CC BY
156
УДК 530.12 DOI: 10.30981/2587-7992-2018-94-1-94-101
■^TV. js- -V v
If-IJI Jj H J^j
К -p-.
BLACK HOLES:
Light-eaters, EvoLution Assist and Doors to Other Universes
Maxim N. FALILEYEV,
Main expert
Centre for Ground-Based Space Infrastructure Operation,
Moscow, Russia,
ABSTRACT I To understand the nature of black holes, unique space objects, scientists around the world are currently working on a number of ambitious research projects. One of them is the Russian space observatory Millimetron. On the modern concepts of black holes and their significance in understanding the Universe speaks Vyacheslav I. Dokuchaev, Dr. Sci. in Physics and Mathematics, the leading researcher of the Institute for Nuclear Research, RAS.
Keywords: black holes, space observatory, quasar
%
ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ:
«пожиратели» света, помощники эволюции и двери в другие вселенные
Максим Николаевич ФАЛИЛЕЕВ,
ведущий специалист федерального государственного унитарного предприятия «Центр эксплуатации объектов наземной космической инфраструктуры», Москва, Россия, [email protected]
АННОТАЦИЯ I Чтобы понять природу черных дыр, уникальных космических объектов, ученые всего мира готовят сегодня несколько амбициозных проектов по их изучению. Один из них - российская космическая обсерватория «Миллиметрон».
Что такое черные дыры с точки зрения современной науки и какое значение имеет их исследование для понимания Вселенной, рассказывает ведущий научный сотрудник Института ядерных исследований РАН доктор физико-математических наук Вячеслав Иванович ДОКУЧАЕВ.
Ключевые слова: черные дыры, космическая обсерватория, квазары
Вячеслав Иванович ДОКУЧАЕВ,
ведущий научный сотрудник Института ядерных исследований РАН, доктор физико-математических наук
«ЗООПАРК» ИЗ ЧЕРНЫХ ДЫР
- Вячеслав Иванович, что же такое черные дыры?
- Это очень загадочные и нетривиальные объекты, с одной стороны - очень сложные, с другой - очень простые. Сегодня мы называем «черной дырой» очень сильно сжавшийся массивный объект, например звезду или слившиеся многие звезды, которые имеют размер настолько маленький, что даже свет оттуда не может вылететь. По-простому говоря, для изучавших физику или астрономию в школьном курсе, это означает, что вторая космическая скорость на поверхности этого тела больше скорости света, и потому фотоны света не могут оттуда вырваться.
Черные дыры - очень важный объект для физики, фундаментальных исследований, и благодаря развитию технологий космических исследований, в частности вкладу российских ученых, физики в последние годы получили прорывные сведения об устройстве черных дыр.
В 2017 году американскими учеными даже была получена Нобелевская премия, косвенно связанная с черными дырами, а именно премия за открытие гравитационных волн, когда физики с помощью сложнейших лазерных интерферометров сумели зафиксировать слияния черных дыр, генерирующие гравитационные волны. Эти волны были зарегистрированы, и уникальность сигнала свидетельствует, что никакой другой объект, кроме черных дыр, такую форму сигнала обеспечить не может. Поэтому мировое научное сообщество довольно быстро согласилось, что это выдающийся результат, и буквально через год после их открытия была получена премия, это довольно нетипичный случай.
Понимание о черных дырах существует и развивается интенсивно в последние 40 лет, с тех пор как во Вселенной были открыты
очень мощные источники излучения, так называемые квазары, квазизвездные объекты. Квазары являются самыми мощными излучателями во Вселенной, а сейчас мы знаем, что это - аккрецирующие черные дыры с массами в миллионы и миллиарды масс Солнца, расположенные в центре очень далеких галактик.
Можно привести и такую аналогию: в зоопарке есть животные распространенные, например всем привычные зайцы или волки, о которых все знают, а есть редкие животные - бегемоты или носороги, о которых до известных пор слышали только специалисты, а широкая публика их не видела и не представляла. Вот так же и черные дыры. Это последняя стадия жизни массивных звезд, самые массивные звезды с массами много раз больше массы Солнца, в 20-30 раз, они в конце своей жизни взрываются, часть вещества сбрасывается, а большая часть сжимается и образуются черные дыры.
И таких черных дыр в нашей галактике Млечный Путь среди примерно 100 миллиардов звезд - миллионы, десятки миллионов... И это, можно сказать, самая длительная стадия жизни звезды. В нормальной жизни звезда живет несколько миллиардов лет, потом она превращается либо в нейтронную звезду, либо просто сжимается - остывающий карлик, либо превращается в черную дыру. Вот такой зоопарк из этих объектов находится в нашей Галактике.
Исследование этих объектов подстегнуло теоретические исследования.
В настоящее время активно разрабатывается так называемый телескоп горизонта событий и ведется подготовка к наблюдениям.
- Почему он так называется - «горизонт»?
- Дело в том, что у черной дыры существует некая область, окружающая этот объект, внутри которого мы ничего не видим,
а граница этой области называется «горизонт событий черной дыры». И он называется именно горизонтом, потому что это та предельная часть пространства, из которой свет еще может выходить, как горизонт, к примеру, на земном шаре, когда корабли уплывают за линию горизонта и мы их перестаем видеть, а здесь мы перестаем видеть свет, выходящий оттуда.
Именно поэтому очень амбициозный и очень сложный международный проект так и назвали - «телескоп горизонта событий». Это радиоинтерферометр, состоящий из нескольких десятков радиотелескопов, разбросанных по всему земному шару, которые в диапазоне миллиметровых/субмиллиметровых волн будут наблюдать центр нашей родной галактики Млечный Путь, где, как мы ожидаем и практически наверняка уже знаем, находится сверхмассивная черная дыра. Она пока не видна, но у нее уже известна масса, которая равна шести миллионам масс Солнца.
Через два года телескопы должны дать изображение этой черной дыры, что станет первым изображением черной дыры, предъявленным широкой публике. Изображение это по-научному называется «тень черной дыры».
А если эта черная дыра подсвечивается окружающим веществом, то мы на фоне этого светлого экрана увидим ее тень, границу области, откуда свет еще может выйти. И вот эту амбициозную задачу намеревается решить данный проект через два года - эта тень и будет тем открытием, которое сможет претендовать на Нобелевскую премию. Размер тени скажет, какая масса у черной дыры - уже не по движению звезд или вещества, а чисто из решений теории гравитации Эйнштейна - а искажение этой формы скажет нам, как быстро она вращается.
ПОМОЩНИКИ ЭВОЛЮЦИИ
- А что происходит в области изучения черных дыр сегодня?
- Сейчас частично для решения этой задачи используется наш замечательный космический аппарат «Радиоастрон», радиотелескоп сантиметрового диапазона, выдающееся достижение российских космических исследований, который работает на орбите с 2011 года и в том числе наблюдает центр нашей Галактики и дает информацию о том, что происходит вблизи черной дыры. (См. ВКС № 3(92), 2017. - Прим. ред.)
Черная дыра в центре нашей Галактики в научной терминологии называется «дремлющий квазар», в том смысле что она неактивна. Ее активность начинается, когда на черную дыру падает какое-нибудь вещество или сжимается и нагревается газ. Если звезда падает, она разрывается приливными силами черной дыры, в результате чего выделяется гигантская энергия, эффективность выделения которой в десятки или даже сотни раз больше, чем при слиянии или разрушении атомных ядер.
Поэтому черные дыры - это еще и мощные объекты генерации излучений различных типов во Вселенной. Физики сегодня уже знают, что излучения черных дыр наполняют всю Вселенную различными формами радиации (эти излучения называются космическими лучами), которые обеспечивают сильнейший радиоактивный фон, в том числе падающий на Землю.
И оказывается, что черные дыры -это важнейший объект во Вселенной, потому что, во-первых, их очень много, во-вторых, это мощнейшие излучатели во Вселенной, искажающие своим гравитационным линзированием все окружающие объекты. Они могут оказаться принципиально важны и для возникновения жизни.
- Даже так?
- Да, мы знаем, например, что для эволюции жизни на Земле очень важны внешние излучения: они приводит к мутациям, а мутации необходимы для эволюции животного мира. Мутации поддерживают животный мир в некоем динамическом равновесии, приводя к возникновению не только нежизнеспособных, но и каких-то новых форм жизни, приспособленных или имеющих сопротивляемость к каким-то микробам и прочему, - благодаря радиации, в том числе и приходящей из космоса. А источником этой космической радиации в значительной степени являются черные дыры.
Согласно другим гипотезам, жизнь, зародившаяся в одном «пузыре» Вселенной, может просочиться в другую и так далее, то есть существовать вечно и переноситься не пришельцами с рожками, а в виде микроспор, микробов, вирусов и тому подобного. Главное, чтобы была информация. Природа заготовила такие объекты для распространения жизни в виде спиралей ДНК, которые в замороженном состоянии способны существовать миллионы и миллиарды лет и путешествовать в космосе.
Черные дыры важны еще и потому, что физики хорошо представляют, как они устроены снаружи, что происходит с веществом, когда оно туда падает, но огромная интрига связана с внутренним строением черных дыр. Мы до сих пор ничего не знаем об этом, за исключением некоторых научных фантазий.
ДВЕРИ В ДРУГИЕ МИРЫ
- Расскажите о самых невероятных из них?
- В рамках этих фантазий существуют самые фантастические гипотезы, например, что внутри черных дыр может быть бесконечный объем, там могут быть свои внутренние Вселенные, и при об-
разовании новой черной дыры внутри могут образовываться целые Вселенные с бесконечным объемом.
И тогда эта черная дыра превращается в некий «мост» или портал в другую Вселенную. Этот «мост» имеет название тоже в честь Эйнштейна - «мост Эйнштейна - Розена».
После того как в звезде заканчиваются ядерные реакции, она начинает сжиматься, этот процесс не может быть ничем остановлен и протекает все быстрее, доходит до состояния, когда свет уже не может выйти наружу, так образуется черная дыра. И в этот момент, когда начинает образовываться горизонт событий, внутри черной дыры начинает формироваться край новой Вселенной с бесконечным объемом. Таково одно из предсказанных решений общей теории относительности. Правильно оно или нет - придется выяснять в дальнейшем, но сегодня данная гипотеза активно обсуждается.
Другой вариант возникновения таких Вселенных - квантовые флуктуации. Сейчас весь научный физический мир думает о «теории всего и вся» или теории квантовой гравитации, но пока что самой теории нет, это, скорее, наука будущего. Она должна объединить квантовую механику и теорию гравитации. Если такая теория появится, мы сможем утверждать, что знаем о нашей Вселенной практически все. Сегодня же мы можем делать некие предсказания: если наш мир устроен так, что его свойства определяются свойствами квантовой гравитации, то во Вселенной могут возникать флуктуации в виде «затравочных» или «дочерних» Вселенных (микроскопический объект, который возникает во флуктуациях вакуума, подобно тому, как в переохлажденном паре возникают капельки воды, начинает очень быстро,
со скоростью света, расширяться). Мы их не видим только потому, что они находятся страшно далеко от нас - дальше, чем граница космологического горизонта (граница наблюдаемой Вселенной, откуда мы еще видим свет, примерно 14 миллиардов световых лет).
Сама же Вселенная имеет размеры гораздо больше этих 14 миллиардов световых лет, и для этой всеобъемлющей Вселенной физики придумали термин «Мультивсе ленная», МиШуегэе. В рамках этой гипотезы Муль-тивселенная состоит из бесконечного количества Вселенных типа нашей, а Большой взрыв,
давший 14 миллиардов лет назад начало нашей Вселенной, -лишь частный эпизод в жизни огромной Мультивселенной. У нее нет ни начала ни конца, и по-другому ее еще называют пространственно-временной пеной. Описать ее сейчас физики пока не могут, могут только лишь фантазировать, опираясь опять же на уравнения теории квантовой механики и теории гравитации. В рамках этих фантазий разновидностью черной дыры может быть так называемая кротовая нора, могут быть «белые дыры», откуда, наоборот, только все вылетает, но это все пока лишь гипотезы.
Художественная интерпретация (Alain r) червоточины с точки зрения наблюдателя, пересекающего горизонт событий червоточины Шварцшильда, которая является мостом между двумя Вселенными. Наблюдатель, подошедший справа, и другая Вселенная становятся видимыми в центре тени кротовой норы, когда пересекается горизонт событий. Наблюдатель видит свет, который попал внутрь чeрной дыры из другой Вселенной. Однако другая Вселенная недоступна в случае червоточины Шварцшильда, так как мост разрушится быстрее, чем наблюдатель пересечeт его, и в«, что попало за горизонт событий из любой Вселенной, будет раздавлено в сингулярности.
© Фалилеев М. Н., 2018
История статьи:
Поступила в редакцию: 10.01.2018 Принята к публикации: 16.02.2018
Модератор: Плетнер К. В. Конфликт интересов: отсутствует
Для цитирования:
Фалилеев М. Н. Черные дыры: «пожиратели» света, помощники эволюции и двери в другие Вселенные // Воздушно-космическая сфера. 2018. №1. С. 94-101.
В ОЖИДАНИИ
«МИЛЛИМЕТРОНА»
- С теорией разобрались, а что с практическим изучением? Вы упомянули открытие гравитационных волн, какие еще исследования ведутся сегодня?
- Наука экспериментальная уже вышла на такую стадию, что черные дыры становятся нашим повседневным объектом. Как я уже сказал, через два-три года мы увидим тень черной дыры в центре Галактики, и в том числе благодаря информации, которую получает наш «Радиоастрон».
А дальше нужно будет эту тень изучать более детально, и опять же, существует замечательный по своим идеям российский проект «Миллиметрон». Как видно из названия, это радиотелескоп миллиметрового диапазона электромагнитных волн, который позволит увеличить угловое разрешение в тысячу раз по сравнению с «Радиоастроном». Взаимодействие «Миллиметрона» с земными телескопами позволит нам уже детально изучать, что происходит вблизи черной дыры в центре Галактики. В том числе эти детали позволят нам проверить саму теорию относительности Эйнштейна, потому что она у нас в течение последних loo лет проверялась в режиме слабого поля, когда луч света вблизи Солнца немножко отклоняется и происходит замедление времени небольшое между самолетом на Земле и самолетом, летящим на высоте lo километров. Этот измеренный и наблюдаемый эффект называется слабым гравитационным полем, и наконец-то наука вышла на самые выдающиеся и нетривиальные предсказания теории относительности Эйнштейна - черные дыры.
Физики уже сейчас думают заранее о том, что, возможно, и сама теория относительности - не конечная теория гравитации, а су-
ществуют ее какие-то модификации, что называется, «обобщение теории гравитации». Этих модификаций уже сейчас существует огромное количество, и наш будущий проект «Миллиметрон» даст возможность ученым выяснять, какие теории, обобщающие теорию гравитации, правильные, и это подстегнет и теоретическую часть фундаментальной науки, и экспериментальную.
Современный уровень технологии позволяет реализовать проект «Миллиметрон», потому что для его реализации нужно иметь телескоп в субмиллиметровом диапазоне длин волн, такое зеркало металлическое, и таких телескопов на Земле уже десятки существуют, нужно только его забросить в космос и организовать сбор данных при взаимодействии его с остальными радиотелескопами на Земле такого же уровня.
И представляется, что открытие черной дыры в центре Галактики в виде ее изображения через два-три года подстегнет научное сообщество к тому, что на практике будет реализован и проект «Мил-лиметрон». Вот такие перспективы на ближайшие годы именно в этой науке.
Потому что, опираясь на это знание, мы ориентируемся в жизни. Мы знаем, как устроен мир, знаем, чего ожидать - от Вселенной, от нашей матушки-Земли, атмосферы, и это дает нам знание, откуда мы это знаем - потому что мы знаем законы природы. Поэтому наука необычайно важна для человечества, и недаром человечество тратило, тратит и будет тратить колоссальные усилия на ее развитие. И в частности, одна из основных целей Российской академии наук - изучение фундаментальных законов природы и открытие новых законов природы, а прикладные исследования - это уже второстепенная часть.
- Спасибо большое за интервью!
проект «МИЛЛИМЕТРОН»
Теплозащитные | экраны_
1
Криоэкран активного | охлаждения антенны
I Радиаторы
Раскрываемая
параболическая
антенна:
• диаметр 10 м
• 24 лепестка из высокопрочного углепластика
• точность поверхности 10 мкм
«Миллиметрон» - первый российский телескоп миллиметрового и субмиллиметрового диапазона на орбите
НАУЧНАЯ ПРОГРАММА МИССИИ «МИЛЛИМЕТРОН»
■ ■ ОБЛАСТИ ЗВЕЗДООБРАЗОВАНИЯ Пылевая оболочка скрывает от наблюдателя излучение в видимом и ближнем ИК-диапазонах |
% «МИЛЛИМЕТРОН» ПОЗВОЛИТ ИЗУЧАТЬ • Кинематику турбулентных течений газа с помощью спектроскопии • Роль магнитного поля с помощью измерений поляризации
ФОНОВОЕ ИНФРАКРАСНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
• Максимум на длине волны 300 мкм
• Создано далекими галактиками, которых так много, что они почти сливаются
• «Миллиметрон» сможет наблюдать отдельные галактики
ФОНОВОЕ МИКРОВОЛНОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
• Максимум интенсивности на длине волны 1 мм
• Реликтовое излучение, возникшее спустя 300 тыс. лет после Большого взрыва
• Наблюдение эффекта Сюняева - Зельдовича на скоплениях галактик
• Уточнения свойств темной энергии и
- 0,2
темной материи '
