Крис Импи - Чудовища доктора Эйнштейна [litres]

Что можно сказать о нижней границе масс сверхмассивных черных дыр? Давайте обратимся к главному предположению минувших десятилетий: тьма лежит в сердце каждой галактики. Квазары и активные галактики редки. Центральные черные дыры большинства галактик неактивны большую часть времени, и их можно обнаружить только по их влиянию на звезды возле центра галактики. Собирая все больше данных о черных дырах соседних галактик, астрономы заметили поразительную зависимость. Масса неактивной центральной черной дыры точно предсказывается разбросом скоростей – диапазоном движений, указывающих на общую массу, – старых звезд галактики [226]. Удивительная корреляция! Черная дыра этого типа распространяет свое влияние лишь на область в самом центре галактики, а звезды галактики имеют в 500 раз бо?льшую массу. Почему эти разнородные показатели связаны?

Астрономы не дают уверенного ответа, но недавно эта корреляция была также примерена на карликовые галактики и даже шаровые звездные скопления с черными дырами в несколько тысяч солнечных масс (илл. 40). Эллиптические галактики очень велики и почти полностью состоят из старых звезд, поэтому имеют самые массивные черные дыры. В спиральных галактиках – как Млечный Путь – меньше старых звезд, основная часть которых сконцентрирована в маленьком центральном балдже [227], поэтому их черные дыры имеют более скромные размеры.

Наблюдение за небольшими черными дырами – трудная задача, телескопы и детекторы должны работать на пределе возможностей. Лучшими объектами являются шаровые звездные скопления – сферические облака из звезд на орбитах в гало больших галактик. Поскольку они содержат от нескольких сот тысяч до нескольких миллионов звезд, то, согласно вышеописанной корреляции, их черные дыры должны иметь массу в несколько тысяч солнечных. Сообщалось об их обнаружении, но ни одно заявление не выдержало скрупулезной проверки. Тем не менее несколько объектов заполнили этот пробел. В 2012 г., например, в карликовой галактике ESO 243–29 была обнаружена черная дыра в 20 000 солнечных масс, а в 2015 г. в карликовой галактике RGG 118 – черная дыра в 50 000 солнечных масс.

Самое крупное открытие черной дыры средней массы произошло в конце 2015 г.: японские радиоастрономы заметили облако спирально закрученного газа всего в 200 световых годах от центра Млечного Пути. Они отследили вращение по спектральным линиям 18 разных молекул и сделали вывод о наличии темного объекта в 100 000 масс Солнца. Открытие поддерживает идею того, что черные дыры растут так же, как агрессивные корпорации, – путем слияний и поглощений [228]. Через миллионы лет чудовище в центре нашей Галактики – черная дыра в 4 млн солнечных масс – сожрет эту зверушку среднего размера, вырастет на 2,5 % и, надо думать, удовлетворенно «отрыгнет». Через 27 000 лет эта «отрыжка» будет зарегистрирована на Земле как импульс высокоэнергетического излучения.

Эйнштейн совершенно по-новому думал о гравитации. Это не то, что, как утверждал Ньютон, тянет или толкает тела в пространстве. Тело, движущееся вследствие гравитации, следует по кратчайшему пути – так называемой геодезической траектории через искривленный пространственно-временной континуум. Астронавт, медленно падающий в направлении космического корабля, просто следует искривлению пространственно-временного континуума. Луна обращается вокруг Земли, поскольку кратчайший путь сквозь пространственно-временной континуум возвращает ее в одну и ту же точку в пространстве. Двумерная версия этого процесса наблюдается всякий раз, когда вы совершаете длинный авиаперелет. Представьте, что летите из Лос-Анджелеса в Мадрид. Хотя эти города находятся на одной широте, самолет не летит прямо на восток. Он направляется на север и облетает южную оконечность Гренландии, прежде чем направиться на юг. Он следует кратчайшим путем между этими двумя точками, в чем вы убедитесь, если натянете нить через поверхность глобуса. Пилоту незачем поворачивать налево или направо: курс представляет собой прямую линию на искривленной двумерной поверхности.

В простейшей форме общий принцип относительности записывается в виде: G = 8 ? Т , где G – кривизна пространства-времени в данной точке и Т – масса в точке (строго говоря, масса-энергия, но, поскольку энергия согласно уравнению Е = mc 2имеет крохотный эквивалент массы, в астрономии можно учитывать только массу). Это короткое уравнение применимо ко всем точкам пространства и включает все, что нам нужно знать о гравитации [229].

Однако это изящное уравнение слишком компактно и непригодно для решения какой бы то ни было реальной проблемы. Чтобы применить общий принцип относительности к объекту наподобие черной дыры, необходимо использовать полное выражение, разворачивающееся в десять отдельных многочленных уравнений. Для их решения требуется сложная алгебра и множество вычислений. Чтобы понять, что происходит, когда сливаются две черные дыры разных масс, приходится использовать каждый член каждого из уравнений Эйнштейна – в письменном виде это 100 страниц зубодробительной математики, и никакие упрощения невозможны.

В 1990-х гг. вместе со стремительным развитием компьютеров и усложнением математических расчетов ученые взялись за численные релятивистские расчеты. Были разработаны приближенные уравнения Эйнштейна. Они опираются на методы, разделяющие пространство и время и рассматривающие пространство на таких малых интервалах, что к ним применяют евклидову геометрию. При компьютерных расчетах используется «адаптивная сетка»: пространственная сетка слишком крупная для слабой и плоской гравитации и слишком мелкая для тех мест, где гравитация сильная и искривленная. Сетка постоянно адаптируется по мере изменения ситуации. Скорость вычислений измеряется числом операций с плавающей точкой в секунду (флопс). Компьютер IBM 7090, являвшийся последним словом техники в 1962 г., имел скорость 100 000 флопс. В 1993 г. самый быстрый компьютер работал в миллион раз быстрее. Теперь рекордная скорость еще в миллион раз выше – ошеломляющие 10 18флопс [230]. Национальный научный фонд поддержал и ускорил эти исследования, предложив грант «Большой вызов» за моделирование слияния черных дыр двойной системы [231]. Расчеты принесли некоторые сюрпризы. Слияние может порождать невероятно мощное излучение гравитационных волн: 8 % общей массы черных дыр. Кроме того, когда две черные дыры сливаются, возникающей в результате черной дыре может быть дан «толчок», причем полученной скорости – 400 км/ч – хватит, чтобы вышвырнуть ее из любой галактики [232].