«Чудовища доктора Эйнштейна: О черных дырах, больших и малых»

Черные дыры — вероятно, наиболее популярные и вместе с тем одни из самых загадочных космических объектов. Неудивительно, что развлекательная индустрия охотно использует их, чтобы рассказывать захватывающие истории. Как это часто бывает, массовое представление о черных дырах чаще всего изобилует домыслами и заблуждениями. Черные дыры не затягивают в себя ближайшие объекты и совсем не обязательно опасны. Они искривляют время и пространство, но вряд ли подойдут для путешествий во времени. В книге «Чудовища доктора Эйнштейна: О черных дырах, больших и малых» (издательство «Альпина нон-фикшн»), переведенной на русский язык Натальей Кияченко, профессор астрономии в Университете Аризоны Крис Импи рассказывает историю астрофизики и попутно сталкивает распространенные заблуждения с научными фактами. N + 1 предлагает своим читателям ознакомиться с отрывком, посвященным механизму роста черных дыр и попыткам с их помощью объяснить существование Вселенной.

Как растут черные дыры и галактики

Судьбы черных дыр и галактик переплетены. Сверхмассивная черная дыра занимает крохотную долю объема галактики и имеет крохотную долю ее массы. Тем не менее, как мы узнали, каждая галактика содержит черную дыру, масса которой тесно связана с массой всех ее звезд. Исходя из этого, что мы можем сказать о совместном росте черных дыр и галактик с течением космического времени?

Славные дни квазаров далеко в прошлом. Мы обнаруживаем сверхмассивные черные дыры, прячущиеся в ближних галактиках, но они по большей части спокойные, как и черная дыра в нашей Галактике. Одна из 100 умеренно активна и одна из миллиона является квазаром. Исследования в оптическом и рентгеновском диапазонах позволяют ретроспективно проследить яркость квазаров. Пик активности квазаров имел место при красном смещении z = 2 ÷ 3, то есть около 11 млрд лет назад, через 2–3 млрд лет после Большого взрыва. Они были в тысячи раз активнее, чем сейчас. Древнее ночное небо существенно отличалось от нашего. Вселенная была в четыре раза меньше, в ней сливались галактики, где быстро формировались звезды. Сотни галактик были бы видны невооруженным глазом, тогда как сейчас мы можем увидеть лишь три, а ближайший квазар находился в 100 раз ближе и был бы виден невооруженным глазом. Благодаря наблюдениям мы можем проследить историю резкого роста активности квазаров, за которым последовал медленный спад.

Все большие галактики имеют сверхмассивные черные дыры, но из этого не следует, что все они проявляют активность квазаров. Откуда нам известно, что активность квазаров эпизодична и не является неотъемлемым свойством определенной группы галактик? Трудно ответить на этот вопрос, потому что астрономы не могут заглянуть в конкретные галактики и отследить их эволюцию. Они проводят исследования, охватывающие большое число галактик всех эпох, и на основе полученных данных составляют «моментальный снимок» активности определенной эпохи.

В последнее десятилетие я занимался исследованиями именно в этой области. Моя цель — понять процессы роста и взаимосвязи черных дыр и галактик. Мне нравятся астрономические исследования — они существенно отличаются от исследований в физике, для которых требуются тысячи сотрудников и инструменты, постройка которых занимает десятилетие. Я все еще могу, вооружившись хорошей идеей и взяв в помощь магистранта, засесть на несколько ночей перед телескопом и этим внести вклад в развитие науки.

Именно поэтому мы с Джонатаном Трампом оказались в предгорьях Анд: смотрели, как темнеет небо над горной цепью, и подготавливали лист наблюдений. Нас интересовал волшебный период роста черных дыр — от 3 до 10 млрд лет после Большого взрыва, когда галактики по большей части завершили слияния, а черные дыры подъели почти все, что смогли. В частности, мы пытались установить нижнюю границу активности ядер галактик. При каком минимальном уровне аккреции черная дыра может светиться как квазар? Мы сумели найти черные дыры в 10 млрд световых лет — спящие, как и черная дыра в центре нашей Галактики. В нашем распоряжении была новая технология — фотопластинкам, которыми я пользовался в Австралии 30 годами раньше, пришел конец. Одна ночь везения — и мы могли не только обнаружить 300 квазаров, но и измерить массы их черных дыр.

Джон был энергичным новичком, а я — убеленным сединами ветераном, но на деле мы часто менялись ролями. Со временем я не утратил интереса к исследованиям и иногда, поторопившись со сбором данных, допускал серьезные промахи, а Джон обуздывал мои порывы и брал управление телескопом в свои твердые руки. Однажды посреди ночи мы уперлись в облака. Я пытался проявлять терпение. Фотоны проделали путь в миллиарды лет, чтобы попасть в большую линзу нашего телескопа, и несколько лишних часов ничего не решали. Я вышел на улицу и стал смотреть, как расчищается небо. К западу вплоть до Тихого океана громоздились облака. На востоке контур Анд четко вырисовывался на фоне звездного поля. Над головой кондор беззвучно описывал круги.

Мы провели последнюю ночь у телескопа, опустошенные и печальные. На закате нам довелось увидеть зеленый луч. Раз в год получить неделю работы за большим телескопом — большая удача для астронома. Если в эти ночи облачно, придется вернуться в следующем году. Еще один сеанс — и мы с ним расстанемся.

Мы изображали полученные данные точками на диаграммах и ломали головы. У некоторых квазаров были мощные черные дыры, но слабенькое излучение. Другие при крошечных черных дырах ослепительно сияли. Механизм их питания оставался загадкой. За неделю мы насобирали 500 черных дыр, но это была жалкая горстка для Вселенной с сотнями миллиардов галактик, каждая из которых скрывает в себе черную дыру. Казалось, черные дыры беззвучно смеются над нами, тщательно оберегая свои секреты.

Как мы уже узнали, для постоянной яркости уровня квазара достаточно аккреции нескольких солнечных масс в год. Столь скромное потребление предполагает два вывода. Первое: в центральных областях галактик немного газа, и черные дыры редко заглатывают звезды целиком, поэтому топливо истощается менее чем за 100 млн лет. Газ просачивается в галактику из межгалактического пространства, а также добавляется при слиянии галактик, но сейчас, когда Вселенная велика и галактики далеко разнесены, оба процесса неэффективны. Поскольку «топливо» черной дыры расходуется намного быстрее, чем время, необходимое для расцвета и упадка наблюдаемой популяции квазаров, отдельные квазары должны быть «включены» малую часть времени и «выключены» большую часть времени.

Второе: скромные темпы роста черных дыр означают, что они не должны слишком быстро дорастать до огромных размеров. Однако они дорастают! Слоуновский цифровой небесный обзор ищет квазары в пределах первых нескольких миллиардов лет после Большого взрыва. Старейший квазар, обнаруженный на данный момент, — яркий квазар с красным смещением z = 7,5. Из этого следует, что сверхмассивные черные дыры в несколько миллиардов солнечных масс сформировались и выросли в течение первого миллиарда лет после Большого взрыва. Это не соответствует медленному, постепенному развитию больших галактик из маленьких путем слияний. Не согласуется это и с пределом роста черной дыры, который 100 лет назад вывел Артур Эддингтон. Невозможно от «семечка» в 10 солнечных масс, что типично для черной дыры, остающейся после смерти массивной звезды, дорасти за миллиард лет до миллиарда солнечных масс. Чтобы возникли древние яркие квазары, нужно было «семечко» в 10 000 масс Солнца.

Недавние расчеты предложили такое объяснение. В первой волне формирования галактик через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва фоновое излучение поначалу препятствовало образованию звезд. Если они все-таки возникали, это был стремительный бурный процесс, оставивший после себя множество маленьких черных дыр, которые в условиях высокой плотности среды сливались в «семена» черных дыр — от 10⁴ до 10⁶ солнечных масс. Вследствие стремительного скачка черные дыры смогли дорасти за следующие полмиллиарда лет до сверхмассивного уровня (миллиард или больше солнечных масс).

Гипотеза обратной связи увязывает наблюдения воедино. Черная дыра имеет симбиотические отношения с родительской галактикой. Она не может вырасти или зажечься, как квазар, не получая газ из центральных областей галактики. Однако когда она активна, то выделяет так много энергии, что выталкивает газ из центральных областей галактики и подавляет формирование звезд. В активной фазе, продолжительностью 10 млн лет, квазар излучает 10⁵³ Дж энергии. Это примерно равно гравитационной энергии, удерживающей звезды на орбитах в большой галактике. Очевидно, энергии квазара хватит, чтобы разрушить галактику. За счет обратной связи квазары отталкивают газ и глушат собственную активность. Обратная связь сводит в единое целое эволюцию внутренней области галактики и черной дыры в ее центре, и это объясняет замеченную астрономами корреляцию между массой черной дыры и массой звезд с гораздо большими масштабами распределения.

В общем, в первые нескольких миллиардов лет после Большого взрыва галактики и черные дыры вошли в фазу интенсивного строительства. Под управлением темной материи галактики росли иерархически: мелкие объекты формировались первыми и со временем сливались, образуя более крупные. Темпы формирования звезд и слияний достигли максимума, после чего стали медленно снижаться по мере сокращения запаса топлива и увеличения Вселенной. Проект строительства черных дыр развивался иначе. Самые глубокие гравитационные потенциалы быстро образовали крупнейшие галактики и самые массивные черные дыры. Сегодня мы наблюдаем их в форме эллиптических галактик, давно истощивших свой газ, с прячущимися в центре мертвыми квазарами. Между тем мелкие гравитационные потенциалы образовали галактики среднего размера — такие как Млечный Путь, которые «вырастили» у себя менее массивные черные дыры, — с более долгим периодом роста и активности. Золотая пора сотворения галактик и черных дыр давно миновала (илл. 42). Когда наступят сумерки Вселенной, будут умирать последние звезды и почти перестанут образовываться новые — им на смену и единственным развлечением станут редкие случаи столкновения двух зрелых галактик и слияния их массивных черных дыр.

Вселенная как черная дыра

Является ли Вселенная черной дырой? Между ними есть некоторые внешние признаки сходства. Масса и радиус наблюдаемой Вселенной удовлетворяют отношению шварцшильдовских массы и радиуса черной дыры. Вселенная имеет горизонт событий, представляющий собой границу между галактиками, которые мы можем видеть, и галактиками, невидимыми для нас, поскольку их свету не хватило времени достичь нас за период существования Вселенной.

Наблюдаются и принципиальные отличия. Самое очевидное: у черной дыры есть внутренности — запечатанное в пределах горизонта событий пространство и время — и внешняя часть. Вселенная по определению есть все пространство и время, так что у нее нет ничего «снаружи». Кроме того, горизонт событий черной дыры является односторонним барьером: хотя никакая информация не может просочиться наружу, мы могли бы пройти сквозь горизонт событий и узнать, что там внутри. В нашей ускоряющейся Вселенной горизонт событий, удаленный на 16 млрд световых лет, отделяет события, которые мы никогда не увидим, сколько бы ни ждали. Мы можем увидеть, что происходило в галактиках перед тем, как они пересекли горизонт событий; все последующее навсегда исчезает от нашего взгляда. Нед Райт, профессор астрономии Калифорнийского университета в Лос- Анджелесе, емко выразил это в своих ответах на часто задаваемые вопросы о космологии: «Большой взрыв на самом деле не имеет ничего общего с черной дырой. Большой взрыв — это сингулярность, распространившаяся на все пространство в одно мгновение времени, а черная дыра — это сингулярность, распространившаяся на все время в одной точке пространства». Иначе говоря, наша Вселенная в прошлом имела сингулярность, из которой возникло все, а черная дыра имеет сингулярность, в которой объекты могут исчезнуть в будущем.

О черных дырах также вспоминают при попытках объяснить существование Вселенной. Это умозрительная космология, так что пристегните ремни! Теория Большого взрыва опирается на эпизод инфляции, период экспоненциального расширения через 10^–35 после Большого взрыва, в течение которого Вселенная раздулась от размера меньше протона до примерно метра в поперечнике. Некоторые наблюдения свидетельствуют в пользу инфляции, но до сих пор отсутствует убедительная теория вызвавших ее причин.

В занимательной статье, опубликованной в 2010 г., ученые попытались устранить необходимость в инфляции, распространив теорию гравитации на новый тип элементарных частиц. Теория обратилась к идее силы отталкивания — так называемой торсионной силы. Торсионная сила при нормальных плотностях и температурах незаметна, но в условиях Большого взрыва она обеспечила бы формирование Вселенной из внутренности черной дыры. В таком случае наша Вселенная являлась бы пространственно-временным континуумом, исторгнутым черной дырой. Побочным преимуществом этой идеи является объяснение стрелы времени. Время для нас течет вперед вследствие асимметричного по времени потока материи на горизонт событий из родительской Вселенной. Это значит, что по другую сторону горизонта событий, в родительской Вселенной, время течет в обратном направлении. Возникает немыслимая ситуация: события, случившиеся после Большого взрыва, в родительской Вселенной развиваются в обратном порядке.

Еще более сумасшедшая теория, опубликованная в 2014 г., воспользовалась инструментарием теории струн. Попытавшись обойтись без сингулярности Большого взрыва, ученые Института теоретической физики «Периметр» в Ватерлоо (Канада) выдвинули теорию, согласно которой наша Вселенная возникла в результате формирования черной дыры во вселенной большей размерности. В нашей трехмерной Вселенной черные дыры имеют двухмерные горизонты событий. В четырехмерной вселенной горизонт событий черной дыры должен иметь три измерения. Ниайеш Афшорди и его коллеги предполагают, что наша Вселенная начала существовать, когда звезда в четырехмерной вселенной коллапсировала в черную дыру. Большой взрыв — мираж, отзвук более многомерного события. Они объясняют это при помощи платоновской аллегории с пещерой: «Двухмерные тени — единственное, что видят пленники, — их единственная реальность. Оковы не позволяют им увидеть настоящий мир, имеющий на одно измерение больше, чем мир, который они знают. <…> Узники у Платона не понимают, какие силы управляют Солнцем, как мы не понимаем четырехмерной объемной Вселенной».

Подробнее читайте:
Импи, К. Чудовища доктора Эйнштейна: О черных дырах, больших и малых / Крис Импи ; Пер. с англ. [Натальи Кияченко] — М. : Альпина нон-фикшн, 2020. — 374 с.