Номер 08, 2008

В сердце черной дыры

Внезапно она появилась перед нами – гигантская черная дыра, похожая на вихрь, выплескивающий фонтаны лазурной материи.

Мы наконец приблизились к цели...

Итак, состоялось первое путешествие к центру самой таинственной звезды космоса. Этот виртуальный опыт насыщен странными явлениями. А сам межзвездный полет продолжался несколько лет.

Цель

Наша цель – Эпсилон Эридана, звезда чуть меньше Солнца, расположенная в 10,4 световых года от нас. Эта звезда стала мифической в 1960 году, когда Френсис Дрейк настроил радиотелескоп «Грин-Бэнк» (Вирджиния) на поиск сигналов, испускаемых гипотетической внеземной цивилизацией. Тщетно. Зная об этом и используя литературные слухи, по которым эта звезда является родиной Мистера Спока, человека с заостренными ушами из сериала «Стар Трек», Ален Рьязуэло обнаружил в этом направлении черную дыру размером в несколько тысяч солнечных масс.

Такой «космический труп» появляется, когда очень массивная звезда (10 солнечных масс и больше) завершает свою жизнь. На этой стадии энергия ядерного синтеза в сердце звезды уже не может противостоять гравитационной силе, действующей внутри нее. Внутренние слои схлопываются и производят ударную волну, которая разбрасывает внешние слои агонизирующей звезды в пространство.

Взрыв виден во всей Галактике и даже вне ее в виде взрыва сверхновой. Сердце звезды бесконечно падает вниз и концентрируется в одну точку, называемую «странность».

Получившийся объект исключительно компактен и создает вокруг себя не имеющую равных гравитационную силу: ее притяжению сопротивляться не может ничто. Даже лучи света попадают в вечную ловушку.

Старт

Путешествие При скорости, близкой к скорости света, происходит явление аберрации: видимое направление световых лучей смещается вперед. Постепенно весь небесный свод становится видимым впереди. Усиленный блеск звезд образует ослепительную точку, под которой кольцом проходит Млечный Путь.

На орбите Вокруг черной дыры возникает эффект гравитационной линзы. Вверху: световые лучи Млечного Пути отклоняются черной дырой: его фантомное изображение появляется в виде кольца. Внизу слева: световые лучи Млечного Пути на заднем плане настолько растянуты, что отражают фантомное изображение вблизи черной дыры. Справа: то же явление приводит к появлению двух изображений звезды, расположенной позади черной дыры, противостоящих друг другу.

Выдана соседями! Сами по себе черные дыры невидимы, поскольку не испускают никаких лучей. Быть может, они не существуют? Средство их обнаружить – опросить соседей. Так и поступают уже пятнадцать лет в Институте Макса Планка. Наблюдатели ищут движение среди многочисленных звезд, заполняющих центр Галактики. Это плотное скопление, сконцентрированное в небольшой зоне, уже является знаком, что существует большая масса, способная гравитационно связать всю звездную деревеньку.

Приближение Чтобы «коснуться» черной дыры, надо с огромной скоростью падать к ее горизонту. Ускорение при приближении к ней меняет аспект лежащих вокруг звезд. Впереди свет звезд сдвигается к голубому, их яркость усиливается, а сзади свет смещается к красному: эффект Доплера.

Падение При приближении к горизонту черной дыры световые лучи отклоняются, создавая ощущение падающего на голову неба. На горизонте плененные лучи образуют блестящее кольцо. Рядом: входя в ход червя – по теории он выводит в другую Вселенную – мы увидим незнакомое небо, а потом разобьемся о странность.

Если мы надеемся достичь цели в течение одной человеческой жизни, нужен невероятно быстрый корабль: 99% скорости света. И все равно понадобится более четырех лет, чтобы пройти мимо ближайшей звезды! Увы, такое ускорение рассеет человека в пыль, настолько сильны будут силы гравитации, воздействующие на организм. Не спасут даже титановые стены.

Однако вообразим, что в ХХХ веке у нас в распоряжении появятся технологии для подобного путешествия без смертельного исхода. Тогда мы будем двигаться в пространстве со скоростью, равной 70% скорости света. Звезды не будут пролетать мимо нас, а словно явятся сзади: Антарес и Орион, находящиеся в противоположном направлении, появятся перед нами. Постепенно световые лучи словно сконцентрируются в центре нашего поля зрения, образовав некую ослепительную световую лужу. Мы набрали 99% скорости света и больше ничего не видим.

Неожиданный эффект

Он вызван явлением «аберрации света», сходным с дождевыми каплями на ветровом стекле машины. Когда она движется с большой скоростью, видимое направление дождя смещается вперед и нам кажется, что дождь летит на нас почти горизонтально.

Постепенно весь небосвод, который был за спиной, словно смещается вперед, кроме точки, расположенной точно позади нас.

Это явление открыто Джеймсом Бредли в 1728 году. Когда британский астроном пересекал реку в экипаже, он заметил, что видимое направление ветра изменилось, – эффект, хорошо знакомый мореплавателям. Удивленный Бредли задал себе вопрос: может ли этот эффект относится и к свету? После нескольких месяцев наблюдения за звездой Гамма Дракона он выявил изменения видимого положения звезды.

Явление аберрации имеет обескураживающее последствие: если ускоряться до скоростей, близких к скорости света, а свет, излучаемый всеми объектами, даже расположенными позади нас, концентрируется в направлении, в котором мы несемся на всех парах, возникает ощущение, что мы летим назад!

Во время этого сказочного ускорения меняется даже вид звезд. Красные звезды, вроде Бетельгейзе, становятся оранжевыми, потом желтыми и наконец ослепительно белыми. У голубых гигантов яркость усиливается в десять раз. Позади нас эффект обратный. Все звезды постепенно краснеют, их светимость резко падает, потом они темнеют окончательно, сливаясь с черным небом. Эти два противоположных явления связаны с эффектом Доплера, который вызывает смещение в красную сторону, когда свет удаляется, и смещение в голубую сторону, когда приближаешься к источнику света.

На самом деле между эмиссией волны и ее приемом может произойти смещение частот, когда расстояние между передатчиком и приемником меняется с течением времени. Это смещение световых волн схоже с более известным смещением акустических волн: рев сирены полицейской машины становится все более пронзительным при приближении и более низким при удалении.

Возврата нет

И вот уже черная дыра перед нами – ее силуэт вырисовывается на фоне роскошного звездного ковра. Наш корабль становится на круговую орбиту на приличном расстоянии от чудовища. Чтобы не испытывать гравитационного влияния последнего, надо адаптировать скорость с высотой.

Чем ближе мы приблизимся к черной дыре, тем выше должна быть скорость и расход энергии. Но есть граница этой эквилибристики, называемая «фотонной сферой»: на этой орбите скорость сателлизации равна скорости света, а значит, только фотоны могут подходить достаточно близко к черной дыре, имея шанс уйти.

Вокруг мертвой звезды происходят странные оптические явления. Звезды со всех сторон как бы обзаводятся двойниками, ведя световой хоровод вокруг нее. На расстоянии объекты выглядят словно растянутыми. Газовый шлейф Млечного Пути закругляется, а двойник рисует петлю под черной дырой. Все эти визуальные миражи вызваны отклонением световых лучей. Предсказанный Альбертом Эйнштейном в 1915 году в рамках его теории гравитации, этот эффект подтвержден в 1919 году во время солнечного затмения, которое позволило выявить, что световые лучи, проходящие впритирку к краю Солнца, отклоняются на 1,75 угловых секунды.

Явление становится более заметным вблизи черной дыры. Фотон, пролетающий около, словно захватывается ее невероятной гравитационной силой. Если он не пересечет фотонную сферу, то сможет несколько раз обернуться на орбите и улететь под иным углом.

Для наблюдателя это выглядит как несколько источников световых лучей. Перемещение света создает бесконечную множественность фантомных изображений вблизи черной дыры. Еще более удивительно, что звезды, расположенные позади нас, могут быть замечены вокруг черной дыры, поскольку некоторые из их лучей были ею отклонены, ибо она выступает в качестве космического зеркала заднего вида.

А когда звезда находится точно позади черной дыры, она действует как лупа, концентрируя и отклоняя в нашу сторону основную часть света этой звезды, что удесятеряет ее яркость.

Отправившись в путешествие в один конец, наш корабль теперь несется прямо вперед к темному порту, остающемуся абсолютно черным. Если бы в этом адском спуске перед нами неслась эластичная человеческая фигура, ее ноги незаметно притягивались бы к мертвой звезде, а все тело постепенно бы вытягивалось, превращаясь в длинную спагеттину.

Однако есть граница, отделяющая зону, где еще все возможно, от зоны, когда наша судьба будет окончательно решена. Увы! Эту точку невозврата определить невозможно. Как пловцу, который ничего не чувствует, пока его не подхватывает течение, несущее к точке падения. В момент, когда мы пересекаем горизонт черной дыры, ничего не происходит.

Постепенно темный силуэт дыры заполняет все поле зрения, и нам кажется, что небо рушится нам на голову. Последнее видение в момент столкновения с черной дырой (странностью) – зрелище чрезвычайно яркого кольца, которое окружает нас со всех сторон. Мы уже не выберемся из черной дыры и не сможем поделиться этим уникальным опытом, потому что оттуда не может уйти никакая информация.

Единственная надежда зависит от научной фантастики: если ходы червя существуют, мы, быть может, сможем выбраться в иной мир. Но если теория и не запрещает его существования, это остается чрезвычайно невероятным...

Год за годом восстанавливались орбиты десятка звезд, что выявило – все они с огромной скоростью вращаются вокруг... ничего. Но «ничего» удивительно массивного – примерно 3,7 миллиона солнечных масс – и находящегося в зоне, размером не превышающей нашей Солнечной системы. Этот темный объект мог быть лишь сверхмассивной черной дырой, названной Саггитариус А* и являющейся сердцем Млечного Пути.

Удивительные объекты

Черные дыры, как и исходная Вселенная, описаны общей теорией относительности и имеют самые мощные гравитационные поля в природе. Это простые и обескураживающие объекты: с одной стороны, их физика полностью описывается тремя параметрами – меньше, чем у атома! – а с другой, они являются местом удивительных гравитационных эффектов, которые наша интуиция пока не в силах разгадать.

В лекциях по общей теории относительности черные дыры описывались методически еще полвека назад. Было бы лучше показать, на что они похожи... Но тогда никто не брался за подобную задачу.

Для заполнения этой лакуны пришлось создать программу, предназначенную для определения траектории фотонов вблизи черной дыры. Два года назад это было моделирование без особых амбиций, которое выдвигало простую черную дыру на шахматной доске. Результат был интересным, но следовало перенести черную дыру на небо, что и было сделано группой американских исследователей: речь шла об определении места 470 миллионов объектов.

Эффект оказался невероятным. Затем для выполнения чистой работы пришлось определить цвета звезд по звездным каталогам, изучить ответ глаза на данный спектр: истинная работа цветометриста. Решение уравнения траекторий фотонов заняло всего несколько дней муравьиного труда. Когда был создан математический и информативный инструмент, захотелось посмотреть, что происходит при вхождении в черную дыру. Последний этап состоял в интеграции всех физических явлений, предсказанных общей теорией относительности вблизи черной дыры.

Научная визуализация существует в виде схем, но они бесплодны и предназначены для специалистов. И потом – они не дают ответов на простейшие вопросы вроде: на что похож звездный фон вблизи силуэта черной дыры?

Мечту осуществил студент

Всего пятнадцать лет мы располагаем информативными инструментами для реализации анимационных последовательностей. Это сделал французский математик Жан-Ален Марк. Но после его преждевременной кончины большая часть его работ – неоконченных и ограниченных информативными средствами того времени – была утеряна.

К счастью, у Жан-Ален Марка оказался столько же упорный последователь. Еще будучи студентом Ален Рьязуэло увлекся моделированием. Теперь он – сотрудник Парижского астрофизического института – наконец завершил работу, начатую когда-то старшим собратом по науке и мечте.

Марина ХОВАН

К началу ^