Вселенная. Емкие ответы на непостижимые вопросы

После того как массивная звезда исчерпывает запас ядерного топлива, термоядерные реакции которого поддерживают ее температуру, внутреннее давление в ней начинает падать. Гравитация пересиливает это давление, и звезда все быстрее начинает сжиматься к центру. Она становится меньше и меньше, как бы взрываясь вовнутрь, а гравитация на ее уменьшающейся поверхности растет (повинуясь ньютоновскому закону обратных квадратов). В конечном счете, когда звезда сжимается до пары десятков километров, ее гравитационное притяжение становится настолько огромным, что ничто, даже свет, не может ее покинуть. Звезда создает вокруг себя черную дыру. Сама звезда внутри черной дыры продолжает сжиматься и разрушается сингулярностью бесконечной хаотической гравитации, что находится в центре черной дыры. Этот процесс недвусмысленно предсказан эйнштейновской общей теорией относительности.

В нашей галактике Млечный Путь миллионы черных дыр, во вселенной – триллионы, и каждая из них может опустошать окружающее космическое пространство.

Если взорвавшаяся вовнутрь звезда была частью двойной системы, то черная дыра унаследует звезду-компаньона. Гравитация черной дыры притягивает газ соседней звезды, и он закручивается по спирали, ведущей к дыре, создавая газовый диск, настолько горячий, что он генерирует не столько видимый свет, сколько рентгеновское излучение. Астрономы наблюдают множество таких дисков, закручивающихся вокруг тяжелых и темных объектов – очевидно, черных дыр.

В центре эллиптических и спиральных галактик, таких как Млечный Путь, каким-то образом сформировались сверхмассивные черные дыры – может, вследствие взрыва сверхмассивной звезды или слияния множества более мелких черных дыр. Эти гигантские дыры, массой от миллиона до десяти миллиардов Солнечных масс и размером со всю Солнечную систему, могут разрывать звезды на части, формируя вокруг себя горячие газовые диски из ошметков этих разорванных звезд. Магнитные поля, содержащиеся в таком диске, взаимодействуют с водоворотом искривленного пространства, который торчит из черной дыры (и об этом я расскажу позже), исторгая гигантские высокоэнергичные струи (джеты). Эти струи вырываются в межгалактическое пространство и иногда обладают большей светимостью, чем все звезды галактики вместе взятые! Астрономы наблюдали и изучали сотни таких джетов и окружающих их дисков, но увидеть находящуюся в центре дыру не могли, потому что она, собственно, черная. Она не излучает свет.

Из чего сделана черная дыра? Не из вещества, как я или вы, но из искривленного пространства и времени.

Давайте я объясню это по аналогии. Представьте себе детский батут – большую резиновую простыню, закрепленную на высоких стойках. Большой камень, положенный в центр такого батута, заставляет резину прогибаться, как показано на рисунке 1. А теперь представьте, что вы – муравей, слепой муравей. Резиновое полотно – ваша вселенная, и вы исследуете ее, измеряя ее форму. Вы измеряете длину окружности, содержащей расположенный в ее центре камень. Вы проходите по всей окружности, чтобы измерить ее, а затем принимаетесь за диаметр круга. Вы идете, и идете, и идете по диаметру. Вы обнаруживаете, что это очень большое расстояние – что диаметр, на самом деле, намного больше длины окружности. Будучи умным муравьем, вы заключаете, что пространство вашей вселенной искривлено. Его нельзя описать плоской геометрией Евклида, скорее, оно имеет геометрию искривленного резинового полотна.

Если бы мы в нашей вселенной могли сделать двумерный разрез по экватору черной дыры и измерить ее форму, мы обнаружили бы, что она очень похожа на прогнувшееся резиновое полотно из воображаемой муравьиной вселенной: диаметр больше длины окружности, как видно на рисунке 2. Пространство дыры изгибается вниз в некое многомерное «гиперпространство», которое не является частью нашей вселенной. И в центре, вместо тяжелого камня, находится так называемая сингулярность, где пространство искривлено бесконечно резко – зловещая сингулярность, которая разрушает любую материю, заплутавшую в ее окрестностях.

Рис. 1. а) Батут с камнем по центру и муравей, изучающий на ощупь его форму. b) Пространство вокруг черной дыры. Вид из гиперпространства с бóльшим числом измерений, не являющегося частью нашей вселенной.

Рис. 2. а) Я падаю в черную дыру, передавая вам на ходу микроволновые сигналы. b) Искривление времени и движение пространства вокруг черной дыры.