Крис Импи - Чудовища доктора Эйнштейна [litres]

За последние 100 лет черные дыры из монструозных идей, противоречащих здравому смыслу, превратились в испытательный полигон для проверки блестящих физических теорий. Черные дыры – подарок Вселенной. Их содержимое скрыто и загадочно, однако даже обертку этого ящика интересно изучать. Я вспоминаю ироничное замечание Марка Твена: «Все-таки в науке есть что-то захватывающее. Вложишь какое-то пустяковое количество фактов, а берешь колоссальный дивиденд в виде умозаключений» [55] Твен М. Старые времена на Миссисипи // Собрание сочинений: в 8 т. Т. 4. – М., 1980. .

Пора задать прагматичный вопрос: а черные дыры действительно существуют?

Наука опирается на взаимодействие теории и наблюдения. За тысячелетия люди предлагали множество оригинальных объяснений устройства Вселенной, но без данных, полученных путем наблюдения, даже самая умная мысль останется умозрительной. Есть ли свидетельства того, что во Вселенной масса способна исчезнуть из вида?

Трудно представить черные дыры, но они реальны. После почти 50 лет исследования конечных стадий жизни звезд это точно известно. Изолированная черная дыра совершенно невидима. Создаваемый ею разрыв пространственно-временного континуума настолько мал, что не выявляется никаким телескопом. Однако в большинстве своем звезды – это двойные или кратные системы, и видимая звезда может дать информацию о своей темной спутнице.

Трудно поверить, глядя на Солнце, что перед вами разворачивается титаническая битва сил света и тьмы. День за днем и год за годом Солнце кажется практически неизменным, но оно испускает частицы, мчащиеся с огромной скоростью, и постоянно выбрасывает облака плазмы размером с планету; по сути это ядерная печка с термостатическим управлением. В каждой точке Солнца сохраняется равновесие между направленной внутрь гравитацией и направленным вовне теплом, генерируемым в результате слияния ядер водорода в ядра гелия [56] Баланс гравитации и давления в звезде, получающей энергию термоядерного синтеза, называется гидростатическим равновесием. Это процесс с отрицательной обратной связью, как у термостата. Если по какой-то причине Солнце испытает внешнее давление и будет сжато, температура уплотнившегося газа увеличится, скорость реакции ядерного синтеза возрастет и будет создано большее давление, которое несколько расширит Солнце. Если по какой-то причине Солнце несколько расширится, внутренняя температура упадет, ядерный синтез замедлится и Солнце, создавая меньшее внутреннее давление, немного сожмется. Звезды, подобные Солнцу, долгое время сохраняют устойчивость и не имеют ничего общего с бомбами. . Пока есть топливо для реакции синтеза, силы будут равны.

Если хотите поставить на долгосрочный исход этой битвы, ставьте на гравитацию. Запасы ядерного топлива ограниченны, а гравитация вечна. Когда в таких звездах, как Солнце, кончается водород, внутреннее давление исчезает и ядро звезды начинает коллапсировать до более горячего и плотного состояния, при котором из гелия может синтезироваться углерод. Реакция происходит быстро, и, когда гелия не остается, температура более не поднимается, а без этого не происходит запуска новых реакций слияния ядер. Без давления, поддерживающего стабильность, ядро звезды снова испытывает гравитационный коллапс. Израсходовав последнее топливо, Солнце переживет короткую фазу сияния, сбросив около трети своей массы в виде газовой оболочки, разлетающейся со сверхзвуковой скоростью. Быстро движущийся газ будет нагреваться и светиться, формируя красивейшую яркую планетарную туманность. Наблюдатель, смотрящий на Солнце из другой звездной системы с расстояния 5 млрд световых лет, увидит потрясающее световое шоу. Однако наблюдателям с Земли не поздоровится: выброс газа испарит биосферу и уничтожит все живое на планете [57] На самом деле проблемы у земной биосферы начнутся существенно раньше. – Прим. науч. ред. .

Жизнь и смерть звезды зависят от ее массы (илл. 10). Судьбы звезд предопределены с рождения. В зависимости от массы звезды становятся белыми карликами, нейтронными звездами или черными дырами. Не существует «типичной» массы или величины, хотя процесс формирования звезд из неупорядоченных облаков газа порождает гораздо больше мелких звезд, чем крупных. Солнце тяготеет к нижнему краю диапазона масс, под ним располагаются тусклые красные карлики. Красных карликов в несколько сот раз больше, чем солнцеподобных звезд. Продолжительность жизни звезды также зависит от массы, поскольку гравитация определяет температуру ядра, от которой, в свою очередь, зависит скорость протекания термоядерных реакций и, соответственно, временной резерв топлива. Звезда, подобная Солнцу, синтезирует гелий из водорода в течение 10 млрд лет; мы находимся в середине этого периода [58] Про звезду, синтезирующую гелий из водорода, говорят, что она находится на главной последовательности. В начале XX в. астрономы Эйнар Герцшпрунг и Генри Норрис Рассел продемонстрировали, что, если представить светимость звезд в зависимости от их цвета или температуры поверхности, они не займут все части диаграммы. Большинство звезд укладывается в диагональ от высоких яркости и температуры до низких яркости и температуры. Звезды, использующие другие виды ядерного топлива или коллапсировавшие в свои конечные состояния, лежат в других частях диаграммы. . Продолжительность жизни звезды в половину солнечной массы – 55 млрд лет, поэтому в истории Вселенной, которой всего 14 млрд лет, еще не умирала ни одна такая звезда. Красный карлик в одну десятую массы Солнца – минимальная масса для звезды, способной осуществлять реакции термоядерного синтеза, – расходует топливо ничтожными порциями. Такая звезда теоретически проживет свыше триллиона лет – и это невообразимо долго. Тем не менее карликовая звезда лишь оттягивает неизбежное, поскольку однажды и она израсходует топливо, тусклый свет погаснет, и гравитация получит свое.

Звезды массивнее Солнца живут меньше и ярче. Они ведут себя так же, как Солнце в данный момент, – синтезируют ядра водорода в ядра гелия, но их гравитация сильнее, соответственно, температура ядра выше, и топливо расходуется с бешеной скоростью. Чем массивнее звезда, тем горячее ее ядро и короче жизнь. Массивные звезды могут пустить на реакцию синтеза все элементы периодической таблицы, вплоть до железа – самого прочного элемента. На железе реакции синтеза прекращаются, и ядро звезды переходит в причудливое физическое состояние: в плазму из атомов железа в 100 раз плотнее воды и при температуре миллиард градусов. В отсутствие давления изнутри ядро коллапсирует, и направленная внутрь волна сжатия порождает противоположно направленную волну – выброс с температурой несколько миллиардов градусов, в котором за доли секунды синтезируются тяжелые элементы, вплоть до урана. Появление сверхновой звезды – одно из самых ярких событий во Вселенной. Драгоценные металлы, выброшенные в космос, сформируют новое поколение звезд и планет. Значительная часть исходной массы звезды извергается в пространство, но остатки сжимаются безжалостными тисками гравитации.