Путешествие к черным дырам. Часть 2

Пнд, 05/18/2009 - 11:31

«Что это было?» – бормочите вы, обращаясь к компьютеру, и голос ваш дрожит.

«Тише, тише,– успокаивает он.– Это были гравитационные волны от финальной стадии сближения черных дыр и их слияния. Вы привыкли к тому, что гравитационные волны настолько слабы, что зарегистрировать их могут лишь сверхчувствительные приборы. Но при слиянии черных дыр они необычайно сильны – будь ваша орбита в 50 раз меньше, звездолет могло разорвать на части вызванной ими тряской. Но сейчас вы в безопасности. Слияние завершилось, и волны прошли. На своем пути во Вселенной они расскажут удаленным наблюдателям о происшедшем здесь событии».

Направляя телескопы на источник гравитационного поля, вы обнаруживаете, что там, где недавно были две дыры, сейчас всего одна, причем она быстро вращается – вы видите это по вихрям падающих атомов водорода. Эта дыра станет идеальным генератором энергии для вас, вашей команды и тысяч поколений ваших потомков.

Аккуратные измерения параметров орбиты звездолета свидетельствуют, что масса образовавшейся дыры составляет 45 Mслн. Поскольку суммарная масса родительских дыр равнялась 48 Mслн, три солнечных массы должны были превратиться в энергию и унестись гравитационными волнами. Нечего удивляться, что вас трясло так сильно!

О вращении дыры свидетельствуют не только возникающие вихри атомов водорода, падающих в дыру, но и форма окруженного светлым кольцом темного пятна на небе под вами: это пятно сплющено из-за вращения дыры, как сплющена из-за вращения Земля. Более того, пятно выпячивается с одной стороны. Как объясняет компьютер, горизонт черной дыры захватывает световое излучение звезд легче, если они движутся вдоль его левого края, против направления вращения, чем при движении вдоль правого края, по направлению вращения*. Определяя форму пятна и пользуясь формулами ОТО, вы заключаете, что момент количества движения составляет 96% от максимального значения, допустимого для дыры такой массы. Зная же момент и массу, вы вычисляете другие свойства черной дыры, включая скорость вращения ее горизонта и длину ее экватора.

* Возникает сила, аналогичная силе Кориолиса, или магнитное поле при вращении заряженного тела.

Вращение дыры заинтересовало вас. Никогда прежде вы не имели возможности вблизи исследовать вращающуюся дыру. Поэтому вы вновь отыскиваете добровольца, робота R4D4, вызвавшегося исследовать окрестности горизонта. Ему даны четкие инструкции: спуститься, зависнув в нескольких метрах над горизонтом, и там, включив ракетные двигатели, удерживаться неподвижно точно под звездолетом. Таким образом, двигатели должны препятствовать как силе гравитационного притяжения, так и вихревому увлечению пространства. Жаждущий приключений R4D4 спускается вниз, форсируя двигатели сначала едва, а затем все сильнее, чтобы преодолеть вращение пространства и остаться точно под звездолетом. Когда он достигает орбиты, на 56% больше длины горизонта, лазерный луч приносит сообщение: «Я не могу преодолеть увлечение», и он неумолимо захватывается на круговую орбиту, вращаясь вместе с дырой.

«Не беспокойся,– отвечаете вы.– Насколько сможешь, препятствуй увлечению и продолжай спуск, пока до горизонта не останется 100 м».

По мере спуска R4D4 увлекается все быстрее и, прекратив спуск в 100 м над горизонтом, вращается с такой же частотой, как и горизонт черной дыры,– 270 об/с. И как ни пытается он тягой двигателей препятствовать вращению, ему это не удается.

«Попробуй изменить направление тяги,– советуете вы.– Если не можешь вращаться медленнее, постарайся двигаться быстрее».

R4D4 изо всех сил пытается форсировать двигатели, но скорость его орбитального движения почти не меняется. Вы по-прежнему видите его совершающим 270 об/с вокруг черной дыры. А затем топливо иссякает, и он начинает падать внутрь. Его лазерное излучение становится инфракрасным, затем превращается в радиоволны, но мерцает все с той же частотой, свидетельствующей о том, что нет никаких изменений в его вращательном движении. Он ушел в глубь черной дыры, нырнув в неистовую сингулярность, которую вы никогда не сможете увидеть...

Через три недели, посвященных экспериментам и наблюдениям, вы и ваша команда принимаетесь, наконец, за строительство. Доставив материалы с далеких планет, создаете рабочее кольцо вокруг черной дыры. Оно имеет длину около 5 млн км, толщину 2 тыс. км и ширину 4 тыс. км и вращается с постоянной скоростью, совершая оборот за 36 мин, чтобы центробежные силы препятствовали гравитационному притяжению черной дыры в центральном слое кольца, в 1000 км от внутренней и внешней поверхностей. Размеры кольца тщательно выбраны, так что люди, предпочитающие жить при земной силе тяжести, могут построить свои дома у внешней или внутренней поверхностей кольца, а те, кто выбирает более слабое притяжение, могут поселиться ближе к его осевой линии. Эти различия в силе тяжести целиком обусловлены приливной силой черной дыры, или, в терминах ОТО,– кривизной пространства-времени.

Электроэнергия, необходимая для обогрева и освещения вашего «кольцевого» мира», берется от черной дыры: 20% массы дыры запасено во вращении пространства вблизи ее горизонта. Превратившись в энергию, эта величина в 100 тыс. раз превзойдет энергию, которую Солнце испускает в виде тепла и света до конца своих дней!

Ваш преобразователь действует по тому же принципу, что и квазары, принципу, впервые открытому в 1977 г. английскими астрофизиками Р. Блэндфордом и Р. Знаеком. Вы внедряете магнитное поле под горизонт дыры и удерживаете его, несмотря на то, что оно стремится улизнуть, с помощью гигантских катушек. Поскольку дыра вращается, ее вращательный момент взаимодействует с магнитным полем; в результате образуется гигантский электрический генератор, в котором магнитные силовые линии работают как линии передачи энергии от черной дыры. Электрический ток течет от экватора черной дыры (в форме потока электронов в обратном направлении) по магнитным силовым линиям в ваш кольцевой мир, а затем от него (по другому набору магнитных силовых линий) вниз, к северному и южному полюсам черной дыры. Меняя напряженность магнитного поля, вы можете регулировать выходную мощность «электростанции». По мере того, как вы отбираете энергию, дыра замедляет свое вращение, но время, в течение которого вы сможете черпать из этого огромного энергетического резервуара, практически бесконечно*.

Изложенные выше истории звучат как фантастика. Отчасти это действительно так: я не могу гарантировать, что существует черная дыра с массой 10 Mслн вблизи Веги или массой 100 тыс. Mслн – в центре Млечного Пути, так же как и то, что черная дыра с массой 1,5*1012 Mслн найдется вообще где-нибудь во Вселенной. Это все, конечно, вымысел. Точно так же я не могу обещать, что человек когда-нибудь добьется таких успехов в развитии техники и технологии, что станут реальностью межгалактические или хотя бы межзвездные полеты и конструирование кольцевых миров вокруг черных дыр.

С другой стороны, я с полной определенностью могу гарантировать (точнее, с почти полной – такой же, как уверенность в том, что Лос-Анджелес завтра не будет разрушен землетрясением), что черные дыры существуют в нашей Вселенной и обладают в точности теми свойствами, о которых рассказывалось. Если вы окажетесь в звездолете непосредственно над горизонтом черной дыры массой 1,2*1012 Mслн, я могу утверждать, что законы физики внутри вашего звездолета будут такими же, как на Земле, но что если вы обратите свой взор на небо вокруг вас, то увидите всю Вселенную в виде блестящего маленького диска над головой. Я могу с уверенностью утверждать, что если вы отправите робота-исследователя к горизонту вращающейся черной дыры, никакая сила тяги его двигателей не позволит ему вращаться быстрее или медленнее, чем сама черная дыра. Я гарантирую, что быстро вращающаяся черная дыра запасает 29% своей массы в виде энергии вращения и что если вы окажетесь достаточно сообразительны, то сможете извлечь эту энергию и использовать ее для своих нужд.

Почему я могу говорить обо всем этом с такой уверенностью? Ведь я никогда не видел черной дыры. И никто не видел. Астрономы лишь обнаружили косвенные данные, подтверждающие существование черных дыр, но до сих пор нет никаких наблюдений, свидетельствующих об их свойствах столь определенно. Почему же я так смело берусь утверждать весьма многое о них? По одной простой причине – законы физики предсказывают эти свойства черных дыр и предсказывают их вполне недвусмысленно, не оставляя место сомнениям. Из законов физики можно вывести все свойства черных дыр (снаружи от горизонта).

Но почему я так доверяю законам физики? Потому что они оказались весьма плодотворными в предсказании и объяснении результатов сотен и тысяч экспериментов и наблюдений на Земле и в Солнечной системе.

А что позволяет мне думать, что те законы, которые так замечательно «работают» в Солнечной системе, будут действовать в межзвездном пространстве и даже в межгалактическом? Я убежден в этом, ибо астрономические исследования нашей и других галактик (весьма детальные исследования) никогда не свидетельствовали о нарушениях физических законов, известных нам.

Последние 20 лет я принимал участие в теоретических поисках, которые создали наше сегодняшнее представление о черных дырах, а также занимался поисками предсказанных проявлений черных дыр в астрономических наблюдениях. Мой личный вклад в это дело невелик, но вместе с моими коллегами – физиками и астрономами – я наслаждался восторгом поиска и был восхищен способностью человеческого разума проникнуть в суть таких явлений.

Другие материалы рубрики


  • Впервые астрономы обнаружили планету вне нашей Солнечной системы, которая является потенциально пригодной для жизни, с температурами подобными земным, сопоставимыми с Землей массой и размером и, вероятно, жидкой водой на поверхности. Что приятно, потенциально обитаемый мир находится всего в двух десятках световых лет от нас. Когда-нибудь люди туда смогут добраться.
    О сенсационной находке рассказала 25 апреля 2007 года международная группа из 11 астрономов (из Швейцарии, Португалии и Франции), которая работала в Чили, на одном из телескопов Европейской южной обсерватории (ESO). Ученые нашли сходную с Землей планету у звезды Gliese 581 — красного карлика, расположенного в созвездии Весы.
    Планета, получившая имя Gliese 581c, обладает массой примерно в 5 масс Земли. Ее диаметр оценивается в 1,5 диаметра нашей планеты, так что сила тяжести на ее поверхности составляет приблизительно 1,6 g. Из-за этих параметров астрономы окрестили ее также «Суперземлей» (super-Earth).
    Ученые предполагают, что эта планета — скалистый мир, сходный с Землей по облику. Как возможный вариант — это может быть ледяная планета. Но в обоих случаях на ее поверхности должна быть жидкая вода. Причем, в случае с ледяным миром — она может быть покрыта океаном полностью.



  • Немного найдется произведений, передающих красоту космических объектов, называемых планетарными туманностями. Освещенные изнутри родительской звездой, расцвеченные флуоресцирующими атомами и ионами на фоне космической черноты, газовые структуры кажутся живыми. Ученые дали им прозвища — Муравей, Морская Звезда, Кошачий Глаз...
    Термин «планетарные туманности» — представляющие собой размытые, похожие на облака объекты, видимые только в телескоп — придумал два столетия назад английский астроном Вильям Гершель (William Herschel), исследователь туманностей. Многие из них имеют округлую форму, которая напомнила ученому зеленоватый диск планеты Уран, им же и открытой. К тому же он полагал, что округлые туманности могут быть планетными системами, формирующимися вокруг молодых звезд. Термин прижился, несмотря на то, что действительность оказалась иной: туманности такого типа состоят из газа, сброшенного умирающими звездами. Примерно через 5 млрд. лет Солнце закончит свой космический век изящным выбросом планетарной туманности, что не вполне соответствует теории эволюции звезд — основе, на которой базируется наше понимание космоса. Если звезды рождаются, живут и умирают круглыми, то как же они создают вокруг себя структуры, которые мы видим на фотографиях «Хаббла», подобные Муравью, Морской Звезде или Кошачьему Глазу?

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • Галактика, в которой мы живем, — Млечный Путь — настоящий исполин по галактическим меркам. Среди галактик местной группы лишь Туманность Андромеды может тягаться с нашим домом по количеству звезд, размерам и массе. Однако сферы влияния гигантов давно поделены, и нашу галактику окружают десятки, а может, и сотни галактик-спутников.
    Сейчас известны по крайней мере 23 спутника нашей галактики. Некоторые из них светятся, как миллиарды солнц, и жителям Южного полушария нашей планеты отлично знакомы Магеллановы облака — крупнейшие спутники нашей Галактики, не заметить которые на ночном небе невозможно даже невооруженным глазом.



  • ...И тут внимание исследователей привлекла давняя и очень любопытная гипотеза космических струн. Постичь ее трудно, представить наглядно просто невозможно: струны можно только описать сложными математическими формулами. Эти загадочные одномерные образования не излучают света и обладают огромной плотностью — один метр такой "ниточки" весит больше Солнца. А если их масса так велика, то и гравитационное поле, пусть даже растянутое в линию, должно значительно отклонять световые лучи. Однако линзы уже сфотографированы, а космические струны и "черные дыры" пока существуют лишь в уравнениях математиков. Из этих уравнений следует, что возникшая сразу после Большого взрыва космическая струна должна быть "замкнута" на границы Вселенной. Но границы эти так далеки, что середина струны их "не чувствует" и ведет себя, как кусок упругой проволоки в свободном полете или как леска в бурном потоке. Струны изгибаются, перехлестываются и рвутся. Оборванные концы струн тут же соединяются, образуя замкнутые куски. И сами струны, и отдельные их фрагменты летят сквозь Вселенную со скоростью, близкой к скорости света.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • В кинокомедии «Карнавальная ночь» один из персонажей — лектор — сообщает: «Есть ли жизнь на Марсе, нет ли жизни на Марсе, науке не известно». С тех пор прошло почти полвека, но это утверждение справедливо и сегодня. Однако не менее справедливо и другое: «Где есть вода — там есть и жизнь». Сегодня с большой долей уверенности можно сказать: вода на Марсе есть. Дело за малым — отыскать там жизнь.


  • Вращаясь вокруг Солнца, инфракрасная обсерватория НАСА ищет следы молодых звезд и галактик, а также межзвездное пространство, в котором они образовались.
    Космический телескоп имеет очевидные преимущества в изучении инфракрасного теплового излучения, которое испускают объекты, слишком холодные, чтобы сиять в спектре видимого света. Атмосфера Земли - постоянная помеха для инфракрасных приборов, поскольку она не только впитывает слабые инфракрасные лучи из космоса, но и сама выделяет их огромное количество.
    В 1979 году НАСА представило инфракрасный космический телескоп SIRTF. Он не стал первым инфракрасным прибором на орбите, но долгое время оставался самым большим.



  • В августе 1989 года с космодрома Куру ракетой-носителем Ариана 4 был запущен на орбиту вокруг Земли искусственный спутник HIPPARCOS. Название этого аппарата напоминает имя известного древнегреческого астронома Гиппарха (II в. до н.э.), открывшего явление прецессионного движения оси вращения Земли и предложившего первую фотометрическую шкалу измерения блеска звезд. Отдавая дань уважения Гиппарху, специалисты из Европейского Космического Агентства дали своему спутнику имя, которое они составили из первых букв полного названия научного проекта: HIgh Precision PARarallax COllecting Satellite — «Спутник для получения высокоточных параллаксов». Космический аппарат просуществовал на орбите 37 месяцев, и за это время он провел миллионы измерений звезд. В результате их обработки появились на свет два звездных каталога. Первый из них — HIPPARCOS.

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • За последнее время вблизи Земли пролетели несколько сравнительно крупных небесных тел. Сильную тревогу вызвало в 1936 г. прохождение астероида Адонис на расстоянии около 2 млн. км от Земли. А настоящую панику вызвал в 1937 г. астероид Гермес, имеющий диаметр ≈1,5 км, промчавшийся лишь на расстоянии 800 тыс. км от Земли (удвоенное расстояние до Луны). Позже (в 1992 г.) большой ажиотаж был связан с приближением к Земле малой планеты Тоутатис. Астероид диаметром около полукилометра пролетел мимо Земли 19 мая 1996 г. на расстоянии всего 450 тыс. км.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3


  • Варварские наклонности некоторых звезд иногда возмущают. Пока одни отнимают вещество у ближайших тел, другие поступают еще более нагло и жестоко. Они скидывают со звезд газопылевые диски, которые могли бы дать начало новой планетной системе, а то и новым формам жизни. Но не со всех, а лишь с тех, кто решается переступить опасную черту.



  • Теория эволюции звезд основана на диаграмме «спектр-светимость». Спектр звезды связан с температурой ее поверхностных слоев, светимость — это количество световой энергии, излучаемой звездой в единицу времени. По оси абсцисс откладывается последовательность спектральных классов, по оси ординат — светимость. Звезды Галактики изображаются на диаграмме точками. Точки могли бы расположиться как попало, могли бы сгуститься к одной линии. Но они сгущаются к нескольким линиям и областям, из которых выделяются пять. Им соответствуют группы звезд: звезды главной последовательности, субкарлики, красные гиганты, сверхгиганты, белые карлики. Сопоставляя диаграммы «спектр-светимость», составленные для различных звездных скоплений, можно с уверенностью утверждать, что звезды главной последовательности на определенном этапе эволюции превращаются в красные гиганты. Из диаграмм также видно, как это происходит: температура звезды начинает уменьшаться, размеры и светимость, наоборот, увеличиваются. Через некоторое время температура опять начинает расти. Скорость эволюции определяется начальной массой звезды.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3