Смерть в черной дыре и другие мелкие космические неприятности

* * *

Как вы, вероятно, уже догадались, черные дыры с аппетитом заглатывают и звезды, подобравшиеся слишком близко. Парадокс галактических двигателей состоит в том, что черные дыры, чтобы светиться, должны есть. Тайна топлива для галактических двигателей состоит в том, что черная дыра способна безжалостно и с наслаждением разрывать звезды в клочки еще до того, как те достигнут горизонта событий. Приливные силы гравитации черной дыры вытягивают шарообразные в нормальных обстоятельствах звезды примерно так же, как приливные силы Луны вытягивают земные океаны, отчего и возникают приливы и отливы. Газ, который прежде был частью звезд, а может быть, находился внутри обычных газовых облаков, не может просто набрать скорость и упасть в черную дыру, поскольку газ уже разодранных в клочья звезд мешает безоглядному свободному падению. А что в результате? Потенциальная энергия звезды, находящейся в гравитационном поле, преобразуется в огромное количество тепла и излучения. И чем больше гравитация цели, тем больше запас гравитационной потенциальной энергии, которую можно преобразовать.

Покойный Жерар де Вокулер, великолепный специалист по морфологии галактик, задумавшись о том, как стремительно растет количество терминов для описания диковинных галактик, поспешил напомнить астрономическому сообществу, что автомобиль, пострадавший в аварии, не становится автомобилем другой марки (de Vaucouleurs 1983). Философия автокатастроф привела к созданию стандартной модели активных галактик, которая позволила по большей части унифицировать весь этот зоопарк. В этой модели много всевозможных гибких параметров, которые объясняют почти все основные наблюдаемые черты галактик. Например, газ, устремляющийся в черную дыру, прежде чем попасть за горизонт событий, часто образует непрозрачный вращающийся диск. Если направленный наружу поток излучения не может проникнуть за диск уплотнившегося газа, излучение оказывается направлено вверх и вниз от диска, и за счет истекающего вещества и излучения возникает колоссальная реактивная тяга. Наблюдаемые свойства такой галактики будут разными в зависимости от того, куда направлен реактивный выброс, на вас или в сторону, и от того, как движется испускаемый материал – медленно или с околосветовой скоростью. На то, как диск выглядит, влияет его плотность и химический состав, а также темп поглощения звезд.

Чтобы прокормить здоровый квазар, нужно, чтобы его черная дыра заглатывала до десяти звезд в год. Другие, не такие активные галактики из нашего балаганчика растерзывают в год гораздо меньше звезд. Светимость некоторых квазаров меняется день ото дня и даже час от часа. Позвольте удивить вас и объяснить, почему это так необычно. Если бы активная часть квазара была размером с Млечный Путь (100 000 световых лет в поперечнике) и решила бы засветиться вся одновременно, то вы узнали бы об этом сначала по той стороне галактики, которая расположена к вам ближе, а потом, через 100 000 лет, до вас дошел бы и свет с дальней стороны галактики. То есть вам потребовалось бы 100 000 лет только на то, чтобы пронаблюдать, как весь квазар светится одновременно. Чтобы яркость квазара колебалась в пределах нескольких часов, габариты его двигателя не должны превышать несколько световых часов. А сколько это? Примерно с Солнечную систему.

Если провести тщательный анализ колебаний интенсивности света во всех полосах спектра, можно сделать грубую, но информативную оценку трехмерной структуры вещества, окружающего активное ядро. Например, светимость в рентгеновском диапазоне может колебаться в пределах нескольких часов, а в диапазоне видимого красного света – в течение нескольких недель. Если вы сопоставите эти факты, то сделаете вывод, что часть активной галактики, которая испускает красный свет, значительно больше, чем часть, которая излучает в рентгеновском диапазоне. Это упражнение можно проделать для разных диапазонов света – и тогда получится на удивление полная общая картина всей системы.

Все это происходило в далеких квазарах вскоре после рождения Вселенной – а почему больше не происходит? Почему у нас под боком нет ни одного квазара? Может, у нас под носом таятся мертвые квазары, просто мы о них ничего не знаем?

Есть несколько хороших способов это объяснить. Самое очевидное объяснение – в ядрах соседних галактик кончились звезды, служившие топливом для галактических двигателей, поскольку все звезды, чьи орбиты проходили слишком близко к черной дыре, уже поглощены и образовался вакуум. А без еды и никакой отрыжки не будет.

Более интересный механизм отключения галактических двигателей основан на том, что происходит с приливными силами по мере нарастания массы черной дыры (и расширения горизонта событий). Как мы увидим чуть дальше, приливные силы не имеют отношения к общему гравитационному воздействию на тело, главное – разница гравитации с разных его сторон, а чем ближе к центру, тем эта разница больше. Поэтому большие, сверхмассивные черные дыры на самом деле обеспечивают меньше приливных сил, чем маленькие черные дыры с небольшой массой. В этом нет никакого противоречия. Гравитационное воздействие Луны на Землю очень мало по сравнению с гравитацией Солнца, однако близость Луны позволяет ей оказывать гораздо более сильное приливное воздействие на нас с расстояния всего в 384 000 километров.

Значит, если черная дыра съест очень много, то ее горизонт событий разрастется до таких размеров, что его приливных сил уже не хватит на то, чтобы разорвать звезду. И тогда вся потенциальная энергия гравитации звезды преобразуется в скорость, и звезда, попав за горизонт событий, заглатывается целиком. Не будет никакого преобразования в тепло и излучение. Этот отсечной клапан запускается, когда черная дыра набирает массу примерно в миллиард масс Солнца.

Все это очень правдоподобные гипотезы, которые и в самом деле снабжают нас богатым арсеналом инструментов для объяснения происходящего. Единая картина предсказывает, что квазары и другие активные галактики – это просто начальные главы в жизни галактического ядра. Чтобы это подтвердилось, нужны изображения квазаров с особой экспозицией, на которых была бы видна неяркая размытая структура галактики вокруг ядра. Квазар настолько ярче окружающей галактики, что нужно применять особые фильтры, чтобы увидеть хоть что-нибудь кроме самого квазара. И в самом деле, почти все изображения с высоким разрешением показывают окружающий квазар «пух». Однако есть и несколько исключений – «голые» квазары, которые обманывают ожидания стандартной модели. А может быть, эти галактики просто невозможно рассмотреть, потому что не хватает чувствительности приборов.

Единая картина предсказывает также, что рано или поздно квазары сами себя отключают. В сущности, единая картина должна предсказывать это хотя бы потому, что поблизости от нас нет ни одного квазара. Но еще это означает, что черная дыра в ядре галактики – это обычное явление, даже если ядро галактики неактивно. И в самом деле, список ближайших галактик, в ядрах которых затаились спящие сверхмассивные черные дыры, растет с каждым месяцем, и в него входит наш Млечный Путь. Их существование выдают сверхскорости, до которых разгоняются звезды, когда они приближаются (но не слишком) по своим орбитам к черной дыре.

Плодотворные научные модели – это всегда соблазнительно, но иногда нужно задаваться вопросом, почему, собственно, модель так плодотворна – потому что она описывает глубокие научные истины или потому, что в ее конструкцию входит много переменных, которые можно подстраивать таким образом, чтобы объяснить что угодно. Можно ли сказать, что мы уже достаточно поумнели, или нам просто не хватает какого-то инструмента, который изобретут или откроют завтра? Об этой дилемме очень хорошо написал английский физик Деннис Скьяма:

Если нам трудно построить подходящую модель определенного типа, значит, Природе это тоже трудно. Этот довод упускает из виду вероятность, что Природа умнее нас. И даже вероятность, что завтра мы можем стать умнее, чем сегодня.

(Sciama 1971, p. 80)

Глава тридцать вторая

Прихлопни их!

С тех самых пор, когда люди обнаружили кости вымерших динозавров, ученые высказывали самые разные предположения о том, куда подевались эти злополучные звери и почему так вышло. Может быть, глобальное потепление иссушило все доступные источники воды. Или вулканы покрыли всю землю слоем лавы и отравили воздух. А может, слишком много первых млекопитающих полюбили есть яйца динозавров на ужин. Или динозавры-мясоеды подъели всех динозавров-вегетарианцев. Или потребность в воде привела к массовым миграциям, отчего стремительно распространились инфекционные заболевания. А может быть, все дело было в изменении ландшафта из-за тектонических сдвигов.

У всех этих катастроф есть одна общая черта: ученые, которые выдвинули эту гипотезу, были очень хорошо приучены смотреть себе под ноги. Но есть и другие ученые, овладевшие искусством смотреть вверх, и они решили проследить связь между особенностями земной поверхности и визитами бродяг из дальнего космоса. Возможно, некоторые из этих особенностей возникли в результате падения метеоритов – например, кратер Барринджера, знаменитое углубление в виде глубокой тарелки в Аризонской пустыне. В пятидесятые годы XX века американский геолог Юджин М. Шумейкер и его сотрудники обнаружили там разновидность горной породы, которая формируется только при очень высоком давлении, пусть и в течение очень короткого времени, – именно такие условия создает стремительно движущийся метеорит. Геологи в конце концов пришли к согласию, что кратер получился именно в результате падения метеорита (теперь его иногда так и называют – «Метеоритный кратер»), и открытие Шумейкера воскресило к жизни концепцию катастрофизма, модную в XIX веке, – идею, что изменения в коре нашей планеты могли быть вызваны краткими, но мощными разрушительными воздействиями.

Едва открылся простор для спекуляций, как все заинтересовались, не могло ли получиться так, что и динозавры погибли от рук такого же метеорита-убийцы, только крупнее. Познакомьтесь, иридий – металл, который на Земле встречается редко, зато его часто находят в металлических метеоритах, а еще его подозрительно много в слое глины, возраст которой составляет 65 миллионов лет, и она встречается в самых разных местах по всему свету. Эта глина, датирующаяся примерно тем же временем, когда динозавры нас покинули, указывает на момент преступления – конец мелового периода. А теперь познакомьтесь, кратер Чиксулуб – вмятина диаметром 200 километров на краю мексиканского полуострова Юкатан. Ему тоже около 65 миллионов лет. Компьютерные модели изменений климата ясно показывают, что любой удар, оставивший по себе этот кратер, выбросил в стратосферу такой огромный кусок земной коры, что неминуемо вызвал климатическую катастрофу. Чего еще желать? У нас есть и преступник, и дымящийся пистолет, и признание.

Дело закрыто.

Правда?

Нельзя прекращать научные изыскания только потому, что, видимо, найдено разумное объяснение. Некоторые геологи и палеонтологи скептически относятся к тому, чтобы назначать главным виновным в вымирании динозавров метеорит, после которого остался кратер Чиксулуб, и вообще в чем-то его подозревать. Кое-кто считает, что метеорит упал задолго до исчезновения динозавров. Более того, именно в те времена на Земле наблюдалась сильная вулканическая активность. Кроме того, по Земле прокатывались и другие волны вымирания, не оставившие никаких визитных карточек в виде кратеров и редких космических металлов. И не все плохое, что прилетает из космоса, оставляет кратеры. Иногда метеориты взрываются в воздухе и не добираются до земной поверхности.

Так что же кроме падения метеоритов уготовил для нас неуемный космос? Что еще может наслать на нас Вселенная, чтобы жизнь на Земле быстро покатилась под откос?

* * *

Последние полмиллиарда лет на Земле отмечены несколькими эпизодами массового вымирания биологических видов в масштабах планеты. Самые крупные произошли в ордовикский период примерно 440 миллионов лет назад, в девонский – около 370 миллионов, в пермский – около 250 миллионов лет назад, в триасовый – около 210 миллионов лет назад и, само собой, в меловой – около 65 миллионов лет назад. Эпизоды массового вымирания меньшего масштаба тоже происходили на масштабах десятков миллионов лет.

Некоторые исследователи указывали, что заметный эпизод подобного рода происходит раз в 25 миллионов лет. Те, кто чаще смотрит в небо, чем под ноги, легко мирятся с явлениями, которые происходят через длительные интервалы, поэтому астрофизики решили, что теперь наша очередь назвать имена подозреваемых в убийстве.

А давайте предположим, что у Солнца есть звезда-компаньон, тусклая и далекая, сказали некоторые в‑небо-смотрящие в 80-е годы прошлого века. Давайте предположим, что период ее обращения по орбите составляет примерно 25 миллионов лет, а орбита очень вытянутая, так что почти все время эта звезда очень далеко от Земли и ее невозможно зарегистрировать. Такой компаньон, проходя по соседству с Солнечной системой, каждый раз выводил бы из равновесия далекие запасы комет, вращающиеся вокруг Солнца. Сонмища комет сходили бы со своих величественных и неспешных орбит на периферии Солнечной системы, и количество их падений на земную поверхность резко возросла бы.

Так появилась гипотеза Немезиды – так назвали эту гипотетическую звезду-убийцу. Затем провели анализ всех массовых вымираний, и его результаты убедили большинство специалистов, что время между катастрофами все же слишком разное, чтобы считать их и в самом деле периодическими. Однако несколько лет эта теория была в большой моде.

Гипотезы о смерти извне периодическими набегами звезды-убийцы не ограничились. Есть и другие популярные сценарии, например пандемии. Покойный английский астрофизик сэр Фред Хойл и его многолетний сотрудник Чандра Викрамасингх, который теперь работает в Кардиффском университете в Уэльсе, взвешивали вероятность, что Земля время от времени проходит через межзвездное облако, засеянное микроорганизмами, или получает подобным же образом зараженную пыль из хвоста пролетающей мимо кометы. Подобные встречи способны привести к стремительному распространению неизвестных заболеваний, предположили ученые. Хуже того, подобные гигантские облака и пылевые хвосты могут быть самыми настоящими убийцами, если несут в себе вирусы, способные заражать и уничтожать представителей самых разных видов. Чтобы подобная гипотеза была правдоподобной, нужно очень много натяжек, в частности, никто не понимает, как в межзвездном облаке может возникнуть и сохраниться нечто настолько сложное.

Хотите еще? Астрофизики навоображали поистине бесконечное множество вариантов разнообразных поразительных катастроф. Например, в данный момент галактика Млечный Путь и галактика Андромеда, наш, можно сказать, близнец, находящийся на расстоянии в 2,4 миллиона световых лет, падают друг другу в объятия. Как уже говорилось, примерно через 7 миллиардов лет они могут столкнуться, и это будет космический эквивалент крушения поездов. Газовые облака врежутся друг в друга, звезды будет швырять туда-сюда. Если мимо промчится какая-то другая звезда и посягнет на нашу гравитационную верность Солнцу, нашу планету может вырвать из Солнечной системы, и мы останемся без крова во тьме.

Это было бы очень скверно.

Однако за 2 миллиарда лет до этого само Солнце раздуется и умрет от естественных причин, поглотив внутренние планеты, в том числе и Землю, и испарив все их вещество.

Это было бы еще хуже.

А если к нам слишком близко подберется непрошеная черная дыра, она с аппетитом слопает всю планету, но сначала перемелет ее в груду щебенки своими непреодолимыми приливными силами. Остатки будут протерты сквозь ткань пространства-времени, тонкой струйкой атомов устремятся за горизонт событий черной дыры прямо в ее сингулярность.

Однако за всю геологическую историю Земли не зарегистрировано никаких данных о встречах с черной дырой – никто ее не перемалывал и не лопал. А учитывая, что черных дыр по соседству почитай что и нет, думаю, мы вполне можем заняться более актуальными проблемами выживания.

* * *

Вот, например, как вам понравится, если вас поджарит высокоэнергичное электромагнитное излучение и частицы, извергнутые в космическое пространство взорвавшейся звездой? Обычно звезды умирают мирно: просто отдают внешнюю газовую оболочку в межзвездное пространство, и все. Однако одна из тысячи – звезда с массой в семь-восемь масс Солнца – гибнет в результате мощного ослепительного взрыва, и это называется сверхновая. Если мы очутимся в пределах 30 световых лет от такой звезды, то получим смертельную дозу космических лучей – высокоэнергичных частиц, которые пронизывают пространство со скоростью, близкой к скорости света.

Первыми жертвами будут молекулы озона. Стратосферный озон (O₃) обычно поглощает вредоносное ультрафиолетовое излучение Солнца. При этом излучение разбивает молекулу озона на атом кислорода (O) и молекулу кислорода (O₂). Высвободившиеся атомы кислорода могут объединиться с другими молекулами кислорода, и тогда снова получится озон. В обычной обстановке ультрафиолетовые солнечные лучи разрушают озон в атмосфере Земли в том же темпе, в каком он восполняется. Однако мощная высокоэнергичная атака на нашу стратосферу разрушила бы озон слишком быстро, и всем нам понадобилось бы огромное количество солнцезащитного крема.

Едва первая волна космических лучей сорвет наш защитный слой, как ультрафиолетовое излучение Солнца беспрепятственно хлынет на поверхность Земли, расщепляя по пути молекулы кислорода и азота. Для птиц, животных и прочих обитателей поверхности и воздушного пространства Земли это будет большое огорчение. Свободные атомы кислорода легко объединяются со свободными атомами азота. При этом, в частности, получится диоксид азота, составная часть смога, который затемнит атмосферу и резко снизит температуру. От этого может настать новый ледниковый период – несмотря на то, что ультрафиолетовые лучи будут постепенно стерилизовать земную поверхность.

* * *

Однако ультрафиолет, которым стреляет во все стороны сверхновая, – сущий комариный укус по сравнению с гамма-лучами, которые испускает гиперновая.

По меньшей мере раз в день где-то во Вселенной происходит краткая вспышка гамма-излучения, самого высокоэнергичного излучения на свете, с энергией тысячи сверхновых. Гамма-всплески были случайно обнаружены в конце 60-х годов спутниками ВВС США, которые запускали, чтобы зарегистрировать излучение от секретных испытаний советского ядерного оружия, которые могли бы производиться в нарушение Московского договора 1963 года. А вместо этого спутники поймали сигналы самой Вселенной.

Поначалу никто не мог понять, что это за вспышки и на каком расстоянии от нас они происходят. Они не концентрировались в плоскости диска Млечного пути, а шли со всех сторон небосклона, иначе говоря, из всего космоса. При этом они совершенно точно происходили поблизости, по крайней мере, приблизительно в пределах поперечника галактики от нас. Иначе откуда бы взялась вся та энергия, которую мы регистрировали у себя на Земле?

В 1997 году итальянско-голландский орбитальный телескоп Беппо-Сакс сделал наблюдение, которое уладило все споры: гамма-вспышки – это внегалактические события на огромном расстоянии от нас, вызванные, вероятно, взрывами единичных сверхмассивных звезд и сопровождающие рождение черной дыры. Телескоп поймал рентгеновское «послесвечение» вспышки GRB 970228, которая благодаря этому и прославилась. Однако оказалось, что рентгеновские лучи GRB 970228 имеют красное смещение. Это полезное свойство света и побочный эффект расширения Вселенной позволяет астрофизикам оценивать расстояния с большой точностью. Послесвечение GRB 970228, достигшее Земли 28 февраля 1997 года, прошло по пути к нам половину Вселенной, миллиарды световых лет. На следующий год астрофизик из Принстона Богдан Пачински ввел в обращение термин «гиперновая», чтобы описать источники подобных вспышек. Лично мне больше нравится вариант «супер-пупер-новая».

Гиперновая – это одна сверхновая на 100 000, которая вызывает гамма-вспышку и в считанные мгновения генерирует столько же энергии, сколько дало бы наше Солнце, если бы светило с нынешней интенсивностью триллион лет. Если исключить действие какого-то неизвестного закона физики, получить такую энергию можно лишь одним способом – направить всю энергию взрыва в один тонкий луч, примерно так же, как весь свет лампочки в фонарике при помощи параболического зеркала собирается в один яркий луч, направленный вперед. Если закачать всю мощь сверхновой в тонкий луч, то все, что попадется ему по пути, подпадет под полномасштабный удар всей энергии взрыва. А все то, что не попадется ему по пути, ни о чем даже не заподозрит. Чем ýже луч, тем интенсивнее поток энергии и тем меньше обитателей Вселенной его заметят.

Что же порождает подобные лазероподобные гамма-лучи? Рассмотрим их источник – сверхмассивную звезду. Незадолго до гибели от истощения топлива звезда сбрасывает внешние слои. Получается просторная туманная оболочка, дополненная, вероятно, скоплениями газа, оставшимися от облака, из которого звезда когда-то родилась. Когда звезда в конце концов схлопывается и взрывается, высвобождается чудовищное количество вещества и обильные запасы энергии. Первый удар вещества и энергии приходится по слабым местам газовой оболочки, что позволяет всему веществу и энергии, которые следуют позади, устремиться в пробитую брешь. Компьютерные модели этого запутанного сценария показывают, что слабые места обычно находятся как раз над северным и южным полюсами первоначальной звезды. Если смотреть извне оболочки, видны два мощных луча, расходящиеся в противоположные стороны и направленные на все детекторы гамма-лучей (и те, которые ловят нарушения договоренностей, и все остальные), которые окажутся у них на пути.

Адриан Мелотт, астроном из Канзасского университета, и его междисциплинарная исследовательская группа утверждают, что ордовикское массовое вымирание вполне могло быть вызвано встречей лицом к лицу с близкой гамма-вспышкой. В то время вымерла четверть всех биологических семейств на Земле. А никаких свидетельств, что в то время на Землю упал метеорит, у нас нет.

* * *

Как гласит пословица, у кого что болит, тот о том и говорит. Если ты специалист по метеоритам и задумался о том, почему вдруг вымер целый Ноев ковчег, то, очевидно, решишь, будто все дело в падении метеорита. Если ты пламенный вулканолог, все дело окажется в вулканах. Если ты увлекаешься космическими биооблаками, во всем повинен межзвездный вирус. А если специалист по гиперновым – гамма-лучи.

Кто бы ни был прав, одно бесспорно: случается, что целые ветви древа жизни отсыхают практически мгновенно.

Кто же выживает после подобных катастроф? Преимущество на стороне маленьких и кротких. Особенно хорошо держатся перед лицом опасности микробы. Но главное преимущество – способность жить там, где Солнце не светит: на дне океана, в трещинках камней под землей, в глине и почве лесов и полей. Выживает огромная подземная биомасса. Именно они унаследуют Землю – и не раз, не два и не три, тут сомневаться не приходится.

Глава тридцать третья

Гибель в черной дыре

Самая зрелищная смерть во Вселенной – это, конечно, падение в черную дыру. Где еще во Вселенной можно лишиться жизни из-за того, что тебя разорвало на атомы?

Черные дыры – это области пространства, где гравитация так сильна, что ткань пространства-времени искривляется и замыкается сама на себя, замуровав при этом все выходы. Можно сформулировать это и по-другому: чтобы вырваться из черной дыры, нужно развить скорость выше скорости света. А как мы видели в части III, свет в вакууме распространяется со скоростью ровно 299 792 458 метров в секунду, и это рекорд скорости во Вселенной. Если откуда-то не может вырваться свет, значит, и вы не сможете, – собственно, именно поэтому мы и называем черные дыры черными дырами.

От всех остальных объектов можно убежать, надо только развить нужную скорость. Скорость, позволяющая сбежать с Земли, – это всего 11 километров в секунду, поэтому свет свободно покидает ее, как и все остальное, запущенное со скоростью больше 11 километров в секунду. Сообщите, пожалуйста, всем, кто любит говорить, что, мол, если высоко занесешься, больно будет падать, что они заблуждаются: падать не обязательно.

Общая теория относительности, которую выдвинул Альберт Эйнштейн в 1916 году, позволяет разобраться в диковинной структуре пространства и времени под воздействием мощной гравитации. Дальнейшие исследования американского физика Джона А. Уилера и других помогли выработать как математический инструментарий, так и лексикон для описания и предсказания всего того, что вытворяет черная дыра со своим окружением. Например, точная граница между тем, откуда свет может вырваться и откуда уже нет, которая определяет, что останется во Вселенной, а что навеки канет в черную дыру, поэтично называется «горизонт событий». По всеобщей договоренности размером черной дыры считается размер ее горизонта событий: это величина, которую можно точно измерить и вычислить. Между тем вещество внутри горизонта событий схлопывается в крошечную точку в самом центре черной дыры. Поэтому черная дыра – это, строго говоря, не смертоносный объект, а смертоносная область пространства.

Давайте подробно разберем, что делает черная дыра с человеческим телом, если оно оказывается самую чуточку ближе допустимого.

Если вы натолкнетесь на черную дыру и поймете, что «солдатиком» падаете в ее центр, то по мере приближения сила тяготения черной дыры будет астрономически возрастать. Интересно, что вы ее совсем не почувствуете, поскольку, как и любое тело в свободном падении, будете в невесомости. Зато почувствуете кое-что куда более грозное и зловещее. При падении сила тяготения, воздействующая на ваши ноги – поскольку они ближе к центру черной дыры – ускоряет их быстрее, чем более слабая сила тяготения, которая действует на вашу голову. Разница между ними официально называется приливной силой, которая резко возрастает по мере приближения к центру черной дыры. На Земле и в целом в космосе приливная сила, которая действует на ваш организм, совсем мала и остается незамеченной. Но при падении в черную дыру ногами вперед вы только приливные силы и заметите. Если бы вы были из резины, то всего-навсего растянулись бы. Но люди сделаны из других материалов – из мышц, костей и внутренних органов. Ваше тело останется целым до того мига, когда приливные силы превзойдут молекулярные связи. (Если бы черные дыры оказались в распоряжении инквизиции, то служили бы пыточным орудием почище дыбы.) Наступает мерзкий момент, когда ваше тело лопается пополам посередине. Оно падает дальше, разница в силе тяготения продолжает расти, и каждая из половин вашего тела тоже лопается пополам. Вскоре после этого каждый из сегментов тоже лопается пополам – так что кусков становится все больше: 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128 и так далее. А когда от вас останутся только обрывки органических молекул, растущие приливные силы начинают действовать и на них. В конце концов и они разрываются на части и образуют поток атомов, из которых состоят. А потом и атомы, само собой, тоже распадаются, и остается лишь нераспознаваемый поток частиц, которые всего несколько минут назад были вами.

Но это даже не самое плохое.

Все части вашего тела движутся к одной точке – к центру черной дыры. Так что вас не просто разрывает в клочки с ног до головы, но еще и продавливает сквозь ткань пространства-времени – словно зубную пасту выжимают из тюбика.

Так что ко всем синонимам, обозначающим различные способы умереть, – убийство, самоубийство, четвертование, удушение, утопление и прочая и прочая – мы добавляем новое слово: спагеттификация.

* * *

Когда черная дыра ест, ее диаметр растет прямо пропорционально массе. Если черная дыра, к примеру, съест столько, что ее масса утроится, то она станет в три раза шире. По этой причине черные дыры встречаются практически любых размеров, однако не все подвергнут вас спагеттификации, прежде чем вы пересечете горизонт событий. На такое способны только «маленькие» черные дыры. Почему? Чтобы обеспечить красивую живописную смерть, нужны приливные силы – и все. А приливные силы, как правило, тем больше, чем больше ваш размер по сравнению с расстоянием до центра объекта.

Приведу простой предельный случай. Если человек ростом метр восемьдесят, не склонный в целом к тому, чтобы разваливаться на части, падает ногами вперед на черную дыру радиусом метр восемьдесят, то на горизонте событий расстояние от центра черной дыры до его головы в два раза больше, чем до ног. А если черная дыра имеет радиус километр восемьсот метров, то ноги того же человека будут всего на десятую процента ближе к центру, чем голова, и разница в тяготении – приливная сила – будет соответственно мала.

Точно так же можно задаться простым вопросом: с какой скоростью меняется сила гравитации по мере приближения к объекту? Уравнения гравитации показывают, что чем ты ближе к центру объекта, тем быстрее меняется сила гравитации. Маленькие черные дыры позволяют приблизиться к центру задолго до того, как перейдешь горизонт событий, поэтом изменение гравитации на малых расстояниях действует на все, что туда падает, поистине сокрушительно.

Самая распространенная разновидность черной дыры содержит несколько масс Солнца, но все это плотно упаковано за горизонтом событий диаметром всего с десяток-полтора километров. Именно об этом и рассуждают астрономы в непринужденных беседах на эту тему. При падении на эту тварь ваше тело начнет разрываться еще за 150 километров от центра.

Есть и другая распространенная разновидность черной дыры – она достигает миллиардов масс Солнца и сидит за горизонтом событий размером почти со всю Солнечную систему. Именно такие черные дыры таятся в центрах галактик. Совокупная их гравитация поистине чудовищна, однако разница ее воздействия на голову и ноги поблизости от горизонта событий относительно мала. Более того, настолько мала, что за горизонт событий вы, скорее всего, упадете целиком, просто никогда не сможете оттуда вернуться и рассказать, что видели. А когда вас наконец разорвет в клочья – далеко за горизонтом событий, – никто снаружи черной дыры этого не разглядит.

Насколько мне известно, в черной дыре не погиб еще ни один землянин, однако есть убедительные доказательства, что черные дыры во Вселенной то и дело закусывают заблудившимися звездами и легковерными газовыми облаками. Если облако приблизится к черной дыре, то вряд ли упадет прямо в него. Оно не закладывает пируэт ногами вниз, как вы, а сначала вовлекается на орбиту, а затем спиралью спускается навстречу гибели. Те части облака, которые оказались ближе к черной дыре, вращаются по орбите быстрее, чем более далекие. Этот понятный и незатейливый сдвиг называется дифференциальным вращением и приводит к колоссальным последствиям с астрофизической точки зрения. Пока слои облака спускаются по спирали все ближе к горизонту событий, они от внутреннего трения разогреваются до миллионов градусов, гораздо сильнее, чем любая известная звезда. Газ раскаляется до синевы и превращается в источник мощного ультрафиолетового и рентгеновского излучения. И одинокая и невидимая черная дыра, которая тихо-мирно занималась своими делами, превращается в невидимую черную дыру, окруженную газообразным скоростным шоссе, испускающим высокоэнергичное излучение.

Поскольку звезды – это на 100 % газовые шары, участь наших злосчастных облаков их тоже не минует. Если одна звезда из двойной системы становится черной дырой, то черная дыра ничего не будет есть до конца жизни своей звезды-компаньона, пока та не раздуется в красный гигант. Если у красного гиганта хватит габаритов, черная дыра в конце концов освежует его, обдерет и проглотит послойно. Но если звезда не имеет к черной дыре никакого отношения и просто случайно забрела в ее края, приливные силы сначала растянут ее, но затем дифференциальное вращение превратит звезду в разогретый трением диск ярко светящегося газа.

Если астрофизику-теоретику, чтобы объяснить какое-нибудь явление, нужен источник энергии, заключенный в крошечном пространстве, первым делом стоит обращаться к упитанным черным дырам. Например, как мы уже видели, загадочные далекие квазары обладают светимостью в сотни и тысячи раз больше, чем вся галактика Млечный Путь. Однако их энергия исходит, в основном, из объема не крупнее нашей Солнечной системы. Этому нет никакого другого объяснения, кроме как наличие сверхмассивной черной дыры в качестве центрального двигателя квазара. Теперь мы знаем, что сверхмассивные черные дыры в центрах галактик встречаются очень часто. Поводом для обвинений становится подозрительно сильная светимость некоторых галактик в подозрительно небольшом объеме, однако на самом деле светимость очень сильно зависит от того, есть ли в наличии звезды и газ, которые черная дыра могла бы расслоить. Черная дыра есть и в центре некоторых других галактик, с точки зрения светимости ничем не примечательных. Эти черные дыры, вероятно, уже проглотили все близлежащие звезды и газ, не оставив улик. Однако звезды в центре такой галактики, вращающиеся по орбите недалеко от черной дыры – но все же не настолько близко, чтобы дать себя съесть, – резко разгоняются до необычно высоких скоростей.

Такие скорости в сопоставлении с расстоянием от звезд до центра галактики служат мерой того, какая масса сосредоточена в пределах их орбит. Вооружившись этими данными, можно прикинуть на коленке, позволяет ли концентрация массы в центре считать ее черной дырой. Самые крупные черные дыры, как правило, обладают массой в миллиард солнечных, в частности, та, что засела в центре титанической эллиптической галактики М87, самой большой в галактическом Скоплении Девы. Гораздо ниже в списке – черная дыра в центре галактики Андромеда, нашей ближайшей космической соседки, но она все равно большая, целых 30 миллионов масс Солнца.

Завидуете чужим черным дырам? И правильно: та, что находится в центре галактики Млечный Путь, имеет массу всего в 4 миллиона солнечных. Однако у любой черной дыры при любой массе занятие только одно – смерть и разрушение.

Часть VI

Наука и культура

Шероховатости на стыке между открытиями вселенского масштаба и реакцией общества

Глава тридцать четвертая

Мало ли что все говорят

Аристотель полагал, что хотя планеты движутся на фоне звезд, а постоянство в небесах и в атмосфере время от времени нарушают падучие звезды, кометы и затмения, сами звезды неподвижно закреплены на небосклоне, их положение не меняется, а центр всего движения во Вселенной – это Земля. Прошло 25 веков, и с нынешней просвещенной точки зрения мы лишь посмеиваемся над этими глупыми выдумками, однако идеи Аристотеля на самом деле – вполне законные, хотя и упрощенные, выводы из наблюдений за миром природы.

Аристотель делал и другие заявления. Говорил, например, что тяжелые предметы падают быстрее легких. Да и кто бы спорил? Ведь очевидно, что камни падают на землю быстрее, чем сухие листья. Однако на этом Аристотель не остановился и заявил, что тяжелые предметы падают быстрее легких пропорционально собственному весу, то есть тело весом в 10 килограммов будет падать в 10 раз быстрее, чем тело весом в 1 килограмм.

Аристотель глубоко заблуждался.

Чтобы проверить его, возьмите и бросьте одновременно с одной и той же высоты два камня – большой и маленький. В отличие от листьев, трепещущих на ветру, ни тот ни другой камень не особенно подвержены сопротивлению воздуха, и оба упадут на землю одновременно. Чтобы проделать такой эксперимент, не нужен грант Национального научного фонда. Аристотель мог проделать его и сам, но не стал. Впоследствии представления Аристотеля были включены в доктрину католической церкви. И поскольку церковь была необычайно влиятельна и сильна, идеи Аристотеля укоренились в умах рядовых представителей западного мира, которые слепо верили в них и слепо повторяли. Все не просто рассказывали друг другу откровенную неправду, но и игнорировали все, что происходило на их глазах, но не должно было считаться истиной.

Если речь идет об исследовании мира природы, хуже того, кто слепо верит, может быть только тот, кто все видит, но отрицает факты. В 1054 году одна звезда в созвездии Тельца ни с того ни с сего вспыхнула в миллион раз ярче обычного. Об этом написали китайские астрономы. И арабские астрономы тоже написали. Индейцы на территории современного юго-запада США оставили каменные рельефы в память об этом чуде. Звезда пылала так ярко, что ее неделями напролет было прекрасно видно на небе даже днем, однако никто во всей Европе – ни одна живая душа! – ни слова об этом не написал. На самом деле яркая новая звезда на небесах была сверхновой, взорвавшейся далеко в космосе примерно на 7000 лет раньше, просто ее свет только-только успел дойти до Земли. Конечно, в Европе царило мрачное Средневековье, так что нельзя требовать от тогдашних европейцев умения точно фиксировать данные, однако «дозволенные» космические события прилежно регистрировались. Например, в 1066 году, 12 лет спустя, в небе пронаблюдали комету, которая впоследствии получила название кометы Галлея, и подробно (вместе с огорошенными зеваками) запечатлели ее около 1100 года на фрагменте знаменитого гобелена из Байё. Впрочем, это скорее исключение. В Библии сказано, что звезды неподвижны и неизменны. Аристотель говорил, что звезды неподвижны и неизменны. Церковь со всем своим непревзойденным авторитетом объявила, что звезды неподвижны и неизменны. Все население Европы пало жертвой коллективного заблуждения, и это заблуждение оказалось сильнее, чем способность каждого отдельного европейца верить своим глазам.

Все мы во что-то слепо верим: нельзя же проверять вообще все, что говорят нам окружающее. Когда я говорю вам, что у протона есть двойник-античастица (антипротон), чтобы проверить мое утверждение, вам понадобится лабораторное оборудование стоимостью в миллиард долларов. Так что проще поверить мне на слово, сочтя, что в целом я знаю, что говорю, – по крайней мере, если речь идет об астрофизике. Если вы отнесетесь к моим заявлениям скептически, я не возражаю. Более того, я это всячески приветствую. Не стесняйтесь, отправляйтесь на ближайший ускоритель частиц, полюбуйтесь на антивещество сами. А как насчет всех утверждений, для проверки которых не нужны затейливые экспериментальные установки? Казалось бы, в нашей современной просвещенной культуре общественное мнение должно обладать надежным иммунитетом от всех тех ложных утверждений, которые легко проверить.

А вот и нет.

Вспомните следующие утверждения. Самая яркая звезда на ночном небе – Полярная. Солнце – желтая звезда. Все, что подбросишь, должно упасть. Темной ночью на небе видны невооруженным глазом миллионы звезд. В космосе нет гравитации. Компас указывает на север. Зимой дни становятся короче, а летом длиннее. Полные солнечные затмения случаются редко.

Все они до единого ложны.

Многие, а может быть, и большинство верят как минимум в одно из этих утверждений и распространяют их, несмотря на то, что непосредственно продемонстрировать их ошибочность совсем не сложно. Добро пожаловать на мой фестиваль опровержений под девизом «Мало ли что все говорят»!

Полярная звезда – не самая яркая на ночном небе. Яркости ей не хватает даже на то, чтобы занять сороковое место в небесных списках.

За яркость частенько принимают популярность. Если посмотреть в ночное северное небо, видно, что три из семи звезд Большой Медведицы, в том числе звезда, венчающая «ручку ковша», ярче Полярной звезды, которая находится оттуда всего в трех ладонях. Так что оправдания не принимаются.

И что бы вам ни твердили всю жизнь и кто бы это ни говорил, мне все равно: Солнце не желтое, а белое. Человеческое цветовосприятие – штука сложная, но если бы Солнце было желтое, как желтая электрическая лампочка, то все белое, например снег, отражало бы этот свет и казалось желтым, а уже давно доказано, что желтый снег бывает далеко не везде, а только возле пожарных гидрантов. Что заставляет говорить, будто Солнце желтое? Если посмотреть на Солнце в полдень, можно навредить глазам. Зато на закате, когда Солнце склоняется к горизонту, а атмосфера сильнее всего рассеивает голубой свет, яркость Солнца существенно снижается. Голубой свет из солнечного спектра теряется в сумеречном небе, и именно поэтому диск Солнца окрашивается в красно-оранжево-желтые тона. Все смотрят на закатное Солнце, окрашенное в искаженные оттенки, и закрепляют заблуждение.

Не все, что подброшено вверх, падает вниз. На поверхности Луны полно всякой всячины – в том числе мячики для гольфа, флаги и обломки луноходов и космических станций. Если никто не отправится туда и не заберет их, они никогда не вернутся на Землю. Никогда. Если хотите подняться вверх и не упасть вниз, нужно всего-навсего двигаться со скоростью больше примерно 11 километров в секунду. Потом все равно придется замедлиться из-за притяжения Земли, однако оно не сможет заставить вас повернуть назад и опуститься на Землю.

Каково бы ни было ваше зрение, видимость и местоположение на Земле, если зрачки у вас размером не с линзы бинокля, вы не различите на всем небе больше пяти-шести тысяч из 100 миллиардов (или около того) звезд в нашей галактике Млечный Путь. Сами попробуйте как-нибудь ночью. Все становится гораздо хуже, если выходит Луна. А если Луна еще и полная, она затмит все, кроме нескольких сотен самых ярких звезд.

Во время космической программы «Аполлон», когда одна из миссий была на пути к Луне, один известный телеведущий в программе новостей объявил, что-де «в этот самый миг астронавты покинули гравитационное поле Земли». Поскольку астронавты еще не долетели до Луны, а Луна вращается по орбите вокруг Земли, следовательно, гравитация Земли должна простираться в космос по крайней мере до Луны. Более того, гравитация Земли, как и гравитация любого тела во Вселенной, распространяется бесконечно, хотя сила ее, безусловно, уменьшается. Каждая точка в космическом пространстве кишмя кишит бесчисленными гравитационными лямками по направлению ко всем прочим объектам во Вселенной. На самом деле ведущий хотел сказать, что астронавты миновали точку в пространстве, где сила гравитации Луны превосходит силу гравитации Земли. Вся мощнейшая трехступенчатая ракета «Сатурн-V» для того и была предназначена, чтобы придать командному отсеку достаточную первоначальную скорость, позволяющую достичь именно этой точки, потому что дальше можно просто пассивно ускоряться в сторону Луны, что астронавты и сделали. Гравитация – она везде.

Все знают, что у магнитов противоположные полюса притягиваются, а одинаковые отталкиваются. Однако стрелка компаса сделана так, чтобы та ее половина, которая намагничена «по-северному», указывала на северный магнитный полюс Земли. А намагниченный предмет может указывать своей северной половиной на северный магнитный полюс Земли тогда и только тогда, когда северный магнитный полюс Земли на самом деле на юге, а южный магнитный полюс на самом деле на севере. Более того, нет никакого такого универсального физического закона, который требовал бы, чтобы магнитные полюса совпадали с географическими. На Земле расстояние между ними составляет около 1500 километров, отчего, в частности, на севере Канады прокладывать курс по компасу, мягко говоря, глупо.

Поскольку первый день зимы – «самый короткий день в году», то зимой каждый следующий день должен быть все длиннее и длиннее. Аналогичным образом, поскольку первый день лета – «самый длинный день в году», то летом каждый следующий день должен становиться все короче и короче. Это прямо противоположно тому, что постоянно твердят все кругом.

В среднем каждые два года где-то на поверхности Земли можно наблюдать, как Луна проходит прямо перед Солнцем, что вызывает полное солнечное затмение. Это происходит чаще, чем Олимпиада, однако в газетах почему-то не пишут, что «В этом году произойдет редкое событие – Олимпийские игры». Должно быть, полное солнечное затмение считается редкостью, поскольку в каждой конкретной точке Земли его можно прождать добрые пятьсот лет. Это верно – однако не очень убедительно, поскольку на Земле есть области, например середина пустыни Сахары и практически вся Антарктида, где совершенно точно никогда не проведут Олимпиаду.

Хотите еще? В полдень Солнце стоит точно над головой. Солнце встает на востоке и заходит на западе. Луна выходит на небо ночью. В равноденствие день и ночь длятся ровно по 12 часов. Южный Крест – красивое созвездие. Все эти утверждения тоже ошибочны.

Нигде на территории материковой части США ни в какое время дня и даже года Солнце не поднимается точно в зенит. В истинный полдень прямые вертикальные предметы не отбрасывают тени. Наблюдать это на всем земном шаре могут лишь те, кто живет между 23,5 градусами южной широты и 23,5 градусами северной широты. И даже в этой зоне Солнце оказывается прямо над головой только дважды в год. Идея «Солнца в зените» – такое же коллективное заблуждение, как и яркость Полярной звезды и цвет Солнца.

Все жители Земли наблюдают восход Солнца точно на востоке и закат точно на Западе лишь дважды в год – в первый день весны и в первый день осени. Во все остальные дни все земляне видят, как Солнце восходит и заходит в других точках горизонта. На экваторе диапазон восходов насчитывает 47 градусов по восточному горизонту. На широте Нью-Йорка (41 градус северной широты – это параллель Мадрида и Пекина) диапазон восходов насчитывает 60 градусов. На широте Лондона (51 градус северной широты) и вовсе 80 градусов. А с северного и южного полярных кругов можно наблюдать восход и точно на севере, и точно на юге – то есть диапазон восходов насчитывает полные 180 градусов.

Луна выходит и тогда, когда на небе есть Солнце. Если при наблюдении небосклона приложить небольшие дополнительные усилия – например смотреть вверх и при дневном свете, – то заметишь, что Луна видна и днем почти так же часто, как и ночью.

В равноденствие день и ночь не длятся ровно по 12 часов. Посмотрите на время восхода и заката в газете в первый день весны или осени. Эти моменты не делят сутки на два равных блока по 12 часов. День всегда побеждает. В зависимости от широты он выигрывает от всего семи минут на экваторе до почти получаса на северном и южном полярном кругах.

Кто в этом виноват? Рефракция солнечного света, который проходит из вакуума межпланетного пространства сквозь атмосферу Земли: это из-за нее солнечный диск появляется из-за горизонта на несколько минут раньше, чем восходит настоящее Солнце. И именно поэтому настоящее Солнце сядет на несколько минут раньше, чем солнечный диск, который вы увидите. По договоренности момент восхода отмечают по появлению над горизонтом верхнего края солнечного диска, а момент заката – по исчезновению верхнего края за горизонтом. Беда в том, что эти «верхние края» находятся на противоположных половинах диска, и поэтому при расчете времени восхода и заката получается, что день длится на диаметр солнечного диска дольше.

Южный Крест претендует на первое место по популярности среди всех 88 созвездий. Если послушать, что говорят об этом созвездии жители южного полушария и какие песни о нем слагают, а также посмотреть на флаги Австралии, Новой Зеландии, Западного Самоа и Папуа-Новой Гвинеи, можно подумать, что мы, северяне, чем-то обделены. А вот и нет. Во-первых, чтобы полюбоваться Южным Крестом, не обязательно ехать в южное полушарие. Его прекрасно видно даже из Майами в штате Флорида – только низко над горизонтом. Это миниатюрное созвездие – самое маленькое на небе: его можно закрыть кулаком на вытянутой руке. Да и форма у него скучноватая. Чтобы нарисовать ромб методом «соедини точки», нужно четыре звезды. А чтобы сделать из него крест – добавить пятую по центру в месте пересечения перекладин. Но Южный Крест состоит всего из четырех звезд, и получившаяся фигура похожа скорее на воздушный змей или помятую картонную коробку. Западная культура унаследовала легенды о созвездиях во всей их пышности от вавилонян, халдеев, греков и римлян, живших столетия назад и наделенных богатым воображением. Не забывайте, что именно их богатое воображение породило мифы о совершенно асоциальном поведении богов и богинь. Все эти цивилизации, конечно, принадлежат северному полушарию, а следовательно, созвездия южного неба, многие из которых и названия-то получили только в последние 250 лет, с мифологической точки зрения совершенно нищие. У нас, северян, есть свой Северный Крест, состоящий из всех пяти звезд, как положено нормальному кресту. Он входит в более крупное созвездие Лебедя, которое движется по небу вдоль Млечного Пути. Лебедь почти в двенадцать раз больше Южного Креста.

Когда люди верят в какое-то предание, противоречащее объективным данным, проверить которые ничего не стоит, это подсказывает мне, что мы в целом недооцениваем роль объективных данных в построении системы внутренних представлений. Почему это так, непонятно, зато это позволяет многим придерживаться идей и представлений, которые основаны исключительно на предположениях. Однако надежда все же есть. Иногда люди изрекают истины, остающиеся истинами несмотря ни на что. В числе моих любимых – «Когда куда-нибудь идешь, то все равно куда-нибудь придешь» и его дзенское следствие «Если мы здесь, значит, мы точно не в каком-то другом месте».

Глава тридцать пятая

Числофобия