Ни одной черной дыры, находящейся от нас в тысячах и в миллионах световых лет, никто из землян не видел (они обладают сильнейшей гравитацией, не позволяющей испускать свет). Но, тем не менее, от ученых мы знаем о существовании этого «нечто» как о пространственно-временной области, которая «пожирает» летающие вокруг нее тела. Конечно, астрономы тоже судят о черных дырах лишь по косвенным признакам, но уверяют, что они «почти» открыты.
Впервые понятие черных дыр (тогда они назывались «коллапсирующие звезды», обладающие огромным гравитационным полем) было введено общей теорией относительности Эйнштейна; первая из черных дыр была открыта в 1967–1972 годах в созвездии Лебедя. Сегодня благодаря постоянным наблюдениям при помощи крупных оптических телескопов астрономы обнаружили в нашей галактике уже десятки черных дыр с массами около десяти солнечных масс.
И, несмотря на такой большой срок знакомства с этими объектами, никто из исследователей пока не понял, куда же исчезает информация о «съеденных» черными дырами звездах, планетах и прочих объектах Вселенной. Информацией в данном случае называется энергия «съеденных» звезд, которая, согласно законам квантовой механики, не может пропадать бесследно. Над этим вопросом, говорят, бился сам Эйнштейн, но тщетно.
И вот американский физик Стивен Хокинг выдвинул свою теорию о том, что черные дыры не поглощают информацию о пропавших в них телах, а хранят ее в искаженном виде на так называемом горизонте событий — границе черной дыры. Мало того, теоретик заявляет, что энергия тел может даже покидать это «небытие», но не в обратном направлении. Если черная дыра достаточно велика и вращается, она может переносить информацию в другую Вселенную — так объясняет ученый. При этом пути назад в нашу Вселенную у данных об объекте уже не будет.
Уж больно фантастически это звучит. Насколько можно доверять словам Хокинга? С этим вопросом мы обратились к директору ГАИШ МГУ астрофизики академику РАН Анатолию ЧЕРЕПАЩУКУ.
— Когда меня спрашивают о таких тонких материях, я рассуждаю с точки зрения классической теории черных дыр, — говорит Анатолий Михайлович. — Да, информация там теряется, выйти из черной дыры нельзя, потому что мешает горизонт событий, пересечь который можно было бы лишь со скоростью, превышающей скорость света, но такой, увы, не существует. Однако помимо общей теории относительности есть еще теория квантовой механики. И вот согласно ей скорость некоторых фотонов во время квантовых скачков все-таки может на ничтожные доли секунды превышать скорость света. Возможно, взяв за основу эти эффекты, Хокинг и рассмотрел более строго теорию Эйнштейна в рамках квантовой теории гравитации. Не прислушиваться к Хокингу нельзя. Я считаю его очень глубоким, серьезным ученым.
— А что вы скажете про переход энергии в другую Вселенную?
— Даже по классической теории, если вы будете падать внутрь вращающейся черной дыры, то можете переходить в другие Вселенные. Пространство и время внутри вращающейся черной дыры настолько сложны, что там возможна всякая экзотика. Если все это обобщить еще на квантовом уровне, что пытается делать Хокинг, то, возможно, переход в другие миры и существует.
***
Ну а теперь о том, что нам доподлинно известно о черных дырах: как доказывается их существование, как они себя проявляют, могут ли в один прекрасный день «съесть» нас с вами? Слово наблюдателю за звездами, заведующему лабораторией релятивистских компактных объектов отдела Астрофизики высоких энергий Института космических исследований РАН (ИКИ РАН) доктору физико-математических наук Александру ЛУТОВИНОВУ.
— Александр Анатольевич, расскажите немного о том, как рождаются черные дыры.
- Черная дыра — результат гибели огромной звезды. Вы, наверное, слышали о том, что разные звезды в зависимости от их массы заканчивают свой путь по-разному. Маленькие солнца, как наше, живут дольше и в результате превращаются в белых карликов, ужимаясь до размеров Земли. А более массивные, в десятки раз крупнее нашего светила, живут всего десятки миллионов лет. Как говорится, жизнь у них яркая, но короткая, и на закате своих лет, когда все вещество выгорело, мощная гравитационная сила продолжает действовать.
Начинается неконтролируемое сжатие, или коллапс звезды. При этом выделяется гигантская энергия, происходит взрыв сверхновой звезды и возникают ударные волны. В результате этого взрыва вся оболочка звезды разлетается, а в середине остается компактный объект — это может быть нейтронная звезда или черная дыра. Нейтронная звезда имеет всего лишь около 10 километров в диаметре. Один ее кубический сантиметр весит сотни миллионов (!) тонн. Такая плотность на Земле просто недостижима.
Понятно, что состав вещества такой звезды точно не известен, и это является одной из актуальнейших проблем и задач современной астрофизики. Зато известно, что она может весить как 2–3 Солнца, не больше. Если по какой-то причине остаток первоначальной массивной звезды — центральное ядро — оказывается тяжелее, то нейтронная звезда из нее уже не получается. Физика не позволяет ей находиться в равновесии. Получается коллапс «в точку», в которой математическая функция стремится к бесконечности, сингулярности, как говорят теоретики. В результате этого и появляется черная дыра.
— Что в ней?
— Никто доподлинно не знает. Есть только данные, что это объект, который весит больше трех масс Солнца и имеет размер менее 10 километров, хотя границы как таковой никто увидеть не может.
— Почему?
— Гравитационное притяжение ее настолько велико, что покинуть ее не может даже свет.
— Как же ученым удалось доказать, что черные дыры существуют?
— Конечно, глазами их увидеть нельзя — мы видим влияние черной дыры на окружающее пространство. Большинство звезд не одиночно, а входят в состав двойных звезд.
Когда в такой звездной системе одна звезда взрывается и превращается в черную дыру, то с ее стороны начинается захват вещества напарницы. По мере приближения к черной дыре это вещество закручивается в быстро вращающийся диск, нагреваясь до сотен миллионов градусов. При этом часть вещества выбрасывается в виде неких струй (или джетов) наружу. По излучению диска и таких струй мы и видим на небе черную дыру.
— Но свет же не может покидать черную дыру...
— Из нее самой — не может, а эти струи возникают на некотором расстоянии от дыры, до попадания в нее. Это происходит из-за огромного давления, которым обладает излучение, идущее от нагретого вещества вблизи черной дыры.
— Каким должно быть расстояние, на котором черная дыра начинает захват вещества? Можете привести самый свежий пример такой «агрессии»?
— Начну как раз с примера. В июне этого года астрономы заметили проснувшуюся старую черную дыру в созвездии Лебедя. Она большая, приблизительно в 12 раз тяжелее Солнца. Масса звезды, которую она «ест», имеет массу в 0,7 массы нашего Солнца, а расстояние между ними — 34 радиуса Солнца (радиус Солнца 700 тыс. км), то есть получается, что черную дыру и ее жертву разделяют всего 24 млн км — это в шесть раз ближе, чем от нас до нашего светила.
— Со временем вся эта звезда-напарница «упакуется» в черную дыру? Куда там все помещается?
— Если туда уже упаковались 12 масс Солнца, то что говорить о 0,7 массы?..
— Вы сказали, что черная дыра «проснулась». Оказывается, они еще и спят?
- Японская обсерватория Ginga открыла ее в 1989 году в рентгеновском диапазоне. Как? По новому вспыхнувшему источнику света. До этой вспышки астрономы видели на ее месте звезду 21-й величины, а после она оказалась на 6 величин ярче.
Никто не знал, нейтронная звезда она или черная дыра, пока советская обсерватория «Рентген», установленная на станции «Мир», не провела с июня по август 1989 года серию наблюдений за этим объектом. Она установила, что по всем наблюдаемым свойствам спектра излучения вспыхнувшая «звездочка» должна быть черной дырой. Ей дали имя V404 Cyg. Погорев тогда, она угасла, а через 26 лет, в июне 2015 года, вновь активизировалась. Кстати, и сейчас она погорела всего несколько десятков дней, и ее сигнал снова потихонечку пропал.
— Опять уснула?
— Возможно, у нее закончилась «пища», а потому пропал и светящийся диск.
— Как далеко V404 Cyg находится от Земли?
— В 8 тысячах световых лет... Так что то, что мы увидели в июне этого года, произошло тогда, когда на нашей планете был еще каменный век.
— И что происходит с черной дырой сейчас?
— Мы узнаем через следующие 8 тысяч лет.
— Как грустно... Вы всегда констатируете события давно минувших лет?
— Да, увы. Мы, земляне, даже свое Солнце не можем наблюдать в режиме реального времени — его свет идет до нас 8 минут.
— Сколько вообще черных дыр в нашей галактике, где их наибольшая концентрация?
— В нашем Млечном Пути несколько десятков известных черных дыр. Есть две большие группы рентгеновских источников в центре галактики и локальные концентрации, расположившиеся по ее спиральным рукавам. Вот проснувшаяся черная дыра оказалась в рукаве Ориона (есть еще рукав Стрельца, рукав Лебедя, рукав Персея и рукав Центавра. — Авт.).
— А наша Солнечная система — в каком рукаве?
— Мы находимся между рукавами Стрельца и Персея. Расположение вдали от звездных скоплений очень благоприятно для нас — спокойней, так скажем.
— В центре Млечного Пути есть какая-то большая черная дыра. Расскажите, что она собой представляет, как называется?
— Это так называемая сверхмассивная черная дыра, которая вмещает в себя около 4 миллионов (!) масс Солнца.
— Теоретически она нам угрожать не может?
— Не может, она очень далеко. Ученые уже более 15 лет наблюдают за близкими к ней звездами, которые вращаются вокруг нее, и именно эти наблюдения позволили достаточно точно определить ее массу. К тому же она сейчас не так активна, как была лет 300 назад, когда была в 10 тысяч раз ярче. И, скорей всего, тогда свечение было связано с локальной вспышкой, связанной с поглощением какого-то объекта. Здесь важно сказать, что эта гипотеза была выдвинута в нашем отделе по результатам наблюдений советской обсерваторией «Гранат» в начале 90-х годов и блестяще подтверждена опять же сотрудниками нашего отдела уже в середине 2000-х годов, по данным обсерватории «Интеграл» (проект Европейского космического агентства).
— А чем она сейчас питается?
— По-видимому, межзвездным веществом. Несколько лет назад все наблюдали некое облако, скопление вещества, которое приближалось к черной дыре. Было предсказание о том, что это облако будет захвачено черной дырой. Мы ждали яркую вспышку из центра черной дыры, послали заявку на наблюдение при помощи обсерватории «Интеграл». Но вспышки не произошло.
— Представим невозможное — мы приблизились к черной дыре. Что мы в ней можем увидеть?
— Приблизиться нельзя. Есть только светящийся горизонт событий, дальше понимание возможно только на уровне уравнений. Что там: горячо, холодно, вязко или твердо? Этого вам никто не скажет. Есть только гипотезы, наподобие тех, что выдвигает Стивен Хокинг.
— Многие обыватели не понимают, для чего вы изучаете далекие звезды, до которых человеку никогда не долететь? Что бы вы им ответили?
- Человеку надо познать природу. Пока те знания, что у нас есть, — это набор уникальных фактов, но они постепенно сплетаются в более логичные картинки.
К примеру, еще в 89-м году люди обнаружили на небе яркую новую звездочку, я имею в виду объект, о котором мы с вами говорили, — V404Cyg. Теперь мы уже знаем, что это черная дыра. А в 2009 году было измерено точное расстояние до нее методом параллакса (наиболее точный метод определения расстояния до звезд). Оказалось, что она находится от нас в 2,39 килопарсека (или 8 тысячах световых лет). Расстояние для нас важно, чтобы определить уровень светимости, сравнить его с наблюдениями в других диапазонах. Ну а на этом уже можно строить более стройные теории и понимать физику процессов, даже земных.
— Можете привести простой пример того, как астрономические наблюдения отразились на понимании земных процессов?
— Самый элементарный пример — гелий, которым заполняют воздушные шары. Его сначала увидели на Солнце, а потом нашли на Земле.
— Вы упомянули о том, что вам требуется обращаться за помощью в наблюдении за черными дырами к коллегам из других стран, в частности, из Европы. Есть ли у Россия свои проекты в сфере изучения черных дыр?
— Если вы имеете в виду упомянутую выше обсерваторию «Интеграл», то здесь Россия является полноправным партнером. Несмотря на то что обсерватория европейская, ее запуск на орбиту в 2002 году был осуществлен российской ракетой-носителем «Протон». В качестве платы за этот запуск российские ученые получили право на 25% данных обсерватории. «Интеграл» уже успешно работает на орбите около 13 лет, специальной комиссией ЕКА его работа продлена до 2018 года, в том числе благодаря замечательным результатам, полученным российскими учеными.
Запуск нашей обсерватории «Спектр-Рентген-Гамма» ожидается в 2017 году. На нашей платформе, которая создается на НПО им. Лавочкина, будут установлены два телескопа — один немецкий, один наш, — которые будут работать в разных диапазонах рентгеновского спектра, дополняя друг друга. В отличие от других обсерваторий, которые летают по круговой орбите вокруг Земли, СРГ будет запущена в точку Лагранжа L2 системы Солнце—Земля, на расстояние в 1,5 млн километров от нашей планеты.
У нее будет обзорная миссия — вращаясь вокруг своей оси, она будет сканировать все небо, строить его карту. При помощи этой обсерватории мы сможем зарегистрировать все массивные скопления галактик во Вселенной (их предположительно сто тысяч), увидеть около 4 миллионов сверхмассивных черных дыр в других галактиках.
