Пять возрастов Вселенной

Приливные силы

Эйнштейн показал, что кривизна пространства, вызванная сосредоточением массы, создает приливную силу. Дурная слава звездных черных дыр обусловлена, в основном, чрезвычайно большими приливными силами, которые действуют вблизи их горизонтов событий. Но что же такое эта приливная сила? Ответ лучше всего дать на примере. Если вы стоите на поверхности Земли, ваша голова находится несколько дальше от ее центра, чем ноги. Поскольку сила гравитации, с которой на вас действует Земля, ослабевает с увеличением расстояния, сила гравитации, действующая на вашу голову, будет чуть слабее, чем сила, действующая на ваши ноги. Из-за этой разницы ваше тело подвергается растяжению. К счастью, этот приливный эффект достаточно мал. В силу того что Земля создает совсем крошечную кривизну пространства, приливная сила растяжения примерно в два миллиона раз меньше самой силы гравитации, и поэтому, гуляя по поверхности Земли, мы этой силы не чувствуем.

Однако вблизи поверхности черной дыры приливные силы огромны. Для пущей ясности вообразите, что вы находитесь неподалеку от черной дыры, имеющей массу Солнца. Ее шварцшильдовский радиус составляет всего около трех километров. Если бы вам удалось встать на поверхность черной дыры, ваше тело опять-таки подверглось бы действию приливной силы растяжения. Однако на этот раз эта сила в миллиард раз превышает силу притяжения Земли. Другими словами, вы оказались бы под действием растягивающей силы примерно в сто миллиардов фунтов. Столь мощные приливные силы разорвали бы на мелкие кусочки любой обычный макроскопический объект: будь то камень, космический зонд или астронавт.

Кроме того, приливные силы создают еще один эффект. Они сжимают объекты в перпендикулярном направлении. Поскольку гравитационные силы всегда направлены радиально внутрь, к центру черной дыры (или любого другого массивного объекта), сила, действующая на одну сторону тела, направлена немного иначе, чем та, что действует на другую его сторону. Эта разница в направлениях порождает эффект сжатия. Как и в случае приливного растяжения, в слабом гравитационном поле, вроде того, что существует на поверхности Земли, величина этой дополнительной силы крайне мала. Однако вблизи черной дыры эти сжимающие силы могут быть огромны, примерно так же велики, как и приливные силы растяжения. Так вот: вообразите, что вы стоите вблизи поверхности черной дыры, имеющей массу Солнца. В вертикальном направлении ваше тело растягивает сила в сто миллиардов фунтов, тогда как в горизонтальном направлении вас сжимает примерно такая же сила: довольно неприятная перспектива.

Если масса черной дыры увеличивается, то ее гравитационное действие усиливается, но приливные силы вблизи ее поверхности ослабевают. В непосредственной близости от черной дыры, имеющей массу миллиарда Солнц, например, приливные силы настолько умеренны, что позволяют астронавту пересечь горизонт событий и не почувствовать при этом особого дискомфорта. Однако эти сверхмассивные черные дыры таят для будущих космических путешественников свои собственные опасности. Слабость приливных сил и совершенная чернота такой черной дыры позволяют пересечь радиус Шварцшильда — точку невозвращения, — прежде чем станет ясно, что все потеряно.

Зверинец черных дыр

Когда наконец наступит эпоха черных дыр, сколько черных дыр будет содержать Вселенная? Попробуем дать приблизительную оценку. Почти каждая современная галактика, включая нашу собственную, имеет в своем центре сверхмассивную черную дыру. Эти гигантские черные дыры в центре галактик весят от одного миллиона до нескольких миллиардов солнечных масс. Нам также известно, что на внешних просторах галактик сверхмассивные черные дыры не скитаются в больших количествах. Если бы в пределах гало спиральных галактик вращались большие популяции сверхмассивных черных дыр, они тут же разрушили бы чувствительные диски галактик, резко разорвав орбиты звезд. Отсутствие этого разрушительного процесса предлагает простую схему подсчета числа сверхмассивных черных дыр — по одной на галактику.

Звездные черные дыры, образовавшиеся в результате вспышек сверхновых, имеют более многочисленную популяцию по сравнению со сверхмассивными черными дырами. Примерно три звезды из каждой тысячи рождаются с достаточной массой, чтобы образовалось железное ядро и произошла вспышка сверхновой. Процент сверхновых, после вспышки которых образуются черные дыры, а не нейтронные звезды или вообще ничто (т. е. все вещество рассеивается в пространстве), лежит в диапазоне от одного до десяти процентов. Таким образом, каждая галактика будет содержать приблизительно один миллион звездных черных дыр к тому моменту, когда завершится образование звезд и звездная эволюция. Массы этих звездных черных дыр варьируются от трех до ста солнечных, причем средняя черная дыра расположена ближе к нижнему концу этого диапазона.

К сороковой космологической декаде галактики разрушаются полностью. К тому времени галактические газ и пыль уже давно рассеются или войдут в состав звезд. Из-за распада образующих их протонов звездные остатки, коричневые карлики и планеты полностью испарятся. За исключением блуждающего излучения и рассеянных элементарных частиц, единственным наследием каждой галактики является одна сверхмассивная черная дыра и порядка одного миллиона звездных черных дыр. По мере того как эти черные дыры медленно движутся по своим орбитам в огромных, связанных гравитацией, скоплениях, некоторые из сверхмассивных черных дыр сливаются, образуя гигантские «сборные» черные дыры. Тот объем пространства, который в настоящее время составляет нашу видимую Вселенную, вкладывает в общую массу примерно тридцать миллиардов сверхмассивных черных дыр и тридцать миллионов миллиардов звездных черных дыр. Общее число черных дыр во всей видимой Вселенной в начале эпохи черных дыр невероятно велико. Горизонт находится в 10 ³⁰раз дальше, чем сейчас. Если крупномасштабная геометрия пространства-времени является плоской, то видимая Вселенная будет содержать около 10 ⁴⁰сверхмассивных черных дыр и почти 10 ⁴⁶звездных черных дыр: один триллион триллионов дыр на каждую звезду, находящуюся в пределах космологического горизонта сегодняшней Вселенной.

Черный апокалипсис

В эпоху звезд и эпоху распада черные дыры постоянно растут и набирают массу, обрастая веществом, которое они собирают из окружающей их Вселенной. Этот прирост вещества происходит за счет действия обычных сил гравитации — черные дыры не ведут себя как космические пылесосы, втягивающие в себя все без разбора. На объекты, расположенные достаточно далеко от пределов радиуса Шварцшильда, черная дыра действует так же, как звезда или любой другой астрономический объект с большой массой. Например, если космический зонд приблизится к черной дыре, сила гравитации этой дыры протащит этот зонд по гиперболической орбите и выбросит в новом направлении. Зонд может пересечь горизонт событий, если только он направлен точно в центр черной дыры. В реальности наибольшая аккреция вещества в черные дыры происходит, когда вещество, газ или пыль, собирается на круговой орбите вокруг черной дыры, образуя аккреционный диск. Силы типа силы трения, действующие на газ, приводят к тому, что движущееся по орбите вещество нагревается, постепенно теряет энергию и быстро проваливается в черную дыру.

Образование аккреционного диска обусловлено сильными приливными силами, которые создает черная дыра. Чтобы продемонстрировать необычайную силу этих приливов, рассмотрим довольно мрачный сценарий, согласно которому Земля сталкивается с черной дырой. Поскольку в нашей Галактике всего около миллиона звездных черных дыр, вероятность столкновения Земли с черной дырой слишком мала, чтобы вызывать у нас особое беспокойство. Шансы на прямое столкновение составляют примерно один на 10 ²⁶в год. Тем не менее мы можем описать последовательность событий, которые произошли бы, если бы по какому-то ужасно несчастливому стечению обстоятельств черная дыра с массой двух Солнц оказалась на встречно пересекающейся траектории с Землей.

Вторгающаяся на орбиту Земли черная дыра образовалась в результате гибели массивной звезды в диске нашей Галактики. Она движется через космическое пространство навстречу Земле со скоростью несколько километров в секунду. Первые неявные признаки вторгающейся черной дыры появляются за несколько тысячелетий до самого столкновения. Когда крошечное чудовище проходит сквозь облако Оорта — размытую сферу комет, окружающую Солнце, — оно смещает кометы с их орбит. Некоторые из них при этом оказываются выброшенными в открытый космос, многие попадают на орбиту вокруг самой черной дыры, а некоторые отправляются внутрь Солнечной системы, чтобы время от времени озарить ночное небо яркими вспышками. За много веков до прибытия этой черной дыры астрономы замечают сильные изменения орбит внешних планет, которые таким образом реагируют на гравитационное влияние черной дыры. Изучая отклонения планет от предсказанных орбит, астрономы могут сделать вывод о месте нахождения, массе и скорости движения приближающейся черной дыры. То, что вторгающийся объект обычной звездой не является, стало бы ясно сразу. Звезда с массой в два раза больше солнечной, проходящая через облако Оорта, выглядела бы также ярко, как фонарь, расположенный на расстоянии нескольких кварталов. Возможно, ученые начали бы спорить, приближается к нам черная дыра или нейтронная звезда, но эти пререкания выглядели бы весьма бледно на фоне осознания того, что к центру нашей Солнечной системы направляется объект, масса которого в два раза больше солнечной.

Телескопы, наведенные в направлении этой черной дыры, отмечают странные колебания яркости фоновых звезд и галактик. Если смотреть издалека, черная дыра ведет себя подобно линзе, так как ее гравитация деформирует пространство-время, увеличивая и искажая изображения объектов, лежащих на линии зрения. Возможно, астрономы получат печальное удовольствие от ошеломляющей точности, которую обеспечит вторгающийся без приглашения «телескоп».

Тем временем, вычисления траектории черной дыры вызывают настоящие опасения. Ужасно близкое прохождение гарантировано, причем в область возможных событий попадает прямое столкновение. Когда черная звезда пересекает орбиту Плутона, планеты начинают очень сильно отклоняться от своих обычных траекторий движения. На немного нестандартной, но математически правильной модели, изображенной на рис. 19, Юпитер и Уран захватывает черная дыра, тогда как Сатурн и Нептун выбрасываются в области межзвездного пространства, не попавшие на наш рисунок. Этим изгнанным планетам суждено странствовать в одиночку триллионы лет, отделяющие одну важную встречу с другими солнечными системами от следующей.