И вот если масса централ
ьного ядра звезды больше, чем три массы Солнца, то гравитационное поле бу
дет таким сильным, как в примере с прессом для Земли, что гравитационное п
оле может сжать вещество звезды до таких плотностей, до таких маленьких
размеров, что образуется чёрная дыра. Чёрные дыры должны иметь массу бол
ьше трех масс Солнца, если они происходят естественным образом в результ
ате окончания эволюции звезды. Но нижний предел массы чёрной дыры может
достигать даже примерно одной и восемь десятых массы Солнца; это зависит
от так называемого уравнения состояния вещества нейтронной звезды, то е
сть связи между давлением и плотностью. Но максимальная масса нейтронно
й звезды, соответствующая предельно жёсткому уравнению состояния, это т
ри массы Солнца.
Поэтому задача наблюдателей очень простая: надо найти объекты, масса кот
орых больше трех масс Солнца и радиусы которых равны гравитационному ра
диусу. Для чёрной дыры с массой десять масс Солнца, а это типичная масса зв
ёздной чёрной дыры, гравитационный радиус это 30 километров. Если массу мы
можем измерить по движению второй звезды в двойной системе или по движен
ию газовых облаков и звёзд вблизи сверхмассивной чёрной дыры в ядре гала
ктике, то измерить радиус в 30 километров, измерить на расстоянии, скажем, т
ысячи световых лет практически очень трудно, но тем не менее сейчас астр
ономы даже такие задачи собираются решать. Например, можно будет измерит
ь радиус ядер чёрных дыр в ядрах галактик с помощью космических интерфер
ометров.
Итак, задача Ц померить массу объекта, показать, что его размер близок к г
равитационному или, ещё лучше, равен гравитационному, и, наконец, надо пок
азать, что у объекта нет наблюдаемой твёрдой поверхности, а имеется вот э
тот горизонт событий. Горизонт событий Ц это не какая-то поверхность. Го
ризонт событий может быть устранён выбором системы отсчёта. Если мы сяде
м на космический корабль и будет свободно падать, то мы попадём в сингуля
рность и не почувствуем никакого горизонта событий. То есть это такая по
верхность, которая зависит от системы отсчёта, с которой мы на неё смотри
м, это не твёрдая поверхность вот это надо тоже доказать. Ну, и, кроме того, ч
ёрные дыры, которые сформировались в наше время, не стопроцентные чёрные
дыры. Сжатие вещества согласно общей теории относительности Ц коллапс
происходит бесконечно долго для внешнего наблюдателя и из-за замедлени
я хода времени. Но уже в первые миллисекунды времени звезда приближается
очень близко к своему гравитационному радиусу, а дальше она приближаетс
я экспоненциально к своему гравитационному радиусу, и ей нужно прождать
всё бесконечно большое время нашей Вселенной, чтобы она окончательно сф
ормировала свой горизонт событий.
А.Г. А что значит «не наше время»? Вы сказали, что чёрные дыры, ко
торые образуются в наше время, не совсем чёрные дыры.
А.Ч. Чёрные дыры, которые сформировались в нашу эпоху. Ну, напри
мер, система Лебедь Х-1. Примерно десять миллионов лет тому назад там был в
зрыв сверхновый, и образовалась чёрная дыра. Но что такое десять миллион
ов лет по сравнению с возрастом нашей Вселенной Ц это очень маленький п
ромежуток. И за эти десять миллионов лет у чёрной дыры системы Лебедь Х-1 с
формировался уже горизонт событий почти на сто процентов, но всё-таки не
на сто процентов: нужно ещё много-много миллиардов лет подождать для тог
о, чтобы горизонт событий сформировался окончательно. На самом деле, это
отличие очень мало согласно экспоненциальному закону. И за очень коротк
ое время, за доли секунды, когда нейтронная звезда коллапсирует в чёрную
дыру, для внешнего наблюдателя это уже будет невидимый объект, это будет
…
А.Ч. Это будет практически чёрная дыра. Поэтому мы сейчас ищем
так называемые практически чёрные дыры, имеющие практически горизонты
событий. Горизонт событий тоже ненаблюдаем, потому что там время бесконе
чно растягивается и любые процессы там замирают они там ненаблюдаемы. И
поэтому это ненаблюдаемая поверхность какие бы там процессы ни были, мы
их не можем заметить.
Итак, по каким признакам наблюдатели сейчас начали мерить чёрные дыры? В 64
-м году, задолго до эры рентгеновской астрономии, которая и позволила отк
рыть чёрные дыры, академик Зельдович Яков Борисович и американский учён
ый Салпитер опубликовали две фундаментальные работы. Они показали, что е
сли на чёрную дыру падает… Сама чёрная дыра невидима, потому что даже све
т не может вырваться за её пределы, но, если на чёрную дыру выпадает вещест
во не сферически симметричное, это очень важно: тогда вещество при выпад
ении на чёрную дыру достигает скоростей близких к скорости света и проис
ходит столкновение газовых струй. Для этого и нужна несферическая симме
трия. Естественно, если вы молотком бьёте по наковальне, она нагревается
до 5-10 градусов. А здесь у вас скорости столкновения это скорость света, 300 ты
сяч километров в секунду, поэтому плазма нагревается в ударных волнах до
температур в сотни миллионов градусов и выделяется огромная энергия в р
ентгеновских лучах, в тех самых рентгеновских лучах, которыми нас просве
чивают в медицинских кабинетах. Это электромагнитные колебания очень к
ороткой длины волны, порядка один ангстрем, а обычное оптическое излучен
ие это пять тысяч ангстрем. Итак, жёсткое электромагнитное излучение. К с
ожалению, земная атмосфера, а может быть и к счастью, для этого излучения н
епрозрачна; и только когда началась эра космических исследований после
запуска первого советского искусственного спутника Земли, появилась в
озможность наблюдать из космоса, за пределами земной атмосферы, рентген
овские источники. И вот ещё до начала эры рентгеновской астрономии вышли
две эти работы Зельдовича и Салпитера в 64-м году… Хотя первый рентгеновс
кий источник был открыт с борта ракеты в 62-м году, с ракеты «Аэроби», америк
анской, кстати, одним из экспериментаторов в этом проекте был Рикардо Дж
иакони, который в прошлом году получил Нобелевскую премию за рентгеновс
кую астрономию.
А начало эры рентгеновской астрономии связывают с 71-м годом, с запуском с
пециализированного спутника «УХУРУ». Это на языке одной из африканских
народностей означает «свобода». Этот специализированный спутник скани
ровал всё небо и открыл несколько сотен рентгеновских источников. И возн
икла проблема их оптического отождествления. Если это двойная система…
А вот как раз теория аккреции вещества на чёрные дыры в двойных системах
была развита уже несколько лет спустя учениками Якова Борисовича Зельд
овича это Шакура и Щуняев, Новиков и Торн, Прингл и Рис и другие. Они показа
ли, что если имеется двойная система, чёрная дыра и звезда типа Солнца, тог
да перетекание вещества от оптической звезды на чёрную дыру приводит к ф
ормированию диска. В диске тоже скорости в центре близки к скорости свет
а, и просто из-за взаимного трения слоёв происходит разогрев до температ
ур в сотни миллионов градусов, и мы видим рентгеновский ореол вокруг чёр
ной дыры, сама чёрная дыра не видна, но ореол в рентгеновских лучах виден.
Но вторая звезда не только является донором вещества она является пробн
ым телом, по движению которого можно определить массу, используя законы
Ньютона, и поэтому рентгеновская и оптическая астрономии прекрасно доп
олняют друг друга. Со спутника мы наблюдаем мощный рентгеновский поток,
который говорит о том, что есть компактный объект с радиусом меньше ради
уса Земли (это экспериментально измеренная величина) и с массой больше т
рех масс Солнца (то, что мы по оптической звезде меряем), а наземные наблюд
ения, обычные, оптические наблюдения с поверхности Земли, позволяют как
раз изучать движение оптической звезды и мерить массу невидимого рентг
еновского источника.
А.Г. Но при этом могут же возникать всякие неожиданности, скаже
м, система может оказаться не двойном, а тройной, чёрных дыр может оказать
ся не одна, а две…
А.Ч. Чтобы двойная система была устойчива, нужна иерархическа
я модель. Если третья звезда есть, она должна быть далеко, иначе система ра
спадётся это задача трех тел получается. Вот чтобы была ограниченная зад
ача трех тел, нужна, скажем, двойная система, а третий объект очень далеко;
в этом можно разобраться, всё это можно распутать.
Но хочу подчеркнуть, тут вы правы, что двойная система видна как точка, то
есть не видно отдельно ни чёрную дыру в рентгене, ни оптическую звезду; по
тому что размер орбит там порядка несколько радиусов Солнца, а расстояни
е тысячи световых лет, поэтому мы видим точку. Но в оптическом диапазоне э
та точка мигает с орбитальным периодом, мы меряем её изменения. Измеряя с
пектр по доплеровским смещениям линии, можно померить так называемую кр
ивую лучевых скоростей, то есть проекцию оптической скорости звезды на л
уч зрения. И вот это кривая изменения лучевых скоростей несёт информацию
о массе, а кривая блеска несёт информацию о наклоне орбиты двойной систе
мы; и таким образом оптические и рентгеновские наблюдения позволяют опр
еделить массу объекта и дать ограничения на радиус, что радиус меньше ра
диуса Земли.
Более тонкие ограничения на радиус даются по быстрой переменности. Рент
геновские излучение от многих аккрецирующих чёрных дыр (на которых выпа
дает вещество) переменно на временах до одной миллисекунды. Если мы возь
мём десять в минус третьей секунды, умножим на триста тысяч километров в
секунду (скорость света), то мы получим триста километров, это десять грав
итационных радиусов. А идея такая, что если у нас объект со временем перем
енности одна миллисекунда, значит, его размеры не могут существенно прев
ышать величины С на дельту Т, где дельта Т одна миллисекунда. Известно, что
планеты не мерцают, потому что их угловые размеры минута, а звёзды мерцаю
т, потому что у них очень маленькие угловые размеры, и когда свет звёзд про
ходит через земную атмосферу, он быстро преломляется и искажается. А у пл
анеты от каждой точки происходит искажение света. Всё это осредняется, и
планета светит не мигая. И тоже самое можно сказать о быстрой перемененн
ости: если объект имеет очень маленький размер, он может иметь быструю пе
ременность; если он имеет большие размеры, переменность от разных точек
объекта будет усредняться и не будет большой переменности. Поэтому по бы
строй переменности можно сказать о радиусе центрального объекта.
Итак, мы сегодня уже имеем два десятка чёрных дыр с известными массами и и
звестными радиусами и примерно столько же нейтронных звёзд с известным
и массами и с известными характеристиками. И удивительная вещь Ц для вс
ех этих сорока так называемых релятивистских объектов (20 чёрных дыр и 20 не
йтронных звёзд), для всех этих объектов все предсказания общей теории от
носительности выполняются. Нейтронная звезда, если она имеет наблюдаем
ую поверхность признаком наблюдаемой поверхности является быстрая кор
откопериодическая и строго периодическая переменность, нейтронная зве
зда обычно имеет сильное магнитное поле быстро вращается. Потому что мы
сжимаем звезду радиусом миллион километров до размера десять километр
ов. Десять километров это радиус нейтронной звезды. Напёрсток вещества н
ейтронной звезды весит миллиард тонн, то есть имеет огромная плотность.
По сравнению с золотым слитком, который у вас здесь есть, это гораздо боле
е тяжёлое вещество. Кроме того, нейтронная звезда за счёт сжатия быстро в
ращается.
Если мы возьмём Солнце и сожмём до десяти километров, то скорость вращен
ия нейтронной звезды будет одна миллисекунда, а период вращения Солнца м
есяц. Точно также и магнитное поле: у Солнца один Гаусс, а если мы сожмём Со
лнце до десяти километров, то из условия сохранения магнитного потока ма
гнитное поле возрастёт до десяти в десятой Гаусс. Наличие магнитного пол
я и быстрого вращения приводит к феномену пульсара. Либо в радиодиапазон
е, либо в рентгеновских лучах мы наблюдаем строго периодические импульс
ы излучения; их фазы держатся на протяжении десятков лет, а период одна се
кунда примерно. Период секунда, а фаза колебаний держится десятки лет. Эт
о говорит о том, что есть твёрдая поверхность у объекта; и вот у всех двадц
ати объектов, которые мы наблюдаем, которые показывают наблюдательные п
роявления твёрдой поверхности, у них масса не превышает трех масс Солнца
в полном соответствии с предсказанием общей теории относительности. Эт
о для двадцати объектов уже.
А для других двадцати объектов, у которых масса больше трех масс Солнца, н
е наблюдается феномен рентгеновского или радиопульсара, то есть не набл
юдается явных признаков наблюдаемой поверхности. Но поскольку мы по отс
утствию этих эффектов судим, то это не является доказательством того, чт
о это чёрные дыра. Но поскольку число объектов уже 20 штук и ни для одного из
них наблюдаемых свидетельств твёрдой поверхности нет, то теперь уже аст
рономы и физики называют эти объекты не «кандидаты в чёрные дыры», а чёрн
ыми дырами. Вот так обстоят дела с чёрными дырами звёздной массы.
Но ещё более интересно обстоят дела с сверхмассивными чёрными дырами в я
драх галактик…
Вы хотели мне задать какой-то вопрос?
А.Г. Нет, я снимаю тот вопрос. Расскажите, как образуется сверхм
ассивные чёрные дыры?
Д.Г. Это второй вид чёрных дыр, которые хорошо предсказаны теор
етически и которые наблюдаются, может быть, ещё более убедительно, чем чё
рные дыры звёздной массы. Но дело в том, что ядра галактик при входе эволюц
ии могут придти в состояние, когда некоторая большая масса оказывается п
од собственным гравитационным радиусом, и тогда уже образуется дыра. Но
это не один объект, а это как бы газ, который совместно образует такой объе
кт, и надо сказать, что гравитационный радиус там столь велик, что…
А.Ч. Порядка солнечной системы, то есть порядка сорока астроно
мических единиц.
Д.Г. Средняя плотность вещества там очень невелика, и скажем, ч
еловек, который пересекает гравитационный радиус, космонавт, он останет
ся жив, там гравитационное поле не столь велико, чтобы его погубить.
А.Ч. Средняя плотность меньше плотности воздуха у сверхмасси
вных чёрных дырах. Поэтому есть шанс в такую чёрную дыру попасть…
Д.Г. На космическом корабле.
А.Ч. И какое-то время, ещё несколько мгновений, успеть увидеть б
удущее…
А.Г. Потому что времени знак меняется…
Д.Г. Обнаружение этих объектов также стало возможным благода
ря новой рентгеновской технике и в особенности будущей техники…
А.Ч. Рентгеновский интерферометр…
Д.Г. Рентгеновский интерферометр позволит действительно уже
измерить реальные гравитационные параметры…
А.Г. Хорошо, тогда вот какой вопрос. Что касается природной лаб
оратории, более или менее понятно. Но вот вы уже описали эксперимент, кото
рый можно было бы провести, если бы у нас был такой сферический пресс, кото
рый развивал бы необходимое давление. Но вы также указали, что объекты эт
и квантовые?
А.Ч. Да.
А.Г. Нельзя ли поставить дикий эксперимент, учитывая квантову
ю природу этих объектов, по созданию такой чёрной дыры в лабораторных ус
ловиях?
Д.Г. Это одно из предложений, которые существуют, правда, в рамк
ах не эйшнейновской теории, а той гипотезы гипербранной вселенной, котор
ая сейчас развивается. Собственно, гипотеза состоит в том, что наша вселе
нная на самом деле является некоторой поверхностью, вложенной в простра
нство большего числа измерения хотя бы одно лишнее измерение для этого н
ужно иметь. Так вот сама модель была предложена в каком-то смысле как игру
шечная модель, просто исходя из возможностей её проверки. Такая проверка
в ближайшие годы будет возможна на ускорителях, которые работают при эн
ергии десять в третьей Гэв или Тэв, это уже очень большие энергии, они суще
ственно превышают те, которые задействованы в стандартной модели и пока
мы ничего не знаем, что там может происходить. Так вот, предположение о том
, что на самом деле есть пятое измерение, причём это измерение не маленько
е, планковских масштабов, как это давно уже предлагалось, а большое, скаже
м, миллиметры или доли миллиметра, как выясняется, это предположение не п
ротиворечит ни гравитационным экспериментам, ни наблюдениям, ни физике
элементарных частиц более того, оно позволяет решать ряд проблем именно
в теории элементарных частиц.
Так вот, на тэвном ускорителе при подборе параметров нет противоречий с
существующими данными, а есть даже соблазнительная возможность объясн
ить тёмную энергию, о которой много говорят.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30