Журнал «Если», 1999 № 01-02 - Страница 42

Положение мало изменилось, даже когда была создана теория относительности Эйнштейна. Согласно этой теории, скорость света при любых условиях остается постоянной — 300 тысяч километров в секунду. Ракета, взлетевшая с поверхности Земли и не набравшая первой космической скорости, будет замедляться до тех пор, пока снова не упадет обратно. Иное дело кванты света — фотоны, их скорость измениться не может. Как же тогда гравитация способна воздействовать на свет?

Чтобы понять механизм возникновения черных дыр, надо вспомнить, как рождаются и живут звезды. Образуются они внутри космических газовых облаков. Если масса вещества в этом облаке превышает критическую величину, которая определяется теорией гравитации Ньютона, то все атомы в этом облаке начинают падать к его центру. Так возникает протозвезда.

При сжатии облака потенциальная энергия его атомов в поле сил гравитации переходит в кинетическую, и температура газа быстро возрастает. Начиная с некоторого порога, величина температуры и плотности газа возрастают настолько, что в нем вспыхивает термоядерная реакция — происходит синтез гелия из ядер водорода. Но согласно формуле Эйнштейна Е = mс², часть вещества при этой реакции превращается в энергию. В недрах нашего Солнца, например, за одну секунду в энергию превращается около 4 миллионов тонн водорода. Солнцу этой энергии хватит еще на миллиарды лет спокойного существования.

У других звезд иная судьба. Если масса звезды в десять раз превышает солнечную, то ее светимость будет в тысячи раз больше, и, следовательно, она намного быстрее израсходует свой запас водорода. Что ждет ее дальше?

Если масса звезды, в недрах которой закончилось ядерное топливо, превышает массу Солнца на 25 %, то она будет сжиматься до тех пор, пока ее плотность не достигнет 10⁸ — 10⁹ кг/м³. Это очень высокая плотность — наперсток с таким веществом весил бы на Земле несколько тонн. Такие звезды имеют небольшой размер и называются белыми карликами. У самой яркой звезды нашего неба Сириуса есть такой спутник. Судьба более массивных звезд, в недрах которых прекратилась термоядерная реакция и обусловленные ею высокие температуры и давление не могут больше противостоять гравитационным силам сжатия, еще более драматична. Сила сжатия достигает такой величины, что протоны сливаются с электронами, превращаясь в нейтроны, лишенные электрического заряда. Возникает нейтронная звезда. Ее средний радиус всего 10 км, а плотность 10¹⁸ кг/м³ — наперсток с такой плотностью потянул бы в земных условиях на несколько миллиардов тонн!

Продолжая вращаться вокруг своей оси, такая звезда испускает электромагнитное излучение в радио-, оптическом и рентгеновском диапазонах. А поскольку поверхность ее не вполне однородна, ее излучение пульсирует — в некоторых случаях с периодом порядка сотых долей секунды.

Когда в 1967 г. первая из таких звезд была обнаружена английской обсерваторией Джодрел-бэнк в Кембридже, то наблюдавшие ее Д. Белл и Э. Хьюиш первоначально подумали, что им удалось принять сигналы от внеземной цивилизации. Удостоверившись в естественном происхождении импульсов излучения, они назвали их источник пульсаром. И лишь потом теоретики отождествили пульсар с предсказанным ранее объектом — нейтронной звездой.

В 1916 г. немецкий физик-теоретик Карл Шварцшильд исследовал решения общей теории относительности, незадолго до этого опубликованной Эйнштейном. Ему удалось показать, что если тело массой М сжать в сферу, радиус которой меньше некоторой критической величины, то пространство-время вблизи этого радиуса искажается настолько сильно, что свет не может покинуть эту сферу. Позднее эту критическую величину назвали радиусом Шварцшильда. Четырехмерное пространство-время, замкнутое в сфере с таким радиусом, удерживает внутри себя материальные объекты и сигналы любой природы, ничего не выпуская наружу. Область пространства, ограниченную радиусом Шварцшильда, вторично открытую на кончике пера, ученые и назвали черной дырой.

Как только степень сжатия угасающей звезды достигает шварцшильдовского радиуса, она должна исчезнуть для внешнего наблюдателя. Эту границу черной дыры назвали горизонтом событий — никакие сведения о том, что происходит за этой чертой, не могут поступить к внешнему наблюдателю.

Любой внешний объект, достигнувший этой границы, никогда уже не сможет вернуться назад. Его ожидает вечное падение к центру черной дыры. Горизонт событий — граница, которая имеет всего одну сторону.

Теоретически в черную дыру может превратиться любой объект. Например, для звезды с массой нашего Солнца радиус Шварцшильда равен 3 км, а для гипотетического астрофизического объекта с массой Земли — всего 1 см. Плотность вещества такого «землеподобного» объекта оказалась бы чудовищно большой — Ю³⁰ кг/м³! И неудивительно: чтобы уравновесить наперсток с таким веществом, на весы пришлось бы положить саму Землю.

К счастью для нас, нынешнее состояние Вселенной таково, что ни Солнце, ни Земля превратиться в черные дыры не могут. Звезды, масса которых превосходит солнечную вдвое или втрое, в конце жизни становятся белыми карликами или нейтронными звездами.

Но известно достаточно много более массивных звезд. Некоторые из них, завершая свой жизненный цикл, имеют вполне реальный шанс превратиться в черные дыры. Черная дыра с массой, на порядок превосходящей солнечную, будет иметь радиус около 30 км и плотность 10¹⁴ кг/м³.

Однако теория не исключает существования и еще более массивных черных дыр. Если допустить, что центральная часть галактики имеет массу в сто миллионов солнц и сколлапсирована в черную дыру, то ее горизонт событий будет иметь радиус около 300 миллионов километров, т. е. вдвое больше радиуса земной орбиты. А плотность вещества внутри такой дыры будет совсем невелика она равна плотности воды.

На самых ранних стадиях существования нашей Вселенной могли возникнуть еще более удивительные объекты — черные дыры микроскопических размеров. Могли существовать даже мини-дыры размером с атомное ядро, но с массой земной горы приличных размеров. Вполне возможно, что некоторые из подобных удивительных мини черных дыр дожили и до наших дней. Остается только найти способ, чтобы их обнаружить.

Теоретики затрудняются предсказать, что происходит за горизонтом событий, внутри черной дыры. Чтобы хотя бы в некоторой степени разобраться в этом вопросе, поставим смелый мысленный эксперимент — снарядим в окрестность черной дыры пилотируемую экспедицию. Что предстоит испытать отважным астронавтам?

Если масса черной дыры не очень велика, то, приближаясь к горизонту событий, астронавты попадут в сферу действия могучих приливных сил. Эти силы обусловлены различием гравитационного воздействия на различные участки протяженного тела. Поэтому, чтобы с первых шагов не сорвать нашу экспедицию, выберем черную дыру достаточно большой массы — в этом случае величина приливных сил будет не очень значительной.

Передатчик, установленный на борту нашего звездолета, непрерывно посылает сигналы постоянной частоты. Эту частоту астронавты выверяют по собственным часам. Расчет, выполненный по формулам теории относительности, позволяет предсказать удивительный эффект: с приближением звездолета к горизонту событий интервалы между сигналами будут все время увеличиваться — с точки зрения земного наблюдателя. Но сами астронавты этих изменений не заметят ход их часов останется прежним.

Наконец, в тот момент, когда звездолет достигнет горизонта событий, с нашей точки зрения его часы остановятся навсегда — для нас звездолет будет казаться вечно зависшим над границей черной дыры. Те же самые события будут восприниматься совершенно иначе астронавтами, находящимися на борту звездолета. Их часы будут идти в прежнем темпе. Звездолет продолжит падение по направлению к центру черной дыры, но теперь для него пространственная координата — радиус — будет выполнять функцию времени. Что ждет наших астронавтов, решившихся на этот отчаянный шаг — пересечь горизонт событий? Некоторые теоретики утверждают: их путешествие будет невероятно увлекательным — они попадут в другую Вселенную. Возможен и другой теоретически мыслимый вариант: они окажутся в той же самой Вселенной, но в совершенно иной исторической эпохе. Быть может, в далеком прошлом, а может — ив будущем. Не является ли черная дыра машиной времени? Кто знает…