер и Преториус, массы «наблюдаемых» LIGO соединившихся черных дыр намного значительнее, но их генезис все равно укладывается в модель звездного коллапса.

А есть в центрах галактик такие черные дыры, чья масса — от тысяч до миллиардов масс Солнца. Одна такая дыра, скорее всего, находится в центре Млечного Пути — она обладает примерно 4 миллионами солнечных масс. Таковы сверхмассивные черные дыры.

Есть версия, что они появились вследствие коллапса первого поколения массивных звезд, образовавшихся спустя несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва (считается, что он произошел ~ 14 млрд лет назад). Изначально дыры были меньше — от 10 до 100 солнечных масс. Но потом, оказавшись в центре новообразованных галактик, они выросли за счет аккреции газа и слияний с другими черными дырами.


Это более-менее укладывается в рамки современного представления о возникновении черных дыр. Но есть, например, такие космические объекты, как квазары (от «квазизвездный»). Как замечают Габсер и Преториус, некоторое время назад представление о квазарах можно было описать фразой «мы не знаем, что это такое, — какая‑то очень яркая штуковина, похожая на звезду». Теперь известно, что квазар — это разновидность активного галактического ядра (active galactic nucleus, AGN), небольшой области в центре галактики вокруг огромной черной дыры. Эта область заполнена веществом, которое испускает мощные потоки излучения, вливаясь по спирали в черную дыру.

«Квазары очень яркие и очень далекие: до них многие миллиарды световых лет. Чтобы представить себе, насколько это далеко, подумайте о том, что поперечник нашей Галактики около ста тысяч световых лет, а один световой год — это чуть меньше десяти триллионов километров. <...> Считается, что черные дыры в центрах квазаров имеют массу от нескольких миллионов до нескольких миллиардов масс Солнца».

Вопрос в том, как им удалось нарастить такую массу за космологически короткое время — всего несколько сотен миллионов лет?

Есть гипотеза (ничем не подтвержденная) о так называемых «первичных черных дырах», появившихся либо почти сразу после Большого взрыва, либо вообще одновременно с ним (правда, непонятно, как это возможно). На этом пока все.



Звезды, «умершие в один день»

Но вернемся на Землю. Что за гравитационные волны уловлены LIGO и что вообще представляет собой это измерительное устройство?

LIGO — это линейка точностью в 1/10 000 диаметра протона. Одно плечо детектора тянется на 4 километра, отклоняясь на несколько градусов к востоку от направления строго на юг по мере удаления от центрального узла. Другое — на 4 километра под прямым углом к первому, отклоняясь на несколько градусов на юг от направления строго на запад. Детекторы фиксируют изменения разности расстояний вдоль двух плеч.


LIGO
Фото: ICRR, Univ. of Tokyo/LIGO Lab/Caltech/MIT/Virgo Collaboration


Такая зубодробительная точность нужна, потому что растяжение-сжатие пространства-времени гравитационными волнами чрезвычайно мало. Скажем, гравитационные волны, создаваемые движением Меркурия, LIGO не по силам зарегистрировать: они не только очень малы, но и слишком низкочастотны.

14 сентября 2015 года LIGO зафиксировал слияние двух черных дыр, которое произошло более миллиарда лет назад, — и лишь сейчас гравитационные волны, им вызванные, дошли до Земли. Но это не значит, что две дыры неслись навстречу друг другу и столкнулись лоб в лоб. Черные дыры в принципе нечастое явление во Вселенной, а их встреча вообще крайне маловероятна (хотя возможна).

«Даже в густонаселенных областях, таких как шаровые скопления, в ядрах которых может содержаться по нескольку сотен черных дыр и среднее расстояние между ними должно составить всего лишь около светового месяца, такие столкновения могут случаться раз в миллиард лет, а то и реже».

Вероятнее всего, пишут авторы книги, имело место слияние бывшей пары двойной звездной системы, где каждая из звезд достаточно массивна, чтобы коллапсировать в черную дыру. Они жили вместе и «умерли в один день».

Были две звезды — стали две дыры. Они далеко не сразу сливаются, долго вращаясь друг вокруг друга по орбите. Но в конечном итоге обречены на это. Их сближение может длиться миллиарды лет. Повторимся, еще более миллиарда лет вызванные этой встречей гравитационные волны шли до Земли. А само слияние — всего несколько миллисекунд.

Авторы пишут, что изучение гравитации демонстрирует одно из глубочайших противоречий: с одной стороны, это единственная сила, способная преодолеть все другие и привести к образованию черных дыр, а с другой — она оказывается чрезвычайно слабой, настолько, что гравитационное «эхо» с трудом улавливается сверхчувствительными и сложными системами.

«LIGO чувствителен к частотам гравитационных волн в диапазоне от 30 до 1000 Герц; звуковые волны такой частоты попадают в диапазон человеческого слуха. <...> „Голос” двойной системы черных дыр в начале их спирального сближения звучит на частоте 30 Герц. <...> Но частота быстро растет, и, когда начинается слияние, она составляет примерно 190 Герц. <...> Форма волнового фронта в целом соответствует тому, что мы называем „гравитационно‑волновым чириканьем”. <...> Столкновения черных дыр большего размера давали бы „чириканье” более низкого тона — при слиянии черных дыр с массой, значительно превосходящей 60 Солнц, оно было бы уже слишком низкочастотным, чтобы LIGO мог его услышать. И наоборот, при слиянии менее массивных черных дыр „чириканье” было бы более длительным и частоты его лежали бы в диапазоне чувствительности LIGO, а заканчивалось бы оно более пронзительным „взвизгом”».

В книге Габсера и Преториуса есть множество подробных описаний гипотетических экспериментов, которые в реальности, скорее всего, невозможно осуществить. Например, мы отправляем в черную дыру зонд с сигнальным маячком — мигалкой. Мало сказать, что он никогда не вернется, — незавидная судьба техники в каком-то смысле «раздвоится». С одной стороны, внешний наблюдатель (а внутреннего и быть не может, даже теоретически, — мы не знаем, что внутри черной дыры) никогда не увидит, как зонд пересечет горизонт событий дыры. Каждый испускаемый зондом сигнал должен добираться до наблюдателя все дольше и дольше. Казалось бы, когда-то наступит момент, когда придет последний сигнал — его зонд пошлет в непосредственной близости к горизонту. Но этот импульс никогда не примет наблюдатель. Гравитационное замедление времени обратно пропорционально функции хода, которая на горизонте обращается в ноль. А значит, время на нем замедляется бесконечно и даже становится «больше бесконечного».

«Как только зонд пересек уровень горизонта, фотонам, испускаемым мигалкой зонда, не остается ничего, кроме как падать к центру дыры. И когда мы говорим, что замедление времени стало „больше бесконечного”, мы понимаем под этим, что время внутри черной дыры совершенно не такое, как время снаружи: оно „идет внутрь”, а будущее внутри черной дыры ограничено сингулярностью».

Ну а с другой «точки зрения», когда до входа в сингулярность останется от ~ 10 до 100 микросекунд (в зависимости от прочности корпуса), зонд мгновенно разорвет на мельчайшие куски, из чего бы он ни был сделан. Электроны оторвутся от атомных ядер, ядра разорвутся на протоны и нейтроны, а они — на кварки и глюоны.

«Что будет дальше, неизвестно, потому что, насколько мы знаем, кварки, глюоны и электроны — точечные неделимые объекты».



Одно невозможнее другого

У черных дыр есть антиподы — белые дыры. Что они такое и где находятся? Правильнее спросить не «где», а «когда». Белая дыра всегда находится в прошлом, причем — в сколь угодно далеком (кстати, в этом смысле черная дыра — всегда в будущем и существует вечно).

Белая дыра — это временная противоположность черной дыры. Если из черной дыры ничто не может выйти, то в белую дыру ничего не может войти. В ней поток времени отталкивает прочь все, вынося через границу, пропускающую только в одном направлении — вовне. Если что-то выброшено из белой дыры, оно никогда не сможет вернуться обратно.


А еще есть кротовые норы — и они абсолютно непроходимы. Их еще называют червоточиной Шварцшильда или мостом Эйнштейна-Розена.

Прежде чем говорить о кротовых норах, сделаем небольшое отступление. Все, что ранее было сказано о движении массивных объектов (о звездах, дырах, их «чириканьях» и «взвизгиваниях»), рассматривалось как причинно-следственные события. То есть, условно говоря, одно пространственно-временное событие влияет на другое — первое событие предшествует второму. Стивен Габсер и Франс Преториус подчеркивают, что можно расширить взгляд на пространство-время, рассмотрев и не причинно-следственные пути. В этом свете решение Шварцшильда (напомним, что именно ему после Эйнштейна следует сказать «спасибо» за то, что в нашей жизни так много черных дыр) находит весьма оригинальное воплощение.

Оставив подробности, скажем, что есть, условно говоря, две параллельные Вселенные, в которых живут наши «двойники» — у них все точно так же, как у нас, но мы никогда не встретимся и даже не узнаем друг о друге:

«Так как единственной связью между мирами являются не причинно-следственные пути через внутренность либо черной, либо белой дыры, по которым не может пройти ни одна частица, массивная или безмассовая. <...> Две внешние области в причинно-следственном смысле отрезаны друг от друга, а внутренние области пересекаются. Считается, что кротовая нора может соединять очень далекие друг от друга части Вселенной. <...> Беда в том, что если вы соединяете удаленные друг от друга области пространства-времени без причинно-следственной связи, то на деле это в любом практическом смысле вообще не означает никакого соединения. Если выражаться точно, не причинно-следственное соединение означает, что ничего (буквально — совсем ничего) не может перейти по этому каналу из одной области в другую».

В завершение отметим, что решение Нобелевского комитета относительно упомянутого вначале Роджера Пенроуза критикуют и считают, что премию по физике ученый получил за теоретический, «даже математический» результат.

Что любопытно, поскольку Нобелевскую премию, как известно, за достижения в области математики традиционно не дают (для этого есть Абелевская премия).

Но это так — заметки на полях «горизонта событий».

Автор
Дмитрий Борисов
Поделиться
Комментировать

Популярное в разделе