Top

Темные звезды Джона Мичелла

В 1970 году в архивах Лондонского Королевского общества было найдено письмо пастора Торнхилльской церкви преподобного Джона Мичелла, адресованное известному британскому физику и химику Генри Кавендишу. Если бы на этом письме не стояла дата 27 ноября 1783 года, можно было бы подумать, что какой-то шутник вырвал несколько страниц из учебника современной астрофизики и засунул их в документы восемнадцатого века.

Из цикла: «Жизнь замечательных идей»

 

Чёрные дыры – самые загадочные объекты Вселенной. У них нет тела и нет поверхности. Вся масса чёрной дыры сосредоточена где-то в её центре, в микроскопической точке предельно допустимой плотности. Гравитация этой точки настолько велика, что она не просто искривляет пространство и время, а меняет их местами.

Чёрная дыра – это область в пространстве с такими причудливыми и уникальными свойствами, что описать их полностью, корректно и непротиворечиво сможет лишь объединённая теория квантовой гравитации. Если она когда-нибудь будет создана. Тем более удивительно, что идея существования чёрных дыр возникла более чем за сто лет до рождения квантовой теории поля и общей теории относительности.

Все началось в 1783 году. Когда один английский священник посмотрел на небо и задумался: может ли существовать во Вселенной звезда такой массы и плотности, чтобы даже частицы света с их фантастически огромной скоростью не могли преодолеть её тяготение.

Англия, 1783 год. Джон Мичелл

Джона Мичелла называют одним из самых великих незамеченных ученых своего времени. Он родился в семье священника и позже сам стал пастором англиканской церкви. После окончания Королевского колледжа Кембриджского университета Мичелл какое-то время преподавал там арифметику, геометрию, а также греческий язык и иврит. Но скромного лектора влекла наука. Физика, сейсмология, астрономия. Во всех этих областях Джон Мичелл добился успеха и сделал несколько научных открытий, опередивших свое время.

Например, занимаясь магнетизмом, он изобрел метод производства искусственных магнитов, превосходящих по своим качествам естественные.

А увлекшись геологией, скромный кембриджский преподаватель первым выдвинул идею, что землетрясения распространяются по поверхности Земли волнами. За эту работу, кстати, Мичелл был избрал членом Лондонского Королевского общества и вошел в историю как «отец сейсмологии».

Джон Мичелл также первым предположил, что, измерив гравитационную постоянную, можно вычислить массу Земли. И построил для этой цели прототип крутильных весов. К сожалению, проверить свою гипотезу Джон Мичелл не успел…

Его установку забрал и усовершенствовал Генри Кавендиш. В 1798 году, через пять лет после смерти Мичелла, Кавендишу удалось определить гравитационную постоянную и вычислить массу нашей планеты.

Генри Кавендиш и Джон Мичелл дружили всю жизнь. Кавендиш был первым, с кем Мичелл поделился идеей о существовании во Вселенной «тёмных звёзд» — объектов столь массивных и плотных, что даже частицы света не могут преодолеть тяготение и покинуть их окрестность.

В основе идеи Мичелла лежали два величайших открытия его соотечественника сэра Исаака Ньютона — закон всемирного тяготения и корпускулярная теория света. А также расчёты датского астронома Оле Рёмера, еще в 1676 году вычислившего скорость света.

Мичелл рассуждал так: все тела во Вселенной связаны между собой силами взаимного тяготения. Сила притяжения пропорциональна массе тела. Чем массивнее объект, тем сильнее его гравитация. Чтобы разорвать эти узы, нужно развить достаточную начальную скорость.

Для справки: Во времена Джона Мичелла эта скорость называлась «скоростью убегания» или «скоростью освобождения».

11755239_10206096092232959_2114145974736747398_n

Сегодня скорость, позволяющую преодолеть притяжение какого-либо объекта, называют «второй космической».

11738081_10206096091312936_8144852708122171346_n

Скорость убегания зависит от массы тела и его радиуса. Для Земли, например, эта скорость составляет 11,2 километра в секунду. Чтобы убежать от Юпитера, нужно разогнаться до скорости 62 километра в секунду. А вот с поверхности Солнца удастся «взлететь» только в том случае, если скорость убегания составит 620 километров в секунду.

11056542_10206096092032954_4408062402545804208_n

По мнению Джона Мичелла, частицы света, как и любые другие материальные тела, тоже должны подчиняться закону всемирного тяготения. А поскольку их скорость неимоверно велика – триста тысяч километров в секунду — частицы света легко могут «убежать» от любой планеты и любой звезды.

Но от любой ли?

И вот тут преподобный Мичелл задумался: может ли существовать такая звезда, для которой скорость убегания с её поверхности превысила бы скорость света? Проще говоря, может ли звезда стать ловушкой для частиц света? И как такая звезда будет выглядеть?

Джон Мичелл вычислил массу и радиус такой звезды, соотнеся эти расчёты с массой и плотностью Солнца.

«Если радиус сферы той же самой плотности, что и Солнце, превышал бы солнечный радиус в отношении пятьсот к одному, то каждое падающее из бесконечности тело возле поверхности сферы имело бы скорость, превышающую скорость света». Из письма Джона Мичелла Генри Кавендишу

То есть, говоря другими словами, если бы наше Солнце можно было бы сжать так, чтобы его радиус не превысил трёх километров, частицы света не могли бы больше покидать его поверхность.

Следовательно, на вопрос, как будет выглядеть такая звезда, есть только один ответ: никак! Она просто не будет видна, поскольку не даст свету уйти от себя.

Джон Мичелл назвал придуманные им звёзды «тёмными».

В 1795 году ту же самую идею о существовании во Вселенной массивных тёмных звёзд высказал французский математик, астроном и физик Пьер-Симон де Лаплас. Расчеты плотности, массы и радиуса невидимых звёзд, а также математические доказательства их существования Лаплас опубликовал в своей книге «Изложение системы мира».

В девятнадцатом веке «тёмные звёзды» Мичелла-Лапласа были забыты. И более ста лет не упоминались даже в виде курьёза.

Как обнаружить чёрную дыру?

Самое первое предсказание было сделано ещё Джоном Мичеллом. Он полагал, что проще всего обнаружить чёрную дыру в звёздной системе, которая гравитационно ведет себя как пара, но видна при этом только одна звезда. Если видимый объект обращается вокруг невидимого, то соседка-невидимка в такой звездной паре скорей всего является «тёмной звездой». Сегодня звёздные системы, состоящие из двух и более звезд, называют кратными системами. А поиск невидимки по странному поведению её видимой соседки называют методом гравитационного возмущения.

Германия, 1915 год. Карл Шварцшильд

Ординарный профессор Гёттингенского университета и директор Потсдамской астрофизической обсерватории Карл Шварцшильд в самом начале Первой мировой войны записался добровольцем в армию. В боях не участвовал. Служил на метеорологической станции – сначала в Бельгии и Франции, потом в России. В России он тяжело заболел и попал в госпиталь. Здесь, во фронтовом госпитале, в 1915 году Карл Шварцшильд написал две свои самые знаменитые статьи: по квантовой теории Бора-Зоммерфельда и по общей теории относительности.

Шварцшильд нашел первое точное решение уравнений Эйнштейна для поля тяготения изолированной точечной звезды. Той самой «тёмной звезды» Мичелла-Лапласа, которую сегодня принято называть классической чёрной дырой.

Из вычислений Шварцшильда следовало, что на достаточном расстоянии от чёрной дыры её гравитационное поле похоже на поле обычной звезды. Но вблизи картина меняется. И с объектом, захваченным гравитацией «тёмной звезды», начинают происходить странные вещи. С точки зрения далекого наблюдателя, вместо того чтобы лететь к дыре (или в дыру) с ускорением, объект сначала теряет скорость, замедляется, затем вовсе останавливается у невидимой черты и вдруг… исчезает. Словно проваливается в пропасть.

Для справки: Невидимая черта, которая является точкой невозврата для любого объекта, попавшего в поле притяжения чёрной дыры, называется «горизонтом событий». На самом деле это, конечно же, не черта, а невидимая сфера, окружающая чёрную дыру своеобразным барьером, за который никто не в состоянии заглянуть. И работает этот барьер, как клапан — внутрь попасть можно, а выбраться наружу – нет.

Карл Шварцшильд вычислил расстояние от горизонта событий до центра чёрной дыры, где сосредоточена вся её масса, и назвал его гравитационным радиусом. Он также определил, что величина этого радиуса прямо пропорциональна массе черной дыры. Чем массивнее объект, тем больше его гравитационный радиус. И наоборот.

11204396_10206096092312961_8231209556119504671_n

Вот, например, если бы кому-то вдруг захотелось превратить Землю в чёрную дыру, то ему пришлось бы сжать нашу планету до её гравитационного радиуса. С учетом массы Земли у нас получилась бы горошина диаметром чуть меньше двух сантиметров.

Современники и коллеги Шварцшильда не верили, что в космосе можно встретить столь странные объекты. Да и сам профессор, математически обосновав существование чёрных дыр, считал их всего лишь чудачеством в рамках красивой физической теории.

Решение уравнений Эйнштейна для неподвижных классических чёрных дыр было последней научной работой Карла Шварцшильда. Он умер в мае 1916 года, через два месяца после возвращения на родину, в возрасте всего лишь сорока двух лет.

Как обнаружить чёрную дыру?

Чёрная дыра невидима, поскольку скрыта от нас под горизонтом событий. Но, тем не менее, является одним из самых ярких объектов Вселенной. Дело в том, что под действием мощных гравитационных сил, вещество, поглощаемое чёрной дырой, устремляется к её центру с чудовищной скоростью не по радиусу, а по спирали. Заряженные частицы вещества при этом разгоняются и сталкиваются, что приводит к сильному излучению света. Процесс втягивания черной дырой вещества называется аккреция. А светящийся диск, сформированный летящим по спирали светящимся газом – аккреционным диском. Эти самые аккреционные диски и выдают местоположение чёрных дыр.

Великобритания, 1930 год. Субраманьян Чандрасекар

В 1930-ом году в Тринити-колледже Кембриджского университета появился новый аспирант – выходец из Индии, выпускник Мадрасского университета Субраманьян Чандракасекар. Его научным руководителем стал Ральф Фаулер – знаменитый физик-теоретик, астрофизик и математик, заложивший основы современной теории белых карликов. Под его началом Чандрасекар занялся теоретическими исследованиями внутреннего строения и эволюции звёзд.

Для справкиЗвёздная эволюция – это последовательные изменения, которым любая звезда подвергается на протяжении своей жизни. От того момента, когда она зарождается в газово-пылевом облаке и в её ядре «включается» термоядерный реактор, до того момента, когда запасы водородного топлива в «звёздной печке» заканчиваются, и звезда перестает излучать свет и тепло. Пока термоядерный реактор работает, выделяемая энергия выталкивается наружу. Когда «печка» выключается, нарушается баланс давления. Частицы вещества под действием силы тяжести устремляются внутрь, в центр звезды, и она начинает сжиматься. Этот процесс называется гравитационным сжатием или гравитационным коллапсом.

Ральф Фаулер считал, что гравитационное сжатие превращает любую звезду в белый карлик. И эта теория была принята в тридцатые годы большинством астрофизиков. Но работа молодого индийского аспиранта разрушила теорию его руководителя.

Чандрасекар вычислил структуру так называемой вырожденной, то есть, умирающей звезды и обнаружил, что белыми карликами становятся только те звёзды, чья масса не превышает 1, 44 солнечных масс. А вот если звезда была гораздо массивней, то давление вырожденного газа не сможет противостоять её гравитации, и звезда продолжит сжиматься.

Для справки: Верхний предел массы, при которой звезда может закончить свою жизнь белым карликом, называют «пределом Чандрасекара».

И вот тут возникли новые вопросы: а во что превращаются после своей «смерти» остальные звёзды?

В 1932 году советский физик Лев Ландау предположил, что сверхмассивные звёзды в результате коллапса могут превращаться в точку сингулярности – объект с бесконечной массой и нулевым радиусом. Почему бы и нет. Квантовая теория позволяет реализовать такой сценарий.

В 1939 году два американских физика – Роберт Оппенгеймер и Хартленд Снайдер – построили теоретическую модель неограниченно сжимающейся холодной сферы и получили в итоге… радиус Шварцшильда!

Правда, их выводы почти никто из великих ученых не принял. Сам великий Эйнштейн сомневался, что какая-нибудь звезда в состоянии самостоятельно превратиться в столь чудовищный объект.

Английский астрофизик Артур Эддингтон высказывался еще более категорично: «Должен существовать закон природы, не позволяющий звёздам вести себя столь нелепым образом».

Истории вокруг дыр

Странные свойства чёрных дыр породили множество мифов. В средствах массовой информации время от времени появляются страшилки про чёрные дыры, пожирающие целые галактики или насквозь прожигающие Солнце. В 2006 году группа гражданских активистов подала в суд на создателей Большого Адронного Коллайдера с требованием немедленно остановить запуск и не дать уничтожить нашу планету. Дело было в том, что в печать просочились слухи, будто во время экспериментов по разгону столкновению частиц в ускорителе возможно образование микроскопических черных дыр. А чёрная дыра – это же всем известно! – способна как пылесос засосать всю Землю целиком.

Ответ на вопрос: во что, вырождаясь, превращаются сверхмассивные звёзды, был получен только в 1963 году. Когда американский астроном Мартин Шмидт открыл квазары.

Все началось с того, что Шмидт, изучая свежеоткрытую звезду из созвездия Дева, внезапно обнаружил, что это не крохотный объект тринадцатой звездой величины рядом с нами, а нечто огромное и невообразимо яркое, расположенное чрезвычайно далеко от нас – на расстоянии примерно 2,5 миллиарда световых лет. Продолжая изучать этот объект, который светил в триллионы раз ярче Солнца, но при этом не был похож на большую звёздную систему типа галактики, Мартин Шмидт пришел к выводу, что имеет дело с мощным радиоисточником. И что существует только один механизм, позволяющий столь небольшому телу светиться с такой чудовищной яркостью – аккреция.

Этот первый кандидат в сверхмассивные чеёрные дыры получил название квазар – от английского «quasi-stellar radiosource» — звездоподобный источник радиоволн. Сегодня число известных квазаров измеряется уже десятками тысяч. Физики полагают, что открытие каждого нового квазара обозначает открытие новой чёрной дыры.

Кембриджскому аспиранту Субраманьяну Чандрасекару было 20 лет, когда он написал свою первую научную работу. Нобелевскую премию по физике Чандрасекар получил в 1983 году, будучи в то время уже профессором Чикагского университета. А в 1999 году, после смерти ученого, НАСА запустила на орбиту космическую рентгеновскую обсерваторию, названную в его честь «Чандра».

Как обнаружить чёрную дыру?

Чёрную дыру невозможно увидеть, но можно услышать. Оказывается, когда вещество, захваченное гравитационным полем дыры, пересекает горизонт событий, возникает булькающий звук. Это всего лишь преобразование энергии движения в звуковые волны. Но, слегка пофантазировав, можно представить себе, как льётся в бездонную глотку чёрной дыры жизненный сок какой-нибудь её добычи. 

http://viyoutube.com/video/lF5R_qEbTsA/-.

10 сентября 2003 года рентгеновская орбитальная обсерватория «Чандра» впервые в истории космических исследований зафиксировала изображение звуковых волны от сверхмассивной чёрной дыры в центре скопления галактик в созвездии Персей.

Америка, 1967 год. Джон Уиллер

Термин «чёрная дыра» ввел в обиход американский физик Джон Арчибальд Уиллер. В 1967 году на одной из конференций он предложил устранить терминологическую неразбериху и впредь называть объекты, находящиеся под горизонтом событий, не тёмными или застывшими звёздами, не коллапсарами, а чёрными дырами.

Это название Уилеру подсказал один из его студентов. Но впервые оно было использовано ещё в 1964 году Анной Ивинг в докладе на собрании Американской ассоциации содействия науке: «Согласно общей теории относительности Эйнштейна, при добавлении массы к вырожденной звезде происходит внезапный коллапс, и сильное гравитационное поле звезды скрывает её от внешнего мира. Такая звезда становится «чёрной дырой» во Вселенной». Из доклада Анны Ивинг

Название «чёрная дыра» прижилось мгновенно. Действительно «чёрная», потому что её не видно. Действительно «дыра», потому что всё в неё падает, и ничто не возвращается обратно.

Чёрная дыра – один из самых простых объектов Вселенной.

«Думаю, что для создания шмеля требуется больше мудрости, чем для создания чёрной дыры» Из книги норвежского писателя Юстейна Гордера «Апельсиновая ловушка»

Если бы мы составляли таблицу физических параметров человека, нам пришлось бы вписать туда рост, вес, цвет глаз и волос, размах рук, размер ступней и так далее, вплоть до количества сокращений сердечной мышцы.

Для любой чёрной дыры в подобной таблице было бы достаточно всего трёх строк: масса, электрический заряд и момент импульса. Но далеко не каждая чёрная дыра может похвалиться полным набором даже этих физических параметров. Например, простейшая шварцшильдовская статичная чёрная дыра имеет только массу. Электрический заряд присутствует только у заряженных, а момент импульса только у вращающихся чёрных дыр.

Если физические параметры двух чёрных дыр совпадают, они считаются неразличимыми. Или, как однажды пошутил Джон Уилер, лысыми. С его легкой руки отсутствие «особых примет» у чёрных дыр стало называться «теоремой об отсутствии волос».

Для справки: Если классифицировать черные дыры только по массе, то они разделяются на сверхмассивные, среднемассивные, звездные и микродыры. Но кроме классических шварцшильдовских общая теория относительности рассматривает ещё вращающиеся чёрные дыры без заряда, вращающиеся электрически заряженные и статичные электрически заряженные.

Однако при всей простоте, скажем так, устройства, чёрные дыры ведут себя столь странным образом, что теория относительности и квантовая механика не могут объяснить их поведение, не вступив в противоречия.

Общая теория относительности, сформулированная Альбертом Эйнштейном, объясняет законы макромира – как устроена Вселенная, как взаимодействуют галактики, как планеты движутся по своим орбитам.

Квантовая механика изучает законы микрокосмоса — что такое элементарные частицы и как они взаимодействуют между собой.

Но обе теории мирно соседствуют только до той поры, пока дело не касается чёрных дыр. Здесь-то и начинается конфликт.

Истории вокруг дыр

Один из споров общей теории относительности и квантовой механики вокруг чёрных дыр журналисты окрестили «макароны или шашлык». Если верить классической физике, любой объект после пересечения горизонта событий под воздействием чудовищной гравитации начнет вытягиваться и истончаться. И поскольку время для него остановится, процесс растягивания будет длиться целую вечность. Этот вариант называется «макароны». А вот если верить квантовой механике, то сразу же за горизонтом событий объект встретит стена огня. Этот вариант называется «шашлык». Если же конфликт вокруг чёрных дыр когда-нибудь завершится объединением двух фундаментальных теорий, то в меню чёрной дыры, возможно, появится новое блюдо: «шашлык с гарниром из макарон».

Один из самых затяжных конфликтов, получивший в литературе название «потеря информации в чёрной дыре» или «информационный парадокс», спровоцировал в семидесятых годах прошлого века известный британский физик-теоретик и космолог Стивен Хокинг.

Как обнаружить чёрную дыру?

«Трудно искать чёрную кошку в темной комнате, особенно если её там нет», — говорил древний китайский философ Конфуций, имея в виду бесполезность некоторых занятий. Найти чёрную дыру в тёмном небе тоже достаточно трудно. Но если быть уверенным, что она там есть, поиски могут увенчаться успехом. Можно, например, обнаружить чёрную дыру методом гравитационного линзирования. Этот эффект давно и хорошо изучен. Если некое тёмное тело, проходя по звёздному небу, перекроет собой крупный светящийся объект, находящийся далеко позади него, то наблюдатели с Земли увидят вместо привычной картинки галактики или туманности размазанную кляксу. Правда, тёмное тело должно быть достаточно массивным, чтобы сжать пространство вокруг себя и исказить лучи света наподобие гигантской линзы.

Великобритания, Оксфорд, 1974 год. Стивен Хокинг

Стивена Хокинга часто называют «главным чернодырщиком». Свою первую знаковую серию научных работ о сингулярности в теории Эйнштейна он опубликовал ещё в 1970 году. В 1974, применив законы квантовой механики к чёрным дырам, Стивен Хокинг пришёл к выводу, что не все частицы, захваченные гравитационным полем дыры, проваливаются и исчезают под горизонтом событий, некоторым удается улизнуть. Хокинг доказал, что горизонт чёрной дыры излучает фотоны и другие элементарные частицы точно также, как и абсолютно чёрное тело, нагретое до определенной температуры. Этот эффект назвали излучением Хокинга или испарением чёрных дыр.

Тут-то и возникла проблема. Две фундаментальные теории физики начали противоречить друг другу.

Согласно первому началу термодинамики ничто не возникает из ничего и не исчезает никуда. А поскольку, объекты, проглоченные чёрной дырой, не могут оттуда вернуться, значит, всё, что упало внутрь горизонта событий, должно сохраняться. Таким образом, дыра, которая ест, не переставая, со временем должна только толстеть, увеличивая свою массу и накапливая информацию о съеденном где-то внутри себя.

Но как же тогда быть с излучением Хокинга? По его расчетам любая дыра со временем испаряется. И чем она меньше, тем быстрее идёт этот процесс.

В квантовой механике есть свой закон, аналогичный классическому постулату о сохранении энергии — это закон сохранения информации: зная, как заканчивается тот или иной процесс, можно восстановить его исходное состояние. Следовательно, никакая информация не может пропасть в чёрной дыре бесследно.

Но модель Хокинга поставила под сомнение и этот закон. Поскольку излучение идет не из самой чёрной дыры, а с горизонта событий, то оно не передает информацию о проглоченных объектах и о том, что происходит внутри дыры.

Истории вокруг дыр

6 февраля 1997 года «чернодырщики» Стивен Хокинг и американский астроном Кип Торн заключили официальное пари с американским физиком-теоретиком Джоном Прескиллом. Хокинг и Торн считали, что информация, проглоченная чёрной дырой, навсегда спрятана от Вселенной. А Прескилл был уверен, что информация возвращается обратно вместе с хокинговским излучением. Проигравший пари должен был купить победителю энциклопедию по его выбору. В 2004 году на конференции в Дублине Стивен Хокинг признал свое поражение и вручил Прескиллу энциклопедию бейсбола, заметив при этом: «Информация не теряется в чёрных дырах, но она возвращается оттуда искаженной и перепутанной. Это все равно, что сжечь энциклопедию — информация при этом не теряется, но прочитать её очень трудно. Наверное, мне надо было отдать Прескиллу пепел от энциклопедии…»

Информационный парадокс до сих пор остается одной из принципиальных загадок чёрных дыр. Некоторые учёные считают, что единственным выходом из кризиса будет пересмотр основополагающих физических принципов.

Но, скорее всего, конфликт вокруг чёрных дыр завершится в тот момент, когда будет создана единая теория поля или, как её ещё называют «теория всего», которая объединит квантовую механику с теорией относительности.

P.S. Сегодня во Вселенной уже обнаружено около тысячи объектов, которые с большой долей вероятности можно причислить к чёрным дырам. Одна из сверхмассивных чёрных дыр находится в центре нашей галактики Млечный Путь. Недавно у неё обнаружили напарницу. Для нас эти чёрные дыры опасности не представляют. Вряд они решат сорваться с места и напасть на Землю. А даже если и соберутся когда-нибудь проглотить все двести миллиардов звёзд нашей Галактики, включая Солнце, то мы об этом всё равно не узнаем. Не доживем. Ну, или, в крайнем случае, просто не почувствуем.

Рисунки в тексте Владимира Моренко