PRO парадоксы науки

Олег Фейгин, 2018

Складывающийся в последнее время глубоко парадоксальный образ новой физической реальности настолько резко отличается от привычного, что возникает все более серьезная проблема его описания в общедоступных понятиях. Все чудеса окружающего мира блестяще объясняет современная наука, проблемам, задачам и открытиям которой и посвящена настоящая книга. В ней рассказывается о разнообразных парадоксах и свершениях физики, астрономии, математики, кибернетики, биохимии и материаловедения. Книга рассчитана на самый широкий круг читателей, интересующихся современными научными представлениями о строении окружающей физической реальности.

Глава 3. Гравитационный коллапс

Астрофизики считают, что черные дыры чаще всего могут образовываться в результате коллапса нейтронных звезд, когда при сжатии их гравитационное поле уплотняется все сильнее и сильнее. Наконец звезда сжимается до такой степени, что свет уже не может преодолеть ее притяжения.

Ж.-П. Люмине.

Черные дыры: Популярное введение

Многие нерешенные задачи науки имеют как бы второе дно, за которым скрывается поиск экспериментальных подтверждений вполне ясных теоретических построений. Такой задачей является исследование гравитационного коллапса — удивительного явления падения очень плотного и массивного вещества под собственным весом «внутрь себя». Причем падение бесконечное!

В результате гравитационного коллапса образуются (вернее, должны теоретически образовываться) поразительные небесные тела квазары, состоящие из одной или нескольких черных дыр — объектов, в которых материя сжата настолько плотно, что ее гравитационное поле не выпускает за свои пределы никакого излучения, включая лучи видимого света. Если черная дыра с массой от миллиона до миллиарда солнечных масс находится в центре галактики с большой плотностью вещества, то это вещество «засасывается» черной дырой. При этом гравитационные силы настолько велики, что заставляют падающее вещество излучать, превращая галактику в активную. Именно это излучение и выдает ученым присутствие квазаров — черных дыр.

По теории черные дыры должны возникать при гравитационном разрушении массивных звезд в процессе гравитационного коллапса — безудержного сжатия умирающего светила под собственным весом. Если черная дыра образовалась где-то в «пустых» просторах космоса, ее практически невозможно наблюдать. Однако ситуация меняется, если гравитационный коллапсар образовался вблизи в газопылевом облаке. Тогда падение межзвездной среды может весьма эффективно высветить провал черной дыры. Однако далеко не каждое космическое тело, провалившееся в черную дыру, даст яркий видимый всплеск излучения. При падении на гравитационный коллапсар газовой среды важна симметрия потока межзвездного вещества — если он сферически симметричен, то излучение энергии будет незначительным. Для существенной «энергетической отдачи» необходим вращающийся вокруг коллапсара аккреционный диск. В этом случае межзвездное вещество, двигаясь по сходящимся к центру черной дыры спиралям, будет сильно разогреваться в плоскости диска. Именно подобные раскаленные диски и надеются когда-нибудь воочию увидеть астрономы.

Схема гравитационного коллапсара

Не решенная до сих пор научная задача непосредственного наблюдения черной дыры делает несколько двусмысленными многочисленные исследования этих по истине странных космических объектов. Строго говоря, надо говорить лишь о «кандидатах в черные дыры», но астрономы так уверены в косвенных признаках их существования, что давно уже считают вполне реальными небесными телами. Трудно даже представить, какая их накроет волна разочарования, если действительность окажется несколько иной…

Согласно современным представлениям черные дыры поглощают световые лучи, проходящие вблизи их поверхностей, и отклоняют лучи, попадающие в их эффективную сферу притяжения. Они легко могут вступать в гравитационное взаимодействие с иными небесными телами, поглощая межзвездное вещество и образуя возле себя планетарные и звездные системы. Вещество, попадающее в сферу притяжения черной дыры, может разогреваться до очень высоких температур, выбрасывая вокруг потоки интенсивного рентгеновского излучения. Исходя из этих в общем-то сугубо теоретических представлений астрономы и считают, что во многих двойных звездных системах источниками рентгеновского излучения являются невидимые компоненты черных дыр.

Недавние астрономические наблюдения с помощью космических телескопов позволяют дать статус кандидатов в черные дыры трудновообразимым гигантам с многомиллиардной солнечной массой. Многие астрономы считают, что подобные сверхмассивные объекты находятся в центре практически всех галактик, играя важную роль в их возникновении и последующей эволюции.

Еще более впечатляющую картину с помощью компьютерных моделей рисуют астрофизики для тесных двойных систем, где аккреционный диск возникает при орбитальном вращении светила и коллапсара, перетекая на черную дыру феерическим потоком звездной плазмы. Вскоре после запуска новых орбитальных рентгеновских телескопов выяснилось, что черные дыры могут активно проявлять себя в тесных двойных системах, в процессах поглощения звездной плазмы, нагревающейся до температуры в миллионы градусов, что и сопровождается всплеском рентгеновского излучения.

Кроме того, возможны и тесные двойные системы исключительно из черных дыр. При этом коллапсары могут сближаться и сливаться, и тогда вблизи них будут ощущаться гравитационные волны — пульсации кривизны пространства-времени. Если вблизи окажется космический корабль, то его будет трясти, сжимать, растягивать, как обычный корабль в сильный шторм. В результате таких слияний должны возникать быстро вращающиеся сплюснутые коллапсары, превращая черные дыры в блины.

Учитывая важнейшие структурные свойства черных дыр (массивность, компактность и невидимость) астрономы постепенно выработали стратегию их поиска. Проще всего обнаружить черную дыру по ее гравитационному взаимодействию с окружающим веществом, например с близкими звездами. Правда, попытки визуально обнаружить невидимые массивные спутники в двойных звездах по эффектам поглощения ими своих светил-партнеров пока еще не увенчались успехом.

Другим направлением поиска гравитационных коллапсаров может служить изучение ядер галактик. В этих структурных образованиях, которые многие астрофизики связывают с загадочными квазарами, по идее должны скапливаться в сверхплотном состоянии колоссальные количества звездной материи, образованной сталкивающимися и сливающимися светилами. Теория предсказывает, что в подобных условиях вполне могли бы сформироваться сверхмассивные гравитационные коллапсары квазизвездного типа. Притягивая и разрушая окружающие их светила, эти «звездные каннибалы» способны создавать в центре галактик чудовищные аккреционные диски, выбрасывая вдоль их осей грандиозные фонтаны сверхбыстрых струй и потоков микрочастиц. Подобные феерические картины астрофизики уже наблюдали вблизи некоторых галактических ядер, что как минимум указывает на правильное направление поиска сверхмассивных кандидатов в черные дыры, в миллиарды раз превышающих Солнце. Недавние наблюдения в различных частях спектра зафиксировали одного из таких монстров и в глубине Млечного Пути. Там, судя по всему, расположился зародыш или, наоборот, останки квазара, включающие унитарный или множественный коллапсар с массой, превышающей два с половиной миллиона солнц.

Нерешенная задача науки о реальности гравитационного коллапса и наличии объектов, заключающих в себе непонятную сингулярность пространства-времени, является актуальнейшей задачей как астрофизики, так и физики элементарных частиц. Таким же образом существуют и два перспективных пути ее решения — эксперименты на ускорителях элементарных частиц и наблюдения всплесков космического излучения.

Современные космологические сценарии допускают, что коллапс звезд является не единственным способом рождения черных дыр и существуют особые механизмы формирования первичных коллапсаров в ранней Вселенной. Если вспомнить раннюю историю Большого взрыва, то средняя плотность вещества на определенном этапе значительно превышала ядерный уровень и любые, даже незначительные ее колебания в теории могли привести к локальным коллапсам пространства-времени. Электронное моделирование показывает, что в подобных условиях должны были возникать особые микроскопические коллапсары много меньше элементарных частиц, но с громадной для таких параметров массой в стотысячные доли грамма. В ходе ранней эволюции Вселенной плотность космической материи стремительно падала, так что рождались все более массивные первичные коллапсары, начиная от размеров нуклонов — протонов и нейтронов и заканчивая обычными звездными параметрами.

Физики-теоретики настойчиво предсказывают существование сверхкороткоживущих микроскопических черных дыр, которые физики-экспериментаторы не менее настойчиво ищут в потоках космических лучей сверхвысоких энергий. Существует даже совершенно фантастический проект массовой генерации подобных микроколлапсаров при взаимодействии очень энергичных встречных пучков элементарных частиц на мощных ускорителях — коллайдерах. Значение факта существования черных дыр для науки трудно переоценить, их «космологический» смысл наличия во Вселенной выходит далеко за рамки астрономии и физики элементарных частиц.

Вообще говоря, сама по себе сверхвысокая плотность вещества новорожденной Вселенной могла быть и недостаточна для генерации микроколлапсаров. Для начала гравитационного коллапса требовались некие флуктуации плотности, достаточно существенные в малых масштабах. Впрочем, даже при отсутствии флуктуаций процессы гравитационного коллапса могли спонтанно происходить во время космологических фазовых переходов. Это могло происходить на самых ранних этапах Большого взрыва, когда только что закончился период инфляционного расширения, или в эпоху ядерной плотности, когда адроны, такие как протоны и нейтроны, конденсировались из кваркглюонной плазмы.

Процесс излучения энергии и массы микроколлапсара, по расчетам, должен идти с постоянным увеличением. Так что черная дыра весьма нестабильна: она сжимается, в результате чего нагревается и начинает излучать все более энергичные частицы и при этом уменьшается все быстрее. Когда коллапсар достигает граничной массы около тысячи тонн, он в течение секунды взрывается, как миллион мегатонных ядерных бомб. Время полного испарения черной дыры пропорционально кубу его начальной массы, и у коллапсара солнечной массы время жизни превышает все мыслимые пределы, составляя число с шестьюдесятью нулями лет. Дыра же с массой в миллиарды тонн должна существовать в пределах возраста современной Вселенной. Следовательно, первичные коллапсары такой массы именно сейчас должны были бы взрываться, заканчивая свой жизненный цикл. А все дыры с меньшей массой должны были испариться в более ранние космологические эпохи.

С тех пор как почти столетие назад возникла идея ускорять элементарные частицы в электрических и магнитных полях, она была многократно воплощена в нескольких поколениях всевозможных циклотронов, бетатронов, синхрофазотронов и коллайдеров. Трудно даже перечислить все научные задачи, решенные с их помощью, и открытия, в которых они принимали полноправное участие. Их использовали для расщепления и синтеза атомов, превращения элементов, создания антивещества и частиц, ранее не наблюдавшихся в природе. Но все эти замечательные результаты сильно блекнут перед перспективой проводить лабораторные исследования прообразов наиболее таинственных объектов Вселенной — застывших звезд — микроколлапсаров.

Компьютерное моделирование показывает, что в столкновениях микрочастиц, разогнанных до колоссальных энергий, вполне могут возникать провалы пространства-времени. В этих очень странных частицах-коллапсарах теоретически очень многое напоминает процессы, протекающие в их макроскопических аналогах, однако в допустимых современной технике энергетических пределах время существования искусственных черных дыр представляется весьма малым.

В решении научной задачи исследования самой возможности существования искусственных миниколлапсаров последнее слово остается за физиками-экспериментаторами. Если они смогут создавать черные дыры, то следует ожидать целого фейерверка новых физических явлений, включая появление новых элементарных частиц. Может быть, что за определенным энергетическим пределом столкновения элементарных частиц не будут уже создавать ливни вторичных частиц, а приведут к рождению своеобразной «цепной реакции» черных дыр все увеличивающихся размеров.