Крис Импи - Чудовища доктора Эйнштейна [litres]

Тем временем оптическая астрономия внимательно следит за S2 – звездой, которая делает оборот вокруг черной дыры в центре Галактики за 16 лет. У ученых есть новый инструмент GRAVITY, объединяющий свет четырех 8,2-метровых телескопов VLT Европейской южной обсерватории и обеспечивающий точность угловых измерений, сопоставимую с точностью одиночного 130-метрового телескопа. В 2018 г. S2 пройдет очень близко от черной дыры, и у нас будет беспрецедентная возможность проверить общую теорию относительности. Предполагается, что она пройдет всего в 17 световых часах от горизонта событий со скоростью в 3 % скорости света. Она может быть разорвана на части или проглочена целиком [298].

Уничтожение звезды черной дырой, безусловно, пробуждает воображение. В 2015 г. это подсказало авторам одного репортажа аналогию с кулинарией: «Черные дыры заглатывают звезды целиком и кусками» [299], а английскую газету Daily Mail – на пафосный заголовок «Отзвуки космической бойни: зарегистрированы предсмертные вопли умирающих звезд, разрываемых на части сверхмассивными черными дырами» [300]. Звезды ничего не чувствуют и не издают звуков, а звук не может распространяться в вакууме, но остальное верно.

Черные дыры поразительно просты, теорема «об отсутствии волос» гласит, что они описываются всего двумя показателями: массой и осевым вращением. В первой части книги мы обсудили способы измерения массы черной дыры. Обычно нужен или видимый орбитальный компаньон, если черная дыра является коллапсировавшей звездой, или влияние на движение ближних звезд, если дыра массивна и находится в центре Галактики. Что можно сказать о вращении?

В теории Ньютона гравитация не зависит от вращения, но в теории Эйнштейна масса участвует в геометрии пространственно-временного континуума. В 1918 г. было предсказано, что вращение массивного объекта должно искривлять пространство-время, вызывая прецессию орбиты находящегося рядом меньшего объекта, что напоминает покачивание верхушки волчка. Такое закручивание координатной сетки называется увлечением инерциальной системы отсчета. Вспомните живое описание водоворота в рассказе По. Как и другие слабые эффекты общей теории относительности, этот первым делом надо искать поблизости.

Земля закручивает пространство-время, вращаясь вокруг своей оси, но эффект настолько ничтожен, что десятилетиями ученые полагали, что обнаружить его невозможно. В 2004 г. NASA запускает спутник Gravity Probe B для измерения искривления пространственно-временного континуума, созданного Землей, и еще более слабого движения инерциальной системы отсчета, вызываемого ее вращением. Инструментами выступали четыре гироскопа размером с шарик для настольного тенниса. Гироскопы часто используются для управления космическим кораблем: их оси вращения сохраняют постоянное направление. Внутри гироскопов Gravity Probe B находились кварцевые сферы, покрытые ниобием. Это одни из наиболее точно выточенных устройств – отклонение от идеальной сферы не более чем на 40 атомов. Если увеличить их до размеров Земли, то высочайшие пики и глубочайшие впадины были бы не больше роста среднего человека. От стенок контейнеров их отделял тонкий слой жидкого гелия. При такой температуре сферы стали сверхпроводниками, и создаваемые ими электрические и магнитные поля использовались для поддержания их направленности [301].

Gravity Probe B начал 16-месячную миссию через 50 лет после получения первого финансирования [302]. Гироскопы были зафиксированы в направлении яркой звезды в созвездии Пегаса. Спутник измерял искривление пространственно-временного континуума по крохотному углу, на который гироскопы смещала земная гравитация, а увлечение инерциальной системы отсчета – по еще меньшему углу, на который «оттягивала» гироскопы Земля, вращающаяся вокруг своей оси. Неожиданный шум снизил точность эксперимента и замедлил анализ данных. Из-за этих проблем окончательные результаты были опубликованы только в 2011 г. [303]Предсказание Эйнштейна об искривлении пространственно-временного континуума подтвердилось с точностью до 0,5 %, его же прогноз увлечения инерциальных систем отсчета – до 15 % (илл. 50). Когда страсти улеглись, оказалось, что Gravity Probe B стал успешным (хотя и трудоемким) проектом – шедевром технического мастерства.

Осевое вращение имеет разные последствия для черных дыр малой и большой массы. Черные дыры в двойных системах массивнее своих компаньонов, и из-за такого взаимодействия их вращение почти не меняется. Скорость вращения – прямое следствие их формирования во взрыве сверхновой. Напротив, массивные черные дыры растут с течением космического времени, поглощая газ и звезды внутренних областей своих галактик, а также сливаясь с черными дырами других галактик. Поэтому вращение массивной черной дыры хранит историю ее роста посредством аккреции и слияний. Это объясняет стремление ученых заниматься столь сложными измерениями.

Было измерено осевое вращение нескольких десятков сверхмассивных черных дыр. Чаще всего при измерениях используется спектральная линия железа, отраженная от внутренней кромки аккреционного диска. Большинство черных дыр массой от миллиона до миллиарда солнечных вращается со скоростью от 50 до 95 % скорости света [304]. Такая высокая скорость предполагает, что черные дыры выросли после одного масштабного слияния с другой галактикой, когда большая часть вещества поступила с одной стороны. От этого отличается ситуация с несколькими слияниями и относительно небольшим количеством вещества, поступающего с разных сторон, что приводило бы в среднем к медленному вращению.

Лучший способ измерить вращение – воспользоваться данными о внутренней зоне аккреции: спектроскопией линии железа, квазипериодическими осцилляциями и редкими событиями разрыва небесного тела приливными силами [305]. Каковы пределы скорости вращения компактных звезд? Если речь идет о нейтронных звездах, ее можно измерить только у тех, чья горячая точка излучает радиоволны, пересекающие небо, как луч прожектора. Самый быстрый пульсар совершает 716 оборотов в секунду [306]. Теория предполагает, что предел равен 1500 оборотов в секунду и что при большей скорости нейтронная звезда развалится. Максимальная скорость вращения черной дыры не зависит от структуры материи, поскольку всю информацию скрывает горизонт событий. Она определяется скоростью вращения, при которой точка на окружности горизонта событий имеет скорость света. GRS1915 + 105 в 35 000 световых лет отсюда совершает головокружительные 1000 оборотов в секунду. Это больше 85 % максимальной скорости. Эталонная черная дыра Лебедь Х-1 вращается не так быстро, но и ее 790 оборотов в секунду – это 95 % теоретического предела [307].