Космос, космос, хочу в космос: чёрные дыры и их белые пятна
Давненько не смотрела я никаких научно-популярных лекций. Всё что-то не то, да не то - то тема мне не интересна, то рассказчик совершенно незнакомый... ну да, такие вот проблемы капризного зрителя. И вдруг гляжу на прошлой неделе - Сурдин рассказывает про чёрные дыры! Возможности живьём посмотреть у меня не было, так что запустила трансляцию.
И не пожалела ни секунды!
Цитирую: «Для меня очень странно, что Исаак Ньютон ничего не говорил о чёрных дырах. А мог бы».
Так и вспомнилась байка, источник которой, однако, где-то затерялся (перелистала, кажется, все книги, где я это могла прочитать, но не нашла). Начинает преподаватель лекцию о дифференциальных уравнениях:
- Записываем. В 1428 году... дифференциальных уравнений... ещё не было.
Шутки шутками, но ньютоновской физики вполне хватило бы на то, чтобы придумать чёрные дыры.
А что? Первую и вторую космическую скорость Ньютон, ясно дело, знал, скорость света - тоже, её уж давно измерили (пусть и не совсем точно).
А вот широко известный в узких кругах Джон Мичелл чёрную дыру придумал теоретически сделать, так сказать, из Солнца. Учёное сообщество хмыкнуло и на эту идею внимания не обратило. Лаплас тоже придумал чёрную дыру - скорее всего, у Мичелла подсмотрев, но не сославшись. И в первом издании «Системы мира» эту идею-таки написал. А в последующих изданиях вырезал её - наверное, под влиянием критиков.
Как у нас в биологии: первое издание «Происхождения видов» - самое крутое и бескомпромиссное, а потом, будучи человеком скромным и интеллигентным, Дарвин стал делать уступки в следующих изданиях...
Потом опять идея чёрной дыры возникла - на этот раз в работах Карла Шварцшильда, человека с очень непростой судьбой. Его чёрная дыра, решение уравнения в рамках общей теории относительности (что, однако, можно вычислить и всё теми же ньютоновыми путями) была таким прямо-таки сферическим конём в вакууме - массивной точкой. Но, как водится, сферические кони в вакууме - это рабочая скотина науки!
Вот и Рой Керр придал сферическому коню некоторую реалистичность, заставив его вращаться (а что во Вселенной не вращается, пусть первым кинет камень!). К тому же, появился предел статичности, который охватывает знаменитый горизонт событий, а между пределом статичности и горизонтом событий есть интересная область - эргосфера. Если вы туда попали, вам может показаться, что вы там неподвижны, но с точки зрения наблюдателя, вас носит по кругу со страшной скоростью (в ту же сторону, что и сама чёрная дыра). Вырваться оттуда ещё можно, если что :-)))
Мораль - это всё намекает на то, что из чёрной дыры можно-таки что-то получать...
Вот, Роджер Пенроуз (жив ещё, старый пень! Уважаю!) придумал в своё время такую вот шутейку. Строим вокруг вращающейся чёрной дыры этакую кибердеревню (простите мне эту лёгкую пошлость :-))) и время от времени выбрасываем оттуда всякое... всякий мусор в контейнерах. Контейнер пересекает предел статичности, начинают вращаться в эргосфере, открывается в нужный момент - мусор падает за горизонт событий и исчезает навеки, а контейнер, ускорившись, вылетает и попадает в какую-нибудь такую динамо-машину и, допустим, вырабатывает тем самым электричество.
Простите мне ещё одну пошлость - как тебе такое, Илон Маск?!
А вот Яков Борисович Зельдович уже развил серьёзную идею о том, что чёрная дыра - это нора, а нора - это Кролик это не какая-то абсолютно поглотительная махина, а штука, которая и излучать что-то может.
Конечно, совсем не без влияния Якова Борисовича Игорь Дмитриевич Новиков написал много чего научного и научно-популярного про чёрные дыры. Вот, например, «Чёрные дыры во Вселенной» - симпатичная популярная книжка, надо вчитаться.
А эту вечно улыбающуюся физиономию знает каждый прохожий и каждый, кто более-менее регулярно читает мой бложек :-)))
Так вот, к Зельдовичу на семинары хитроумный Стив приезжал в своё время, и идею о том, что даже невращающаяся чёрная дыра может что-то излучать, подхватил (о чём, надо заметить, написал-таки прямо в знаменитой «Краткой истории времени»).
«Излучение чёрной дыры» - когда-то это выражение было оксюмороном. Ан нет. Дело в том, что если балансировать между квантовой механикой и общей теорией относительности (пока ещё нет единой теории квантовой гравитации, и не пытайтесь), можно представить себе такую ситуацию: в вакууме вокруг чёрной дыры, как и в любом уважающем себя пространстве во Вселенной, постоянно возникают пары виртуальных частиц (и давайте не будем нудеть о том, «существуют» ли они «на самом деле» или нет, пусть этим занимаются другие). На границе чёрной дыры может появиться пара частиц, где одна за пределами горизонта событий, а другая снаружи. Первая упадёт в чёрную дыру, а вторая получит за этот счёт энергию, станет реальной частицей и вылетит будто бы наружу. Вот это и есть излучение Хокинга.
Немножко из закулисья тех семинаров, когда Зельдович сеял идеи, а их другие выдающиеся астрофизики подхватывали. За Хокингом - Иосиф Самуилович Шкловский, а спиной к объективу - Кип Торн. Он тогда переводил тогда неразборчивую из-за болезни речь Стивена и возил его - мотора у Стива на кресле пока ещё не было. Как появился, так сам стал рассекать, нарушая все скоростные режимы (это многократно во всех биографиях Хокинга рассказано; кстати, он, когда ещё на ногах был, и машиной рулил - с неподдельным ужасом об этом вспоминала его первая жена Джейн :-)))
(Добавлю только - какой астрофизик не любит быстрой езды?..)
Ещё всякие выдающиеся люди у Государственного астрономического института. И ещё одна история, связанная с Хокингом: якобы ради архитектурной гармонии не ставили (и не ставят) пандусы на лестнице этого института, вот и старину Стивена несли буквально на руках на семинары. И сам Владимир Георгиевич, оказывается, лично Хокинга как-то раз нёс! Вроде бы пустяковый факт из биографии, а для меня это очень сильно :-)))
Здесь в кадре Джон Уилер, который вроде бы как и застолбил термин «чёрная дыра» (а как только эти объекты не называли - мёртвые звёзды, коллапсары и т.д. и т.п. Кстати, советую почитать «Мир в ореховой скорлупке» всё того же хитреца Стива, который там замечательно проехался по особенностям французской терминологии :-))) Хотя есть два нюанса: одни говорят, что это Уилер у студента какого-то подслушал, а другие (в лице, кстати, весьма мной уважаемого Антона Первушина!) - что вообще-то термин не он застолбил.
Но все эти разговоры разговорами, термины терминами, а стало понятно, что чёрная дыра - это не математический фокус, а реальный объект. Откуда же он берётся?
(Все ведь знают этот анекдот про 5 миллиардов лет? Чтоб виртуальные чернила зря не тратить :-)))
Мораль же этого слайда - из нашего Солнца чёрной дыры не получится.
Вот так звёзды вроде Солнца заканчивают своё существование, сбрасывая внешнюю оболочку.
Белые карлики более чем наблюдаемы - вон, рядом с ярчайшим Сириусом (Сириусом A, правильнее сказать) сияет слегка крохотный Сириус B.
А вот с гораздо более тяжёлыми, чем наше Солнце, звёздами происходит нечто совершенно иное. Солнцеподобные звёзды достаточно мягко сбрасывают внешнюю оболочку (это так называемые новые звёзды). Взрывы новых могут повторяться. Более массивные взрываются капитально, и это сверхновые. А в сухом остатке остаются либо нейтронные звёзды, либо как раз-таки чёрные дыры.
Нейтронные звёзды - очень маленькие (радиус может составлять всего 10-15 км - это как от моего Бирюлёво до «Нагатинской», если мерить по-московски :-))) и очень плотные объекты (в чайной ложке миллиард тонн вещества!)... как их найти?
Нейтронные звёзды нашли в 60-е годы в Кембридже - это заслуга тогдашней аспирантки Джоселин Белл. Заметила она короткие регулярные радиосигналы... естественно, их приняли за сигналы инопланетных цивилизаций, тогда это была очень модная тема. Открытие из-за этого даже засекретили. Целых четыре источника удалось найти, и им давали забавные названия из аббревиатуры LGM - Little Green Men ("маленькие зелёные человечки") :-))) Потом теоретики распознали в этих странных вещах пульсары, а это - как раз-таки нейтронные звёзды.
И, как водится, Нобеля за это открытие дали не Джоселин, а её руководителям... обидно, пожалуй.
Отлично, а как чёрные дыры-то искать? Радиосигналы она, понятное дело не передаст.
Вообще, чёрное на чёрном не видно до тех пор, пока на чёрную дыру не начинает падать вещество от какой-нибудь звезды (аккреционный диск) (с уважением, ваш К.О.). Нейтронные звёзды тоже могут по той же схеме оттягивать на себя вещество соседних звёзд, и даже джеты (вот эти вертикальные струи газа) у них есть. Словом, не так уж легко различать чёрные дыры и нейтронные звёзды... но можно.
Это звёздные скопления. В центре таких скоплений звёзды летают гораздо быстрее, чем по краям. Значит, там какая-то большая скрытая масса (десять тысяч масс Солнца) - стало быть, чёрная дыра! Правда, как такие чудовищные чёрные дыры образовались - ещё неясно: это явно не остатки звёзд... это чёрные дыры промежуточной массы.
А в центре нашей галактики есть сверхмассивная чёрная дыра: её массу оценивают в 4 с лишним миллиона масс Солнца!
Ясно - опять же, по движению окружающих звёзд - что масса очень большая.
И вот кто это нашёл и получил заслуженного Нобеля. Заглядывать в такие удивительные уголки космоса помогли телескопы большие и маленькие, которые в совокупности похожи на глаза пауков (и их тоже восемь штук :-)))
Хорошо, но что, если рядом с чёрной дырой нет вообще ничего? Ни звезды, у которой она могла бы утягивать вещество, ни звёзд, которые она бы ускоряла своей гравитацией?
А это нам старина Эйнштейн подсказал: есть такая штука, как гравитационные волны.
Вот только как их найти?
Гравитация - ужасно слабая сила. Кажется, что это не так - дескать, с Земли-то мы никуда не падаем. Ну, так это у Земли масса многократно больше нашей... а вот, скажем, протоны вместе свести будет кошмарно трудно из-за громадной силы электрического отталкивания.
Сделаю забавный романтический перерасчёт для себя. Лично моя масса - 54 кг (5 лет назад она наверняка была больше, это мне диабет сбросил, но положим так), Расстояние, на котором я приметила в Шереметьево того прекрасного пилота, которого с тех пор называю капитаном Бруно - примерно метров 5. Капитан Бруно предположительно весит килограммов 80 (судя по тем пропорциям, что я мельком тогда видела :-))) Значит, мы притягивались тогда друг к другу с силой примерно 0,0019 миллиграммов. Совсем мелочь, а приятно.
Но, конечно, это всё к разговору о том, насколько слаба гравитация :-)))
Намёк на то, что вообще вся эта затея с гравитационными волнами работает, нашли радиоастрономы, обнаружив двойные нейтронные звёзды. И судя по тому, как они сближаются потихоньку, становится ясно, что гравитационные волны тут задействованы: уносят они энергию. Причём точки - это результаты наблюдений, а линия - предсказание теории относительности.
Так как найти сами волны?
Первые попытки зарегистрировать гравитационные волны были вот такими: на алюминиевую болванку клеили пьезокристаллы. В теории, пьезокристаллы должны были указать на то, что алюминиевая болванка дрожит от гравитационных волн. Она дрожала, только совсем не от того, от чего надо. Цитирую: «То грузовик в соседнем городе по мостовой проедет, то в соседней лаборатории таракан чихнёт» :-)))
Это - более остроумный способ, придуманный ещё в 60-х.
Но реализовать это всё смогли не так давно. И одним детектором тут не обойтись! Некоторые ещё строят.
Наконец, в 2015 году нашли-таки гравитационные волны от слияния чёрных дыр. И вот как это было. (А опубликовали результаты только в 2016, чтобы приурочить к столетию общей теории относительности. Экие эстеты! Кстати, вот хороший обзор на Элементах).
А когда нейтронные звёзды сливаются, это ещё и красиво - заметный взрыв происходит!
Конечно, за это дали Нобеля - а как могло быть иначе?
Это всё было, так сказать, о наружной части чёрной дыры. А может быть, можно туда заглянуть внутрь?
В принципе, можно, но есть нюанс: всё, что вы увидите в чёрной дыре, вы не передадите коллегам. Никак.
Ржала конём. Нет, ну серьёзно, это очень смешно!
И всё-таки о том, как чёрная дыра выглядит прямо вот совсем на самом деле. Не так, ибо сие - схематичный рисунок.
Вернёмся к гравитации: даже наше небольшое солнышко искажает-таки своим гравитационным полем изображения далёких звёзд.
А уж что рядом с чёрной дырой тогда творится!
Творится примерно такое. Это Кип Торн рассчитал для фильма «Интерстеллар». Там, говорят, слегка приукрасили, но в целом примерно так.
(Фильм не смотрела и, честно говоря, не собираюсь. Ну, вот так вот, кидайте в меня тапки).
А всё-таки, как оно совсем-совсем на самом деле? По-свински сокращу рассуждения о всяких разных телескопах и перейду к тому самому...
...то есть, к системе радиотелескопов (телескоп горизонта событий), с помощью которой получили-таки знаменитую картинку.
Это галактика M87 в созвездии Девы (так её для краткости порой и зовут галактикой в Деве...), куда и посмотрели.
Там из ядра выбрасывается мощный такой джет - значит, есть чёрная дыра в этой самой...
Молчать, гусары!
Вот! 6,5 миллиардов масс Солнца во всей красе! Такое вот радиоизображение, почти что фотография чёрной дыры :-)))
И в центр нашей собственной галактики тоже заглянули. Нашу родную сверхмассивную чёрную дыру тоже разглядели.
Мутно, конечно, получается, но нет у нас пока техники более зоркой, чем воображение. Самого главного глазами не увидишь, как сказал классик...
Вот, например, совершенно монструозная картина, которую теоретики рисуют для системы из двух чёрных дыр.
(Наверное, надо было мне разглядывать эту картинку внимательнее вчера, когда мне капали в глаза капли для расширения зрачков. Ибо расширяют они, по моим ощущениям, не только зрачки, но и сознание...)
Пока самое зоркое после воображения, что у нас есть - знаменитый телескоп «Джеймс Уэбб». Как и всё остальное, он смотрит в прошлое Вселенной (скорость света-то, простите, ограничена!).
Вот только зоркий Джеймс заглянул в очень глубокое прошлое. В данном случае, он увидел молодые галактики там, где их не должно было быть - там, где, цитирую, «по расчётам прошлых лет, Вселенная ещё была довольно однородная - такой кисель с небольшими уплотнениями газа».
Но это ещё полбеды. В некоторых таких неприлично молодых (возрастом примерно 400 миллионов лет после Большого Взрыва - в космических масштабах это вообще ни о чём) галактиках нашлась активность, которую только на чёрные дыры (причём сверхмассивные!) и можно списать. Как они успели образоваться?! Пока непонятно.
А есть галактики, где чёрные дыры составляют основную массу, а всё остальное в них - это так, украшения вокруг :-)))
Теоретики думают примерно так. Теоретики всегда что-нибудь придумают... но тут Владимир Георгиевич их слегка подколол, заметив, что если наблюдатели обнаружат, что всё было наоборот, теоретики так и скажут - «отлично, всё было именно так, наоборот». Выкрутятся, словом :-)))
А что, если в чёрную дыру можно не только упасть, а можно ещё из неё выпасть? Есть такие решения уравнений Эйнштейна, которые позволяют существовать таким «червоточинам» (или «кротовым норам», как их чаще называют именно в русскоязычной литературе).
Однако есть нюанс. Небольшая практическая демонстрация очень хорошо этот нюанс показала.
Ничто не мешает, с точки зрения математики, карандашу ровно стоять на острие. А что, вертикальная такая конструкция, теоретически стоять должна. Но не стоит же! Мораль - не всякий математический фокус существует в реальности. Иронично, что чёрные дыры - это как раз случай, когда так получилось, но вот уже кротовые норы - пока, по крайней мере, это лишь теоретически-фантастический конструкт (и в своих собственных фантастических книжках я без этого, ясное дело, не обошлась).
В конце наш уважаемый лектор порекомендовал две интересные книжки: «Маленькая книга о чёрных дырах» и «Тёмная сторона Вселенной». Закажу, почитаю на досуге!
А я от себя порекомендую залипательный космический симулятор Universe Sandbox. После этой лекции я там поигралась с чёрными дырами, конечно.
И сейчас поиграюсь - пока обзор писала, опять захотелось :-)))