Коллектив авторов - Космос. От Солнца до границ неизвестного

– Каковы наибольшие трудности на этом пути?

– Были очень серьезные трудности технического характера, но мы их преодолели. На каждом телескопе необходимо записывать данные многочасовых наблюдений со скоростью 64 гигабита в секунду, а затем обмениваться петабайтами информации между континентами. Финансовые затруднения удалось преодолеть с помощью грантов Европейского исследовательского совета и Национального научного фонда США.

– Когда мы сможем увидеть первый портрет черной дыры?

– В 2000 году я говорил, что первый результат может быть получен в течение десятилетия, а теперь вижу, что нам следует немного умерить наши ожидания. Может быть, придется подождать еще лет десять? Надеюсь, что нет, но, в конце концов, это займет определенное время [15] Астрофизики предъявили первое фото черной дыры в апреле 2019 года. .

Волнующие, вводящие в заблуждение и вселяющие ужас – такими эпитетами можно охарактеризовать черные дыры, распространяющие вокруг себя ненависть чудовища Вселенной. Существование этих ненасытных космических каннибалов было предсказано Общей теорией относительности Эйнштейна. На сегодняшний момент это наилучшая теория гравитации, которой мы располагаем. Вскоре мы получим первое прямое изображение черной дыры в центре Млечного Пути. Но что если ее там не окажется?

Ученые, одержимые черными дырами, возможно, не замечают какого-то еще более странного явления, которое относится к физике элементарных частиц и значение которого мы пока не можем оценить. Несмотря на то что пока это чисто умозрительная идея, есть веские причины ее обдумать.

Мы не знаем, что происходит внутри черных дыр. Это такие места, где сфера действия Общей теории относительности, которая имеет дело с очень большими величинами, сталкивается с квантовой теорией, отвечающей за очень малые величины. В черных дырах эти две теории друг с другом уживаются плохо. Теория относительности предполагает, что любой объект, падающий внутрь черной дыры, будет раздавлен ее гравитационным полем и превратится в сингулярность нулевого объема и бесконечной плотности – но это делает бессмысленным любое уравнение. Между тем, детальные теоретические расчеты показывают, что черные дыры либо должны уничтожать всю информацию – явление, совершенно невозможное с точки зрения квантовой механики, – либо окружать себя клокочущей стеной энергии [16] Firewall; в русскоязычной литературе часто называется «файрвол». , – а это предположение нарушает принцип Общей теории относительности.

Убедительные доказательства существования черных дыр появились в 2016 году, когда ученые объявили о первом обнаружении гравитационных волн (см. главу 10). Эксперименты LIGO и Virgo ( Laser Interferometer Gravitaional-Wave Observatory – «Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория» и детектор гравитационных волн) зафиксировали сигналы, которые точно соответствовали предсказаниям теории для столкновения и слияния двух черных дыр звездной массы.

Значит, вопрос закрыт? Не надо спешить, говорит Лучано Реццолла из Франкфуртского института перспективных исследований (Германия). Эти сигналы могут исходить не от черных дыр, а от бозонных звезд. Пока, правда, эти объекты существуют лишь в умах теоретиков.

По большей части вещество состоит из основных элементарных частиц – фермионов. Их характерной особенностью является то, что они подчиняются принципу запрета Паули, который гласит, что частицы не могут занимать одно и то же квантовое энергетическое состояние. Принцип Паули является ответственным за основные параметры материального мира: он определяет, как электроны располагаются в различных энергетических состояниях вокруг атомного ядра, и, следовательно, определяет свойства различных химических элементов.

Совсем другое дело – бозоны. Пожалуй, самым известным примером является бозон Хиггса, открытый в 2012 году. Благодаря бозону Хиггса частицы материи обладают массой. Есть другие бозоны, которые отвечают за взаимодействия между частицами. Нельзя сказать, что бозоны – это нечто экзотическое. Мы их видим вокруг себя все время: фотоны – это бозоны, которые переносят электромагнитное взаимодействие.

Основное, что нужно понимать относительно бозонов, – они могут скапливаться в одном месте практически неограниченно. По сути они представляют собой одну коллективную частицу, особое состояние материи, известное под именем конденсат Бозе – Эйнштейна. Физики могут создать конденсат Бозе – Эйнштейна в лаборатории. Ничто не мешает бозонам, обладающим специальными свойствами, образовать довольно крупный объект – возможно, очень крупный. Некоторые физики считают, что конденсаты Бозе – Эйнштейна могут образовывать даже звезды, хотя их свойства будут отличаться от свойств обычных звезд, которые мы знаем.

При образовании звезды из обычного вещества оно сжимается под действием гравитационного давления и нагревается до такой степени, что в нем начинаются реакции термоядерного синтеза. При этом выделяется энергия, в том числе – световое излучение. В отличие от обычных звезд, бозонные звезды – это просто космические лентяи, лежебоки, принявшие форму пончиков: именно такую форму, согласно расчетам, должны принимать бозонные звезды под действием центробежных сил, если они вращаются по примеру обычных звезд.

Эти небесные «пончики» должны быть прозрачными. Не испуская собственного света, они должны быть невидимы, а главный признак, по которому можно будет судить об их присутствии, – сильная гравитация. Это кое-что напоминает нам, не правда ли?

Идея бозонных звезд не нова, но астрофизики отмахивались от нее, потому что никто не мог себе представить, какой сорт бозонов может быть использован для создания таких звезд – частицы типа фотонов, передающие фундаментальные взаимодействия, для этого не подходят. Открытие бозона Хиггса возродило интерес к бозонам вообще. Основным кандидатом на формирование бозонной звезды является аксион, сверхлегкая гипотетическая частица; из аксионов также может состоять темная материя – таинственный клей, который, по мнению астрономов, удерживает галактики вместе.

Как можно получить доказательство существования бозонных звезд? В этом нам могут помочь гравитационные волны. Если в результате слияния двух объектов образуется черная дыра, «дрожь» пространства-времени, которая распространяется от места слияния в виде гравитационных волн, будет носить другой характер, чем при образовании бозонной звезды. Усовершенствованный проект LIGO , который будет обладать большей точностью, возможно, почувствует разницу в частотах излучаемых гравитационных волн.