Сила пустоты. Новые тайны черных дыр

У редакторов научно-популярных журналов есть интересное ноу-хау: хочешь поднять продажи — поставь на обложку черную дыру. Интерес публики к этим странным штукам столь же велик, сколь и иррационален. При этом подобрать достойное фото героини для обложки совсем не просто. У человечества пока есть всего одна реальная фотография черной дыры, да и та довольно расплывчатая, что неудивительно, поскольку фотографируемый объект находился в 53 миллионах световых лет от Земли. Плюс кадры из далеко не нового фильма «Интерстеллар», плюс различного рода «фантазии художников». Сложно нарисовать то, чего нет, а черных дыр практически нет: они состоят из пустоты, кроме единственной точки в самой сердцевинке, о которой, впрочем, ничего не известно. Конечно же, очень странно всерьез интересоваться подобной пустопорожней штуковиной.

Но все равно интересно, причем не только публике, но и самым настоящим ученым. Недавно вышли сразу три новые работы, посвященные черным дырам. 

Вращенье пустоты

Как было сказано выше, черная дыра устроена довольно просто: в ней ничего нет. Теперь можно надуть щеки и сказать то же самое гораздо сложнее: решение уравнений Эйнштейна, которое в 1916 году всего за несколько месяцев до своей смерти обнаружил немецкий астроном Карл Шварцшильд и которое описывает черную дыру, относится к классу «решений для пустого пространства». В сложной таблице, которая у Эйнштейна описывает распределение материи и ее движение, стоят сплошные нули. Нужно только удалить всего одну точку пространства, в которой уравнения уж точно не работают, потому что там получаются сплошные бесконечности и деление нуля на нуль. И вот в этой-то выпавшей точке должна находиться какая-то масса — вообще говоря, любая. Вот вам и рецепт черной дыры (собственно, когда на уроке физики учитель рассуждал про «материальную точку», с точки зрения строгой науки это не могло быть ничем иным, кроме как черной дырой).

Блюдо, которое готовится по этому рецепту, совершенно нечувствительно к выбору исходных продуктов: черная дыра, сделанная из схлопнувшейся в точку звезды, и другая дыра — из равной по массе горы сливочного мороженого*, не отличимы друг от друга. Собственно, кроме этой самой массы у них мало что есть: только электрический заряд и вращение. Заряд мало кого интересует, потому что он наверняка маленький (в космосе не так уж много сильно заряженных штук, из которых можно приготовить черную дыру). А вот вращение может быть большое, и к тому же оно сильно меняет нрав черной дыры, так что этот параметр очень интересует физиков. И вот несколько таких физиков придумали, как можно это вращение измерить, рассказав о своей идее на страницах журнала Nature.

Вообще-то, вращение пустого места не то чтобы измерить, а и представить себе нельзя. Может быть, кому-то кажется, что он может себе представить вращение самой центральной точки, но это самообман: точки не вращаются, потому радиус точки — ноль, и какое бы вращение вы ей ни придали, ее «экватор» должен двигаться бесконечно быстро, а такого не бывает. Даже если вместо точки рассматривать «всю дыру», то есть область, окруженную таинственным «горизонтом», то и у этой воображаемой поверхности при определенном количестве вращения «скорость» достигнет скорости света, хотя вращаться там физически нечему. Это тревожит, и строгий расчет показывает, что вращение черной дыры и правда не может быть бесконечно большим: для дыры данной массы у вращения есть верхний предел.

Итак, что же придумали физики, чтобы измерить вращение пустоты? А вот что. Иногда в черную дыру падает звезда — редко, но бывает. Это жуткая космическая катастрофа, которую видно издалека. Звезду разрывают приливные силы черной дыры, и она превращается в диск материи, бешено вращающейся вокруг самой дыры, причем скорость этого вращения определяется тем, откуда и как в дыру упала звезда. Другими словами, вращение диска и вращение самой черной дыры — совсем не одно и то же. А значит, два вращения могут вступить в конфликт, и тогда возникнут биения: диск начнет трепыхаться туда-сюда по мере того, как вращение черной дыры (то есть самого пустого пространства) будет пытаться увлечь его в свой бессмысленный хоровод. И эти вибрации можно будет увидеть по изменению интенсивности и энергии рентгеновского излучения, которое, как было сказано выше, видно издалека.

В 2020 году ведущий автор статьи Дхирадж Пашам из Массачусетского технологического института и его коллеги заметили в небе нечто, очень похожее на поглощение звезды черной дырой. Дело происходило примерно в миллиарде световых лет от Земли, и долетевшее рентгеновское излучение удалось засечь при помощи рентгеновского телескопа NICER (это сокращение примерно означает «исследователь внутреннего состава нейтронных звезд»). Наблюдения продолжались 200 дней, пока звезда не была сожрана окончательно и фейерверк не погас. Но фейерверк успел принести ученым ровно то, чего они ждали: его яркость колебалась с периодом около 15 дней. 

Остальное было делом техники. Оценили массу черной дыры, потом предположили, что съеденная ею звезда была во всем типичной. Точную цифру таким способом, конечно, не получить, но оценка вышла такая: вращение именно этой черной дыры составляет от 5% до 50% от максимально возможного. Если вам больше нравится думать в категориях скорости света, это не больше ее четверти.

Конечно, это все равно очень-очень быстро, но самые знаменитые черные дыры — та, что в центре нашей Галактики, и та, которую впервые удалось сфотографировать в 2019 году, — кажется, вращаются быстрее, около 90% от предела. Тем не менее прелесть предложенного метода в том, что он позволяет высмотреть в небе много подобных событий и набрать статистику, то есть выяснить, с какими вообще скоростями могут вращаться эти самые дыры. Этим Дхирадж Пашам и планирует заняться в течение своей научной карьеры, которая началась весьма успешно.

Тихая смерть звезды

Далеко-далеко в космосе — хотя все же примерно в 7000 раз ближе к нам, чем черная дыра из предыдущей истории, сожравшая свою звезду, — в Большом Магеллановом облаке есть странная звездная система. Она состоит из огромной звезды (примерно в 25 раз тяжелее Солнца) и черной дыры в 10 солнечных масс. Этой парочкой, известной как VFTS 243, и занялась группа астрономов, в том числе Алехандро Винья-Гомес и его коллеги из копенгагенского Института Нильса Бора. Чем она привлекла их внимание? А тем, что очень уж там все у них мирно и полюбовно. Летают вокруг друг друга по аккуратным круговым орбитам, как будто занимались этим всю вечность.

Но так быть не может, потому что черная дыра когда-то должна была родиться, а этот процесс мирным никак не назовешь — он известен ученым как «взрыв сверхновой». В результате взрывающаяся звезда сбрасывает свои внешние оболочки, а то, что останется, получает бешеный толчок, иногда даже вылетая из системы с огромной скоростью. Так, по крайней мере, это событие представляли себе до сих пор. Однако система VFTS 243 намекает, что все эти страсти совершенно не обязательны. По оценкам астрономов, при рождении этой черной дыры компоненты системы получили прибавку к скорости максимум в 4 километра в секунду, а то и еще меньше. Для сравнения: даже наша маленькая планетка летит по орбите со скоростью 30 километров в секунду. Выходит, никакого взрыва сверхновой не было?

«Похоже, что так», — говорят авторы работы, опубликованной в Physical Review Letters. По их модели в данном случае реализовался альтернативный сценарий рождения черной дыры — «полный звездный коллапс», когда никакого сброса звездных оболочек не происходит: начав падать внутрь самой себя, звезда продолжает это делать до самого конца, вот разве что маленькие нейтрино уносят часть энергии, но кто их, нейтрино, видел?! Авторы предлагают держать такую возможность в уме, анализируя случаи — кстати, довольно многочисленные, — когда описанная астрономами звезда вдруг бесследно исчезала с неба. 

Один из таких случаев, возможно, отразился в греческом мифе о Плеядах: среди семерых дочерей титана Атласа одна сочла за лучшее выйти замуж за обычного человеческого мужчину и тем самым прекратить свою карьеру в качестве небесной звезды. Именно поэтому, видимо, сегодня в скоплении Плеяд невооруженным глазом видно всего шесть, а не семь ярких звезд. Если это то, о чем мы подумали, то катастрофа полного коллапса звезды, возможно, когда-то произошла совсем уж неподалеку от нас — буквально в нашем углу Галактики, всего в 400 с лишним световых годах. И даже древние греки это заметили! 

Сверкающие кусочки

Стивен Хокинг так и не получил Нобелевскую премию, и это как-то несправедливо. По мнению профессора Алексея Старобинского (увы, уже тоже покойного), ближе всего он был к этому результату, когда в 1982 году опубликовал работу про то, как из «температуры неба» можно сделать выводы о самых ранних моментах истории мироздания (речь о «спектре начальных неоднородностей»). Однако сам Хокинг, видимо, среди своих свершений выше всего ценил формулу температуры черной дыры — настолько, что даже просил высечь ее на своем надгробии. Это и правда фундаментальный результат: согласно расчетам Хокинга, черная дыра не может быть совсем уж черной, а обязана, по законам квантовой механики, понемногу излучать свою массу, пока не испарится без остатка. 

Но при всей фундаментальности результата, Нобелевскую премию за такое получить нельзя. По словам того же Старобинского, «Нобелевская премия — это не то, что дают самому умному ученому. Она дается за „открытие“ — то, что имеет наблюдаемый эффект». Наблюдать излучение черной дыры или измерить ее температуру практически невозможно. Согласно Хокинговой формуле, температура черной дыры обратно пропорциональна ее массе. У тех черных дыр, которые мы знаем, — даже самых маленьких — температура должна составлять миллионные доли градуса (выше абсолютного ноля). При этом весь космос пронизан излучением с температурой около трех градусов, которое реальные черные дыры все время поглощают. В результате они становятся только жирнее, а уж никак не испаряются. Чтобы увидеть, как они начнут испаряться, придется подождать несколько триллионов лет, а у Хокинга столько времени, как мы знаем, просто не было, да и ни у кого нет.

К счастью, согласно идее трех физиков-теоретиков: Джакомо Качьяпальи, Стефена Хохенеггера и Франческо Саннино, встретившихся в Центре квантовой теории университета Южной Дании в Оденсе, так долго ждать не обязательно. 

Чтобы проверить Хокинга прямо сейчас, нужно просто найти черные дыры погорячее, то есть поменьше. А поискать такие дыры имеет смысл там, где две огромные, настоящие черные дыры сливаются в одну. Такое событие, точнее гравитационные волны, испускаемые в процессе, впервые наблюдалось в 2015 году, и с тех пор набрана отличная коллекция столкновений черных дыр в разных отдаленных уголках Вселенной. При этих столкновениях гравитационные поля могут быть столь велики и переменчивы, что из всего этого хаоса будут рождаться миниатюрные «кусочки» черных дыр (по-английски эти кусочки называются morsels: это слово, в отличие от его русского перевода, предполагает что-то не просто маленькое, но еще и вкусное или как минимум очень-очень интересное). 

Насколько миниатюрны эти кусочки? Ну, скажем, размером с астероид. А значит, и температура их, согласно формуле Хокинга, огромна, и испаряются они очень быстро, посылая в глубины Вселенной пучки фотонов с энергией порядка триллионов электрон-вольт (примерно такой, к примеру, будет температура черной дыры размером с земной океанский лайнер). Такие энергии частиц люди умеют создавать на Большом адронном коллайдере, и уж точно они умеют их фиксировать, например с помощью атмосферных черенковских телескопов. 

Остальное — дело техники: дождаться очередного чернодырного катаклизма и измерить спектр фотонов высокой энергии, долетевших до нас из межгалактических глубин. Если это действительно испаряющиеся «кусочки» черных дыр, они не ускользнут от внимания гамма-астрономов. А вместе с ними прямо сейчас, не дожидаясь конца Вселенной, будет экспериментально проверена формула Хокинга. Жаль, конечно, что он об этом не узнает, но снисходительность тут неуместна: он и так узнал за свою жизнь очень много интересного.

* Примечание: образ черной дыры, сформированной из огромной горы пломбира, автор не придумал сам, а вычитал у какого-то физика-популяризатора, возможно, даже у Алексея Семихатова в его потрясающей книге «Все, что движется». Однако книга эта толстая, и проверять автору лень.