Взрыв мироздания

Вспышки сверхновых представляют собой одни из самых катастрофических событий из тех, что известны астрономам. На деле эти чудовищные процессы, так же, как и Большой взрыв, по своей сути очень мало напоминают привычные нам взрывы. Нам просто не с чем сравнить в земных условиях подобные фантастические катаклизмы. Ведь «взрыв» сверхновой эквивалентен взрыву одного миллиона триллиона триллионов (единица с тридцатью нулями!) мегатонн одного из самых сильных взрывчатых веществ – тринитротолуола.

Масштаб бедствия для окружающей среды, в случае вспышки на одной из ближайших к нам звезд, сопоставим с ядерным взрывом в нескольких километрах (соответствующих световым годам) от муравейника – нашей Солнечной системы.

После такого чудовищного взрыва остается расширяющаяся оболочка сверхновой, которая становится ярче всей галактики, но через месяцы ослабнет и перестанет быть видимой. Вызванные катастрофическим гравитационным сжатием (коллапсом) ядра массивной звезды или термоядерным взрывом белого карлика, вспышки сверхновых происходят приблизительно каждую четверть века.

После яростного взрыва сверхновой звезды образуются еще одни удивительнейшие космические объекты – нейтронные звезды. Сверхсильные магнитные поля этих звезд, сверхплотное вещество в недрах и сверхсильная гравитация на поверхности придают им совершенно уникальные свойства. Первые открытые нейтронные звезды были своеобразными радиомаяками – радиопульсарами или источниками рентгеновского излучения в тесных двойных системах.

Строение нейтронной звезды

Радиоизлучение пульсаров объясняется наличием сильного магнитного поля и невероятно быстрым вращением: шарик массой примерно с наше Солнце и диаметром несколько десятков километров успевает повернуться вокруг своей оси за сотые доли секунды. Визуально заметить вращение многих нейтронных звезд невозможно, поскольку полный оборот они совершают быстрее, чем успевает смениться кадр в фильме.

Как часто взрываются звезды? Трудно точно ответить на этот вопрос, ведь в обычной спиральной галактике подобной нашему Млечному Пути свет интенсивно поглощается газом и пылью галактического диска. Поэтому наблюдения таких событий очень редки. В 1572 году знаменитый датский астроном Тихо Браге был свидетелем этого редкого события. Остаток вспышки можно еще наблюдать в виде ударной волны, которая родилась при взрыве и продолжает расширяться, взаимодействуя с газом и пылью межзвездной среды. Туманность, оставшаяся после этого взрыва, называется остатком вспышки Тихо.

Рентгеновское излучение нейтронной звезды возникает благодаря сильнейшей гравитации на ее поверхности. Камень, брошенный на такой объект, приведет к выделению такой энергии, которая превысит энергию взрыва атомной бомбы такой же массы. Если система двойная, то возможна ситуация, когда вещество начнет перетекать на нейтронную звезду со второго компонента, и мертвая нейтронная станет активно излучать рентгеновские кванты.

Итак, судьба звездных систем полностью определяется их массой, полученной при рождении. От массы зависит также и то, станет ли сконденсировавшийся из межзвездной материи комок вещества звездой. Для этого необходимо, чтобы в его недрах начались термоядерные реакции. Чем больше начальная масса газового шара, тем больше будут плотность вещества и температура в его центре. Соответственно, есть некоторая критическая масса, при достижении которой происходит синтез химических элементов и водород начинает превращаться в гелий. Если масса меньше критической, то звездная карьера прерывается и несостоявшиеся звезды превращаются в коричневых или бурых карликов.

При наблюдении в инфракрасном диапазоне спектра в этой близкой к нам области звездообразования было обнаружено более сотни мало массивных объектов – кандидатов в незаметные коричневые карлики. Коричневые карлики представляют собой неудавшиеся звезды, массы которых составляют только несколько процентов солнечной массы и ее недостаточно, чтобы поддерживать ядерные реакции горения водорода. Как известно, реакции горения водорода являются основным источником энергии у звезд типа Солнца. Однако массы коричневых карликов достаточно, чтобы протекали другие ядерные реакции, в которых образуется дейтерий. При этом встречаются маленькие черные карлики с массой меньше процента солнечной, но ее недостаточно для образования дейтерия. Эти странные объекты напоминают гигантские планеты, дрейфующие «в свободном полете». Они весят в несколько раз больше Юпитера и сформировались около миллиона лет назад.

Интересно, что у бурых и белых карликов, несмотря на их разные судьбы, есть важная общая черта. Вещество и тех и других находится в совершенно особом квантовом состоянии, когда электроны оказываются настолько «плотно упакованными», находятся настолько близко друг к другу, что описать поведение вещества становится возможным лишь с помощью законов квантовой механики. В этом особом состоянии электронный газ создает сильное давление, которое и ограничивает дальнейшее сжатие протозвезды и, соответственно, рост ее температуры. Впервые такое предположение высказал американский астрофизик Кумар, поэтому предельную массу, отличающую «активные» звезды от потухших и неродившихся звезд, называют пределом Кумара. Он равен сотым долям солнечной массы (точное значение зависит от химического состава).

Бурые карлики были предсказаны в середине прошлого века. Но еще долгое время они существовали только на бумаге в теоретических моделях астрофизиков. Первый был открыт только в конце прошлого века. Сейчас благодаря внеатмосферным наблюдениям с помощью космических телескопов стало известно о многих звездных объектах этого типа. Астрономы уже наблюдали двойные бурые карлики, бурые карлики с планетами, звездные системы из карликов и иных звезд. Коричневых карликов настолько много, что они должны встречаться и в ближайших окрестностях Солнечной системы. Однако заметить эти слабосветящиеся объекты очень нелегко, особенно если они одиноки.

В образовании звезд и подобных им объектов есть еще немало загадок. По всей видимости, механизм образования бурых карликов такой же, как и у маломассивных звезд. Однако полной ясности здесь нет, и астрофизики рассматривают несколько возможностей.

Отгорев или еще не родившись, звезда оказывается в удивительно стабильном состоянии, которое может длиться миллиарды миллиардов лет. В современной сравнительно молодой Вселенной таких объектов не много, но со временем именно они составят основную массу видимой материи.

Массивные звезды расточительно сжигают ядерное топливо в реакциях ядерного синтеза, которые проходят при высочайших температуре и давлении. При этом из ядер легких элементов водорода и гелия образуются углерод, кислород и другие вещества, вплоть до железа. При взрыве сверхновой – неизбежной и эффектной кончине массивной звезды – в космическое пространство выбрасывается вещество, обогащенное тяжелыми элементами, из которого образуются новые звезды и планеты.

Вспышки сверхновых не только оставляют после себя «звездные саваны» пылегазовых оболочек, но и активно формируют окружающий космический «рельеф», в значительной степени определяя свое галактическое окружение. Влияние их в том, что в результате взрывов сверхновых интенсивно перемешиваются облака пыли и газа, изменяется химический состав и месторасположение будущих поколений звезд и целых звездных систем. Подтверждением этому может служить сферическая туманность в соседней галактике Большое Магелланово Облако. Это яркий и очень большой пузырь в межзвездном пространстве протяженностью около 300 световых лет, выдутый вспышками сверхновых звезд и заполненный очень разреженным расширяющимся горячим газом.

У звезд более массивных, нежели Солнце, конец жизненного цикла куда более зрелищный. Даже после сгорания всего гелия массы такой звезды при ее сжатии оказывается вполне достаточно для разогрева ядра и оболочки до температур, необходимых для запуска следующих реакций ядерного синтеза углерода, затем кремния, магния и так далее, по мере роста ядерных масс. При этом каждая новая реакция в ядре звезды сопровождается продолжением предыдущей в ее оболочке.

Все химические элементы вплоть до железа, из которых состоит Вселенная, образовались именно в результате нуклеосинтеза в недрах умирающих звезд этого типа.

Но железо – это предел; оно не может служить топливом для реакций ядерного синтеза или распада ни при каких температурах и давлениях, поскольку и для его распада, и для добавления дополнительных нуклонов необходим приток внешней энергии. В результате массивная звезда постепенно накапливает внутри себя железное ядро, которое не способно послужить топливом ни для каких дальнейших ядерных реакций.

Как только температура и давление внутри ядра достигают определенного уровня, электроны начинают вступать во взаимодействие с протонами ядер железа, в результате чего образуются нейтроны. За короткий отрезок времени в несколько секунд свободные электроны буквально растворяются в протонах ядер железа. Так все вещество ядра звезды превращается в сплошной сгусток нейтронов и начинает стремительно сжиматься в гравитационном коллапсе, поскольку противодействовавшее ему давление электронного газа падает до нуля.

Внешняя оболочка звезды, из-под которой оказывается выбита всякая опора, обрушивается к центру. Энергия столкновения обрушившейся оболочки с нейтронным ядром очень высока. Она с огромной скоростью отскакивает от ядра и разлетается во все стороны от него – звезда буквально взрывается в ослепительной вспышке сверхновой звезды.

За считанные секунды при вспышке сверхновой может выделиться в пространство больше энергии, чем выделяют за это же время все звезды галактики вместе взятые!

После вспышки сверхновой и разлета оболочки из звезд массой в десятки солнечных образуются нейтронные звезды с диаметром приблизительно 15–20 км. В конечном результате возникает быстро вращающаяся нейтронная звезда, испускающая электромагнитные импульсы с частотой ее вращения; такие звезды называются пульсарами.

У сверхплотных ядер нейтронных звезд более низкая энергия, чем у обычного атомного ядра. Так что прирост массы сверхплотного ядра будет энергетически выгоден.

Можно предложить заманчивую перспективу обуздания этого звездного «монстра», используя сверхплотное ядро в качестве своеобразного источника энергии путем рассеивания на нем потока обычных частиц.

Вполне может быть, что в далеком будущем человечество научится таким образом не только решать свои энергетические проблемы, но и утилизировать «отходы» жизнедеятельности, превращая «мусор цивилизации» в полезное излучение.

Таким образом, изучение парадоксальной физики нейтронных звезд дает возможность заново проверить единство законов природы. Со времени создания квантовой механики ученые настойчиво ищут макроквантовые явления, связывающие законы микро– и макромира. Поэтому было бы очень важно не только качественно описать, но и количественно смоделировать эволюцию таких квантовых астрофизических объектов, как нейтронные звезды. История научных исследований показывает, что многие гипотезы, которые казались когда-то экзотическими, становились простыми и очевидными истинами после экспериментального обнаружения явлений. Несомненно, что дальнейшее изучение процессов, протекающих в нейтронных звездах, позволит сделать еще много новых захватывающих открытий.

Астрофизики пытаются прогнозировать маршрут звездной эволюции, проходящий через вспышку сверхновой с помощью специальных компьютерных программ. Эти электронные модели позволяют понять самое главное: какие внешние и внутренние причины могут ускорить или замедлить космическую катастрофу.

Наконец, если масса ядра звезды превышает 30 солнечных масс, ничто не в силах остановить ее дальнейший гравитационный коллапс, и после вспышки сверхновой образуется удивительнейший космический объект – черная дыра.

Глава 10. Бездонные провалы пространства–времени

Мы видим, что почти все космические объекты вращаются вокруг своих осей, это и планеты, и звезды, и галактики. С черными дырами сложнее, очень трудно непосредственно увидеть, что они вращаются, так как у них нет твердой поверхности, по которой можно было бы отметить вращение. Мы можем, однако, видеть свет, излученный веществом, падающим на черную дыру. Вещество очень быстро вращается вокруг черной дыры, прежде чем исчезнуть в ней навсегда.

Т. Стренер. Исследование черных дыр

Мы уже упоминали о едва ли не самых загадочных объектах Вселенной – гравитационных коллапсарах, или застывших (замерзших) звездах, чаще всего называемых черными дырами. Черные дыры – самые грандиозные источники энергии во Вселенной. Мы, вероятно, наблюдаем их в далеких квазарах, во взрывающихся ядрах галактик. Они возникают также после смерти больших звезд. Возможно, черные дыры в будущем станут источниками энергии для человечества. Однако, что бы ни говорили физики, астрофизики и астрономы, на момент написания этой книги гравитационные коллапсары оставались гипотетическими объектами.

В конце шестидесятых годов видный астрофизик Джон Уилер, будучи убежденным противником модели застывших звезд коллапсаров, уничижительно назвал их в научно-популярной радиопередаче «черными дырами». И хотя в историю науки понятие гравитационного коллапсара вошло еще в XVIII веке, с легкой руки Уилера название «черная дыра» появилось в научных статьях и сообщениях журналистов именно после его критического высказывания в 1968 году.

Черной дырой коллапсара называется область пространства – времени, в которой гравитационное поле столь сильно, что ни один объект, включая свет, не может вырваться из нее. Из области пространства – времени черной дыры невозможно никакое сообщение с внешней по отношению к ней Вселенной. У гравитационного коллапсара нет поверхности как таковой, но есть граница, которая называется горизонтом событий.

По загадочным законам распространения научной терминологии словосочетание «черная дыра» постепенно, но довольно быстро вытеснило использовавшиеся ранее определения «гравитационный коллапсар», «застывшая» и «замерзшая» звезда. Существует несколько разновидностей коллапсаров. В их состав входят первичные, возникшие в далекую эпоху формирования Вселенной, собственно застывшие звезды в конце своего эволюционного пути, загадочные ядра галактик и квазаров, а также микроколлапсары, которые физики надеются получить на новых сверхмощных ускорителях элементарных частиц. Исходя из этого мы в дальнейшем будем использовать всю имеющуюся терминологическую палитру для соответствующей смысловой окраски «провалов пространства – времени».

Исторически создание первых моделей гравитационных коллапсаров связано с именем английского геофизика и астронома Джона Мичелла. Основываясь на теории всемирного тяготения Ньютона, Мичелл рассмотрел существование сверхмассивных звезд, тяготение которых полностью задерживает лучи света, не способного покинуть их поверхность. Правда, называть коллапсарами «темные звезды» Мичелла было бы неправильно. Это была лишь первичная половинчатая схема расчетов, согласно которой звезда с массой Солнца при сжатии до радиуса в 3 км остановила бы своим притяжением даже корпускулы света Ньютона (в те времена господствовала корпускулярная теория светового излучения). Естественно, что заметить такую абсолютно черную звезду было бы невозможно. Свои построения Мичелл изложил на одном из заседаний Лондонского Королевского общества в 1783 году. Так возникла первая модель гравитационного коллапсара, которую сейчас называют «ньютоновской черной дырой».

В начале XX века разразилась вторая научная революция (первая произошла во времена Галилея и Ньютона), перевернувшая устоявшиеся представления об окружающей реальности. В глубинах микромира возникла новая квантовая физика, созданная великим Максом Планком, а космические просторы Вселенной стала описывать теория относительности не менее великого Альберта Эйнштейна.

Теория относительности состоит из двух частей: специальной теории относительности (СТО), описывающей движение с околосветовыми скоростями, и общей теории относительности (ОТО), содержащей новую теорию гравитации. Теория тяготения Эйнштейна связывала гравитацию с искривлением пространства и сразу же привлекла внимание многих физиков. Один из них, Карл Шварцшильд, вместе с Эйнштейном был действительным членом Берлинской академии наук, где гениальный физик периодически докладывал результаты своих теоретических изысканий. Академик Шварцшильд одним из первых попытался применить еще малознакомый аппарат ОТО в некоторых задачах астрофизики. Расчеты Шварцшильда наглядно показали, что тяготение звезды не слишком искажает ньютоновскую структуру пространства и времени лишь в том случае, если ее радиус намного больше той самой величины, которую вычислил Джон Мичелл! Этот параметр и получил название гравитационного радиуса Шварцшильда.

Согласно ОТО, тяготение не влияет на скорость света, но замедляет течение времени вблизи массивных небесных тел и, следовательно, уменьшает частоту световых колебаний – свет начинает краснеть. К примеру, на поверхности звезды, в четыре раза превосходящей по радиусу сферу Шварцшильда, поток времени течет на пятнадцать процентов медленнее, а при двукратном превышении гравитационного радиуса время замедляет свой бег уже на сорок процентов. Самое же интересное начинается в непосредственной близости от радиуса Шварцшильда. При достижении гравитационного радиуса время на поверхности звезды полностью останавливается (все частоты обнуляются, излучение замораживается, звезда гаснет), но кривизна пространства все еще конечна. Вдали от светила геометрия по-прежнему остается евклидовой, да и время не меняет своей скорости.

Несмотря на внешнюю схожесть схем коллапсаров Мичелла и Шварцшильда их физическое содержание разительно отличается. У Мичелла пространство и время, согласно Ньютону и Галилею, абсолютно неизменно и однородно, а скорость света замедляется, будучи зависимой от силы тяготения. Звезда, размеры которой меньше ее гравитационного радиуса, продолжает светить, однако видна она будет только наблюдателю, находящемуся в непосредственной близости от гравитационного радиуса. В модели Шварцшильда скорость света абсолютна, согласно теории относительности, но само тяготение определяется искаженностью пространства – времени. Звезда, прошедшая в своей эволюции этап сферы Шварцшильда, навсегда исчезает для любого близкого наблюдателя.

И Мичелл, и Лаплас, и Шварцшильд, и даже сам Эйнштейн считали, что гравитационные коллапсары являются лишь своеобразным математическим парадоксом, не существующим в природе. Однако в тридцатые годы прошлого века молодой индийский астрофизик Чандрасекар доказал, что истратившая свое ядерное топливо звезда сбрасывает газовую оболочку и превращается, если ее масса меньше где-то около полутора солнечных (в историю науки эта величина вошла как предел Чандрасекара), в медленно остывающий звездный объект, получивший название белый карлик. Белые карлики представляют собой компактные звезды с околосолнечными массами, но с радиусами в сотни раз меньшими, соответственно, их светимость меньше солнечной в тысячи раз. Плотность вещества белых карликов составляет тысячи тонн в кубическом сантиметре, что в миллион раз выше плотности обычных звезд. Белые карлики, несмотря на свои экзотические свойства, являются не столь уж редкими объектами во Вселенной, так, в нашей Галактике они составляют около десяти процентов звездного населения.

Следующий этап развития представлений о поведении вещества и света вблизи гигантских масс связан с именем знаменитого физика Роберта Оппенгеймера. Будущий отец американской атомной бомбы в конце тридцатых годов прошлого века занимался в Калифорнийском университете теоретическими исследованиями сжатия сверхбольших масс вещества под действием собственных сил гравитации. Применив общую теорию относительности, Оппенгеймер получил удивительный результат: когда «сверхкритическая» масса начинает сжиматься, процесс не может быть остановлен и она устремляется в точку. Именно это явление и получило название «гравитационный коллапс», приводящий к возникновению «коллапсаров» (они же застывшие или замерзшие звезды и черные дыры).

Итак, мы видим, что разрывы ткани пространства–времени с застывшими в гравитационном коллапсе застывшими звездами давно уже не дают покоя физикам-теоретикам, астрофизикам и астрономам. И тут надо подчеркнуть, что все же черные дыры застывших звезд гравитационных коллапсаров, несмотря на множество самых разнообразных косвенных наблюдений, остаются пока еще гипотетическими небесными объектами. Строго говоря, мы не имеем даже права употреблять термин «черная дыра» без обязательной приставки «кандидат в». Да и в теории коллапсирующих объектов тоже далеко не все гладко, ведь внутри условной оболочки застывшей звезды – экзосферы свойства пространства – времени претерпевают странные изменения, стремительно становясь экстремально-сингулярными. Здесь даже известные своими «математическими фантазиями» теоретики не могут прийти к единому мнению и хотя бы качественно описать происходящие там явления, ведь проблема сингулярности в условном центре коллапсара – это вечная задача о материи и энергии, стремящейся к бесконечной плотности.

Неутихающие споры вызывают и возможные космические сценарии происхождения коллапсаров. Так, большинство ученых считает, что застывшие звезды – это сингулярные остатки гравитационного коллапса достаточно больших масс, возникших при объединении нескольких мелких небесных тел и последующего гравитационного налипании вещества. Этот процесс очень напоминает рост снежного кома, первоначально слепленного из нескольких снежков и катящегося по снежному насту. Однако у определенной части космологов есть мнение, что черные дыры возникли изначально в процессе катаклизма Большого взрыва, приведшего к рождению нашей Вселенной. За последующие миллиарды лет часть из них слилась друг с другом, при этом многие коллапсары достигли гигантских размеров, образовав ядра квазаров и галактик.

Явление гравитационного коллапса дает столь обильную пищу для самых необычных теоретических построений, что среди них возникают даже представления о коллапсарах как протяженных телах, состоящих из вещества в необычном состоянии, застывшего в процессе коллапса подобно воде, превратившейся в лед. Международный коллектив физиков, сделавших такое смелое предположение, считает, что их модель сможет объединить общую теорию относительности и квантовую механику. Подобные инновационные модели застывших звезд позволяют избежать трудностей «стандартных» сингулярных схем, содержащих сингулярности с бесконечными плотностями материи – энергии, окруженные воображаемой поверхностью горизонта событий.

Эта воображаемая силовая оболочка является своеобразным Рубиконом для путешественников в глубины черной дыры, ведь перейдя этот незримый гравитационный барьер материальное тело в принципе не сможет возвратиться назад. Именно за горизонтом событий, или эргосферой, начинаются очень странные эффекты, о которых мы уже упоминали: пространство меняется по смыслу со временем, пространство – время меняет размерность и закручивается в кокон….

Как показали исследования Стивена Хокинга, гравитационная сингулярность глубоко парадоксальна и с точки зрения квантовой механики, поскольку допускает потерю информации из нашего мира. Впрочем, сам Хокинг в ходе умозрительных дальнейших построений уже неоднократно менял точку зрения.

В альтернативных концепциях черных дыр понятие горизонта событий отсутствует. Общая идея состоит в том, что существует сила, способная на определенном этапе остановить коллапс звезды. При этом материя меняет свои фундаментальные свойства, вещество становится антигравитирующим и в нем начинают преобладать силы отталкивания. Предполагается, что подобными свойствами обладает основная «начинка» нашей Вселенной – темная энергия, которая и вызывает наблюдаемое ускоренное расширение Метагалактики.

В окружающей нас природе вещество постоянно переходит в различные агрегатные состояния: газ – жидкость – твердое тело, нечто подобное предполагается и в ходе гравитационного коллапса. При сверхвысоких плотностях энергии вещество переходит в новое агрегатное состояние, как бы затвердевая в состоянии особой сверхкритичной кристаллизации. В результате образуется совершенно уникальный физический объект, который ученые назвали гравастаром. Физики-теоретики придумали для него образ эскимо: твердая корка из очень плотного, привычного нам «материального» вещества на уровне горизонта событий, и необычное содержимое внутри.

Поверхность сферы Шварцшильда действительно может служить своеобразным порталом в иную физику, где рядом с уравнениями общей теории относительности стоят законы фазового перехода обычного пространства – времени в иную сущность. Все это очень напоминает агрегатные превращения жидкостей. Например, когда вода замерзает, молекулы остаются прежними, а их коллективное поведение резко изменяется вместе с физическими законами, поскольку законы, применимые к жидкости, перестают действовать. А вот переход жидкости в поразительное состояние сверхтекучести, когда она способна вытекать из сосуда «вверх», будут определяться уже законами квантовой механики, действующей в мире элементарных частиц. Именно подобный квантовый фазовый переход и может иметь место при пересечении горизонта событий.

Мы затронули обжигающие своей новизной физические модели застывших звезд гравитационных коллапсаров, и конечно же, у их критиков находится масса возражений и вопросов. Например, каким именно образом изменяется состояние вещества или пространства – времени в процессе коллапса звезды? Действительно, превращение массивной звезды, состоящей из обычного газа, подчиняющегося школьным законам физики в объект со столь странной структурой, как гравастар, довольно сложно обосновать. Правда, здесь на помощь могут прийти различные варианты теории квантовой гравитации, например, теория струн объясняет парадоксы черных дыр без отказа от горизонта событий и теории относительности. Вот что писал о теории струн (она же теория стрингов, суперструн, мембран и многомерных бран) известный американский физик-популяризатор Джеймс Трефил:

«Различные версии теории струн сегодня рассматриваются в качестве главных претендентов на звание всеобъемлющей универсальной теории, объясняющей природу всего сущего. А это – своего рода священный грааль физиков-теоретиков, занимающихся теорией элементарных частиц и космологии. Теория всего сущего содержит всего несколько уравнений, которые объединяют всю совокупность человеческих знаний о характере взаимодействий и свойствах фундаментальных элементов материи, из которых построена Вселенная. Сегодня теорию струн удалось объединить с концепцией суперсимметрии, в результате чего родилась теория суперструн, и на сегодняшний день это максимум того, что удалось добиться в плане объединения теории всех четырех основных взаимодействий (действующих в природе сил).

Сама по себе теория суперсимметрии уже построена на основе априорной современной концепции, согласно которой любое дистанционное взаимодействие обусловлено обменом частицами-носителями взаимодействия соответствующего рода между взаимодействующими частицами. Для наглядности взаимодействующие частицы можно считать «кирпичиками» мироздания, а частицы-носители – цементом».

Что же находится в сердцевине застывших звезд, и какая концепция, новая или классическая, больше подходит для их описания? Здесь на помощь нам могут прийти еще одни таинственные объекты Вселенной – гравитационные волны. Согласно теории относительности массивные тела при ускоренном движении должны так искажать пространство – время, что по нему побегут колебания, воздействующие на другие массы. Такая своеобразная «рябь» пространства – времени и получила название гравитационных волн. Заметим сразу, что, несмотря на массу экспериментальных ухищрений, астрофизикам еще не удалось надежно зафиксировать сам факт наличия гравитационных волн, хотя теоретики и не сомневаются в их существовании.

Естественно, что массивные коллапсары должны в определенных условиях испускать гравитационные волны. Следовательно, если в будущем экспериментаторы откроют надежный способ детектирования гравитационных колебаний, то теория предсказывает, что по их спектру можно будет определить форму пространства – времени в окрестностях предполагаемых черных дыр.

А теперь давайте представим себе, что же увидит экспедиция, рискнувшая исследовать коллапсар. Поскольку почти все модели – и классические, и инновационные – предсказывают невозвратность погружения в пучины застывшей звезды, то в центр коллапсара мы отправим автоматический исследовательский зонд. До границы сферы Шварцшильда ничего необычного не происходит, вот только датчики радиации начинают показывать возрастание потоков различных элементарных частиц и электромагнитного излучения. Природа источников излучения раскрывается в непосредственной близости к поверхности Шварцшильда.

Оказывается, что здесь происходит своеобразное «расщепление» физического вакуума. Дело в том, что вакуум в действительности не является школьной «торричеллиевой пустотой», а представляет собой кипящее море виртуальных частиц. Виртуальные (кажущиеся или мнимые) частицы живут настолько краткие мгновения, что их не может зафиксировать никакая сверхчувствительная аппаратура. Однако за невообразимо малое время своего существования виртуальные частицы успевают повлиять на поведение обыкновенных элементарных частиц. Заряженные частицы они окутывают своеобразной «шубой», как говорят физики, «поляризуя вакуум».

Виртуальные частицы рождаются парами частица-античастица, например, электрон-позитрон, это и позволяет обмануть физику с ее законами сохранения, поскольку от момента рождения до акта аннигиляции природа просто не успевает почувствовать столь вопиющего нарушения ее принципов построения. В особых условиях гравитационной сферы коллапсара виртуальные пары разделяются на компоненты, при этом тут же включаются законы сохранения – и виртуальные частицы превращаются в обычные. Это, конечно, касается только тех пар, которые попадают строго под разделяющее «лезвие» поверхности Шварцшильда, так что одна частица безвозвратно поглощается черной дырой, а вторая обретает свободу и покидает окрестности застывшей звезды.

Все, что касается микромира виртуальных частиц, относится к квантовой физике, но не менее интересные эффекты предсказывает и общая теория относительности. Так, при пересечении горизонта событий все приборы будут пребывать в невесомости, фиксируя только необычные радиационные эффекты, поскольку все вокруг окажется в свободном падении вместе с ними. Правда, впереди электронного разведчика ждут ужасные приливные силы, вызванные перепадом сил притяжения между носом зонда и его кормой. Их возрастающая величина настолько велика, что скрутит и разорвет любые конструкции из самых сверхпрочных материалов. Вот так может закончить свое существование исследовательский зонд, положив свою электронную жизнь на алтарь науки. Однако осознать происходящее сможет только сторонний наблюдатель, и для него процесс падения зонда растянется на столетия, а в конце концов фактически остановится. Это связано с эффектом относительного замедления времени в рамках общей теории относительности, где ход часов напрямую зависит от силы гравитации.

Потери энергии в системе двойной звезды приводят к постепенному сближению звезд и уменьшению периода их обращения вокруг общего центра масс. Именно такое уменьшение периода и удалось зафиксировать астрономам в точном согласии с предсказаниями теории Эйнштейна.

Очень интересны в этом отношении пока еще гипотетические системы, состоящие из обычной и сколлапсировавшей звезд. Ведь при движении вокруг черной дыры будет происходить излучение гравитационных волн и постепенное уменьшение радиуса орбиты. Так будет продолжаться, пока дистанция между замерзшей звездой и ее спутником не сократится до радиуса критической орбиты, на которой движение звезды станет неустойчивым, и после нескольких оборотов вокруг коллапсара она исчезнет за его горизонтом.

Итак, при релятивистском коллапсе сколь угодно сложного не вращающегося тела, окруженного электрическим, магнитным и другими полями, возникает черная дыра со свойствами, полностью характеризуемыми всего двумя параметрами: массой, от которой зависит сила внешнего гравитационного поля, и электрическим зарядом, создающим электрическое поле.

Все другие отличительные особенности материи, которая образовала черную дыру, как бы исчезают, об этом в форме полушутливого афоризма высказался известный космолог Ричард Прайс: «Все, что может излучиться, – излучается».

Никакие измерения или опыты над черной дырой не помогут ответить на вопрос, возникла ли она, например, из вещества или антивещества, обладало ли вещество магнитным полем и т. д. Физики-теоретики предсказывают, что все однотипные черные дыры равной массы практически неразличимы и, как заметил знакомый нам американский астрофизик Джон Уилер, «черные дыры не имеют волос».

Очень интересна и полна парадоксов физика вращающихся коллапсаров. Согласно общей теории относительности вокруг вращающихся тел возникает своеобразное вихревое гравитационное поле, увлекающее за собой все тела в круговое движение.

Дело происходит таким образом, как будто слои пространства медленно вращаются вокруг такого тела, причем скорость их вращения нарастает с приближением к вращающемуся телу. Для обычных небесных тел эти эффекты ничтожно малы и экспериментально еще не обнаружены.

Как часто встречаются эти экзотические физические объекты в нашей реальности?

Астрофизики еще не пришли к единому мнению, хотя существуют гипотезы о том, что земную поверхность посещали микроколлапсары. В частности, со взрывом микроскопической черной дыры некоторые ученые связывают удивительнейшую историю Тунгусского метеорита. Правда, в этом случае где-то в районе Австралии должен был бы находиться кратер выхода этого уникального объекта, но ничего подобного этому еще не обнаружено.

С черными дырами связаны, пожалуй, одни из самых ярких катастрофических процессов в Метагалактике, когда в провалах гравитационных коллапсаров исчезает вещество звезд и планет. Движение какого-либо тела вокруг застывшей звезды по круговой орбите неустойчиво, и малейший импульс заставят это тело либо упасть в черную дыру, либо улететь в пространство. Таким образом, у черной дыры существуют самые широкие возможности для гравитационного захвата тел, прилетающих из космоса (см. цветную вклейку).

Наблюдая мощные вспышки рентгеновского излучения, приходящие из центров галактик, астрофизики сопоставляют им захват звезд сверхмассивными коллапсарами – квазарами. Открытие подобных уникальных процессов, по мнению теоретиков, подтверждает основные принципы эволюции коллапсаров, а также проясняет механизмы их влияния на звезды и межзвездное газовое вещество. Во всяком случае, существует устоявшееся мнение, что в центре галактик находятся массивные черные дыры, непрерывно поглощающие звездное вещество и галактические туманности. Это служит источником мощных потоков рентгеновских квантов, воспринимаемых земными и космическими рентгеновскими телескопами.

Астрономы пришли к заключению, что черные дыры не рождаются огромными, а постепенно растут за счет газа и звезд галактик. Данные показывают, что гигантские черные дыры не предшествовали рождению галактик, а эволюционировали вместе с ними, поглощая определенный процент массы звезд и газа центральной области галактики. Это означает, что в меньших галактиках черные дыры менее массивны, их массы составляют не многим более нескольких миллионов солнечных масс. Черные дыры в центрах гигантских галактик включают в себя миллиарды солнечных масс. Все дело в том, что окончательная масса черной дыры формируется в процессе формирования галактики. В некоторых случаях дыры увеличиваются не только за счет поглощения газа отдельной галактики, но и путем слияния галактик, в результате чего их черные дыры объединяются.

В самом центре Млечного Пути располагается ядро нашей галактики – таинственный объект Стрелец А* (произносится «Стрелец А со звездочкой»). Астрономы считают, что это главный кандидат на роль черной дыры массой около 4 млн солнечных масс. И вот, если в ее сферу поглощения попадет звезда, то рентгеновское излучение окажется в десятки тысяч раз более сильным, чем регистрируемое в иных галактиках. Ведь перед исчезновением в черном зеве коллапсара звезда может разогреться до сотен миллионов градусов. При этом высвобождается энергия, сравнимая с катаклизмом при вспышке сверхновой звезды.

Рентгеновское излучение Стрельца А* слабее, чем то, что обнаружено в ядрах других галактик. Возможно, это связано с тем, что падение вещества осуществляется неинтенсивно, но когда оно происходит, фиксируется вспышка рентгеновского излучения. Один раз яркость объекта Стрелец А* увеличилась буквально за минуты – подобное невозможно для крупного образования. Значит, этот объект компактный и им скорее всего является застывшая звезда коллапсара.

Этот вывод астрономы обосновывают результатами наблюдений звезд, обращающихся вокруг центра галактики. Орбиты таких звезд испытывают сильные искажения под действием колоссальной силы притяжения невидимого объекта, который должен быть исключительно компактным. Это все полностью соответствует портрету, нарисованному физиками-теоретиками для черной сверхмассивной дыры. Точное положение центра Млечного Пути показывают стрелки в переполненной звездами области размером несколько световых лет. В дальнейшем астрофизики надеются не только точно определить массу черной дыры, но и осуществить очередную проверку теории гравитации Эйнштейна.

В принципе, можно создать и искусственную черную дыру. Для этого нужно сжать любую массу до размеров, когда ее радиус станет равным гравитационному радиусу Шварцшильда, дальше она уже сама будет сжиматься, испытывая гравитационный коллапс. Правда, на этом пути лежат огромные технические трудности. Чем меньшую массу мы хотим превратить в черную дыру, тем до меньших размеров ее необходимо сжать, поскольку гравитационный радиус прямо пропорционален массе. И если гравитационный радиус Земли равен примерно одному сантиметру, то чтобы превратить в черную дыру Луну, ее пришлось бы сжать до размера крупной молекулы.

Эффект Доплера (к введению)

Цвет быстро приближающегося объекта постепенно смещается к коротковолновой ультрафиолетовой части спектра, а удаляющегося – к длинноволновой, инфракрасной. При движении источника или приемника волн (3) в направлении (2) происходит изменение воспринимаемой частоты колебаний в красную (1) или фиолетовую (4) часть спектра.

Диаграмма Герцшпрунга -Рассела – «температура – светимость» (к главе 8)

Красные гиганты и сверхгиганты в правом верхнем углу диаграммы ГР – это доживающие свой век звезды с до предела раздувшейся внешней оболочкой (через 6,5 млрд лет такая участь постигнет и наше Солнце – его внешняя оболочка выйдет за пределы орбиты Венеры). Они излучают в пространство примерно то же количество энергии, что и звезды основного ряда, но поскольку площадь поверхности, через которую излучается эта энергия, превосходит площадь поверхности молодой звезды на несколько порядков, сама поверхность гиганта остается относительно холодной.

Перетекание вещества с красного гиганта на белый карлик (к главе 9)

В этой гипотетической двойной звездной системе, состоящей из красного и белого карликов, видны струи газа, перетекающего с одной звезды на другую. Когда масса белого карлика превысит полторы массы Солнца, он свернется, превратившись в нейтронную звезду, и засияет на краткий миг, как целая галактика. Это можно было бы увидеть с космического исследовательского корабля землян на расстоянии в несколько миллиардов километров.

Модель для двойной звездной системы с вращающимся коллапсаром (к главе 10)

Здесь изображена экзотическая система, в которой вещество с нормальной звезды под действием гравитационных и центростремительных сил падает на черную дыру. Кроме того, от черной дыры дует высокоскоростной ветер излучения, закручиваемый внешними магнитными силами. Внутренние же магнитные силы движут вещество во вращающемся диске в направлении к самой черной дыре. Черная дыра притягивает обращенную к ней сторону близко пролетающей звезды гораздо сильнее, чем противоположную. Такая мощная приливная сила растягивает звезду и вызывает падение газа из звезды на черную дыру. Другая часть остатков звезды отбрасывается назад.