Черная дыра похожа на фонтан

Ранее мы неоднократно обращали внимание читателей на тот факт, что любые знания о черных дырах совершенно бесполезны. Тем не менее мало того что сам читатель продолжает тянуться душой к этим бесполезным фактам, но и наука снова и снова тратит на производство подобных знаний деньги и время.

Возможно, это потому, что черные дыры каким-то образом иллюстрируют собой чудесность и абсурдность бытия. Не будь бытие чудесным и абсурдным — причем необходимы непременно оба этих свойства, — вообще непонятно было бы, как с ним можно смириться. А черная дыра, видимо, и есть простейший физический объект, соединяющий в себе абсурдность и чудесность в правильной пропорции.

Разобравшись, таким образом, в психологической подоплеке интереса человечества к черным дырам, перейдем к изложению того нового, что удалось узнать о них ученым. За последнее время от черных дырах не то чтобы узнали нечто принципиально новое, но зато представление о них обогатилось множеством реалистических деталей. Совсем еще недавно, когда снимался «Интерстеллар», нобелевский лауреат Кип Торн сделал для Кристофера Нолана прикидки, как должна бы выглядеть черная дыра для расположенного неподалеку наблюдателя. У него получалось, что эта дыра должны быть очень красива, хотя и слегка мрачновата.

Но всего за три года, прошедшие после выхода книжки Кипа Торна «Интерстеллар: наука за кадром», такой подход безнадежно вышел из моды. Черные дыры больше не описывают изящными формулами на салфетках, а рассматривают в телескопы и моделируют на суперкомпьютерах. К сожалению, картинки от этого получаются куда менее симметричными и аккуратными, хотя и обрастают деталями. Кто-то даже может расстроиться, что подобный гиперреализм сделает дыры чуть менее завораживающими. С другой стороны, детали убеждают нас, что дыры эти на самом деле ЕСТЬ, а такого факта самого по себе достаточно, чтобы потревожить обывательский покой.

1. Фонтан дыры, фонтан живой

В Южном полушарии неба есть созвездие Циркуля, а в нем — галактика Циркуль, а в центре галактики — большая черная дыра, которую уже давно наблюдают с помощью телескопа ALMA, что в чилийской пустыне Атакама. Японские астрофизики рассмотрели, как вокруг этой дыры движутся облака газа, а потом промоделировали увиденное на компьютере и написали статью.

Из статьи следует, что картинки, подобные той, что набросал Торн, необходимо подправить. Видите ли, материя, падающая на черную дыру, вовсе не склонна образовывать вокруг нее геометрически правильный диск или тор. На самом деле с падающим на звезду газом происходят удивительные превращения: сперва он, холодный, попадает в диск аккреции и начинает разгоняться до бешеной скорости и одновременно греться. Во внутренних слоях молекулы газа непременно развалятся на атомы или ионы, и уж эти атомы и ионы вполне может выбросить из диска вверх или вниз. Однако по большей части они рано или поздно обречены снова свалиться на диск аккреции, причем взаимодействие этих двух потоков газа — самого диска и падающих сверху «брызг» — создает причудливые динамические структуры.

Значительная часть газа так и циркулирует в этих потоках, не в силах обрести вечный покой в черной дыре. Таким образом, по мнению авторов, черная дыра гораздо больше похожа на веселый фонтан в парке, чем на мрачную аллегорию вечности кисти Кипа Торна. Фонтан этот приводит в действие моторчик из материи, падающей на черную дыру, в сочетании с вращением самой дыры.

2. Черная дыра как личный опыт

«Вот бы глянуть на такую красотищу своими глазами», — скажет самый чистосердечный из читателей — и тотчас узнает от нас, что это с недавних пор стало возможно. Спасибо надо говорить голландским астрофизикам, которые озаботились тем, чтобы снять целый фильм о падении наблюдателя в черную дыру — и не какую попало, а ту, что находится в середине нашей Галактики и известна человечеству как объект Sagittarius A*.

Это было не так уж просто сделать. Дело в том, что черная дыра сильно меняет траектории световых лучей в своих окрестностях (или, если угодно, искривляет пространство). Чтобы понять, как будет выглядеть мир для наблюдателя, находящегося неподалеку, ученым сперва пришлось рассчитать траектории разных световых лучей. Смотрите, что у них получилось.

На этой картинке — примерная карта мира, как ее видим мы. Красное и зеленое — та часть поля зрения, что перед вами, а желтое и синее, напротив, сзади. Но если прямо перед вами находится черная дыра, этот красивый и ровненький эвклидов мир станет выглядеть для вас совсем по-другому.

Интересно, что картинка будет сильно зависеть от того, неподвижен ли наблюдатель (верхняя картинка) или он падает прямиком в дыру (нижняя). Здесь вы приблизились к дыре на 10 гравитационных радиусов, и если вам удалось остановиться, то часть пейзажа, находящаяся перед вами, слегка увеличится и загнется назад, а мир за вашей спиной, наоборот, сожмется. Если же вы продолжаете падать, то сожмется пейзаж впереди, а часть того, что находится за спиной, вдруг покажется по краям вашего поля зрения. Тем временем вокруг «тени» черной дыры вообще видно черт знает что, потому что верх перепутался с низом.

Еще ближе, еще страшнее. До дыры всего три гравитационных радиуса, то есть примерно как от Меркурия до Солнца. Неподвижному наблюдателю дыра полностью закрывает весь мир перед ним (остальную Вселенную он может увидеть, лишь обернувшись назад). Падающему чуть легче (психологически), потому что для него линзирование работает наоборот и дыра выглядит меньше, чем на самом деле, но мир вокруг все равно безнадежно искажен.

Но это была теория, а теперь время перейти к практике — реальной панораме, которая откроется вашим глазам в процессе падения в черную дыру. Для этого астрофизикам пришлось смоделировать судьбу не только световых лучей, но и всей той материи, которая будет валиться на черную дыру и клубиться вокруг нее (образуя, как мы говорили выше, что-то вроде фонтана). Результаты своих расчетов они воплотили в ролике, опубликованном на YouTube, а также в видеосимуляции для VR-консолей (на тот случай, если вы захотите пережить опыт падения в черную дыру чуть живее, чем средний пользователь).

В этом двухминутном ролике вы приближаетесь к черной дыре из глубин космоса, поначалу наблюдая впереди себя лишь небольшую странность: звезды из точек превращаются в дуги окружности. Это, собственно, гравитационное линзирование. Потом перед вами выступает из мрака сама дыра, но чем ближе вы к ней, тем сильнее искривление пространства, так что дыра надвигается на вас как бы медленнее, чем на самом деле. Потом вы попадаете в диск аккреции и начинаете стремительно падать в дыру. 1 минута 42 секунды — горизонт события совсем рядом... Но нет: везучего наблюдателя выбросило из диска аккреции в направлении джета, и он снова удаляется от дыры в космос, теперь уже со стороны ее полюса.

Вот и все, вы это испытали и по-прежнему живы-здоровы, даже атомы вашего тела остались неионизированными, потому что виртуальная реальность пока не способна воспроизводить ощущения от падения в черную дыру настолько реалистично, чтобы действительно превратить вас в плазму. Ради этого бесценного опыта и старались голландские астрофизики, делая свою симуляцию. Вернее, нет: еще они хотели просвещать широкую публику, особенно детей. Идея в том, чтобы пробудить в детях интерес к науке, который постепенно вытеснит у них тягу к наркотикам и в будущем послужит прогрессу человечества. В этой благородной миссии сейчас участвуем и мы с вами.

3. Дыры по вторникам

Между тем ученые из коллаборации LIGO, уже получившие Нобелевскую премию за регистрацию гравитационных волн от столкновения черных дыр, продолжают наблюдать эти столкновения теперь уже ради чистого любопытства. Всего рассмотрели десяток таких столкновений; массы дыр-участниц представлены на следующей картинке.

Исследователи наверняка узнают из своих наблюдений много интересного насчет самих черных дыр и управляющей ими физики. Наша же задача проще — пробудить воображение и пощекотать нервы. Тут как нельзя лучше подойдет следующий факт: по утверждению участников проекта, где-то в видимой Вселенной столкновение черных дыр звездной массы происходит примерно каждые две недели.

Представляете, что это значит? Мы могли бы сказать вам, что каждые 7 микросекунд где-то во Вселенной инопланетянин-гуманоид ковыряет в носу; или что один раз в квадрильон лет в ней происходит коллапс ложного вакуума, — и читателю ничего не оставалось бы, кроме как сомнамбулически кивать головой: все эти квадрильоны лет и микросекунды мало что значат для нашего опыта. Но вот случилось же так, что завораживающая космическая катастрофа — слияние двух черных дыр в одну, вдвое себя злее, — происходит в ритме, привычном нам в нашей повседневности! Раз в две недели, первый и третий понедельник каждого месяца. Этот ритм, промыслом Мироздания, оказался соразмерным нашей жалкой земной жизни. За то время, пока Лев Пономарев будет отбывать административный арест, где-то в космосе разразиться одна или две подобных катастрофы. За остаток нашей с вами жизни, или до смены правящего режима в Российской Федерации — несколько десятков, сотен, от силы тысяча, но не больше.

Как хотите, но автора этих строк подобные факты заставляют увидеть мир совсем в другом свете. Черные дыры как-то задают всему на свете правильный масштаб. Наверное, потому так интересно разузнать о них как можно больше.

На этом мы могли бы закончить рассказ, однако добавим еще кое-что. Если вдруг в ближайшее время вам придет в голову ясным вечером задрать голову к небу, встаньте лицом к югу и найдите чуть левее зенита яркое облачко — Плеяды, — а еще левее созвездие Ориона. Так вот, где-то между ними в декабре будет двигаться тусклое зеленоватое пятнышко — комета Виртанена. 16 декабря она будет ярче всего, а еще через неделю, в канун Рождества, пройдет недалеко от яркой звезды по имени Капелла. Других комет в 2019-м можете не ждать, а на эту взглянуть имеет смысл. Кометы предвещают перемены, маленькие кометы — и перемены небольшие. Но нам-то в нашем положении капризничать не приходится: хоть какие-нибудь бы увидеть.