Его судьба – быть поглощенным центральной сингулярностью.
Как так случилось, что черные дыры расположились в центрах практически всех галактик? Сформировались ли они после возникновения своих галактик-родителей? Или же они сами «посеяли» эти галактики? Наверное, это одни из самых важных вопросов, на которые у космологии пока нет ответов.
Считается, что дыры звездной массы образуются из-за катастрофического сжатия умирающих звезд, но образование сверхмассивных черных дыр – полная тайна. Возможно, они образуются, когда черные дыры звездной массы сталкиваются и слипаются в тесной толпе в ядре галактики. Или, может быть, они появляются прямо из гигантского сжимающегося облака газа. Вся беда в том, что сейчас мы видим сверхмассивные черные дыры, которые набрали свою массу, равную миллиардам солнечных, всего за каких-то 500 миллионов лет, считая от Большого взрыва – то есть к моменту, когда возраст Вселенной составлял всего 4 % от нынешнего. Трудно представить, как они смогли вырасти такими большими за такое короткое время.
Но, хотя сверхмассивная черная дыра и кажется такой внушительной по нашим с вами меркам, она чрезвычайно мала по сравнению со своей родительской галактикой и имеет очень малую массу по сравнению с массой всех звезд галактики. Удивительно, что сверхмассивные черные дыры повсюду на родительских галактиках оставляют свой неизгладимый отпечаток. Например, масса звезд в ядре галактики обычно примерно в 1000 раз больше массы черной дыры. Очевидно, существует тесная связь между сверхмассивной черной дырой и ее галактикой. Когда одна черная дыра дирижирует всей галактикой – с чем это сравнить? Это как если бы бактерия взялась за строительство такого города, как Нью-Йорк!
Крошечные, но чрезвычайно массивные черные дыры пользуются специфическими средствами, чтобы распространить свое влияние на обширное пространство. Все дело в том, что из полярных областей вращающейся черной дыры бьют струи вещества, вылетающие с огромными скоростями по каналам, пробитым для них закрученным магнитным полем в массе газа, падающего на черную дыру. Они прокладывают свой путь между звездами и устремляются дальше, за пределы галактики, в межзвездное пространство, где надувают гигантские шары из горячего газа – самые большие структуры, известные во Вселенной.
Эти загадочные газовые шары явились первым намеком на существование сверхмассивных черных дыр. В 1950-х годах радиоастрономы, работая на оборудовании, предназначенном для военных радаров, обнаружили, что из некоторых галактик приходит радиоизлучение не от центрального скопления звезд, как ожидалось, а из таинственных гигантских лепестков, расположенных по обе стороны от галактик.
В начале 80-х годов XX века с помощью Очень большой антенной решетки (англ. Very Large Array; VLA) – системы радиотелескопов в штате Нью-Мексико (США) – были впервые найдены тончайшие струи, питающие эти лепестки. В сравнении с ускорением, которое испытывает вещество в этих струях, наши потуги разгонять частицы в ускорителях выглядят просто смехотворными. Мы гордимся тем, что многомиллиардный Большой адронный коллайдер ускоряет нанограмм вещества почти до скорости света. А здесь – космические струи, каждый год разгоняющие до тех же скоростей огромные количества вещества, чья масса во много раз превышает массу Солнца.
Струи помогают выстраивать структуру своих родительских галактик, потому что они вытесняют из внутренних областей, где они все еще быстрые и мощные, весь газ, который мог бы участвовать в звездообразовании. Но, попадая во внешние области галактик, струи замедляются и, врезаясь в облака газа, вынуждают их сжиматься под действием гравитации и давать жизнь новым звездам.
Начинать и останавливать звездообразование – не единственный способ, с помощью которого сверхмассивная черная дыра формирует галактику. Как считает астрофизик Калеб Шарф из Колумбийского университета, черные дыры способны определять, какими будут вновь рожденные звезды. Галактики с самыми большими сверхмассивными черными дырами – так называемые гигантские эллиптические галактики – содержат очень много холодных, красных, долгоживущих звезд. По мнению Шарфа, именно черные дыры ответственны за звездный контингент этих галактик[132]. Эти звезды порождают планеты с весьма малым количеством тяжелых элементов, таких как углерод, магний и железо, необходимых для жизни. На поверхности таких планет вряд ли появятся условия для возникновения нужных химико-биологических соединений. «Жизнь могла возникнуть на Земле только потому, что Млечный Путь имеет относительно небольшую черную дыру в центре, – говорит астрофизик. – В противном случае Солнце и Земля никогда бы не смогли сформироваться».
Галактики во Вселенной отличаются не меньшим разнообразием видов, чем звери в зоопарке. Если Шарф прав, галактики с относительно небольшими сверхмассивными черными дырами могут быть заполнены планетами, изобилующими жизнью. Но бесчисленные планеты в других галактиках с очень большими сверхмассивными черными дырами, скорее всего, не могут породить никакую жизнь.
После первоначального отрицания ученые вынуждены были признать, что черные дыры существуют. И если ранее они считались аномалией, то теперь им отводится решающая роль в космосе. Если бы в центре Млечного Пути не пряталась скромная по своим размерам черная дыра, вы бы, мой читатель, не читали сейчас эти строки.
46. Гравитация наоборотВсе знают, что гравитация притягивает; но не везде во Вселенной это так
Я бросаю вызов гравитации.
Гравитация, или сила притяжения – универсальная сила, действующая между любыми двумя материальными телами. Она притягивает, например, вас к монетам в вашем кармане; она притягивает вас к людям, проходящим мимо вас на улице. Правда, в обоих этих случаях она обычно остается незамеченной по причине своей малости. Сила притяжения действует между Землей и Луной, между Солнцем и Землей. Во всех перечисленных случаях это именно сила притяжения, то есть она притягивает тела друг к другу.
Но она вовсе не обязана это делать всегда.
Теория Ньютона утверждает, что источником гравитации является масса. Но на смену ньютоновской теории пришла теория гравитации Эйнштейна – общая теория относительности, которая во главу угла поставила энергию. Энергия массы – наиболее компактная форма энергии в природе[133]. Но существуют и другие типы энергии – электрическая, световая, химическая; энергия движения и энергия звука и т. д. Все они обладают гравитацией.
Сложно себе представить, что вибрации воздуха, которые переносят ваш голос, тоже обладают гравитацией. Но согласно теории Эйнштейна, это сущая правда.
Обратим внимание на нюансы. Посмотрев более пристально на теорию гравитации Эйнштейна, – представленную вниманию научного сообщества в Берлине в ноябре 1915 года, в разгар Первой мировой войны, – можно убедиться в том, что все гораздо сложнее. Да, источником притяжения является энергия, точнее, плотность энергии, она характеризует степень концентрации энергии. Источник притяжения – это не только энергия, но энергия + давление.
К примеру, давление газа в сосуде определяется просто как усредненный «напор» его бесчисленных атомов и молекул на стенки сосуда. В воздушном шаре такое давление обеспечивают миллиарды и миллиарды молекул воздуха. Именно благодаря их беспрерывной «бомбардировке» по резиновой оболочке воздушного шара – подобно тому, как дождь барабанит по крыше – шар остается надутым. Но в любом нормальном веществе давление гораздо меньше, чем плотность энергии. Подумайте об энергии, которая освобождается при взрыве водородной бомбы – всего лишь из одного килограмма вещества. Следовательно, в повседневной жизни можно полностью игнорировать давление как источник гравитации.
Но допустим, что во Вселенной существует какой-то вид материи, которого нет у нас на Земле, чьим давлением нельзя пренебрегать по сравнению с плотностью энергии. И допустим, что по величине это давление превышает плотность энергии этого вещества. И оно отрицательное – ведь отрицательное давление вовсе не фантастика. В то время как вещество с нормальным, положительным давлением выталкивает себя наружу и пытается расшириться, вещество с отрицательным давлением всасывается внутрь и пытается сжаться (подумайте о растянутом резиновом жгуте, отчаянно пытающемся вернуться в исходное положение). Но – и в этом заключается суть – если у этого вещества действительно есть отрицательное давление, которое больше по величине, чем плотность его энергии, то величина «энергия + давление», которая ответственна за гравитацию в теории Эйнштейна, становится отрицательным числом, а не положительным[134]. Другими словами, это вещество будет обладать отталкивающей гравитацией! Оно будет отталкивать, а не притягивать.
Давление газа есть усредненная «барабанная дробь» составляющих его частиц по стенкам содержащего газ сосуда. Чем быстрее двигаются частицы, тем больше давление газа.
Думаете, существование такого курьезного вещества – это чистая научная фантастика? Оказывается, нет.
Вселенная расширяется, а ее галактики разлетаются прочь друг от друга, как осколки космической шрапнели – отголоски Большого взрыва. Сначала ученые полагали, что на просторах крупномасштабной Вселенной значима единственная сила – гравитация. Как невидимая упругая паутина, опутавшая галактики, она должна затягивать их в свои сети и таким образом тормозить космическое расширение. Однако, вопреки всем ожиданиям, в 1998 году астрономы обнаружили, что расширение Вселенной ускоряется.
По правде говоря, гравитация должна замедлять расширение Вселенной.
Однако таинственная темная энергия в настоящее время ускоряет разбегание галактик, которые все больше удаляются друг от друга.