Крис Импи
Чудовища доктора Эйнштейна: О черных дырах, больших и малых
Посвящается Дине, любимой и вдохновляющей
Эта книга издана в рамках программы «Книжные проекты Дмитрия Зимина» и продолжает серию «Библиотека «Династия». Дмитрий Борисович Зимин — основатель компании «Вымпелком» (Beeline), фонда некоммерческих программ «Династия» и фонда «Московское время».
Программа «Книжные проекты Дмитрия Зимина» объединяет три проекта, хорошо знакомые читательской аудитории: издание научно-популярных переводных книг «Библиотека «Династия», издательское направление фонда «Московское время» и премию в области русскоязычной научно-популярной литературы «Просветитель».
Подробную информацию о «Книжных проектах Дмитрия Зимина» вы найдете на сайте ziminbookprojects.ru.
О звезды, с неба не струите света
Во мрак бездонный замыслов Макбета! [Пер. Ю. Корнеева.]
Уильям Шекспир. Макбет. Акт 1, сцена 4
Предисловие
Черные дыры — самые известные и самые загадочные объекты Вселенной. Используя этот термин в обычной жизни, мы представляем нечто втягивающее в себя все вокруг. О черных дырах говорят в фильмах и романах, этот образ освоила и поп-культура. Черная дыра стала олицетворением тайны — зловещей тайны. Я метафорически называю их «чудовища Эйнштейна». Это мощные силы, не подвластные никому. Черные дыры придумал не Эйнштейн, но именно он предложил лучшую на сегодняшний день теорию гравитации, которую мы используем для того, чтобы понять их суть [Это также отсылка к сборнику коротких рассказов британского писателя Мартина Эмиса об угрозе ядерной войны. Имеется в виду уравнение Эйнштейна E = mc2, описывающее колоссальную мощь, заключенную в ядре атома. См.: Martin Amis, Einstein’s Monsters (London: Jonathan Cape, 1987).].
Распространенное среди большинства людей понимание черных дыр в корне неверно. Это не космические пылесосы, поглощающие все вокруг. Черные дыры лишь искривляют пространство и время в непосредственной близости у горизонта событий. На черные дыры приходится малая доля массы Вселенной, и ближайшие находятся в квинтиллионах километров от нас. Едва ли их можно использовать для путешествий во времени или полетов в другие вселенные. Мало того, черные дыры — даже не черные! Они испускают поток излучения и элементарных частиц и, по сути, являются частями бинарных систем, в которых газ, падающий в черную дыру, нагревается и ярко светится. Черные дыры необязательно опасны. Оказавшись в центре одной из многочисленных галактик, вы провалитесь в черную дыру и, скорее всего, ничего не почувствуете, хотя вряд ли вам удастся рассказать об увиденном.
Эта книга познакомит вас с черными дырами, большими и малыми. Черные дыры кажутся простыми объектами, но математика, необходимая для их понимания, невероятно сложна. Мы познакомимся с учеными, рассказавшими человечеству о черных дырах: от смелых мыслителей прошлого, которые сотни лет назад задумались о существовании черных звезд, до физиков, ломающих голову над общей теорией относительности — и не только.
Понять, что такое черные дыры, невозможно без общей теории относительности Эйнштейна, разработанной более 100 лет назад. Согласно этой теории, пространство и время искривляются материей. В случаях экстремально высокой концентрации массы область пространства буквально «выдавливается» из Вселенной и ничто не может прорваться наружу, даже свет. Это и есть черные дыры. Однако сам Эйнштейн сомневался в их реальности. И не он один — многие выдающиеся физики оспаривали их существование.
Тем не менее они существуют. В течение 40 лет накапливались доказательства того, что никакие силы природы не могут противостоять гравитационному коллапсу ядра умершей массивной звезды. Газовый шар — в десятки раз больше Солнца — схлопывается в темный объект размером с небольшой городишко. Не так давно выяснилось, что в центре каждой галактики имеется массивная черная дыра — массы таких дыр могут различаться в миллиарды раз.
Изучая «места обитания» черных дыр, мы познакомимся с бинарными системами, где черная дыра кружится в гравитационном вальсе с нормальной звездой. Мы узнаем, что самое убедительное доказательство существования черных дыр находится в центре нашей Галактики, где десятки звезд роятся, как разъяренные пчелы, вокруг темного объекта весом 4 млн солнечных масс. Когда массивные черные дыры, имеющиеся во всех галактиках, выходят из спячки и начинают расти, их видно с расстояния в миллиарды световых лет. Эти гравитационные механизмы являются самыми мощными источниками излучения во Вселенной.
Недавно физики научились смотреть «глазами гравитации», регистрируя гравитационные волны. При столкновении две черные дыры вызывают колебания пространственно-временного континуума, распространяющиеся повсюду со скоростью света и несущие информацию о случившейся катастрофе. Появился новый метод изучения черных дыр — как и любых других ситуаций, для которых характерна сильная и изменчивая гравитация. Существование гравитационных волн доказывает — если вам еще нужны какие-то доказательства — тот факт, что природа создает черные дыры. Каждые пять минут где-то во Вселенной сливается пара черных дыр, и гравитационные волны распространяются по космосу.
Наши знания о черных дырах все еще довольно скудны. Эти объекты продолжают изумлять и восхищать нас. Благодаря черным дырам появляются новые способы проверки общей теории относительности. Никто не знает, подтвердится ли в итоге теория — или будет опровергнута. Вопросы, касающиеся потери информации в черных дырах, ее возможного кодирования на горизонте событий вызывают яростные споры. С помощью черных дыр физики-теоретики надеются подтвердить теорию струн, завершить наконец попытку Эйнштейна объединить квантовую механику и общую теорию относительности.
Книга состоит из двух частей. В первой рассматриваются доказательства существования черных дыр всех размеров: от тех, что слегка больше Солнца, до гигантов массой с небольшую галактику. Вторая часть рассказывает о том, как рождаются и умирают черные дыры. В ней также приведено объяснение того, насколько применимы к небесным объектам наши теории природы. Рассказы о черных дырах перемежают и некоторые частные истории, в том числе и мои собственные, и их цель — напомнить нам, что ученые — это люди из плоти и крови, со своими недостатками и слабостями. Описываемая мною область науки стремительно развивается. И потому некоторые изыскания, приведенные в этой книге, могут не выдержать испытания временем. По этой причине могут возникнуть ошибки, упущения и неверные сведения — и я отношу их исключительно на свой счет.
Можно представить, что разумные жители миллиардов обитаемых миров логически пришли к выводу о существовании черных дыр. Возможно, некоторые научились создавать их и пользоваться их энергией. Мы, люди, хоть и молодой биологический вид, но с гордостью причисляем себя к избранным, постигшим тайны черных дыр.
...Крис Импи, Таксон, Аризона, апрель 2018 г.
Часть I. Свидетельства существования черных дыр, больших и маленьких
Откуда ученые взяли идею черной дыры? В этой части книги мы рассмотрим, как развивалась научная мысль: начнем с ньютоновской теории гравитации и продолжим обсуждение теории общей относительности Эйнштейна. Сегодня мы знаем, что у черной дыры есть два основных компонента: горизонт событий, действующий как информационный барьер, и сингулярность — центральная точка бесконечной плотности вещества. Многие выдающиеся физики, включая самого Эйнштейна, противились самой мысли о столь причудливом состоянии материи. Но тем не менее было доказано, что ядро массивной звезды может коллапсировать до плотности, не пропускающей ни частицы, ни излучение.
Если бы физики-теоретики довольствовались красотой математического аппарата общей теории относительности, они не сомневались бы в существовании черных дыр. Однако наука эмпирична. Астрономы решили выследить этого неуловимого зверя. Но только после появления рентгеновской астрономии — и спустя десятилетие после смерти Эйнштейна — ученые сумели разглядеть горячий аккреционный диск и двойные релятивистские джеты, образующиеся при поглощении черной дырой газа из окружающего пространства Вселенной. Сложно охотиться за мертвыми темными звездами. За 50 лет работы удалось обнаружить лишь три десятка остатков звезд, которые однозначно можно считать черными дырами. Это ближайшие из предположительно десяти миллионов черных дыр, разбросанных по галактике Млечный Путь. И такие свидетельства копились и систематизировались — в итоге астрономы пришли к удивительному открытию: оказалось, что в центрах галактик прячутся массивные черные дыры. И, поглощая материю, они становятся самыми яркими объектами во Вселенной.
