Направляясь в черную дыру...

 

В научной фантастике встретишь и такое.
«Корабль „Энтерпрайз“, безмолвно скользя, приближался к черной дыре — к этим звездным вратам, открывавшим путь в другую Вселенную...» Для ученых подобные фантазии звучали сущей бессмыслицей. Ведь любой корабль, ненароком подобравшийся к черной дыре, будет поглощен ею.
Будет буквально «измолот» — раздавлен и раздроблен — в этой гравитационной ловушке, или, как в свое время сказал Стивен Хоукинг, «переработан на спагетти».


Однако новейшие расчеты показывают, что, даже погрузившись в этот космический «Мальстрем», в эту бездонную пропасть, можно выжить, но произойдет это «при определенных условиях», отмечает российский астрофизик Игорь Новиков, работающий сейчас в Дании. Что же увидит человек, угодив в огромную черную пропасть, в эти «недра преисподней», из которых как будто нет выхода?
И вы видите, что я спасся, и знаете из моих слов, каким образом мне удалось спастись...
Эдгар Аллан По. Низвержение в Мальстрем

В последние годы наши представления о черных дырах заметно изменились. Еще недавно эти объекты считались экзотическими. Теперь астрономы уверены, что Вселенная изобилует черными дырами. По расчетам ученых, их не менее 400 миллионов (подробнее о черных дырах см. статьи А. Семенова в «ЗС», 1999, № 7-8 и Р. Нудельмана в «ЗС», 2003, Jvfc 5). Парадоксально, но факт: почти половина всего света во Вселенной порождена самыми мрачными космическими объектами — черными дырами. Они преобразуют вещество в энергию света эффективнее, чем любая звезда.
В какой-то мере черные дыры воплощают судьбу нашей Вселенной. Ведь предысторию Большого Взрыва можно представить себе и так. Допустим, во время оно существовала другая Вселенная, но она не расширялась, а сжималась. Ее галактики и звезды неуклонно двигались навстречу друг другу, словно посреди космоса разверзлась пучина, и все в нее скатывалось и проваливалось. Масса этой бездны все возрастала, и сильнее делалось ее притяжение. Произошел коллапс. В какой-то момент вся масса прежней Вселенной сосредоточилась в одной-единственной — особой, «син!улярной» точке. Весь мир сжался в этой точке до предела, и вдруг космическая «пружина» решительно распрямилась, будто мгновенно раздвинутая взрывом. Из той же самой «сингулярной» точки родилась наша Вселенная.
Однако механизм коллапса поразительно напоминает схему формирования черной дыры. Когда звезда «выгорает», ее руины под действием собственной тяжести сжимаются. На месте звезды образуется невероятно плотный объект — черная дыра. Даже свет не должен вырваться из ее недр. В то же время лишь на ее примере можно изучать процессы, которые предшествовали Большому Взрыву и привели к рождению новой Вселенной. Черная дыра — их живая модель, заменяющая космологам сложнейшие математические формулы, которыми они описывают Большой Взрыв.
Сложнее становится и представление о черных дырах. Астрономы научились различать в этих сгустках мрака несколько разновидностей:
* миниатюрные черные дыры диаметром несколько километров; они образуются при коллапсе звезды, и их масса незначительно превышает массу Солнца;
* черные дыры средних размеров; они образуются при слиянии миниатюрных черных дыр, и их масса в 10 — 100 тысяч раз превышает массу Солнца;
* сверхмассивные черные дыры; они в миллионы, а то и в миллиарды раз тяжелее Солнца; подобные пропасти разверзаются в центре галактик.
Любая черная дыра кажется настолько странным объектом, что даже воображение отказывает нам, когда мы пытаемся мысленно заглянуть в ее недра, ведь она ни на что не похожа — ни на звезды, ни на кометы, ни... Но ничего не поделаешь! «Если уж людям суждено наблюдать все происходящее в нашей Вселенной, — подчеркивает Игорь Новиков, — значит, мы обречены изучать космос, самые отдаленные его части». В том числе черные дыры.
Что ж, допустим, когда-нибудь космический корабль приблизится к центру нашей Галактики, где находится черная дыра именно той разновидности, в которую может проникнуть исследователь. Согласно теории Новикова, выжить можно лишь в недрах сверхмассивной черной дыры. Кроме того, должны быть соблюдены два следующих условия: черная дыра должна совершать вращательное движение и возраст ее должен быть достаточно велик.

Черная дыра напоминает динамо-машину. Вокруг нее создается мощнее магнитное поле. На рисунке показаны магнитные силовые линии.
Именно этим условиям отвечает черная дыра Sagittarius A (SgrA), расположенная в созвездии Стрельца, посреди Млечного Пути, в 26 тысячах световых лет от нас. Здесь на участке радиусом «всего» 10 миллионов километров сосредоточено 3,6 миллиона солнечных масс.
...Уже при приближении к черной дыре — я пока ничего не чувствую! — прибор замечает что-то необычное. Почему дрогнула стрелка? Очевидно, откуда-то доносятся звуки, недоступные моему слуху. Как выяснили исследователи НАСА, черные дыры излучают акустические волны, напоминающие монотонное жужжание. Правда, пока еще не удалось выяснить, как именно звучит SgrA.
Приборы же не оставляют времени на раздумье. Они 1удят и мигают. Надо немедленно поворачивать! «Полный назад!» Если маневр не удастся, то корабль исчезнет в черной дыре, как соринка, угодившая в пылесос. Этого я, пусть лишь мысленно, и хочу. Корабль повисает на поверхности огромной круглой воронки. Он сейчас соскользнет вниз.
Моряки, затянутые в водоворот, видят вокруг — доверимся другому мысленному путешественнику, Эдгару По, — обломки судов, громадные бревна, стволы деревьев, разломанные ящики, доски, бочонки. Я же вижу тысячи, десятки тысяч звезд, проваливающихся — сколько хватает взгляда — в эту пучину. Многие звезды, сталкиваясь друг с другом, как древние корабли, идущие на таран, крушатся, распадаются. Какие катастрофы! Звезды снежинками падают вниз. А космическая метель, кажется, все усиливается.
Неожиданно из мрачной воронки взлетают блики света, и над ее склоном растекаются яркие, искристые фонтаны. Лишь приглядевшись, я замечаю, что они пробиваются не из пучины, а из краев черной дыры, из этого бешено вращающегося диска, который окаймляет бездну, из так называемого аккреционного диска. Он представляет собой скопление газа и пыли, которые, скатываясь по «спирали смерти», падают в черную дыру. Приборы фиксируют скорость вращения диска: 18 миллионов километров в час. Все, что долетит до края воронки, начнет с такой скоростью скатываться вниз, по ее склону, описывая спираль. Чем глубже внутрь черной дыры проваливается добыча, захваченная ею, тем быстрее она вращается и сильнее разогревается.

«Мчась среди мириады фотонов, я начинаю видеть себя со стороны»

Сама же черная дыра напоминает громадную динамо-машину. Вокруг нее создается мощное магнитное поле. Когда напряжение становится слишком велико, эта «машина» сбрасывает пар — разряжается. Словно брызги из кипящего котла, из нее вырываются струи газа и пыли — джеты. Они уносятся вдаль почти со световой скоростью. Порой джеты простираются на миллион световых лет и пылают, как сотни миллиардов солнц.
Пролетая по краю аккреционного диска, можно осмотреться и даже загадать, какой из предметов, скользящих рядом, скорее умчится в пучину. После нескольких ошибок придет озарение — «смутное предчувствие надежды», сказал бы По. Все, что движется медленнее частиц света, рано или поздно нырнет в мрак и исчезнет. Лишь лучи света монотонно будут кружить по краю диска — как кружат по дорожке стадиона велосипедисты, — по одной и той же линии, никуда не смещаясь, балансируя в преддверии смерти. Это порождает необычный эффект.
Мчась среди мириадов фотонов, я начинаю видеть себя со стороны. Световые лучи, согнувшись в кольцо, вырисовывают впереди странную фигуру: она рассекает колорит ночи, приковывает взгляд. У нее те же пропорции, что у меня, тот же костюм космонавта, та же застылая поза, такой же массивный затылок. Что за странный вид у этого человека, что за совпадение?.. Господи, да где же я видел его раньше? Да это я сам, только вижу себя со спины. Перевожу взгляд, потираю глаза, пытаюсь прогнать наваждение, но опять и опять впереди движется та самая фигура.
Сколько может продолжаться кружение? Вот сейчас непременно корабль сделает роковой маневр и перемахнет через так называемый горизонт событий — наружный край черной дыры. Стоит пересечь эту воображаемую поверхность, которая имеет форму сферы или эллипсоида, и вернуться назад будет уже нельзя. За этой чертой нет ничего, кроме бездны. И сколько будет длиться падение в нее?
Это смотря куда падать! В иную черную дыру, прежде чем попадешь, тебя, как заметил Хоукинг, и впрямь искрошит, как спагетти. Все дело в «приливном эффекте», поясняет Игорь Новиков. «В окрестности сверхмассивной черной дыры, такой как Sagittarius А, он выражен гораздо слабее, чем вблизи небольших черных дыр».
Приливной эффект знаком нам и здесь, на Земле. Суть его в том, что сила притяжения объекта убывает по мере удаления от него. Даже наше тело, пока мы бодрствуем, испытывает приливной эффект: ноги человека сильнее притягиваются к Земле, чем его голова, потому что ноги ближе к ее поверхности. Впрочем, в двух метрах от Земли перепад силы притяжения крайне мал, мы не замечаем его. Зато этот эффект со страшной силой проявляется близ черной дыры.
Там пара метров — грандиозное расстояние. Тело человека, довелись ему соскользнуть в космическую бездну, было бы разорвано гравитацией на части. Ведь у небольших или средних черных дыр наблюдается поразительный приливной эффект. А вот когда масса черной дыры превысит несколько тысяч солнечных масс, космический корабль может беспрепятственно миновать горизонт событий. В такую черную дыру, как SgrA, можно попытаться и проникнуть. Сам момент погружения я даже не замечу. Вместо ужаса — какое-то оцепенение, затишье.
Лишь взгляд на звездное небо выдает, что я проник в иной мир. Небо сжалось, свернулось в кружок, поскольку сила гравитации заметно искривила пространство. Чем дальше я погружаюсь, тем меньше диаметр звездного неба. Оно буквально стягивается в овчинку.
Совсем иную картину будет наблюдать экипаж другого космического корабля, пребывающего в стороне от черной дыры и следящего за моим путешествием. Для этих космонавтов я внезапно прекратил двигаться. Мой корабль, как приклеенный, застыл на краю черной дыры, и эта картина сохраняется, как заставка на телеэкране, в тот момент, когда прямая трансляция по какой-то причине прервалась. А в это время я навсегда исчезаю в космической пучине, тону в ней. Лишь моя вечная тень, отпечатавшаяся на краю черной дыры, никуда не исчезает. Линия, где расположилась тень, маркирует для постороннего наблюдателя точку отсчета наступившей для меня Вечности. Здесь каждая секунда становится бесконечно велика. Время растягивается, не в силах перетечь от одного мгновения к другому.

Тело человека, доведись ему соскользнуть в черную дыру, было бы разорвано гравитацией на части

Все, что заключено в рамках этой нескончаемой секунды, замирает на месте, никуда не спешит.
Я же спешу. В недрах этого «водоворота», куда я нырнул, происходит решительная перемена. Начинается авентюра — приключение, о котором не могли и мечтать средневековые рыцари, искавшие в каждом странствии своего дракона. Я в пасти огромного космического «дракона». Но что же я вижу в этой Тьме без конца и без краю? Что напророчат мне формулы математики?
При погружении в черную дыру постепенно возрастает сила гравитации, а поскольку эта сила влияет на бег времени, оно течет все медленнее. Каждая секунда, как капля из опустевшего сосуда, неторопливо скатывается на мои часы, лишь изредка толкая стрелку. Зато время за пределами черной дыры помчалось, как лавина с горы. Каждые пять минут на Кожевнической, 19 выпускают новый номер «Знания — силы», каждый час празднуют Новый год. Когда же корабль окажется в самом сердце Тьмы, время словно взорвется. За доли секунды остынет Солнце, будто и не было пяти миллиардов лет. За то же мгновение небо покроется новыми галактиками, растратив вчистую еще миллиарды лет. Стрела времени, еще недавно уходившая в вечность, для меня сжалась в точку. В этой точке уместится все, чему суждено быть «до скончания веков». А потом?
По всем расчетам, для меня должна наступить сингулярность — то особое состояние, выхода из которого нет. Сингулярность в центре черной дыры — средоточие нашего неведения. Там должны нарушаться законы физики. Температура и плотность возрастают до бесконечности, а время и пространство стремятся к нулю. Время останавливается. Все это лишь результат математических выкладок. Никто не знает, что действительно происходит в центре черной дыры.
Впрочем, ведущие физики мира пытались бороться с сингулярностью. Еще в 1976 году Фримен Дайсон предположил, что информация из нашей Вселенной может перетекать в другую вселенную. Туннель, ведущий туда, разверзается посреди черной дыры. Идея эта показалась самому Дайсону настолько ненаучной, что он не стал публиковать ее. Но позднее к той же мысли пришли Стивен Хоукинг и американский космолог Ли Смолин (см. статью А. Грудинкина в «ЗС», 2000, №1).

Сейчас профессор Игорь Новиков (слева) возглавляет Центр теоретической астрофизики при копенгагенском университете

Вот и Игорь Новиков обратил внимание на то, что во вращающихся сверхмассивных черных дырах со временем образуется неприметная вроде бы трещинка — та лазейка, сквозь которую можно из безвременья вернуться в вяло текущую вечность. Эта трещинка — туннель, ведущий в так называемую белую дыру. В той черной дыре, что разрастается посреди Млечного Пути, тоже образовалась такая трещинка. Все, что попадает в Sagittarius А, с другой ее стороны вылетает... как вода из дырявого ведра. Но напрасно мы стали бы искать в окрестностях этой черной дыры куски просыпавшейся из нее материи. Мы ничего не обнаружим! Решительная перемена, которая ожидает космонавтов, заглянувших в черную дыру, — это трансформация времени. «Все, что попадает в черную дыру, оказывается в другой вселенной... еще до того, как будет поглощено черной дырой», — подчеркивает Игорь Новиков.
Произнести это легко. Вообразить — невозможно, как нельзя и вернуться назад. «Трещинка» — это туннель с односторонним движением. Из «белой дыры» не выбраться в нашу Вселенную. Если религиозно настроенные умы сравнивали уже черную дыру с адом, то «белую дыру», может быть, и стоило бы назвать раем, но только ни из ада, ни из рая, выстроенных по законам физики, никому не суждено возвратиться, чтобы поведать, что там райское, а что — адово.
Остается лишь принимать на веру гипотезы ученых. Так, профессор Новиков считает, что в другой Вселенной, произрастающей из нашей «родимой» черной дыры SgrA, действуют совершенно иные законы природы. «Может быть, там вообще нет времени, и там царит вечность». Вот только кому суждено об этом узнать? А Иоанн Богослов, как заметит внимательный читатель, еще 2 тысячи лет знал, «что времени уже не будет»...

Черные дыры превратятся в элементарные частицы?
Тридцать лет назад Стивен Хоукинг доказал, что в результате квантовомеханических процессов черные дыры когда-нибудь испарятся. Могут остаться лишь крохотные, но стабильные сгустки размером порядка 10"3* что соответствует известной константе — так называемой длине Планка. Возможно, подобные «сгустки» — реликты бывших черных дыр — образуют не известный науке тип элементарных частиц. Пока их существование не доказано, но ученые уже подобрали этим частицам имена: «информоны», «инфотоны» или «корнукопионы» (от английского слова cornucopia, «рог изобилия»).

Открыт новый класс черных дыр?
В начале 2004 года американская космическая обсерватория «Чандра», возможно, открыла новый класс космических рентгеновских источников. Их температура не превышает 4 миллионов градусов. Обычно же подобные объекты разогреты до 10 миллионов градусов и выше. В то же время температура «белых карликов», также являющихся источниками рентгеновского излучения, не превышает нескольких сотен тысяч градусов. Стоит отметить* что интенсивность излучения новых космических объектов выше, чем нейтронных звезд или черных дыр с массой, равной нескольким солнечным массам. Их масса в несколько сотен раз превышает солнечную.

На весах неведомо что
В 2003 году впервые удалось хотя бы приблизительно «взвесить» черную дыру, расположенную в центре отдаленной звездной системы. Группа канадских исследователей во главе с Крисом Уиллотом изучила спектр квазара SDSS3 1148 + 5251. Они обратили особое внимание на спектральную линию, которая соответствует простому ионизованному магнию. По ее положению можно определить, как далеко этот космический объект находится. Ширина линии показывает скорость, с какой движется газ вблизи черной дыры, находящейся посредине квазара. Чем массивнее черная дыра, тем быстрее мчится газ. По оценке ученых, масса этой черной дыры почти в три миллиарда раз превышает массу Солнца.

Теперь они завелись в лаборатории!
Ученые долго не могли понять, почему черная дыра выбрасывает в космос потоки раскаленной материи — джеты. А вот недавно подобный эффект удалось наблюдать в лаборатории. Физики Скотт Сю и Пол Беллан из Калифорнийского технологического института воссоздали в лабораторных условиях водородную плазму — смесь ионизованных атомов вроде той, что бурлит на краю черной дыры. Потом они включили мощное магнитное поле, поскольку оно есть в окрестности черной дыры. Тут же плазма стала выбрасывать фонтанчики раскаленного вещества, почти как черная дыра в космосе.

За пять миллиардов лет до...
Что ждет черную дыру, находящуюся посреди нашей Галактики? Через пять миллиардов лет Млечный Путь столкнется с туманностью Андромеды (см. «ЗС», 2000, № 11). Они сольются, словно две громадные клетки, образовав единое целое — некую яйцевидную галактику («космическую зиготу», если продолжать играть образами). По расчетам астрономов, должны слиться и их черные дыры, эти незримые ядра галактик, причем масса дыры, находящейся в центре туманности Андромеды, раз в двадцать больше, чем нашей. Огромные количества газа, содержащиеся в обеих галактиках, устремятся в эту внезапно увеличившуюся черную дыру. Космический «зародыш» вновь начнет расти.