Пять возрастов Вселенной
Шрифт:
Звездные черные дыры, образовавшиеся в результате вспышек сверхновых, имеют более многочисленную популяцию по сравнению со сверхмассивными черными дырами. Примерно три звезды из каждой тысячи рождаются с достаточной массой, чтобы образовалось железное ядро и произошла вспышка сверхновой. Процент сверхновых, после вспышки которых образуются черные дыры, а не нейтронные звезды или вообще ничто (т. е. все вещество рассеивается в пространстве), лежит в диапазоне от одного до десяти процентов. Таким образом, каждая галактика будет содержать приблизительно один миллион звездных черных дыр к тому моменту, когда завершится образование звезд и звездная эволюция. Массы этих звездных черных дыр варьируются от трех до ста солнечных, причем средняя черная дыра расположена ближе к нижнему концу этого диапазона.
К сороковой космологической декаде галактики разрушаются полностью. К тому времени галактические газ и пыль уже давно рассеются или войдут в состав звезд. Из-за распада
Черный апокалипсис
В эпоху звезд и эпоху распада черные дыры постоянно растут и набирают массу, обрастая веществом, которое они собирают из окружающей их Вселенной. Этот прирост вещества происходит за счет действия обычных сил гравитации — черные дыры не ведут себя как космические пылесосы, втягивающие в себя все без разбора. На объекты, расположенные достаточно далеко от пределов радиуса Шварцшильда, черная дыра действует так же, как звезда или любой другой астрономический объект с большой массой. Например, если космический зонд приблизится к черной дыре, сила гравитации этой дыры протащит этот зонд по гиперболической орбите и выбросит в новом направлении. Зонд может пересечь горизонт событий, если только он направлен точно в центр черной дыры. В реальности наибольшая аккреция вещества в черные дыры происходит, когда вещество, газ или пыль, собирается на круговой орбите вокруг черной дыры, образуя аккреционный диск. Силы типа силы трения, действующие на газ, приводят к тому, что движущееся по орбите вещество нагревается, постепенно теряет энергию и быстро проваливается в черную дыру.
Образование аккреционного диска обусловлено сильными приливными силами, которые создает черная дыра. Чтобы продемонстрировать необычайную силу этих приливов, рассмотрим довольно мрачный сценарий, согласно которому Земля сталкивается с черной дырой. Поскольку в нашей Галактике всего около миллиона звездных черных дыр, вероятность столкновения Земли с черной дырой слишком мала, чтобы вызывать у нас особое беспокойство. Шансы на прямое столкновение составляют примерно один на 10 26в год. Тем не менее мы можем описать последовательность событий, которые произошли бы, если бы по какому-то ужасно несчастливому стечению обстоятельств черная дыра с массой двух Солнц оказалась на встречно пересекающейся траектории с Землей.
Вторгающаяся на орбиту Земли черная дыра образовалась в результате гибели массивной звезды в диске нашей Галактики. Она движется через космическое пространство навстречу Земле со скоростью несколько километров в секунду. Первые неявные признаки вторгающейся черной дыры появляются за несколько тысячелетий до самого столкновения. Когда крошечное чудовище проходит сквозь облако Оорта — размытую сферу комет, окружающую Солнце, — оно смещает кометы с их орбит. Некоторые из них при этом оказываются выброшенными в открытый космос, многие попадают на орбиту вокруг самой черной дыры, а некоторые отправляются внутрь Солнечной системы, чтобы время от времени озарить ночное небо яркими вспышками. За много веков до прибытия этой черной дыры астрономы замечают сильные изменения орбит внешних планет, которые таким образом реагируют на гравитационное влияние черной дыры. Изучая отклонения планет от предсказанных орбит, астрономы могут сделать вывод о месте нахождения, массе и скорости движения приближающейся черной дыры. То, что вторгающийся объект обычной звездой не является, стало бы ясно сразу. Звезда с массой в два раза больше солнечной, проходящая через облако Оорта, выглядела бы также ярко, как фонарь, расположенный на расстоянии нескольких кварталов. Возможно, ученые начали бы спорить, приближается к нам черная дыра или нейтронная звезда, но эти пререкания выглядели бы весьма бледно на фоне осознания того, что к центру нашей Солнечной системы направляется
Телескопы, наведенные в направлении этой черной дыры, отмечают странные колебания яркости фоновых звезд и галактик. Если смотреть издалека, черная дыра ведет себя подобно линзе, так как ее гравитация деформирует пространство-время, увеличивая и искажая изображения объектов, лежащих на линии зрения. Возможно, астрономы получат печальное удовольствие от ошеломляющей точности, которую обеспечит вторгающийся без приглашения «телескоп».
Тем временем, вычисления траектории черной дыры вызывают настоящие опасения. Ужасно близкое прохождение гарантировано, причем в область возможных событий попадает прямое столкновение. Когда черная звезда пересекает орбиту Плутона, планеты начинают очень сильно отклоняться от своих обычных траекторий движения. На немного нестандартной, но математически правильной модели, изображенной на рис. 19, Юпитер и Уран захватывает черная дыра, тогда как Сатурн и Нептун выбрасываются в области межзвездного пространства, не попавшие на наш рисунок. Этим изгнанным планетам суждено странствовать в одиночку триллионы лет, отделяющие одну важную встречу с другими солнечными системами от следующей.
Рис. 19. Разрушение внешней Солнечной системы в результате близкого прохождения черной дыры, имеющей массу двух Солнц. В данной компьютерной модели, охватывающей период в двести лет, черная дыра вторгается через орбитальную плоскость Солнечной системы и попадает на прямую встречно пересекающуюся траекторию с Землей На каждой из четырех диаграмм изображено разрушительное действие вторгающейся черной дыры на орбитальное движение определенной внешней планеты. Для ясности отметим, что это действие накладывается на исходные орбитальные пути планет. В этой конкретной модели Сатурн и Нептун выбрасываются из Солнечной системы, тогда как Юпитер и Уран захватываются вторгающейся черной дырой и попадают на ее эллиптические орбиты. Последующие орбитальные положения планет на их траекториях показаны с двухнедельными интервалами
Если смотреть с безрадостной позиции Земли, черная дыра приближается с обратной стороны Солнца. Объединенная гравитация Солнца и черной дыры исказят продолжительность земного года. Всего за несколько недель Солнце окажется ближе к Земле, чем когда-либо за 4,6 миллиардов лет истории нашей планеты. Земля равномерно вращалась вокруг Солнца на протяжении почти половины существования космоса. Теперь же, за несколько последних дней, разрушается весь этот упорядоченный механизм. Ошеломленное человечество борется с ожидающей его судьбой. По мере того как Солнце сжигает материки, антарктический лед пугающе быстро тает, затопляя прибрежные города. В морях свирепствуют бури, которым не было равных по силе.
Конец наступает быстро. При наблюдении в телескоп черная дыра выглядит как необыкновенно яркая комета, окруженная слабо светящимся газом и искаженными изображениями фоновых звезд и галактик. В последний час начинается истинное опустошение. Как только черная дыра подходит достаточно близко, чтобы ее приливные силы могли себя проявить, та сторона Земли, что оказывается перед черной дырой, ощущает силу ее притяжения гораздо больше противоположной и планета начинает значительно деформироваться. В коре Земли возникают напряжения, а ее поверхность сотрясают землетрясения. Шесть, семь, восемь, девять…. — шкалы Рихтера попросту не хватает для описания этих чудовищных землетрясений. Цунами омывают материки. Земная кора разрывается по старым линиям сброса породы, и каменные обломки плывут вместе с кипящей лавой по деформирующейся планете. Землю, подобно ириске, растягивают, превращая в диск из испаряющегося камня, который, стремясь убежать, завихряется, чтобы в конечном итоге кануть во вторгающуюся черную дыру. Энергия, которая высвобождается во время этой окончательной гибели, видна далеко за пределами Галактики.
Этот сценарий столкновения имеет гипотетический характер из-за того, что мы допустили крайне невероятное прямое столкновение, и из-за того, что мы очень переживаем за поглощаемое тело. Но вымышленная гибель Земли из-за поглощения ее черной дырой — это очень даже реальная судьба многих звезд и, возможно, более чем немногих планет. В самом деле, близкая черная дыра Лебедь X – 1 сейчас обрастает веществом своего спутника — голубой звезды-сверхгиганта. Этот сверхгигант и черная дыра заключены на тесной орбите, причем звезда значительно расширяется из-за приливной силы черной дыры. С поверхности звезды непрерывно срывается поток вещества, который образует вихреподобный диск горячего светящегося газа. Из-за трения газ нагревается и по спирали всасывается внутрь, тем самым питая черную дыру. Образующийся в результате диск искрится рентгеновым излучением. Несмотря на то, что самому голубому сверхгиганту суждено вспыхнуть в сверхновую, до этого времени черная дыра поглотит значительную долю звезды.