Вселенная. Емкие ответы на непостижимые вопросы

Представьте себе двух человек, находящихся над полюсами черной дыры, как показано на рисунке 5. Ноги верхнего человека ближе к дыре, чем его голова, поэтому они затягиваются вихрем пространства дыры быстрее, чем его голова. В результате голова видит, как ноги скручиваются против часовой стрелки, а – заметьте! – ноги видят, как голову скручивает против часовой стрелки. Это как выжимать воду из мокрого полотенца: ваша левая рука видит правую, совершающую поворот против часовой стрелки, а ваша правая рука, глядя на левую, видит, что та вращается против часовой стрелки. В этом смысле пространство на северном полюсе дыры сворачивается против часовой стрелки.

Эти скручивания были недавно обнаружены при разборе уравнений Эйнштейна группой молодых ученых под моим руководством. Мы открыли, что это скручивание направляется (иными словами, контролируется) штуками, которые мы назвали «вихревыми линиями», одолжив это название из механики жидкости. Есть вихревые линии, движущиеся против часовой стрелки, собранные в единый вихрь, выходящий из северного полюса черной дыры (на рисунке показаны пунктиром) и вихревые линии, движущиеся по часовой стрелке, точно так же выходящие из южного полюса (на рисунке показаны сплошными линиями). Это похоже на схему магнитных линий, выходящих из полюсов Земли, но вместо того, чтобы поворачивать стрелку компаса, как это делают линии магнитного поля, вихревые линии контролируют само пространство, скручивая все на своем пути.

С помощью суперкомпьютера моя группа создала модель движения по спирали и столкновения двух вращающихся черных дыр. Оказалось, что когда дыры сталкиваются и сливаются, четыре вихря (по одному на каждый полюс каждой дыры) размещаются на горизонте событий новообразованной черной дыры. Сама эта черная дыра вращается, выплескивая эти четыре вихря наружу и в стороны, подобно струям воды из вращающегося дождевателя – это изображено на рисунке 6а. По мере продвижения в открытый космос эти вихри становятся гравитационными волнами.

Рис. 6. a) Четыре воронки вращающегося пространства показываются из получившейся в результате слияния вращающейся черной дыры. b) Вихревые кольца, выбрасываемые получившейся в результате слияния невращающейся черной дырой.

Если вместо того чтобы вместе двигаться по спирали бинарной орбиты, черные дыры сталкиваются «лоб в лоб», четыре прикрепленных в новообразованной дыре вихря не могут двинуться наружу, в космос. Каждый из вихрей мечется между движением по часовой и против часовой стрелки. Каждый раз при перемене направления черная дыра выбрасывает тороидальное вихревое кольцо, которое напоминает кольцо дыма (рис. 6b). По мере того как эти кольца двигаются наружу, они тоже становятся гравитационными волнами.

Мощность вихрей проиллюстрирована на следующем слайде, где показаны результаты компьютерной симуляции вращающейся черной дыры, разрывающей нейтронную звезду-компаньона. Звезда в 1,5 раза тяжелее Солнца, ее диаметр – 25 километров. Черная дыра в 4,5 раза тяжелее Солнца и вращается вокруг оси, отмеченной линией. Звезда и черная дыра первоначально вращаются друг вокруг друга в горизонтальной плоскости (рис. 7а). По мере обращения по орбите они теряют энергию (которая переходит в гравитационные волны) и, следовательно, движутся по спирали внутрь. Когда они приближаются друг к другу, гравитация черной дыры начинает разрывать звезду на части (b), и затем вихри выбрасывают разрушающуюся звезду вверх, в плоскость экватора дыры (перпендикулярно линии (c и d)). Представьте себе мощность, необходимую, чтобы выбросить 1,5 солнечной массы вещества, обладающего плотностью атомного ядра, вверх с горизонтальной плоскости в экваториальную плоскость дыры! Впечатляюще.

Рис. 7. Вращающаяся черная дыра разрывает нейтронную звезду, состоящую из ядерного вещества.

Согласно симуляции, которую в Корнеллском университете создал Мэтт Дайез, около 70 % вещества разрушенной звезды сразу поглощается черной дырой. Оставшиеся 30 % попадают в диск очень горячего газа, который испускает короткий всплеск нейтрино и гамма-излучения, а затем – яркий свет.

Скоординированные наблюдения за источниками гравитационных волн, нейтрино, гамма-излучения и света позволят многое узнать о черной дыре и ее вихрях, нейтронной звезде и ее ядерном веществе и о том, как все эти элементы ведут себя при масштабном столкновении. Затем (очень важная стадия) эти наблюдения необходимо будет сравнить с нашими компьютерными моделями. Мы называем такой захватывающий подход «многоканальной астрономией» и планируем работать в этом ключе с 2017 года.