Почему наш мир таков, каков он есть. Природа. Человек. Общество (сборник)

Либанов Максим

Несмотря на все это никому Нобелевскую премию за черные дыры пока не дали. Существование горизонта черной дыры реально не доказано, сделать это технически сложно. Тем не менее есть надежда в ближайшие годы прямо увидеть этот горизонт. Связано это с совсем экзотическим процессом. Мы знаем, что есть двойные звезды. Одна звезда уже превратилась в черную дыру. Теперь, говорю я, вторая звезда тоже может превратиться в черную дыру. Первая превратилась, а если вторая достаточно массивна, то и ей ничего не мешает тоже превратиться в черную дыру. Итак, у нас получилось две черные дыры. Обе они крутятся в двойной системе, и эта система начинает испускать гравитационное излучение. Идея гравитационных волн на самом деле довольно простая. Известно, что общая теория относительности – это геометрическая теория гравитации. Соответственно, тяжелые тела искажают пространство. Если взять айпад и надавить на него пальцем, то есть массивным телом, поверхность исказится. Если же будет два пальца, которые, вращаясь, воздействуют на экран, будет видно, как по нему бегут волны. Примерно то же и с искривлением пространства. Теперь представьте вместо айпада пространство-время. Если взять пространство-время, то обычные волны превратятся в гравитационные. Они предсказаны теорией относительности, но до сих пор напрямую не открыты, хотя люди очень стараются и надеются. Двойные черные дыры – самый мощный источник гравитационных волн. Когда они совсем сливаются, волн становится очень много. Были построены специальные детекторы, которые заработают через несколько лет. Тогда мы прямо увидим, как искажается пространство и время в момент слияния черных дыр.

Идея детектора примерно такая. Берется труба длиной около километра. В трубе вакуум и висят зеркала массой где-то под тонну. Между ними бегает лазерный луч. Проходит гравитационная волна, и зеркала немножко сближаются-отдаляются. Они колеблются, и получается сигнал. Колебание подвешенных зеркал можно заметить. Таким образом, мы не просто увидим гравитационные волны, но увидим прямой сигнал от взаимодействия горизонтов в черных дырах. Тогда Нобелевская премия будет дана одновременно за открытие гравитационных волн и черных дыр.

«В искусстве я ничего не понимаю, но науку могу сделать немножко понятнее».

Сергей Попов

Самые интересные звезды

На самом деле черные дыры – совершенно неинтересные объекты. Самые интересные объекты во Вселенной – нейтронные звезды. Интересны они вот почему. С черными дырами Господь переусердствовал – всегда надо вовремя остановиться. Вы берете объект, вы его сжимаете. Он становится все интереснее: повышается плотность, на его поверхности больше гравитации, если было магнитное поле – оно становится сильнее. Масса та же, а радиус уменьшается. Но если переусердствовать, образуется черная дыра. В черной дыре есть один главный параметр – масса [20] . Все. Все красивые магниты, высокая плотность – все исчезло. Но если вовремя остановиться, получится очень интересный объект. Со сверхплотным веществом, разными сверхтекучестями, сверхпроводимостью, сверхсильными магнитными полями, сверхсильной гравитацией. С нейтронными звездами Господь вовремя остановился.

20

Масса черной дыры – один из немногих параметров, по которому черные дыры отличаются друг от друга. Теорема «об отсутствии волос у черной дыры» (No Hair Theorem) сформулирована американским физиком Джоном Уилером. Согласно этой теореме, черные дыры не имеют никакой внутренней структуры и потому не способны содержать никакую информацию.

Мы видим их по самым разным причинам. Это объект с массой Солнца, который может делать оборот за одну тысячную секунды. При этом у него гигантское магнитное поле – в сто тысяч миллионов, даже миллиардов раз больше, чем у Земли. Это очень красивые, очень интересные объекты. В частности, внутри у них огромная плотность вещества. Мы не можем получить в лабораториях ни такие сверхсильные магнитные поля, ни сверхсильную гравитацию, ни сверхплотное вещество.

Нейтронные звезды страшно интересно исследовать, и в некотором смысле это имеет народно-хозяйственное значение. Вы строите какую-нибудь физическую теорию, применяемую в быту: электродинамику или ядерную физику. Вы хотите, чтобы теория была полна. Но чтобы она была полна, ее нужно проверять в экстремальных режимах, и эти режимы где-то надо реализовывать. В лабораториях это сделать нельзя, а в нейтронных звездах эти режимы созданы природой. На нейтронных звездах можно проверять теории с большим народно-хозяйственным значением.

Многие считают, что главная загадка нейтронных звезд – что находится в самом центре, где плотность раз в десять больше, чем плотность атомного ядра. С веществом там могут происходить чудеса. В обычном веществе есть протоны, нейтроны, электроны – все вместе нейтрально. Электроны легкие, но почти никакого вклада в массу не вносят. Если начать вещество сжимать, возникают новые, очень интересные частицы.

Есть теории, которые позволяют сделать совсем удивительную вещь – кварковое вещество. На самом деле мы состоим не просто из протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны еще состоят из кварков. Но кварк – очень хитро устроенная частица. Кварки очень хорошо взаимодействуют друг с другом. Нормальные частицы, если их удалять друг от друга, притягиваются все слабее – это естественно. Кварки же как будто связаны пружинкой. Чем больше удалять их друг от друга, тем они сильней притягиваются друг к другу. Если вы пытаетесь вырвать кварк из протона, вы затрачиваете столько энергии, что, вырывая, на кончике этой пружинки рождаете новый кварк. Кварки в обычных условиях никогда не бывают одиноки.

Если пойти обратным путем – очень сильно сжать вещество, то кварки вдруг объединятся все вместе. У Станислава Лема есть такой рассказ: два мастера – Трурль и Клапауций – научились объединять сознания. Полетели на планету, где были сплошные военные, которые постоянно друг с другом воевали. Первый мастер полетел в один лагерь, второй – в другой лагерь. Всем военным очень понравилась идея объединения сознания: вместо того, чтобы отдавать команду двадцати разгильдяям, объединяешь сознание и отдаешь команду как бы в единое целое. Наконец, они объединили армии, и на планете наступил мир, потому что сознание достигло определенного уровня, а существа с сознанием выше определенного уровня воевать не могут. В итоге война закончилась и все стали благоденствовать. Так вот, если очень сильно сжимать вещество, кварки вдруг объединяются и появляется удивительное единое кварковое вещество со свойствами, не похожими на свойства обычного вещества.

Мы действительно не знаем, как выглядит теория, описывающая внутреннее строение нейтронных звезд. Самый главный вопрос – когда нейтронная звезда превратится в черную дыру? Неизвестно, как долго можно давить на вещество до того, как оно схлопнется. Есть разные уравнения, описывающие образование черных дыр. Открытие новых массивных нейтронных звезд опровергает некоторые уравнения. В конце, как в старом фильме про Дункана Маклауда, останется только одно. Тогда наступит счастье – мы узнаем, какое уравнение описывает сверхплотное вещество. Для ядерной физики это очень важно.

С кварковой материей есть еще одна интересная штука: она может летать вокруг нас. Как и черные дыры, все, что есть в двойных системах, теоретически может слиться. Могут слиться и нейтронные звезды. Это приводит к колоссальному энерговыделению, потому что они сталкиваются почти что со скоростью света. Хоть и в не видимом глазом диапазоне, но на короткое время они становятся ярче целой Галактики. Вещество тогда разлетается вокруг. Если внутри было кварковое вещество, оно тоже разлетится.

Прелесть кваркового вещества в том, что оно может существовать в любом количестве. Мне очень нравится, как писали в детской энциклопедии: «Если вы возьмете спичечный коробок вещества нейтронной звезды…» Но нельзя взять спичечный коробок вещества нейтронной звезды! Это вещество устойчиво только потому, что его держит огромная гравитация. А вот кварковое вещество может летать вокруг нас. Чтобы поймать его частицы, нужно ставить специальную установку. Приборы, способные ловить и распознавать частицы странного вещества, сейчас работают на МКС.

Взрывы сверхновых

И нейтронные звезды, и черные дыры рождаются при взрывах сверхновых. Есть снимки звезд перед взрывом. На снимке видно звездочку, а спустя какое-то время после взрыва все рассеялось и ничего нет. Звезда вспыхивает, становится ярче целой галактики – и исчезает. В год мы видим сотни взрывов звезд, но пока не знаем, как взрываются сверхновые.

Ожидается, что в ближайшие годы будет очень большой прогресс в изучении сверхновых. Компьютеры будут становиться мощнее, и можно будет строить более детальные модели. Наблюдения позволят нам узнать гораздо больше, чем сейчас. Мы можем надеяться увидеть очень ранний этап вспышки. Для этого нужно одновременно осматривать все небо телескопами в разных диапазонах. Сделать это очень сложно, но сейчас мы подошли к тому, что почти все небо все время под контролем. Будут также наблюдать нейтрино – замечательные частицы, очень плохо взаимодействующие с веществом. Можно сколько угодно фантазировать про частицы кваркового вещества, а нейтрино тем временем идут через нас сплошным потоком постоянно. И они нас совершенно не трогают – очень хорошее свойство. С одной стороны, их трудно поймать: они ни с чем почти не взаимодействуют. С другой стороны, они могут вылезти из такого места, откуда вылезти очень трудно. Например, они могут быть в центре взрыва сверхновой в самый момент взрыва. Там их рождается очень много. И они несут информацию о физике взрыва.

Нейтрино пока удалось увидеть лишь однажды, во время очень близкой, каких-то 150 тысяч световых лет, вспышки в Большом Магеллановом Облаке [21] . Вблизи нас нет звезд, которые должны взорваться в ближайшие годы. На физически опасном расстоянии нет ничего и близко похожего. Не знаю, хорошо это или плохо. На каком-то умеренно интересном расстоянии есть звезды, которые взорвутся через миллионы лет. Все наблюдаемые сверхновые находятся довольно далеко. Новые детекторы смогут видеть нейтрино на расстояниях в миллионы световых лет. Пока, к сожалению, ничего не взорвалось: не каждый день неподалеку взрывается сверхновая.

21

Большое Магелланово Облако – карликовый спутник нашей Галактики, где в феврале 1987 г. наблюдался самый близкий к Земле взрыв сверхновой – вспышка SN 1987A. Более четверти века астрономы внимательно наблюдают за тем, что происходит после взрыва. Любопытно, что до сих пор точно не известно, что именно там образовалось – нейтронная звезда или черная дыра.