Свет во тьме. Черные дыры, Вселенная и мы

Мысли некоторых ученых быстро обратились к величайшей из всех космических сил – гравитации. Чтобы нечто светило так ярко, его масса должна быть невообразимо огромной. Сэр Артур Эддингтон раньше уже обсуждал этот аргумент применительно к звездам. Поскольку свет тоже оказывает давление, то если бы звезда сияла слишком ярко, она бы лопнула – точно так же, как лопается слишком сильно надутый воздушный шар. Учитывая светимость столь гигантского небесного объекта, в целости его могла сохранить только огромная гравитационная сила.

Если использовать аргументацию Эддингтона для вычисления минимальной массы, необходимой для удержания квазара в целости, то она окажется равной почти миллиарду масс Солнца. Этого достаточно, чтобы свести с ума: разве можно себе представить, как масса, равная массе миллиарда Солнц, могла бы поместиться внутри одной Солнечной системы и светить, как миллиард Солнц?

Спустя шесть лет после открытия квазаров английский астрофизик Дональд Линден-Белл попытался выяснить, как разрешить эти противоречия. Что если в центре галактик были сверхмассивные черные дыры? Не маленькая звездная черная дыра, порожденная одной сверхновой, а миллиарды мертвых звезд, слившихся вместе, чтобы сформировать одного-единственного гиганта? Только такой объект мог излучать столько энергии, не разорвавшись при этом на части. К тому же он должен быть достаточно компактным. И в конечном итоге Роджер Пенроуз – британский математик и физик-теоретик – доказал, что возможность образования черных дыр допускается законами общей теории относительности.

Но как черная дыра может излучать свет? Разве она не должна быть черной? Да, сама черная дыра черная, однако газ, который притягивается к ней и вот-вот будет ею проглочен, – нет. Газ движется к черной дыре с невероятной скоростью и нагревается за счет гравитационной энергии, углового момента и магнитного трения. Вдобавок ко всему черные дыры невероятно эффективны: они заставляют почти все вокруг себя нестись со скоростью, близкой к скорости света.

Давайте представим металлический шар размером с кулак – для игры бочче. Если мы кинем его на игровой площадке, то он с глухим стуком ударится о землю, оставив небольшое углубление. Если мы зарядим этим же шаром пушку и выстрелим, то шар вылетит из нее со скоростью один километр в секунду и сможет пробить стену. А что произойдет, если мы дадим ему упасть на черную дыру почти со скоростью света? Он полетит в 300 000 раз быстрее, чем при выстреле из пушки. Но поскольку кинетическая энергия растет пропорционально квадрату скорости, у шара теперь будет примерно в сто миллиардов раз бóльшая энергия. Таким образом, полная энергия мяча для бочче в этом случае равнялась бы примерно десяти миллиардам киловатт-часов. Энергией одного такого падающего шара можно было бы снабжать электричеством дома трех миллионов немецких семей в течение года.

Это звучит как фантастика, но черные дыры действительно способны на такие вещи. Если пыль и газ попадают в гравитационное поле черной дыры, то из турбулентного газа, пронизанного магнитными полями, возникает и формируется так называемый аккреционный диск, похожий на аккреционные диски, обнаруженные вблизи новых звезд. И там, где располагается его внутренний край, этот гигантский “газовый вихрь” вращается вокруг черной дыры со скоростью чуть меньше скорости света. Газ нагревается из‐за магнитного трения и излучает яркий свет. Так называемая черная дыра сияет, как ярко-голубая звезда. Небольшая часть поступающей в нее горячей плазмы выбрасывается в космос под действием магнитных полей в виде гигантской светящейся струи (джета). По внешнему виду эти струи действительно напоминают след выхлопа – джета – реактивного самолета. В результате лишь немногим удачливым частицам удается сделать то, что не получается у всех остальных: вырваться из черной дыры. Как и в солнечной короне, частицы ускоряются в магнитном поле и генерируют мощное синхротронное излучение. На наших радиотелескопах мы как раз и видим, как из квазаров вылетают эти горячие намагниченные и сфокусированные струи, излучающие электромагнитные волны.

Эффективность этих гравитационных водоворотов и вырывающихся из них струй огромна – она почти в пятьдесят раз превышает эффективность реакции ядерного синтеза, происходящей в звездах. Таким образом, черные дыры являются самыми эффективными электростанциями во Вселенной. Вместо того чтобы бросать свой шар для бочче в черную дыру, я мог бы вылить в нее литр воды, и это простое действие произвело бы достаточно энергии для жителей города-миллионника на целый год. Вода‐то у меня под рукой есть, а вот подходящей черной дыры, к сожалению, нет. А ведь как легко тогда можно было бы решить все наши энергетические проблемы!