Артур Миллер - Империя звезд, или Белые карлики и черные дыры

• Название: Империя звезд, или Белые карлики и черные дыры
• Автор: Артур Миллер
• Издательство: КоЛибри
• Жанр: Науки о космосе
• Год: 2012
• ISBN: 978-5-389-02245-4

Артур Миллер, известный американский историк науки (сейчас живет в Лондоне), повествует о выдающихся открытиях астрофизиков XX века. В центре рассказа — судьба индийского физика, лауреата Нобелевской премии Субрахманьяна Чандрасекара, чьи теории во многом сформировали наши сегодняшние представления о Вселенной. Книга Миллера — об эволюции звезд, о белых карликах, красных гигантах, нейтронных звездах и о самых таинственных космических объектах — черных дырах, жадно пожирающих материю и энергию.

---

Картины Моне натолкнули Чандру на эффектный способ описания неожиданного сходства черных дыр и сталкивающихся гравитационных волн. Он выписал сложные уравнения этих двух явлений как две «картины», описанные с помощью метрик Керра, хотя внешне они полностью отличаются, как и два пейзажа Моне с Руанским собором.

С невероятной математической виртуозностью Чандра показал, что оба набора уравнений могут быть записаны «просто» как уравнение E = p + iq об искажении пространства-времени. «Это замечательный факт, — записал он, — весь набор уравнений в обеих картинах можно свести к одному и тому же уравнению». Не обсуждая смысла символов, скажем, что E — это блестящий «неизменный объект» Чандры[90]. Уравнение связывает два совершенно различных аспекта изучения звезд. Свойства черных дыр и рассеяние гравитационных волн — две стороны одной и той же общей теории, связанные математической величиной E. В этом уравнении проявилась красота общей теории относительности, и Чандра был чрезвычайно взволнован возможностью такого столь неожиданного упрощения. В своем эссе о Моне он процитировал изречение Гейзенберга о красоте науки: «Если природа приводит нас к простым и красивым математическим формам, ранее никому не встречавшимся, то легко поверить, что они истинны и раскрывают подлинную ее сущность».

Однако коллеги не разделяли энтузиазм Чандры. Валерия Феррари вспоминала: «Думаю, он был сильно разочарован, что они не смогли в полной мере оценить и понять глубину физической идеи — объединения этих теорий (черных дыр и сталкивающихся гравитационных волн) в одном представлении, результат, который он считал главным своим достижением». В книге «Математическая теория черных дыр» Чандра рассказывал о своих разговорах со скульптором Генри Муром — они обсуждали, как надо смотреть на скульптуры, с близкого расстояния или издалека. Мур считал, что скульптуру нужно рассматривать со всех расстояний — так красота раскрывается более полно. Подобно статуе Микеланджело, для Чандры «математическое совершенство черных дыр также проявляется особым образом на каждом уровне понимания». И в этом — их своеобразная красота.

Эддингтон писал о падении в черную дыру как о падении «в никуда». Но как мы понимаем термин «никуда»? В области сингулярности звезды, которая сократилась до бесконечно малой и бесконечно плотной точки, законы классической физики и общей теории относительности нарушаются. Однако квантовая механика умеет справляться с бесконечностями, перед которыми пасует классическая физика. В глубине черной дыры действуют законы квантовой гравитации. И физики предполагают, что в этой экстремальной области теряется связь между пространством и временем и нарушается причинный порядок событий. Пространство теряет определенную форму и превращается в колеблющуюся «квантовую пену», подобную аморфной массе мыльной пены. Это мир без конкретности, там царит вероятность.

Трудно представить себе, какие могут нас ожидать сюрпризы с черными дырами. С точки зрения математики сингулярность в этой бездонной гравитационной яме поразительным образом похожа на сингулярность, породившую Большой взрыв. Возможно, черные дыры могут рождать «беби-вселенные», пригодные для жизни. И вновь математика оказалась ключом к раскрытию самых удивительных тайн природы. Это чувство не покидало Чандру до самого конца жизни.

Формально Чандра ушел с работы в Чикагском университете в 1980 году. После выхода на пенсию за ним до 1985 года сохранялось звание профессора с прежней зарплатой. Вскоре он получил грант на исследования и пригласил на работу своих любимых учеников, в том числе и Феррари. 21 августа 1995 года Чандра проснулся от сильных болей в груди. Он не хотел беспокоить Лалиту, оделся и незаметно вышел из спальни, бросив быстрый взгляд на зеркало и на шкаф с репродукцией картины Моне, на которой была изображена маленькая девочка. «Это ты», — часто говорил он Лалите. Чандра поднялся по лестнице, сел в машину и поехал в университетскую клинику. У входа в здание он упал — это был обширный инфаркт. Чандра умер в тот же день, на руках у Лалиты.

Она развеяла часть его праха на территории университета, часть высыпала в озеро Мичиган, а часть праха увезла в Индию, «он всегда с нами, потому что он везде».

Глава 14 Внутрь черной дыры

Спустя четыре года после смерти Чандры, 23 июля 1999 года, с мыса Канаверал стартовал космический челнок «Колумбия». На нем находился самый современный рентгеновский телескоп — рентгеновская обсерватория «Чандра»[91]. Лалита была почетным гостем на презентации. Однако она не считала, что Чандра был бы рад присвоению спутнику его имени. Лалита говорила, что он всегда думал только о работе и в гораздо большей степени его бы порадовали будущие открытия обсерватории во Вселенной, чем ее название.

Рентгеновская обсерватория «Чандра» предназначалась для поиска черных дыр, и поиск этот оказался весьма успешным — ученым удалось проникнуть во многие тайны, долгие годы мучившие астрономов и астрофизиков. Одним из наиболее интригующих объектов оказалась галактика NGC 6240. Эта галактика находится в созвездии Змееносца на невообразимо далеком расстоянии от Земли в почти 3840 миллионов триллионов километров (мы видим NGC 6240 такой, какой она была 400 миллионов лет назад). Ранее рентгеновские обсерватории уже обнаружили таинственный источник рентгеновского излучения прямо в центре галактики. Совместные наблюдения в радио-, оптическом и инфракрасном диапазоне выявили и второй источник. С помощью приборов обсерватории «Чандра» со сверхвысоким разрешением удалось определить, что рентгеновское излучение испускается двумя активными ядрами галактик, получающими энергию от сверхмассивных черных дыр[92]. Астрофизики сделали вывод, что NGC 6240 представляет собой продукт столкновения двух галактик с активной черной дырой в каждой. В NGC 6240 с огромной интенсивностью рождаются звезды, они эволюционируют и время от времени взрываются. Слияние предыдущих галактик случилось примерно 30 миллионов лет назад. Две сверхмассивных черных дыры находятся на расстоянии 29 тысяч триллионов километров друг от друга, и каждая из них обладает огромным гравитационным потенциалом. Они постепенно дрейфуют, сближаются и формируют двойную спиральную систему, сливаются и в конце концов образуют черную дыру еще больших размеров. Это подтверждает гипотезу о том, что сверхмассивные черные дыры в галактических центрах образуются при слиянии меньших по размеру черных дыр.

«Слияние» идет около 400 миллионов лет и состоит из трех этапов. Сначала две черных дыры кружатся друг вокруг друга, затем они сближаются в этаком космическом «танго» и в результате сливаются. Этот заключительный «щелчок» наступает, когда дыра в координатах пространства-времени принимает симметричную форму. Астрофизики считают, что в результате возникает одна вращающаяся черная дыра, а две предыдущих исчезают без следа. Образующиеся при этом гравитационные волны могут предоставить информацию, доступную для математической обработки. Самые мощные волны появляются при слиянии и «щелчке». В зависимости от поведения гравитационных волн можно установить, что возникшая черная дыра — это результат слияния двух черных дыр или какого-то иного процесса. Астрофизики считают, что ежегодно во Вселенной происходит несколько подобных катастрофических слияний. Но если с NGC 6240 такое случится, то мы увидим это с Земли через 400 миллионов лет или даже позже. В последние годы ученые разработали наземные приборы для обнаружения гравитационных волн, возникающих при «щелчке» и иных катастрофах в космосе. Одним из них является лазерный интерферометр обсерватории гравитационных волн (LIGO), в котором лазерный луч расщепляется надвое. Эти лучи распространяются в двух взаимно перпендикулярных направлениях на 3200 метров. Затем они объединяются и интерферируют. Любое изменение длины пути лазерного луча изменяет интерференционную картину. Этот метод настолько чувствителен, что с его помощью можно обнаружить изменение одной триллионмиллиардной части пути лазерного луча. Предполагается, что пульсации структуры пространства-времени, вызванные такими космическими событиями, как взаимное вращение двух черных дыр или двух нейтронных звезд, должны изменить величину по крайней мере одного из этих путей, а также и интерференционную картину. Так ученые обнаружат гравитационные волны. NASA и Европейское космическое агентство (ESA) совместно разработали очень интересный проект космической антенны, использующей принцип лазерного интерферометра (LISA). Проект предусматривает запуск трех космических аппаратов с лазерами по углам равностороннего треугольника, на расстоянии 4,8 миллиона километров друг от друга. Лазерные лучи каждого аппарата направляются навстречу друг другу. Находящийся в космосе детектор LISA будет особенно чувствителен к гравитационным волнам низкой частоты. Фоновый шум из-за подземных толчков мешает наблюдать такие волны с помощью LIGO на Земле. LISA сможет обнаруживать двойные звезды, вращающиеся друг вокруг друга с минутными и часовыми периодами, a LIGO отметит гораздо более быстрые явления, например спиралевидное движение двойных черных дыр.