Как уничтожить черную дыру
Можно ли уничтожить чёрную дыру?
Черные дыры — это главные «уничтожители» во Вселенной. Всё, что приближается к ним, будь то астероид, планета или звезда, рискует быть разорванным на части мощнейшей гравитацией. Если же что-то переступит черту, иначе называющуюся «горизонт событий», то исчезнет навсегда, увеличив при этом массу черной дыры и расширив её радиус. Сегодня мы не в состоянии представить, как можно уничтожить такое чудовище. Ей ничего не сделает даже другая черная дыра – они просто сольются в одну большую, высвободив при этом немного энергии в виде гравитационных волн. Согласно некоторым предположениям, Вселенная в очень далёком будущем будет состоять только из черных дыр. И всё же, возможно, они тоже не вечны. Они тоже исчезнут. Надо просто подождать.
В 1974 году Стивен Хокинг выдвинул теорию, которая описывает процесс постепенной потери массы черной дырой. Это явление получило название «излучение Хокинга», и теоретически оно базируется на неплохо изученном феномене «квантовых флуктуаций вакуума». Если верить квантовой механике, любая точка пространственно-временного континуума постоянно «колеблется» между несколькими возможными энергетическими состояниями. Эти флуктуации обусловлены непрекращающимся процессом рождения и аннигиляции пар виртуальных элементарных частиц, состоящих из одной обычной частицы и одной античастицы, имеющей противоположный заряд.
В обычной обстановке аннигиляция происходит сразу после рождения подобных пар, и количество энергии не меняется. Но давайте представим экстремальные условия, например, появление такой пары на самом краю горизонта событий черной дыры. При определённом их расположении в пространстве одна частица пары может избежать затягивания внутрь, в то время как вторая устремится в жерло этого бездушного «пылесоса». Последняя аннигилирует имеющуюся внутри частицу с противоположным зарядом, в результате чего чёрная дыра немного потеряет в своей массе. Для стороннего наблюдателя это будет выглядеть как излучение ею одной частицы. Таким образом, если черная дыра не будет всасывать в себя вещество и энергию извне, она будет испаряться — с неимоверно медленной скоростью. Сколько может продлиться этот процесс? Ответ на этот вопрос даёт раздел физики, который называется термодинамикой черных дыр.
Когда тот или иной объект выделяет энергию, мы воспринимаем её как тепло, значение которого можно измерить. Аналогичным образом можно определить и «температуру» черной дыры. Тут наблюдается чёткая закономерность. Чем она массивнее, чем ниже ее температура. У самых крупных это значение практически равно абсолютному нулю. Чёрная дыра массой с астероид Веста будет «разогрета» приблизительно до 200 градусов по Цельсию, то есть будет испускать довольно сильное излучение Хокинга. В общем, чем меньше черная дыра, тем она горячее, и тем быстрее испарится полностью.
Хотите знать конкретные сроки? Тут всё не так просто, и в обозримом будущем ничего подобного не намечается – потому что чёрные дыры продолжают глотать материю и энергию. Но чисто теоретически подобный объект, не получающий никакой подпитки извне и имеющий массу нашего Солнца, самоликвидируется за 10 в 67 степени лет. Когда черная дыра усохнет до 230 тонн, ей останется жить всего одну секунду. Затем она исчезнет полностью, выбросив свою энергию во Вселенную.
Гигантская чёрная дыра
Излучение Хокинга никогда не наблюдалось напрямую, оно ещё не зафиксировано наукой. Есть, однако, учёные, которые считают, что некоторые гамма-лучи, изредка фиксирующиеся соответствующими средствами наблюдения, являются напоминанием о смерти так называемых первичных черных дыр, образовавшихся вскоре после Большого взрыва. Последние этапы жизни Вселенной, как считается, будут невообразимо долгими, холодными и мрачными. И если был прав Стивен Хокинг, последними прекратят своё существование чёрные дыры — пугающие, абсолютно непроницаемые и загадочные.
Есть ли способ уничтожить чёрную дыру?
«Обстреливать» её звёздами и другими чёрными дырами тоже бесполезно.
Однако способ есть. На ум приходит интересная цитата Стивена Хокинга из его знаменитой книги «Краткая история времени»:
«Сейчас мы знаем, что каждой частице соответствует античастица, с которой она может аннигилировать (взаимоуничтожаться). Могли бы существовать целые антислова и антилюди, состоящие из античастиц. Но встретив антисебя, не вздумайте поздороваться с ним за руку! Возникнет ослепительная вспышка света, и вы оба исчезнете!»
Смекаете? Да, нам нужны античастицы! Но что это вообще такое?
Античастица – это частица-двойник некоторой другой элементарной частицы, обладающая той же массой и тем же спином (собственный момент импульса атомного ядра или атома), отличающаяся от неё знаками всех других характеристик взаимодействия (зарядов, например, электрического, цветового и др.). Так, для электрона с его отрицательным зарядом античастицей будет являться позитрон с положительным зарядом. Что будет, если столкнуть электрон и позитрон? Их масса превратится в энергию в форме гамма-квантов. Аналогичная история случится и с чёрной дырой: если чёрную дыру столкнуть с другой чёрной дырой, состоящей из античастиц, то гигантское количество массы превратилось бы в чистую энергию колоссальной мощности, но… Это не будет вспышка света – энергии будет настолько много, что она снова преобразуется в массу, а где масса – там и чёрная дыра, и опять с удвоенной массой! Неужели нам никак не избавиться от чёрной дыры? Даже античастицы не помогут?! Не будем пока откладывать их в сторону и скажем о них ещё кое-что, ведь они нам ещё пригодятся.
Итак, где нам достать античастицы? Они рождаются при столкновении частиц вещества, разогнанных до энергий, превосходящих порог рождения пары частица-античастица. Для этого нам понадобится ускоритель частиц – Большой адронный коллайдер, опредённо, подойдёт. А есть ли места во Вселенной, где эти античастицы образуются естественным путём? Они появляются при взаимодействии первичных космических лучей (они состоят из элементарных частиц и ядер, движущихся с высокими энергиями в пространстве) с веществом, например, атмосферы Земли, а также должны рождаться в окрестностях пульсаров и активных ядер галактик.
Кстати, античастицы можно поискать прямо в окрестностях чёрной дыры, от которой нам так хочется избавиться. В теории, те же позитроны или антинуклоны возникают при падении вещества на чёрные дыры. Не исключено, что античастицы рождаются при испарении первичных чёрных дыр малой массы. Ещё античастицы могут рождаться при высоких температурах, превышающих энергию покоя частиц. Такие условия могут быть в горячих ядрах массивных звёзд.
Как умирают черные дыры?
Самыми таинственными объектами во Вселенной по праву можно назвать черные дыры – области пространства-времени гравитация которых настолько сильна, что ничто, даже свет, не может их покинуть. Интересно, что на просторах бесконечной Вселенной существуют черные дыры, масса которых превышает массу Солнца в пять-сто раз, но есть и такие, чья масса превышает миллиард солнечных. Сегодня астрономы считают, что сверхмассивные черные дыры скрываются в сердце большинства галактик, отмечая при этом, что Вселенная находится в так называемой «звездной эре» – этапе эволюции Вселенной, во время которого звезды и галактики рождаются непрерывно. Но что лежит за границей звездной эры? Исследователи полагают, что в конечном итоге все ингредиенты для создания черных дыр будут исчерпаны, а звезды в ночном небе медленно погаснут, превратив тем самым черные дыры в единственных обитателей Вселенной. Но даже эти космические монстры не могут существовать вечно. Когда-нибудь и они погибнут, озарив, на прощание, пустое и безжизненное пространство фейерверком.
Доказать существование черных дыр ученым удалось совсем недавно.
Как появляются черные дыры?
Та часть вещества, которую не выбросило в межзвездную среду, как правило, преобразуется либо в компактный объект – нейтронную звезду (в случае, если масса звезды до взрыва составляла более 8 солнечных масс), либо в черную дыру – область пространства-времени, в которой всем управляет ее величество гравитация (в случае, если масса оставшегося после взрыва ядра превышает солнечную в пять раз).
Так выглядит вспышка сверхновой в объективе космического телескопа NASA Hubble.
Как отмечают астрономы, подобная связь между рождением черной дыры и смертью звезды, которая ее образовала, довольно распространенное явление во Вселенной. Особенно близки черные дыры с другими звездами в тех ее уголках, где звездообразование происходит с высокой скоростью. Напомним также, что звездообразование является крупномасштабным процессом, в ходе которого из межзвездного газа в галактике начинают массово формироваться звезды.
Хотите всегда быть в курсе последних новостей из мира астрономии и физики? Подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram чтобы не пропустить ничего интересного!
Эволюция черных дыр
Итак, после рождения черной дыры в результате гибели массивной звезды, ее главным занятием становится поглощение любых объектов, оказавшихся поблизости. В некоторых случаях поглощенный материал (газ и звезды) окружает этих космических монстров, двигаясь все быстрее и скапливаясь вокруг. Так как трение между пылью генерирует тепло, аккреционный диск черной дыры начинает светиться, очерчивая ее тень или горизонт событий. Именно его в 2019 году удалось сфотографировать ученым, о чем подробно рассказал мой коллега Николай Хижняк в своем материале.
Но помимо того, что горизонт событий окружает черную дыру, он также является ключом к ее гибели. Все потому, что любой поглощенный черной дырой материал пропадает навсегда, по крайней мере, это следует из нашего понимания гравитации. Однако эта так называемая точка невозврата не учитывает квантовую механику – да, да, физики по-прежнему трудятся над созданием единой теории квантовой гравитации и, кстати, недавно добились довольно интересных результатов.
Стивен Хокинг – английский физик-теоретик, космолог и астрофизик. Хокинг первым изложил космологическую теорию, в которой были объединены представления общей теории относительности и квантовой механики.
Исследователи сравнивают этот процесс с песочными часами, где песок наверху – это количество времени, оставшееся у черной дыры. Поглощая все больше звезд и газа, прожорливый космический монстр продолжает добавлять песчинки в «тикающие» песочные часы, даже когда отдельные частицы просачиваются наружу. Но по мере старения Вселенной материал вокруг черной дыры иссякнет, знаменуя ее неминуемую погибель.
Кстати, самая мощная из когда-либо зарегистрированных сверхновых (ASSASN-15lh) сегодня считается в 22 триллиона раз более взрывоопасной, чем черная дыра в ее последние мгновения. А как вы думаете, каким будет конец Вселенной? Ответ будем ждать здесь, а также в комментариях к этой статье.
Что будет, если черная дыра встретится с черной дырой из антивещества?
Что будет, если запустить черную дыру в черную дыру из антивещества? Обе уничтожатся? Безумный мысленный эксперимент, на первый взгляд, но что нам мешает теоретизировать? Все началось с того, как Фрейзер Кейн с UniverseToday вслух подумал о том, как можно было бы уничтожить черную дыру. Его рассуждения любопытны не в меру.
Фрейзер Кейн предложил антивещество и отклонил его как еще один безнадежный и бессмысленный способ накормить галактическое чудовище. Но подожди, скажете вы, разве антивещество это не противоположность обычному веществу? Разве если сложить отрицательно число с положительным, они не компенсируют друг друга? Почему нельзя просто накачать антивещества в обычную черную дыру и не поделить ее на ноль?
Антивещество — это практически то же самое, что и обычное вещество, только все в ней наоборот. Электрический заряд, направление спина, конфигурация всех субчастиц, которые ее составляют. Все наоборот, кроме массы. Антиэлектрон обладает такой же массой, что и электрон. И вот здесь нам стоит задуматься. При столкновении равных количеств вещества и антивещества, они аннигилируют. Но не исчезают. Они превращаются в чистую энергию.
Как завещал нам Эйнштейн, масса и энергия — это просто разные аспекты одного и того же. Вы можете превратить массу в энергию и превратить энергию в массу. Черные дыры превращают все, как материю, так и энергию, в еще больше черной дыры. Представим, как обычная и необычная черные дыры с одинаковыми массами сталкиваются вместе. Обе они должны аннигилировать и превратиться в чистую энергию.
Конечно, гравитация черной дыры настолько велика, что ничто, даже свет, не может ее покинуть. Поэтому вся энергия моментально превратится в еще большую черную дыру. Хотите еще больше черной дыры? Добавьте в нее больше всякого. Если два этих объекта объединятся, новая черная дыра будет обладать удвоенной массой.
Все может быть еще дороже. Возможно, Большой адронный коллайдер способен порождать крошечные черные дыры (хотя ни одной пока так и не видели). Если физикам удастся совладать с математикой, они смогут создать микроскопическую черную дыру из антивещества, сталкивая вместе частицы антиводорода. Стоимость такого процесса затмит стоимость производства самого антивещества.
В общем, пока лекарства от черных дыр в этой Вселенной не придумали. Кроме времени. Времени боятся даже черные дыры.
Смерть с небес: как черная дыра уничтожит Землю
Человечество могут стереть с лица планеты подуставшее Солнце, пришельцы, звезды и многие другие сюрпризы, которые для нас приготовил космос. Если климатические пророчества Греты Тунберг уже утратили для вас остроту, пощекочите нервы прогнозами Фила Плейта — американского астронома, чья книга «Смерть с небес. Наука о конце света» выходит в январе в издательстве «Альпина нон-фикшн». Публикуем фрагмент о красочном апокалипсисе, который может случиться, если по соседству с Землей появится черная дыра.
Именно астроном-любитель, который всегда начеку, чует первые признаки беды. Он надеялся сделать несколько снимков Урана через свой автоматизированный телескоп, но компьютер упорно разворачивал его в другом направлении. Перейдя в ручной режим, астроном в конце концов находит планету в нескольких угловых минутах от расчетного положения. Озадаченный, он звонит другу, и быстро выясняется, что у того такая же проблема. Поиск по нескольким форумам в интернете свидетельствует о том, что многие астрономы во всем мире сталкиваются с тем же самым.
День за днем ситуация только ухудшается. Теперь уже, похоже, и с Юпитером происходит что-то странное. Однако Сатурн, который сейчас находится с другой стороны от Солнца, вроде бы в порядке. Ползут слухи.
Затем ситуация становится очень странной. Обсерватория для наблюдения за Солнцем и проведения гелиосферических исследований, находящаяся на орбите, где силы тяготения Земли и Солнца равны, начинает смещаться. Инженеры озадачены, но вскоре им приходится решать другие проблемы. Теперь Марс не на месте.
На Красную планету летит зонд NASA: попадет ли он на нее? Но вскоре это уже под вопросом, так как космический аппарат также смещается. Через несколько дней становится ясно, что зонд потерян… и что зонд — это наименьшая из наших проблем.
Астрономы, наблюдающие за Солнцем, обнаруживают, что его положение также сместилось. Этого не может быть! Что может сдвинуть целую звезду. Но очень быстро они понимают, что проблема не с Солнцем, а с Землей. Как и другие планеты, Земля уже не вращается вокруг Солнца как обычно, а сходит со своей предначертанной орбиты.
Распространяется паника. Ученые приходят к очевидному выводу: к Земле приближается некий массивный объект, и его притяжение смещает нас с курса.
По данным о движении других планет они определяют положение этого объекта, но на том участке неба ничего нет.
Как ни странно, именно тот факт, что они ничего не видят, подтверждает их самые мрачные прогнозы: это черная дыра. После анализа ее траектории становится ясно, что она движется практически прямо на нас с невероятной скоростью км/с. По расчетам астрономов, ее чудовищная масса в десять раз больше массы Солнца — такой легко накликать конец света для нас на Земле. Сначала ее гравитационное воздействие еле ощущается, но быстро нарастает.
Всего через несколько недель после обнаружения первых признаков проблемы, когда черная дыра все еще находится в 480 млн км от нас, ее гравитационное воздействие на Землю сравнивается с гравитационным воздействием Солнца. Земля уже обращается не вокруг одной звезды: она захвачена двумя — одной живой, другой мертвой. Еще через несколько дней влияние черной дыры перевешивает влияние Солнца. Схватив Землю невидимыми пальцами, сколлапсировавшая звезда отрывает нас от Солнца и притягивает к себе.
По мере приближения гравитационные приливные силы черной дыры начинают растягивать Землю. Приливные силы от Луны вызывают приливы и отливы в океанах, но масса черной дыры в 200 млн раз превышает массу Луны.
Даже с расстояния в миллионы километров приливная сила черной дыры вызывает обширные наводнения, мощные землетрясения, гигантские цунами.
Через несколько минут, когда черная дыра подходит еще ближе, сила, направленная кверху, начинает преобладать. Вздымающийся ураганный поток воздуха уносит невесомых людей вместе с камнями, автомобилями, океанами…
Через час все кончено. Колоссальные силы тяготения мертвой звезды разрывают Землю в клочки, превращая ее в пар.
Вещество, когда-то бывшее нашим родным миром, падает в ненасытную утробу дыры, все быстрее кружась вокруг нее, образуя диск из разогретой до миллиона градусов плазмы, прежде чем нырнуть с концами.
Черная правда
Что такое эти черные дыры? Не укладывающаяся в голове физика, абсолютная разрушительная мощь, каким сверхъестественным образом они искажают наши представления о реальности, пространстве и времени?
Может быть, они очаровывают нас просто потому, что они такие крутые.
Рождающиеся в адском сердце сверхновой, возвещающие о своем появлении двойными пучками ярости, не знающими преград, и поглощающие (почти) все, что попадается им на пути, черные дыры прочно сидят в общественном сознании. Им посвящают фильмы, телевизионные передачи, книги, бессчетные статьи и бесконечные дискуссии. И при всем этом восхищении и интересе большинство людей имеют лишь смутное представление о том, что такое черные дыры и какими они обладают способностями.
Но никогда не забывайте — они опасны.
Если вы не напрашиваетесь на неприятности, все эти способы крайне маловероятны, но если вам нужны массовые разрушения в крупных масштабах, тогда черная дыра — это подходящая идея.
Я упал и не могу подняться
Черная дыра — это объект, скорость убегания (вторая космическая скорость) для которого равна скорости света или превышает ее. Это означает, что все, что попадает в дыру, выбраться из нее не может, потому что, насколько нам известно, ничто не может двигаться со скоростью больше скорости света.
Следовательно, первая и самая очевидная опасность от черной дыры — это, буквально, падение в нее. Если такое происходит, ну что ж, ничего не поделаешь. Это поездка в один конец. С вами покончено. Больше не о чем говорить.
Это не очень-то впечатляющий способ, которым черная дыра может расправиться с вами — никаких лучей смерти, никаких массовых и ужасных разрушений. Просто плюх! И вас уже нет.
Такое отсутствие драматизма как-то скучновато для рассказа. Но это также противоречит здравому смыслу. Если вы находитесь на ракете, погружающейся в черную дыру, разве нельзя просто развернуть ракету, включить двигатели на самую полную мощность и улететь?
Нет, нельзя. Исключительно мощные силы тяготения вблизи черной дыры заставляют нас изменить свой взгляд на пространство, время и движение. Если бы черные дыры были лишь еще одним массивным объектом, с вами все было бы в порядке. Но черные дыры не просто какой-то привычный объект!
Одним из больших достижений Альберта Эйнштейна в науке была идея, что пространство — это объект. Оно не пустое; оно подобно ткани, в которой находятся массивные объекты.
Объект, обладающий массой, обладает силами тяготения, и эти силы тяготения изгибают пространство (примером в прошлой главе был шар для боулинга, лежащий на матрасе и прогибающий его). Траектория любого объекта, проходящего мимо более массивного, будет искривлена таким прогибом пространства за счет силы тяготения.
ВАЖНОЕ ПРИМЕЧАНИЕ. Когда кто-то объясняет идею черных дыр, искривляющих пространство, он неизбежно использует сравнение с плоской поверхностью, изгибаемой тяжелым объектом, как матрас под шаром для боулинга. К сожалению, это ведет к ошибочному представлению, что черные дыры — это круги в искривленном в виде воронки пространстве. Но это не так: реальность трехмерна, а в этой аналогии используются только два измерения (поверхность матраса можно считать двухмерной, но шар для боулинга прогибает ее, придавая ей третье измерение). Черные дыры — сферические, а изогнутое пространство не похоже на воронку. На самом деле форму изогнутого пространства невероятно сложно описать, потому что мы живем в этих измерениях, и описывать их — это все равно что пытаться описать красный цвет тому, кто слеп от рождения. Мы можем описывать искривление математическими формулами, делать прогнозы о нем и, вероятно, даже использовать его для понимания других явлений физики, но мысленно представить его если не совершенно, то практически невозможно.
Так что все следующие описания водопадов, утесов и всего такого — это сравнения, двухмерные представления искривленной трехмерной реальности. Вам от этого, вероятно, легче не станет, но Вселенная умеет причинять нам неудобства. Если бы это было не так, эту книгу было бы не о чем писать.
А сейчас вернемся к регулярным плановым смертям и разрушениям от черных дыр.
Но черная дыра не просто создает прогиб пространства; она вырезает бездонную яму, бесконечно глубокую дыру с вертикальными стенками. Как только вы в нее попали, выбраться оттуда вы не сможете ни на какой скорости.
Вы проваливаетесь в нее, и ничто вас не может удержать. Скорость убегания на поверхности черной дыры — называемой горизонтом событий — это скорость света.
Более точным было бы рассуждать об этом, пользуясь математическими формулами Эйнштейна и физическими принципами относительности. Эндрю Гамильтон, астрофизик с кафедры астрофизики и планетологии Университета штата Колорадо в Боулдере, довольно долго изучал черные дыры и у него есть интересное сравнение:
Понять, что происходит, будет легче, если представить, что черная дыра подобна водопаду. Только в черную дыру падает не вода, а само пространство. Снаружи горизонта событий скорость падения пространства меньше, чем скорость света. На горизонте пространство падает со скоростью света. А внутри горизонта пространство падает быстрее, чем свет, унося с собой все, даже свет. Такое представление черной дыры как области пространства-времени, где пространство падает быстрее света, это не просто хорошая концептуальная картинка… у нее есть прочное математическое обоснование [подчеркиваю].
Может показаться, что это нарушает еще один закон Эйнштейна — ничего не может двигаться быстрее, чем свет, — но это применимо только к физическим объектам, обладающим массой (и к самому свету). Пространство же отличается от материи и света (еще одна из великих идей Эйнштейна), поэтому оно может вести себя как захочет, в частности двигаться быстрее света.
Если вы находитесь внутри горизонта событий, пространство стекает в черную дыру быстрее скорости света… и, если вы проваливаетесь, оно уносит вас с собой.
Если вы попытаетесь выгрести против водопада, у вас ничего не получится, потому что вы никогда не сможете заставить свою лодку двигаться вверх быстрее, чем текущая вниз вода. Так и внутри черной дыры: в пространстве, текущем с транссветовой скоростью к ее центру, вы не сможете выгребать в своей ракете достаточно быстро.
Можно представить это и по-другому, но такое сравнение будет еще более фантастическим (если такое вообще возможно). Если вы взглянете на (чертовски сложные) уравнения, описывающие поведение пространства и времени вблизи черной дыры, вы обнаружите, что внутри горизонта событий переменные, представляющие пространство, ограничены. Вне черной дыры — например, там, где вы находитесь сейчас, — вы можете свободно двигаться в пространстве: вверх и вниз, вперед и назад, влево и вправо. Однако внутри черной дыры эта свобода исчезает. Движение возможно лишь в одном направлении — вниз.
Черные дыры забавны: даже такое элементарное действие, как движение, оказывается сложным. Но основной вывод таков: если вы проваливаетесь, что бы там ни было, вам конец.