Сергей Попов: Клянусь правой рукой директора моего института — черные дыры есть!

Фото: Дмитрий Смирнов

В этот раз участники встречи услышали лекцию доктора физико-математических наук астрофизика Сергея Попова. Слушатели узнали о том, почему современная наука похожа на современное искусство, увидели взрыв сверхновой и задумались о таинственной жизни в океанах спутников Сатурна. По окончании лекции гости встречи отправились в Звездный зал планетария — самый большой в Европе. Там и началось все самое интересное: в почти горизонтальном положении, без помощи 3D-очков или других приспособлений (не считая оптико-волоконного проектора звездного неба «Универсариум М9»), участники увидели более четырех тысяч звезд (такое количество звезд можно разглядеть только глубокой ночью где-нибудь в горах). Затем участники лекции отправились в путешествие к черной дыре, прошли через кротовую нору, узнали о загадочном горизонте черной дыры. Путешествие к загадкам космоса прошло виртуально, но Сергей Попов заверил, что наука развивается и, быть может, когда-нибудь фантазия станет реальностью.

Ниже приводим сокращенный текст лекции Сергея Попова.

Загадки звездного неба

Человек может ставить перед собой разные задачи. Есть, например, «путеводные звезды», которые недостижимы, но указывают путь. Другие задачи — это маленькие ступеньки, задания на каждый день. Наконец, есть важные вехи. К ним мы стремимся и знаем, что цель важна и реалистична. В науке ситуация похожа. И мы поговорим именно о современных важных реалистичных задачах.

1. Первые звезды и галактики

Наш мир — это расширяющаяся вселенная с возрастом примерно 13-14 миллиардов лет. Он непрерывно эволюционирует. Когда-то все было заполнено горячим плотным газом и темным веществом. Постепенно расширение делало свое дело — газ остывал и становился менее плотным. По ходу дела те места, где плотность обычного и темного вещества была повыше, начинали служить центрами притяжения. И там плотность нарастала. В итоге возникли большие облака (астрономы говорят — гало) из темного и обычного вещества. Они могли иметь разную массу. Но современные модели говорят нам, что те, в которых полная масса составляла несколько сот тысяч масс Солнца, могли стать местом рождения первых звезд.

В современных сценариях первыми возникают именно звезды. Лишь потом, сливаясь, гало образуют более крупные структуры — галактики. Первые звезды отличались от тех, что мы видим вокруг. В них были только водород и гелий. Звезды могли быть очень массивными (сотни масс Солнца). В конце своей короткой жизни они взрывались, синтезируя более тяжелые элементы. Из-за этого к моменту формирования галактик в газе было уже довольно много элементов тяжелее гелия, поэтому начинали появляться звезды, уже похожие на современные.

Так, мы думаем, все и происходило. Но не ошибаемся ли мы? Пока мы не можем наблюдать самые первые звезды и галактики: они слишком далеко. Нужны новые инструменты. В ближайшие несколько лет они должны появиться. В первую очередь это новый космический телескоп. Телескоп Вебба. Кроме него, смогут помочь большие наземные установки: система радиотелескопов SKA и работающие в миллиметровом диапазоне телескопы системы ALMA. Новые рентгеновские обсерватории дадут возможность увидеть самые первые массивные черные дыры – остатки первых звезд и «зародыши» для сверхмассивных дыр в центрах галактик.

2. Черные дыры

Астрофизики обсуждают несколько типов черных дыр в зависимости от их массы и происхождения. Но наблюдаемые кандидаты есть только для двух из них.

Во-первых, это черные дыры звездных масс. Не только первые звезды, но и современные нам массивные светила в конце своей жизни, исчерпав термоядерное топливо, взрываются, а их ядра превращаются в черные дыры. Масса у них получается около 7-10 масс Солнца.

Увидеть черную дыру саму по себе очень трудно. Но ситуация облегчается, когда черная дыра входит в двойную систему с обычной звездой. Если мы будем кидать камушки в черную дыру, то они будут уходить под ее горизонт со скоростью света. Если же до падения под горизонт они сталкиваются друг с другом, то будет происходить очень мощное энерговыделение. Камней в космосе мало. Зато вещество звезды-соседки может начать перетекать в черную дыру (например, если звезда расширилась — превратилась в гигант, что является нормальной эволюционной стадией). Тогда вокруг черной дыры возникнет диск вещества, разогретого до миллионов градусов. Появится яркий рентгеновский источник. Именно так в основном и наблюдают черные дыры звездных масс. В том, что внутри находится именно черная дыра, нас убеждает большая масса темного объекта. Сделать темный объект тяжелее трех масс Солнца, не превратив его в черную дыру, видимо, невозможно.

Второй тип черных дыр — это сверхмассивные дыры в центрах галактик. Есть такая и у нас. Астрономы видят, как звезды в самом центре вращаются вокруг какого-то массивного объекта. Сам объект очень темный, а масса у него — четыре миллиона солнечных. Наиболее массивные из известных объектов этого типа имеют массы около десяти миллиардов солнечных. Вряд ли это может быть чем-то, кроме черной дыры.

Но неуверенность остается. К счастью, в ближайшие годы у нас будет возможность напрямую убедиться в существовании черных дыр. Помогут детекторы гравитационных волн. Если двойная система состояла из двух массивных звезд, то может появиться пара черных дыр, вращающихся вокруг общего центра масс. Согласно общей теории относительности черные дыры в такой ситуации будут излучать гравитационные волны и сближаться. Наконец они сольются. Это приведет к мощному всплеску гравитационного излучения. Поймать его трудно, но можно. Именно это и будут делать установки LIGO и VIRGO. Мы получим сигналы прямо от взаимодействия горизонтов сливающихся черных дыр. Более прямое подтверждение их существования трудно придумать.

Однако, на мой взгляд, черные дыры вовсе не являются самыми интересными объектами. Их «пережали». Все интересное упало под горизонт, и мы получили очень простой объект. Важно вовремя остановиться. Источники, где Господь вовремя остановился, сохранив всю интересную физику, — это нейтронные звезды.

3. Нейтронные звезды

Нейтронные звезды имеют сверхсильные магнитные и гравитационные поля. В их недрах вещество находится при сверхвысокой плотности, превосходящей плотность атомного ядра. Это приводит к появлению сверхтекучести и сверхпроводимости. Ничего похожего мы не можем получить в земных лабораториях. А проверять законы в экстремальных условиях надо.

Сейчас нейтронные звезды активно изучают самыми разными способами. Поэтому есть хорошая надежда на то, что через несколько лет мы будем гораздо лучше знать, как ведет себя вещество в их центрах, то есть будем гораздо лучше понимать ядерную физику.

4. Сверхновые

И нейтронные звезды, и черные дыры могут рождаться во взрывах сверхновых. Это грандиозные вспышки, когда одна звезда становится ярче целой галактики. В недрах взрывающейся звезды не просто все бурлит. При расчете такого «бурления» надо учитывать эффекты общей теории относительности, многочисленные ядерные реакции, свойства снующих туда-сюда нейтрино. Рассчитать взрыв сверхновой труднее, чем построить прогноз погоды. Так что проблем много.

До недавнего времени проблему можно было описать совсем просто: сверхновые в компьютере не взрывались. Только в 2012 году немецкой группе исследователей удалось построить модель, в которой взрыв произошел без дополнительных ухищрений. Но все равно и эта модель неполна — некоторые эффекты не учитываются.

В ближайшие годы прогресс в изучении сверхновых будет связан, во-первых, с развитием компьютеров (можно будет строить и гонять более сложные модели). Во-вторых, с развитием наблюдений. Очень важно увидеть самое начало вспышки в разных диапазонах спектра. Кроме того, есть надежда поймать нейтрино от взрыва сверхновой. Они приносят информацию из самого центра, а потому она просто бесценна. Так мы сможем лучше понять, как взрываются звезды. Это довольно важно. Ведь почти каждый атом в вашем теле когда-то побывал внутри взрывающейся звезды. Иначе откуда бы ему взяться: ведь в молодой вселенной были только водород и гелий. Все остальное синтезировалось в звездах.

Если бы звезды не синтезировали элементы тяжелее гелия и не выбрасывали бы их во внешнюю среду, то было бы очень скучно. Теперь мы знаем, что во вселенной весело, потому что есть экзопланеты.

5. Экзопланеты

Как известно, еще Джордано Бруно верил, что есть другие миры (хотя пострадал он, видимо, не за это). Но одно дело — верить, другое — открыть. Планеты у других звезд начали открывать только в 90-е годы XX века. Связано это с тем, что планеты легкие и слабые, а потому увидеть их (или следы их существования) вокруг ярких массивных звезд трудно. Но открытие не просто подтвердило старые верования. Оно поставило много вопросов, потому что открыли не то, что искали.

Солнечная система устроена просто. Сперва идут четыре легкие каменные планеты. А потом четыре большие планеты — газовые и ледяные гиганты. Казалось, что по такой же схеме должны быть устроены и другие планетные системы. Оказалось, нет.

Первые открытые планеты (а также вторые, третьи) пришлось отнести к новому классу «горячих юпитеров». Это гигантские планеты (как Юпитер), но вращаются они очень близко от своих звезд. Соответственно, оборот они делают не за годы и десятилетия, а за дни или даже за часы! Поэтому первой актуальной задачей является понимание того, как такие системы образовывались и эволюционировали.

Кроме того, удалось обнаружить планеты, непохожие на те, что есть в Солнечной системе. Есть, например, гигантская планета с высокой средней плотностью (в нашей системе и Юпитер, и Сатурн имеют низкую среднюю плотность). Есть «сверхземли» — это планеты, по массам промежуточные между Землей и Нептуном. У нас таких нет. И мы плохо представляем себе их внутреннее строение. Так что второй задачей будет понимание внутреннего строения различных экзопланет.

Раньше в моем списке стояло «обнаружение земноподобных планет в зонах обитаемости». Теперь эта задача выполнена. В первую очередь усилиями команды спутника «Кеплер» обнаружено несколько каменных планет, которые вращаются вокруг своих звезд на «правильных» расстояниях, которые позволяют надеяться на то, что там может существовать вода. Ясно, что число таких планет в ближайшие годы вырастет. Правда, более детальное их исследование (например, изучение составов атмосфер) уже не попадает в категорию задач, решаемых в ближайшие несколько лет. Так что с поисками жизни на экзопланетах придется подождать.

6. Жизнь в Солнечной системе

Если же жизнь все-таки хочется поискать, то пока придется ограничиться солнечной системой. Хотя в «зону обитаемости» у нас попадает только Земля (и отчасти Марс), жизнь может «пробиться» и в других местах.

Сейчас лучшим кандидатом для поисков жизни считается небольшой спутник Сатурна Энцелад. Космический аппарат «Кассини» несколько лет назад открыл потрясающие фонтаны, бьющие из него. Анализ показал, что это в основном вода. Сверху спутник покрыт ледяной корой. Но, благодаря тому, что недра спутника разогреты (это Сатурн постарался и приливами нагрел свой спутник — такие вот жаркие объятия), частично лед растаял. Есть основания полагать, что, если надолго оставить очень большую банку с водой, то там заведется жизнь. Причем в случае Энцелада выяснить все довольно просто — надо просто захватить выбрасываемое вещество для анализов.

Ранее самой лучшей «банкой с водой» считался спутник Юпитера — Европа. Это уже большой объект, как Луна. Европа покрыта ледяной корой, и почти наверняка под этой корой есть большие объемы воды. Может быть, целый океан. Это было бы очень хорошее место для появления жизни. Сложность в основном в том, что для изучения нужно пробиваться через толстый слой льда. Вряд ли удастся сделать это в ближайшие годы.

Еще одно место, где можно что-то узнать о внеземной жизни, — это старый добрый Марс. Как мы знаем, сейчас Марс не является раем. Однако в прошлом ситуация могла быть иной. Климат Марса мог сильно меняться, а значит, когда-то там могло быть больше воды (об этом говорят данные минералогических исследований). Поэтому в случае Марса скорее речь идет о поисках следов существования жизни, хотя бы в простейших формах.

В августе на Марс прилетел очередной ровер. Более совершенный, чем предыдущие. Может быть, он поможет узнать, была ли жизнь на Марсе.

7. Заключение: планы на будущее

В ближайшие годы мы можем надеяться:

Увидеть первые звезды и галактики и узнать, как же они образовывались.

Поймать сигнал от слияния черных дыр и непосредственно увидеть, как взаимодействуют горизонты.

Узнать, как ведет себя вещество в недрах нейтронных звезд, и определить, где лежит граница между черными дырами и нейтронными звездами.

Научиться правильно моделировать взрывы сверхновых, то есть понять все основные процессы, отвечающие за этот колоссальный фейерверк.

Уяснить, как же образовывались и эволюционировали разные экзопланетные системы, и построить модели внутреннего строения всех типов экзопланет.

Выяснить, насколько редкой является жизнь, есть ли она (хотя бы в самых простейших формах) на других телах Солнечной системы.