Чудовища доктора Эйнштейна. О чёрных дырах, больших и малых

Вымышленный рассказчик По видит в этом водовороте странную и ужасную красоту. Нечто подобное можно испытывать, наблюдая черные дыры. Чудовища Эйнштейна страшны и чарующи. По краям водоворота кружатся останки кораблей, сверкают брызги и пена. Черная дыра в двойной системе также весьма зрелищна. Удивительная ирония астрономии: совершенно невидимые объекты могут стать ярчайшими во Вселенной. Все дело в гравитации.

В качестве земного примера рассмотрим плотину Итайпу на границе между Бразилией и Парагваем. Это плотина ГЭС, вырабатывающей колоссальную энергию – 100 тераватт-час в год, – достаточную для удовлетворения потребностей в энергии нескольких миллионов человек[90]. Откуда берется эта энергия? Плотина поднимает воду реки Параны. Каждую секунду 300 000 куб. м воды падают с высоты 110 м, преобразуя гравитационную потенциальную энергию в кинетическую энергию воды, ускоренной до 45 м/с. У основания плотины скорость воды снижается в десять раз, поскольку ее кинетическая энергия переходит в энергию вращения лопаток турбины: вращающаяся турбина вырабатывает электроэнергию. Подобным образом вещество, падающее в черную дыру, выделяет энергию.

Посмотрим, что происходит, когда вещество падает в черную дыру. Этот процесс называется аккрецией. Черные дыры притягивают главным образом газообразный водород, который образует звезды и, разреженный, заполняет пустое межзвездное пространство. Его протоны и электроны могли бы следовать прямо внутрь – проваливаться за горизонт событий и исчезать в черной дыре, навсегда ускользая от нашего взора. Однако это крайне маловероятно, поскольку лишь немногие частицы газа будут двигаться прямиком к черной дыре; в большинстве они будут двигаться поперечно. Это движение может привести к тому, что частица навсегда улетит в космическое пространство или окажется на орбите вокруг черной дыры. Частицы также будут сталкиваться, поскольку летят по разным траекториям. Таким образом, движение частиц к дыре беспорядочно и хаотично, а столкновения приводят к разогреву газа.

Большая часть газа концентрируется в аккреционном диске вокруг экватора черной дыры, и области над ее полюсами оказываются относительно пустыми. И это значит, что часть горячего газа уходит через полюса. При этом энергия вращения из черной дыры превращается в кинетическую энергию. Газ выбрасывается в пространство в виде парных струй быстро движущихся частиц по оси вращения черной дыры. Эти струйные выбросы – джеты – уносят малую часть гравитационной энергии вещества, падающего в черную дыру. Если бы мы могли приблизиться к аккреционному диску, то увидели бы невероятные искажения, обусловленные искривлением света из-за мощной гравитации черной дыры (илл. 16).

Представим спирально закручивающийся диск газа, похожий на брызги и пену по краям водоворота из рассказа По. Центром происходящего является вращающаяся вокруг своей оси черная дыра, мрачная и беспощадная. Чем ближе к ней оказываются частицы, тем быстрее они движутся. Их гравитационная энергия преобразуется в кинетическую. Они сталкиваются друг с другом, и газ разогревается, а трение внутри диска вызывает сильное тепловое излучение. Газ в аккреционном диске имеет температуру миллионы градусов и ярко светится в рентгеновском диапазоне.

Таким образом, гравитационная энергия превращается в излучение. Поразительно, что настолько темный объект может создать такую яркую картину. Процесс чрезвычайно эффективен. В данном случае эффективность определяется той частью аккумулированной энергии, которая превращается в излучение. Химический процесс горения, обеспечивающий бо?льшую часть энергии на Земле, имеет эффективность 0,0000001 %. Эффективность термоядерного синтеза в звездах, обусловливающего их свечение, чуть меньше 1 %. Аккреция в стационарную черную дыру имеет эффективность 10 %, во вращающуюся – 40 %[91]. Черные дыры – самые мощные источники энергии в природе.

Газ не моментально попадает в черную дыру из-за момента импульса[92]. То же самое относится к планетам, вращающимся вокруг Солнца. Детальная проработка процесса аккреции на черную дыру являлась одной из самых сложных проблем в астрофизике: почти два десятилетия над ней бились десятки исследователей[93]. Частицы газа в аккреционном диске подвергаются трению, поэтому весь диск ведет себя так, словно он вязкий. В результате одна часть вещества теряет момент импульса и приближается к черной дыре, а другая часть приобретает момент импульса и удаляется от нее. Частицы, оказавшиеся вблизи внутреннего края диска, движутся почти со скоростью света. Приближаясь к горизонту событий, типичная частица медленно проходит сквозь аккреционный диск по спирали, теснясь и толкаясь в массе остальных частиц. Затем на внутреннем крае аккреционного диска гравитация затягивает ее прямо в черную дыру. В этой последовательности событий черная дыра набирает массу.