: 09.10.2020

Нобелевская неделя: о черных дырах и «белых пятнах» во Вселенной

В этом году Нобелевскую премию по физике получили ученые, теоретики и «практики», занимающиеся исследованиями, связанными с черными дырами – астрофизическими объектами, гравитационное притяжение которых настолько велико, что их не могут покинуть даже кванты света. А три года назад нобелевскими лауреатами стали ученые из США, которым с помощью интерферометра LIGO удалось «поймать» гравитационную волну, возникшую при слиянии черных дыр с массами 36 и 29 солнечных масс, и тем самым открыли новую эру в науке, изучающей Вселенную. Как такие черные дыры возникают и тем более, как они формируют двойные системы, – на подобные вопросы у исследователей до сих пор нет однозначных ответов.

О черных дырах и других «горячих» точках современной космологии любознательный читатель может узнать из публикаций известных российских специалистов в области астрономии и астрофизики, которые постарались рассказать о сложных вещах максимально простым языком.

Астрофизик, д. ф.-м. наук, профессор Александр Дмитриевич ДОЛГОВ: «Сегодня мы изучаем небо во всех длинах волн электромагнитного диапазона, смотрим и через другие «окна», которые открывают нам нейтрино и космические лучи разных энергий. Строятся новые телескопы, возникают новые международные коллаборации. Сейчас мы способны видеть Вселенную на больших красных смещениях, то есть в тот период, когда ей было всего полмиллиарда лет от роду. И мы видим, что при этом происходят удивительные вещи. Например, уже существуют сверхтяжелые черные дыры, а за такой короткий срок после Большого взрыва, казалось бы, невозможно их образование! Кроме того, оказалось, что Вселенная на красных смещениях очень запыленная. Пыль – это остатки от взрыва сверхновых, которые сначала должны родиться, а на это нужно значительное время.

Вселенная оказалась более развитой на ранних этапах ее эволюции, чем мы думали. 500 млн лет – это не тот возраст, при котором мы могли ожидать интенсивного звездообразования и появления сверхмассивных черных дыр; мы думали, что для этого нужно гораздо больше времени. Это еще одна загадка, над которой сегодня думают ученые».

Научный журналист и историк науки, к. фил.н. Алексей Ефимович ЛЕВИН: «Звезды с начальной массой свыше 8 солнечных масс заканчивают жизнь взрывами фантастической мощности, вызванными очень быстрым сжатием (коллапсом) их ядер… Именно эти космические катаклизмы и называют сверхновыми звездами, или просто сверхновыми… Хотя в наши дни процессы коллапса массивных звезд обсчитывают с использованием хорошо проработанных физических моделей и мощных компьютерных ресурсов, многие детали этого процесса еще далеки от ясности.

Для иллюстрации рассмотрим в общих чертах типичную судьбу голубого сверхгиганта с начальной массой порядка 20—25 солнечных масс. Водородное топливо он сжигает за 7 млн лет, еще полмиллиона лет займет формирование углеродно-кислородного ядра, нагретого до 200 млн К. С его возникновением термоядерный синтез останавливается, но ненадолго. В отсутствие тепловой подпитки ядро сжимается под действием тяготения звездного вещества и соответственно нагревается. По достижении температуры 600—800 млн К углерод начинает гореть с образованием неона и магния, а спустя еще 600 лет при температуре 2,3 млрд К начинается горение кислорода. Оно запускает цепочки ядерных превращений, которые приводят к синтезу различных изотопов кремния, серы, фосфора, аргона, калия, кальция и скандия.

За сутки до кончины звезды ее ядро нагревается до 3,3 млрд К. При этой температуре кванты гамма-излучения разбивают ядра изотопа кремния 28 на ядра магния 24 и альфа-частицы, которые поглощаются другими ядрами с образованием все более тяжелых элементов. Все это завершается образованием железа 56, рекордсмена по стабильности среди всех атомных ядер. Последние поглощаются другими ядрами, образуя все более тяжелые элементы. Поскольку далее термоядерный синтез не идет, железное ядро сжимается и нагревается. В результате возрастает кинетическая энергия атомов железа, и они претерпевают хаотические превращения. Некоторые из них распадаются, а некоторые, напротив, вступают в реакции слияния и порождают более тяжелые элементы, такие как платина и золото. Поскольку эти реакции идут за счет накопленной тепловой энергии, температура звездного ядра уменьшается, давление его вещества падает, и ядро вновь начинает сжиматься. Этот процесс ускоряется, если в окрестностях ядра продолжаются процессы термоядерного синтеза, которые порождают новые и новые ядра железа.

Затем наступает финальный катаклизм. Это происходит, когда масса ядра достигает порога, при котором давление вырожденного электронного газа уже не может противостоять гравитационному сжатию (этот порог, так называемый предел Чандрасекара, примерно на 44% превышает массу Солнца). Ядро схлопывается со скоростью, достигающей 20% световой. Электроны прижимаются к ядрам и сливаются с протонами, превращаясь в нейтроны и нейтрино. Нейтроны остаются на месте, а нейтрино вылетают в пространство. В результате сердцевина звезды охлаждается, давление ее вещества вновь падает, а темп сжатия увеличивается. Этот процесс начинается и завершается за считанные секунды, поэтому внешние слои звезды не успевают ничего почувствовать. Наружный наблюдатель в течение еще нескольких часов не заметит ни малейших перемен.

На этой стадии возможны два сценария. Полагают, что звезды с массой от 30 до 100 солнечных масс коллапсируют полностью и дают начало черным дырам...».

Астроном и популяризатор науки, к.ф.-м. н. Владимир Георгиевич СУРДИН: «Как вы думаете, что будет происходить при затягивании планеты в черную дыру? Кто не слушал лекций по астрономии, тем обычно кажется, что черная дыра только с обращенной к себе поверхности будет срывать вещество. Они не знают, что почти столь же сильный эффект проявляется на обратной стороне свободно падающего тела. То есть оно разрывается в двух диаметрально противоположных направлениях, отнюдь не в одном». 

Насколько подобные знания об Вселенной нужны и полезны широкой публике? Стоит ли обычному человеку «напрягать мозги», чтобы попытаться понять происхождение и судьбу таких далеких, в прямом и переносном смысле, объектов, как те же черные дыры?

Ответы на эти вопросы есть у профессора А. Д. Долгова: «Популяризировать научные результаты необходимо. Другой вопрос, что есть разделы науки, которые трудно поддаются популяризации. Но знать основные научные достижения в изучении Вселенной, думаю, стоит каждому жителю планеты Земля. Человеку проще объяснить значение научного открытия, рассказав о его приложениях в обычной жизни. И действительно, человечество всегда пыталось использовать научное достижение в практических целях. Взять квантовую механику – сейчас каждое электронное устройство использует квантово-механические эффекты. А общая теория относительности, например, просто необходима для спутникового ориентирования, для наведения ракет с точностью до 10 м. Если вы будете для этого использовать старую теорию гравитации, то просто промахнетесь. Даже если, например, наш подход в поиске темной материи окажется нерабочим, то детектор, который мы собрали, не будет выброшен на помойку…

Естественно, некоторые вещи, которые возникают в ходе исследований, имеют практические приложения. На вопрос английского лорда о том, какая же, в конце концов, польза от созданных Фарадеем основ электротехники, ученый ответил: «Сэр, не лишено возможности, что Вы в ближайшем будущем из всего этого будете извлекать налоги». Какое практическое приложение будет у гравитационных волн, у черных дыр – я не знаю. Некоторые, как всегда, говорят, что человечество начнет путешествовать во времени – я в это не верю. Хотя в общей теории относительности существуют решения, которые позволяют путешественнику совершить замкнутую времениподобную траекторию, то есть прийти в какую-то точку позже, чем он из нее вышел».

: 09.10.2020