Человеку всегда было свойственно смотреть на ночное небо и представлять себе далекие миры. Прошли тысячи лет, и мы уже знаем, что светящиеся точки – это не гвозди в куполе небосвода, а далекие светила, аналогичные Солнцу. Однако во Вселенной существуют поистине загадочные объекты.
О черных дырах, нейтронных звездах, темной материи, путешествиях во времени и будущем жизни на Земле корреспондент m24.ru Василий Макагонов побеседовал с ученым-астрофизиком, доктором физико-математических наук, ведущим научным сотрудником Государственного астрономического института имени П.К. Штернберга Сергеем Поповым.
– Сейчас считается, что черные дыры не испускают никаких сигналов. Какие существуют методы определения одиночной черной дыры, если рядом с ней нет никаких других объектов?
– Иногда проще говорить, что черная дыра – это не объект, а область пространства-времени. Где пространство и время очень сильно искажены. То есть у вас есть область очень сильного искажения, в центре вообще сингулярность, а снаружи пространство все равно искажено и потихоньку, если других массивных тел поблизости нет, это сходит на нет – к плоскому ровному пространству. Это искажение вокруг черной дыры чувствуют все объекты, которые туда попадают. В том числе и свет.
Существует очень красивый метод, связанный с эффектом гравитационного линзирования. Если луч света проходит через такую искаженную область пространства, то выйдя наружу он так или иначе меняет свои свойства. Направление движения, например. И это можно заметить. Соответственно, есть такой вариант гравитационного линзирования, который называется микролинзированием.
Млечный Путь. Фото: Eric Nathan/LOOP IMAGES/ТАСС
Представьте, что мы наблюдаем за какой-то очень далекой звездой и если между нами и этой звездой пролетает тяжелое тело, даже неважно какое, это тяжелое тело искажает пространство вокруг себя и работает как линза – она собирает свет. Поэтому мы будем видеть, что когда тяжелый объект пролетает между нами и этой далекой звездой, блеск от нее увеличивается, а потом спадает обратно. То есть между нами и звездой пролетела собирающая линза.
В некоторых случаях мы можем определить массу линзы, пронаблюдав этот эффект. Например, получается, что масса такого объекта – пять масс Солнца. Пять масс Солнца – это довольно много. Если бы это была звезда, она была бы довольно яркой. Мы наводим в это место телескоп, но никакой яркой звезды не видим. Что у нас есть такое в природе – компактное, массивное, но неяркое? Нейтронная звезда – не может быть, потому что объект слишком тяжелый. Она просто не может иметь такую массу. Значит, остается черная дыра. И есть три случая микролинзирования, когда наилучшим способом объяснения является существование черной дыры.
Недостатком линзирования является разовость этого эффекта. Черная дыра пролетела, мы увидели этот эффект и повторно убедиться в том, что все было правильно измерено, мы не можем. Поэтому существуют некоторые неопределенности, но многие астрофизики считают, что у нас есть хорошие доказательства того, что одиночные черные дыры существуют. И, по всей видимости, наблюдение микролинзирования на спутнике Gaia (правда, не по изменению блеска, а по смещению изображения звезд), который сейчас летает, поможет сильно увеличить количество кандидатов в одиночные черные дыры.
– В центрах галактик, по современным представлениям также находятся сверхмассивные черные дыры?
– Действительно, в центре почти любой достаточно крупной галактики есть сверхмассивная черная дыра. И это достаточно надежные данные. Мы уверены, что в очень многих случаях в центрах галактик находятся компактные массивные объекты. Из всего "зоопарка" объектов, которые мы можем придумать в качестве объяснения, черные дыры являются наиболее подходящими. Масса у них может быть разной, но все-таки это действительно сверхмассивные черные дыры. И если она сидит в центре галактики, то ее масса обычно от нескольких десятков тысяч до десятков миллиардов солнечных масс.
Фото: DPA/ТАСС
– Какую роль они выполняют – стержня для других объектов галактики? Есть ли такая черная дыра во Млечном пути?
– Нет. Кажется, что такие массы велики, но это не так. В центре нашей галактики сидит черная дыра – ее масса примерно 4 миллиона масс Солнца. Это очень надежные данные, мы точно знаем, что там находится небольшой, размером меньше орбиты Меркурия, массивный объект. Но на самом деле четыре миллиона солнечных масс – это немного по меркам галактики. Галактика имеет размеры примерно в сто тысяч световых лет, а черная дыра своей массой может управлять движением объектов на расстоянии в сотни световых лет. Дальше уже накапливается звездная масса, существенно превосходящая массу черной дыры.
Есть, конечно, экстремальные случаи, но, как правило, черная дыра в тысячи раз легче галактики. И, если вы уберете оттуда эту черную дыру, то кроме ее ближайшего окружения никто ничего не заметит. Это означает, что орбита Солнца, орбиты других видимых на небе звезд никак не изменятся, если мы уберем сверхмассивную черную дыру из центра Млечного пути. Галактика сама по себе очень большая и тяжелая.
– Черная дыра – это финальная стадия существования звезды. Когда красный гигант коллапсирует, он превращается в белый карлик, нейтронную звезду или черную дыру. Есть ли у черной дыры какие-либо стадии жизни?
– Звезды в конце своей жизни превращаются в какие-либо компактные объекты. Солнцу суждено стать белым карликом. Звезды, которые раз в десять тяжелее него, станут нейтронными звездами, а те, что в 30–40 раз массивнее – превратятся в черные дыры.
В реальной Вселенной черная дыра – это конечное состояние. Она ни во что принципиально новое превратиться не может. Существует известная и очень красивая модель Стивена Хокинга о том, что черные дыры могут испаряться. Но в реальной Вселенной эффективно процесс испарения идет только для маленьких черных дыр, не для тех, которые получаются из звезд. Поэтому реальная черная дыра в нашей Вселенной будет потихоньку или даже не совсем потихоньку увеличивать свою массу – и это финальное состояние.
Если только мы не думаем о каких-то невообразимо далеких временах в будущем, на какие-то миллиарды миллиардов лет вперед, когда вещества вокруг станет мало. Тогда черным дырам нечего будет поглощать. И тогда, если хокинговское излучение действительно существует, в очень далеком будущем черные дыры должны будут испариться. Но в этом смысле они превратятся в ничто, если эта гипотеза верна.
This browser does not support the video element.
– Это означает, что Вселенная станет гигантской пустыней?
– Мы не знаем, как будет себя вести Вселенная через очень большое время. Но действительно существует вероятность того, что в ней останутся только истинно стабильные частицы. Так, сейчас мы думаем, что электроны ни на что не распадаются, позитроны. Фотон, если он летит в пустом пространстве, тоже никаких превращений не испытывает. Но да, существует сценарий, что в далеком будущем во Вселенной не останется никаких макроскопических объектов, а будут только летающие довольно далеко друг от друга истинно стабильные частицы.
– Если мы принимаем, что Вселенная образовалась в результате Большого взрыва, можно ли предполагать, что произошел взрыв сверхмассивной черной дыры?
– У нас нет окончательного ответа на вопрос "Как образовалась Вселенная". Есть много разных гипотез, но самые популярные из них не приводят к тому, что вначале существовала какая-либо сингулярность. В теории инфляции ее нет. Те модели, которые описывали зарождение Вселенной с помощью Большого взрыва были очень популярны 40 лет назад.
Люди просто брали современные на тот момент понятия и общую теорию относительности и экстраполировали назад. И, конечно, если сейчас Вселенная расширяется, логично думать о том, что изначально все вещество было сжато в крохотную точку. Но современные модели отошли от этого сценария. И поэтому я бы не сказал, что современные космологи думают, что Вселенная взяла свое начало от черной дыры.
– Существует гипотеза о "критической массе Вселенной". Удалось ли сделать приблизительные подсчеты этой массы?
– Считалось, что Вселенная должна расширяться вечно, если ее плотность ниже определенного значения, начать сжиматься, если выше и пребывать в стабильном состоянии, если они приблизительно равны. Такая точка зрения, скорее, должна была впервые появиться в работах Александра Фридмана.
Это возможно самый известный российский ученый, который впервые правильно использовал уравнения общей теории относительности. И там появляется критическая плотность и три основные стадии существования Вселенной, а также пограничные между ними.
Альберт Эйнштейн. Фото: ТАСС/архив
Но еще до Фридмана сам Эйнштейн обратил внимание на то, что очень важное значение имеет вопрос "Из чего состоит Вселенная". Мы можем придумать всякие экзотические формы вещества и тогда классификация станет более хитрой. Начиная с 1917 года, когда Эйнштейн это придумал и на протяжении 80 лет это не было популярной гипотезой. Но в 1997 году ученые открыли, что наша Вселенная в последние несколько миллиардов лет расширяется ускоренно, все быстрее и быстрее.
Это удивительно. И нам понадобилось добавить во Вселенную особый вид вещества, который ведет себя не так, как обычное вещество. Эту составляющую назвали темной энергией. И если Вселенная включает в себя большое количество темной энергии, то она может всегда расширяться, даже если ее плотность больше, чем критическая. Появляется многообразие сценариев, связанное с вопросом – что такое темная энергия. Всегда ли она будет такой? Распадется ли она в будущем на более привычные нам формы и перестанет "расталкивать" расширение Вселенной?
Поэтому глобально сценариев так и остается три. Либо Вселенная всегда расширяется, либо начнет сжиматься, либо скорость ее расширения начинает постепенно стремиться к нулю, но из-за темной энергии сценарии становятся намного более интересными. И учтите, темная энергия – это гипотеза, а ускоренное расширение Вселенной – доказанный факт.
– На каком расстоянии от Солнечной системы находится самая ближайшая к нам черная дыра, существование которой доказано?
– Речь идет о тысячах световых лет.
– Значит, она не оказывает никакого влияния на нашу жизнь?
– Да, но... На самом деле, черных дыр в галактике должно быть много. В Млечном пути их должно быть больше ста миллионов. Нашей галактике уже более 10 миллиардов лет и все эти годы массивные звезды превращаются в черные дыры. Их очень много образовалось. И если мы посчитаем, где должны были находиться самые близкие к нам черные дыры, то получим не тысячи, а десятки световых лет.
Созвездие Кассиопеи. Фото: DPA/ТАСС
Но одиночную черную дыру очень трудно открыть. Поэтому черные дыры должны быть в десятки раз ближе, чем уже известные нам. И тот объект мы обнаружили, потому что черная дыра входит в двойную систему, на нее течет вещество со звезды-соседки. Но даже если черная дыра находится от нас в сотне световых лет, на нас это никак не влияет. Это очень далеко.
Существуют сотни звезд, которые находятся к нам намного ближе. На таком расстоянии единственное, что влияет – это масса, и поэтому Альфа Центавра оказывает на нас большее влияние, чем гипотетическая черная дыра, находящаяся в десять раз дальше. Хотя, конечно, и влияние Альфа Центавра ничтожно мало, и, скажем, никак не сказывается на орбитах тел в Солнечной системе.
– Сколько в земных условиях могла бы весить чайная ложка вещества черной дыры?
– Даже с нейтронной звездой возникнут проблемы. Ее вещество сжато до величин в несколько раз больше плотности атомного ядра. Оно устойчиво из-за этой собственной гравитации, его нельзя зачерпнуть в чайную ложку. Если вы это попробуете сделать, то вещество из ложки просто разлетится. Поэтому такими понятиями в этом случае оперировать нельзя.
С черной дырой еще сложнее. На самом деле, здесь мы просто не знаем ответа. Те уравнения, в которых мы уверены, говорят нам о том, что когда звезда схлопывается в черную дыру, вещество сваливается в центр черной дыры. Но на какой стадии это сжатие остановится – мы не знаем.
Условия становятся настолько экстремальными, что сейчас не существует достоверной теории, которая могла бы это описывать. Поэтому мы не может сказать, какова реальная плотность вещества в центре черной дыры. Формально уравнения дают бесконечность, но понятно, что это всего лишь означает, что в таких условиях они перестают работать.
– Вещество, которое находится в такой стадии сжатия, должно разогреваться до чудовищных температур...
– В некотором смысле – да. При высокой плотности начинают играть роль квантовые законы. И там довольно необычные вещи начинают происходить с термодинамикой. С веществом в недрах нейтронных звезд более-менее понятно, что происходит. Оно может иметь температуру в сотни миллионов градусов, но тем не менее, эта температура для описания поведения нейтронной звезды практически не важна.
Вещество находится в сверхпроводящем, сверхтекучем состоянии. Ведь плотность вещества настолько велика, что при ней даже температура в сотни миллионов градусов является низкой.
This browser does not support the video element.
– А в черной дыре температура еще выше?
– Тяжело сказать... Мы этого не знаем. У нас нет модели, в рамках которой мы могли бы это описывать. Понимаете, там совершенно экстремальное состояние вещества. Если бы в XIX веке какие-либо знаменитые термодинамики пытались описать, как ведет себя вещество в черной дыре, они бы драматически ошиблись, потому что не существовало квантовой механики. Не было базовых знаний о состоянии вещества. Прошло 100 с лишним лет и сейчас мы находимся в аналогичном состоянии, при описании недр черных дыр.
– Стивен Хокинг высказал идею о том, что черные дыры за счет своего притяжения могут помочь в космических путешествиях. Как думаете, это реально?
– Я не эксперт в этой области, трудно оценить настолько фантастической и недопроработанной выглядит эта гипотеза. В принципе, в общей теории относительности люди уже довольно давно получают решения с так называемыми "червоточинами". На этом фильм "Интерстеллар" основан. Он ведь не на пустом месте взялся, его придумал очень хороший физик Кип Торн. Кстати, к фильму прилагается замечательная научно-популярная книга, которая скоро выйдет на русском языке.
То есть такая возможность теоретически существует. Но это совсем не значит, что вы произносите волшебные слова, прыгаете в черную дыру и попадаете, куда хотите. В лучшем случае, у вас есть вход и выход и окажетесь у последнего. Но все-таки, на мой взгляд, это выводы из уравнений общей теории относительности в той области, где мы пока не уверены в том, что их можно применить.
Все эти гипотезы о "червоточинах", недрах черных дыр – интересны, хорошо, что этим люди занимаются, но надо понимать, что никто никогда таких экспериментов не проводил. Поэтому все это остается только в виде гипотез.
This browser does not support the video element.
– Через сколько лет нам стоит ожидать превращения Солнца в белый карлик?
– Через 6–7 миллиардов лет. Но я могу вас огорчить – жизнь на Земле исчезнет гораздо раньше. Потому что Солнце пока спокойно пережигает водород в гелий, становится немного ярче. Но действительно немножечко – за 4 миллиарда лет Солнце стало ярче на 30 процентов. У климатологов из-за этого есть интересные вопросы. Например – почему на Земле несколько миллиардов лет назад уже было достаточно тепло, если Солнце было холодным?
В будущем Солнце продолжит эту тенденцию. Это будет происходит медленно, в течение нескольких миллиардов лет. Не надо думать, что каждое следующее лето у нас будет все теплее и теплее. Так вот, в течение миллиардов лет оно будет становиться все ярче и, в конце концов, Земля перестанет находиться в так называемой зоне обитаемости. Температура на Земле повысится, драматически изменится климат, испарится вся вода из океанов, она перейдет в атмосферу. И это произойдет не через шесть миллиардов лет, когда Солнце превратится в красный гигант, а несколько раньше.
В общем, у нас две новости – хорошая и плохая. Хорошая новость состоит в том, что у нас все равно есть миллиарды лет, а плохая – в том, что их не шесть, а несколько меньше.
– До каких размеров увеличится Солнце в ходе своего превращения в красный гигант?
– Это предмет для дискуссий. Последняя оценка, которую я слышал, говорит о том, что Солнце увеличится примерно до орбиты Земли. Но в процессе своего раздувания Солнце будет очень интенсивно терять вещество. Оно станет немного легче и поэтому Земля будет как бы отползать от Солнца, поскольку меньшая масса будет ее удерживать. И поэтому даже если Солнце увеличится больше размеров современной земной орбиты, Земля "отъедет" подальше и, скорее всего, под поверхность красного гиганта не попадет.
Но произойдет ли поглощение Земли красным гигантом – весьма темный вопрос. Там есть много деталей, которые сейчас довольно трудно учесть. Неопределенность в параметрах приводит в данном случае к изменению ответов.