Реклама в Интернет
НЛО и внеземной интеллект Аномальные Явления природы Астрономия и космонавтика
Новости сайта Наука и природа Файлы для скачивания
Путешествие среди черных дыр

Из всех творений человеческого разума: от мифологических единорогов и драконов до водородной бомбы, пожалуй, наиболее фантастическое - это черная дыра; дыра в пространстве с вполне конкретными краями, в которую может провалиться все что угодно и из которой ничто не в силах выбраться. Дыра, в которой гравитационная сила столь велика, что даже свет захватывается и удерживается в этой ловушке. Дыра, которая искривляет пространство и искажает течение времени. Подобно единорогам и драконам, черные дыры кажутся, скорее, атрибутами научной фантастики или древних мифов, чем реальными объектами. Однако из физических законов с неизбежностью следует существование черных дыр. В одной нашей Галактике их, возможно, миллионы.

Спуск в "Ад"

Вообразите себя капитаном большого космического корабля звездного класса. По заданию Географического общества вам предстоит исследовать несколько черных дыр, находящихся на больших расстояниях друг от друга в межзвездном пространстве, и с помощью радиосигналов передать на Землю описание своих наблюдений.

Пробыв в пути 4 года и 8 месяцев, ваш корабль тормозит в окрестности ближайшей к Земле черной дыры, получившей название Гадес (Ад) и расположенной вблизи звезды Веги. На телеэкране заметно присутствие черной дыры: атомы водорода, рассеянные в межзвездном пространстве (их средняя плотность - 6·10-2 см-3), втягиваются внутрь ее гравитационным полем. Везде вы видите их движение: медленное вдали от дыры и все более быстрое по мере приближения к ней. Это напоминает падение воды в Ниагарском водопаде за исключением того, что атомы падают не только с востока, но и с запада, севера, юга, сверху и снизу - отовсюду.

Если вы ничего не предпримете, то тоже окажетесь втянуты внутрь.

Итак, вам предстоит с величайшей осторожностью перевести звездолет с траектории свободного падения на круговую орбиту вокруг черной дыры (подобную орбитам искусственных спутников, вращающихся вокруг Земли) так, чтобы центробежная сила вашего орбитального движения компенсировала силу притяжения черной дыры. Почувствовав себя в безопасности, вы включаете двигатели корабля и готовитесь к изучению черной дыры.

Прежде всего, в телескопы вы наблюдаете электромагнитное излучение, испускаемое падающими атомами водорода. Вдали от черной дыры они настолько холодные, что излучают лишь радиоволны. Но ближе к дыре, там, где атомы падают быстрее, они время от времени сталкиваются между собой, нагреваются до нескольких тысяч градусов и начинают излучать свет. Еще ближе к черной дыре, двигаясь гораздо быстрее, они разогреваются за счет столкновений до нескольких миллионов градусов и испускают рентгеновское излучение. Наблюдая это излучение, приходящее из окрестностей черной дыры, вы вспоминаете, как искали черные дыры с Земли: советские астрофизики Я. Б. Зельдович и И.Д. Новиков в 60-х годах предсказали, что, падая на черную дыру, газ будет испускать мощное рентгеновское излучение. В 1972 г. американский астроном Р. Джиаккони зарегистрировал рентгеновское излучение, приходящее от объекта Лебедь X-1, подтвердив тем самым предсказание Зельдовича и Новикова и классифицировав этот объект как черную дыру, находящуюся на расстоянии 14 тыс. св. лет от Земли.

Направляя свои телескопы "внутрь" и продолжая приближаться к черной дыре, вы "увидите" гамма-лучи, испускаемые атомами водорода, нагретыми до еще более высоких температур. И наконец, в самом центре вы обнаружите темный диск самой черной дыры.

Следующий ваш шаг - тщательно измерить длину орбиты корабля. Это приблизительно 1 млн км, или половина длины орбиты Луны вокруг Земли. Затем вы смотрите на далекие звезды и видите, что они перемещаются, подобно вам. Наблюдая за их видимым движением, вы выясняете, что вам необходимо 5 мин 46 с, чтобы совершить один оборот вокруг черной дыры. Это и есть ваш "орбитальный период".

Зная период обращения и длину своей орбиты, вы можете рассчитать массу черной дыры. При этом вы пользуетесь тем же методом, что и Исаак Ньютон, вычисливший в 1685 г. массу Солнца и планет Солнечной системы: в соответствии с законом всемирного тяготения Ньютона сила притяжения какого-либо тела пропорциональна его массе, а согласно законам Кеплера, которым подчиняется движение небесных тел по своим орбитам, эта сила пропорциональна также кубу длины орбиты, деленному на квадрат орбитального периода. Применяя эти физические законы к вашей собственной орбите, вы получаете, что масса черной дыры Гадес в 10 раз больше солнечной (10 Mслн). Это, no-существу, полная (суммарная) масса, скопившаяся в черной дыре за всю ее историю и включающая массу звезды, в результате коллапса которой около 2 млрд лет назад образовалась черная дыра, массу всего межзвездного водорода, втянутого в нее с момента ее рождения, а также массу всех астероидов и заблудившихся звездолетов, упавших на нее.

Отправляясь в путешествие, вы детально изучили свойства черных дыр. Как доказали в 70-е годы английский и канадские астрофизики С. Хокинг, В. Израэл и Б. Картер, использовавшие представления общей теории относительности (ОТО) Эйнштейна, черная дыра - это удивительно простой объект.

Все его свойства - сила гравитационного притяжения, отклоняющая световое излучение звезд, а также форма и размер ее поверхности-определяются лишь двумя числами: массой дыры (которую вы уже знаете) и моментом количества движения. Этот момент - мера того, как быстро дыра вращается вокруг собственной оси. Вращаясь, она создает в пространстве вокруг себя некий вихрь, закручивающий все, что попадает внутрь дыры.

Падая, некоторые водородные атомы межзвездной среды кружатся по часовой стрелке, а другие - в противоположном направлении. В результате они могут сталкиваться между собой, но в среднем падают в дыру отвесно ("вертикально"), т.е. в радиальном направлении, не вращаясь. И вы приходите к выводу, что эта черная дыра с массой 10 Mслн едва ли вращается вообще - ее момент количества движения близок к нулю.

Зная массу и момент количества движения, можно теперь, пользуясь формулами ОТО, рассчитать все свойства, которыми должна обладать черная дыра. Наиболее интересны свойства ее поверхности, или горизонта - границы, из-за которой все, что падает в дыру, уже не может вернуться; границы, из-за которой не выбраться звездолету и даже любому виду излучения: радиоволнам, свету, рентгеновским или гамма-лучам. Поскольку эта дыра не вращается, ее горизонт имеет форму сферы, длина большой окружности которой при массе 10 Mслн составляет 185 км, что равно, например, периметру Лос-Анджелеса.

Эта величина ничтожна по сравнению с длиной вашей орбиты (1 млн км). И тем не менее в столь крошечный объем втиснута масса вдесятеро больше солнечной! Если бы черная дыра была твердым телом с таким же объемом и массой, ее средняя плотность составила бы 1012 г/см3. Но насколько позволяют судить ваши наблюдения, она сотворена из вакуума - пустоты. Снаружи от горизонта вещества нет вовсе, если не считать атомов водорода, падающих в дыру из межзвездного пространства, и вашего корабля. 10 солнечных масс звездного газа, из которых в результате коллапса, произошедшего 2 млрд лет назад, образовалась дыра, ныне упрятаны за горизонтом. И так как они никогда больше не появятся и не передадут никакой информации наружу, вы можете полагать в своих дальнейших расчетах, что они полностью исчезли из нашей Вселенной. Единственное, что после них осталось, - сильное гравитационное притяжение, которое влияет на вашу орбиту так же, как и до коллапса, и которое на сфере с экватором длиной 185 км становится столь огромным, что преодолевает любое сопротивление и, тем самым, создает горизонт.

Определив длину окружности горизонта, вы с трудом удерживаетесь от искушения рассчитать диаметр черной дыры по обычной формуле, деля длину окружности на число π = 3,14159... Однако вас уже предупредили, что не следует доверять подобным вычислениям по двум причинам. Во-первых, чудовищное гравитационное поле черной дыры полностью искажает геометрию пространства возле нее: у горизонта диаметр круга может быть гораздо больше, чем отношение длины окружности к числу я. Во-вторых, понятие диаметра имеет смысл лишь тогда, когда вы его можете измерить. Но чтобы измерить диаметр горизонта черной дыры, вам придется проникнуть внутрь него, а очутившись там, вы никогда не сможете вернуться в нашу Вселенную. Вам не удастся даже передать результаты своих измерений на Землю - сигналы не выйдут за горизонт из-за неумолимого тяготения.

"Не беда, - пытаетесь вы себя успокоить, - пусть я даже никогда не смогу проверить ответ экспериментально, но ведь можно вычислить диаметр дыры с помощью формул ОТО для искривленного пространства". Но тут же вы вспоминаете, что, хотя снаружи черная дыра чрезвычайно проста, о ее внутренности этого сказать нельзя.

Хотя по массе и моменту количества движения черной дыры вы в состоянии вычислить все ее свойства снаружи, вы не можете ничего узнать о ее внутренности. Она может иметь неупорядоченную структуру и быть сильно несимметричной. Все это будет зависеть от деталей коллапса, в результате которого образовалась черная дыра, а также от особенностей последующего втягивания межзвездного водорода. Так что диаметр дыры просто нельзя рассчитать на основе той убогой информации, которая имеется в вашем распоряжении.

Получив эти результаты, вы можете исследовать окрестности горизонта черной дыры. Не желая рисковать человеческой жизнью, вы отправляете десятисантиметровый робот (по имени R3D3) со встроенным передатчиком, который должен передать результаты своих исследований на корабль. Робот получает довольно простое задание: с помощью ракетного двигателя он должен сойти с круговой орбиты вашего звездолета и начать падать к черной дыре. Падая, R3D3 будет передавать на корабль информацию о состоянии своих электронных систем и о пройденном расстоянии. Для этого может быть использован ярко-зеленый луч лазера.

Вы рассчитываете принять лазерный сигнал, расшифровать его для определения состояния аппаратуры и пройденного расстояния, а также измерить цвет (длину волны) излучения. Вы знаете, что, хотя лазер все время испускает зеленый луч, вы будете видеть его все более красным по мере приближения робота к горизонту черной дыры. Отчасти излучение "покраснеет" за счет того, что ему придется затратить энергию на преодоление сильного гравитационного поля черной дыры, и отчасти - из-за доплеровского смещения, связанного с удалением источника излучения от вас. Измеряя "покраснение" лазерного излучения, вы сможете рассчитать скорость падения робота.

Итак, эксперимент начинается. R3D3 сходит с круговой орбиты и падает по радиальной траектории. Как только он начинает падать, вы пускаете часы, по которым фиксируется время прихода лазерных импульсов. По истечении 10 с вы получаете от него сообщение, что все системы функционируют нормально и он уже опустился на 2600 км. По цвету лазерного излучения вы вычисляете, что в этот момент робот падает со скоростью 650 км/с. Когда ваши часы отмеряют 20 с, его скорость удвоится и достигнет 1300 км/с, а пройденное им расстояние возрастет вчетверо и составит 10 400 км. Спустя минуту скорость достигнет 9000 км/с, и робот упадет на 130 тыс. км, что составит уже 5/6 расстояния до горизонта*.

* Закон изменения скорости: V = 2GM/R, где R - радиус кривизны, G - гравитационная постоянная, М - масса. (Здесь и далее прим. ред.)

Теперь вы должны быть предельно внимательны. Следующие несколько секунд окажутся решающими, поэтому вы включаете высокоскоростную регистрирующую систему для детальной записи всех приходящих сведений. Через 61 с R3D3 сообщает, что все системы пока функционируют нормально, горизонт - на расстоянии 8000 км и приближается со скоростью 15 тыс. км/с. Проходит 61,6 с. Еще все в порядке, до горизонта осталось 2000 км, скорость - 30 тыс. км/с (или 0,1 скорости света, так что цвет излучения начинает меняться все заметнее). А затем, в течение следующей 0,1 с вы с изумлением замечаете, что излучение из зеленого становится красным, инфракрасным, микроволновым, затем приходят радиоволны и наконец все исчезает. Через 61,7 с все кончено - лазерный луч пропал. R3D3 достиг скорости света и исчез за горизонтом.

По мере того как возбуждение спадает и вы подавляете налет сожаления по поводу участи робота, ваше внимание вновь обращается к записанным данным. В них зафиксированы подробности изменения окраски лазерного излучения. Вы знаете, что свет представляет собой колебания электромагнитного поля и что каждый цвет характеризуется своей собственной длиной волны. Длина волны исходного зеленого излучения лазера примерно 5·10-4 см, и по мере того как излучение становится все более красным, его длина волны увеличивается. Там, в записях - история этого удлинения.

Из них следует, что пока R3D3 падал, длина волны принимаемого вами излучения сначала менялась очень медленно, а затем все быстрее и быстрее. Но когда она увеличилась в 4 раза (до 2·10-3 см), скорость ее изменения неожиданно стала постоянной и впоследствии длина волны удваивалась каждые 3,5·10-5 с. После 28 таких удвоений (или через 9,8·10-4 с) она достигла 5 км, т.е. того предела, за которым ваша приемная система уже не в состоянии регистрировать сигналы. Следует предположить, однако, что длина волны продолжала все так же удваиваться и после этого, так что после огромного числа удвоений длина волны стала бесконечной и возле горизонта все еще испускались чрезвычайно слабые и длинноволновые сигналы.

Означает ли это, что R3D3 так и не пересек горизонт и никогда не сможет сделать этого? Вовсе нет. Эти последние сигналы с многократно удваивавшейся длиной волны будут бесконечно долго "выбираться" из "тисков" гравитационного поля черной дыры. R3D3 много минут назад пересек горизонт, двигаясь со скоростью света*. Но слабые сигналы от него будут продолжать приходить, поскольку время их пребывания в пути оказалось бесконечно велико. Они - следы далекого прошлого.

* Имеется в виду локальная скорость в системе отсчета наблюдателя, покоящегося вблизи горизонта. Подчеркнем, что реализовать такую систему отсчета на самом горизонте и внутри него невозможно. Поэтому никаких нарушений принципа причинности, конечно, не происходит.

После многочасового изучения данных, полученных от робота, и продолжительного сна, необходимого для восстановления сил, вы приступаете к следующему этапу исследований.

На этот раз вы решаете самостоятельно обследовать окрестности горизонта событий, правда, рассчитываете сделать это с большей предосторожностью, чем ваш посланник: вместо свободного падения к горизонту, вы собираетесь снижаться постепенно.

Попрощавшись с командой, вы влезаете в спускаемый аппарат и покидаете корабль, оставаясь сначала на той же круговой орбите. Затем, включая ракетный двигатель, слегка тормозите, чтобы замедлить свое орбитальное движение. При этом вы начинаете по спирали приближаться к горизонту, переходя с одной круговой орбиты на другую. Ваша цель - выйти на круговую орбиту с периметром, слегка превышающим длину горизонта. Поскольку вы движетесь по спирали, длина вашей орбиты постепенно сокращается: от 1 млн км до 500 тыс., потом до 100 тыс., 90 тыс., 80 тыс.,... и тут начинает твориться что-то странное.

Находясь в состоянии невесомости, вы подвешены в своем аппарате, предположим, ногами - к черной дыре, а головой - к орбите вашего корабля и звездам. Но постепенно вы начинаете ощущать, что кто-то тянет вас за ноги вниз и вверх - за голову. Вы соображаете, что причина - притяжение черной дыры: ноги ближе к дыре, чем голова, поэтому они притягиваются сильнее. То же самое справедливо, конечно, и на Земле, но разница в притяжении ног и головы там ничтожна - меньше 10-6, так что никто этого не замечает. Двигаясь же по орбите длиной 80 тыс. км над черной дырой массой 10 Mслн, вы ощущаете эту разницу вполне отчетливо - различие в притяжении составит 1/8 земной силы тяжести (1/8 g). Центробежная сила, обусловленная вашим движением по орбите, компенсирует притяжение дыры в центральной точке вашего тела, позволяя свободно парить в невесомости, но на ваши ноги будет действовать избыточное притяжение 1/16 g, голова же, наоборот, будет притягиваться слабо, и центробежная сила потянет ее вверх в точности с тем же дополнительным ускорением - 1/16 g.

Несколько озадаченный вы продолжаете движение по закручивающейся спирали, но удивление быстро сменяется беспокойством: по мере уменьшения размеров орбиты, силы, растягивающие вас, будут нарастать все стремительнее. При длине орбиты 64 тыс. км разность составит 1/4 g, при 51 тыс. км - 1/2 g и при 40 тыс. км она достигнет полного земного веса. Скрипя зубами от натуги, вы продолжаете движение по спирали. При длине орбиты 25 тыс. км сила растяжения составит 4 g, т.е. вчетверо превысит ваш вес в земных условиях, а при 16 тыс. км - 16 g. Больше вы не в состоянии выдержать в вертикальном положении. Пытаетесь решить эту проблему, свернувшись калачиком и подтянув ноги к голове, уменьшив тем самым разность сил. Но они уже настолько велики, что не дадут вам согнуться - снова вытянут вертикально (вдоль радиального по отношению к черной дыре направления).

Что бы вы ни предпринимали, ничто не поможет. И если движение по спирали будет продолжаться, ваше тело не выдержит - его разорвет на части. Итак, достичь окрестности горизонта нет никакой надежды...

Разбитый, преодолевая чудовищную боль, вы прекращаете свой спуск и переводите аппарат сначала на круговую орбиту, а затем начинаете осторожно и медленно двигаться по расширяющейся спирали, переходя на круговые орбиты все большего размера, пока не доберетесь до звездолета.

В изнеможении добравшись до капитанской рубки, вы изливаете свои беды бортовому компьютеру. "Тише, тише, - успокаивает он вас, - естественно, вы удручены, но виноваты во всем сами. Вам рассказывали о растяжении в направлении от головы к ногам в процессе подготовки к полету. Помните? Это ведь те же самые силы, что вызывают океанские приливы на Земле".

Но почему же робот R3D3 оказался столь стойким к действию приливных сил? Вы догадываетесь, что это произошло по двум причинам: он был изготовлен из сверхпрочного титанового сплава и имел размеры, значительно меньшие, чем ваши. Его высота, помнится, равнялась 10 см и, стало быть, приливная сила, действующая на него, была, соответственно, гораздо слабее.

Но затем вы приходите к неутешительному выводу: даже проткнув горизонт, R3D3 должен был продолжать падать в область со все возрастающими приливными силами. Спустя 2·10-4 с после попадания в черную дыру его должна была поглотить и разрушить сильнейшая хаотическая сингулярность с бесконечной кривизной пространства-времени и бесконечными приливными силами, а он, в свою очередь, некоторым хаотическим образом должен был изменить эту сингулярность.

Вы вспоминаете, что еще в 1965 г. английский физик Р. Пенроуз использовал законы ОТО Эйнштейна для доказательства того, что такая сингулярность "проживает" внутри любой черной дыры, а в 1969 г. хаотическое поведение сингулярности было выведено "русской тройкой" - Е. М. Лившицем, И. М. Халатниковым и В.А. Белинским. Это были "золотые годы" теоретических исследований черных дыр. Но одна ключевая особенность их поведения ускользнула тогда от физиков, они лишь догадывались о ней. И только гораздо позже, в 2013 г. мадам Абигаль Лайман доказала, что каждая черная дыра должна подчиняться "принципу космической цензуры": ее сингулярность должна быть навечно скрыта от внешнего наблюдателя прикрывающим ее горизонтом. Чтобы изучить сингулярность, наблюдатель не только вынужден погибнуть - ему даже не удастся накопленный столь дорогой ценой опыт передать обратно, во внешнюю часть Вселенной.

Не желая платить столь высокую цену за личное знакомство с сингулярностью, вы решаете ограничиться исследованием окрестностей черных дыр. К счастью, вы припоминаете что большое разнообразие явлений может наблюдаться и снаружи от черной дыры, в непосредственной близости от ее горизонта. Вы решаете изучить эти явления в первую очередь и сообщить о результатах своих исследований на Землю, во Всемирное географическое общество. Черная дыра Гадес обладает слишком большими приливными силами, которые не позволяют приблизиться к ее горизонту, но, согласно законам Эйнштейна, величина приливных сил вблизи горизонта обратно пропорциональна квадрату массы черной дыры. Для черной дыры с массой в 100 тыс. раз больше солнечной, т.е. в 10 тыс. раз более массивной, чем Гадес, приливные силы у горизонта будут в 100 млн раз слабее. Иными словами, такая дыра должна быть весьма "комфортабельной" - никаких болевых ощущений.

Достижим ли горизонт?

Итак, вы начинаете строить планы следующего этапа путешествия: визит к ближайшей черной дыре с массой 100 тыс. Mслн из атласа черных дыр Уиткомба, - к черной дыре, расположенной в центре нашей Галактики - Млечного Пути.

Ваш план полета предполагает создание такой тяги ракетных двигателей, которая обеспечивала бы ускорение всего в 1 g, так что вы и ваша команда будете ощущать внутри звездолета силу притяжения, равную земной. Вы разгонитесь по направлению к центру Галактики в течение половины пути, а вторую половину будете замедлять движение с отрицательным ускорением -1 g. Все путешествие длиной 30 100 св. лет потребует 30 103 года в системе отсчета, связанной с Землей, но в вашей системе отсчета пройдет лишь 20 лет и 7 месяцев.

Вы предупреждаете Всемирное географическое общество, что следующее сообщение от вас придет из окрестностей галактического центра, после того как вы исследуете находящуюся там черную дыру с массой в 100 тыс. Mслн. Члены общества должны пребывать в анабиозе около 60 211 лет, если они хотят дождаться повторного сообщения (30 103 года, пока вы доберетесь до центра Галактики, и 30 108 лет, пока сообщение достигнет Земли). К сожалению, это так. Гораздо приятнее Вселенная в фантастических фильмах, где звездолеты переносят путешественников через галактики за времена, непродолжительные с любой точки зрения. Действительно, в 60-е годы XX в. даже некоторые ученые полагали, что каналы и туннели в гиперпространстве сделают такие путешествия возможными и, более того, позволят путешествовать обратно во времени. Но более пристальное изучение физических законов привело к заключению, что ни одно из таких путешествий не реализуемо. Самое большее, на что вы можете рассчитывать, - это путешествовать сравнительно недолго по своим часам, но чрезвычайно долго с точки зрения землян.

Через 20 лет 7 месяцев ваш звездолет тормозит в центральной части Млечного Пути. Именно здесь, как подтверждают ваши датчики, находится чудовищная черная дыра, всасывающая под свой горизонт смесь газа и звездной пыли. Вы переводите звездолет на тщательно выбранную круговую орбиту над горизонтом черной дыры. Измеряя длину и период своей орбиты и подставляя результаты