Такие дела. Есть, правда, еще один предел, на котором я хочу остановиться чуть подробнее. Просто потому, что этот предел – последнее, что отделяет более или менее понятные нам звезды от экзотических черных дыр.
1.8. Звезды Бухдаля и не только
Для того чтобы рассказать вам, что такое предел Бухдаля и, соответственно, звезды Бухдаля, мне нужно напомнить вам про другого дядьку, Шварцшильда. Помните такого?
Напомню, радиус Шварцшильда – это такой радиус, в который надо уместить какую-то массу, чтоб она стала черной дырой.
Но радиус Шварцшильда – это чисто математическое решение уравнений Эйнштейна. Оно описывает верхний предел радиуса черной дыры. А по другую сторону от шварцшильдовского решения этих уравнений существует как раз предел Бухдаля – это нижняя оценка радиуса для массы, втиснутой в пространство, которая НЕ становится черной дырой.
Для того чтобы мы могли применить неравенство Бухдаля, вещество должно представлять из себя идеально-сферическое нечто, которое будет со всех сторон симметричным. В общем, идеальный колобок без ушей, носа и говорильника.
И, наверное, это уже даже не нейтронная звезда будет, а какая-нибудь кварковая, а то и планковская, потому что гравитация во всей этой истории безумно большая. Но поскольку математика не говорит нам, какими физическими свойствами этот шарик будет обладать, то нам остается только предполагать.
Пока звезды Бухдаля – это чисто гипотетический объект, мы их не нашли, и фиг знает вообще, как их искать. Мы не представляем себе почти никаких электромагнитных характеристик этих звезд, так что телескопами их искать смысла нет. А гравитационное линзирование, конечно, штука хорошая, но линзами становятся не только тяжелые объекты, а буквально все на свете. Искривление зависит от массы, и в каких-то случаях мы пренебрегаем этим, но, строго говоря, оно-таки есть. А для того чтобы отличить одну линзу от другой, высчитать радиусы этих тяжеловесов, нам надо знать чуть больше, чем мы знаем сейчас. Поэтому радиус гравитационной линзы нам тоже не очень-то поможет, и, возможно, стоит искать звезды Бухдаля по каким-то другим характерным особенностям, пока не знаю, уже открытым, или еще даже не сформулированным. У нас нет почти ничего, чтобы их поймать.
Интересно, что переход от радиуса Шварцшильда к пределу Бухдаля напоминает какой-то фазовый скачок, причем не только в случае радиуса, а еще и характеристический. Когда мы видим превращение, например, воды в лед, это фазовый переход. И в таком переходе мы можем отметить скачкообразное изменение каких-то характеристик, энергий, производных. График выглядит практически как ступенька лестницы.
Я сравнил формулы радиуса Шварцшильда и предела Бухдаля и вот что имею вам сказать.
У обеих формул есть общий множитель, он состоит из гравитационной постоянной, массы нашего объекта, который мы хотим проверить – черная дыра оно или нет, – и скорости света в квадрате.
Мы очень любим квадрат скорости света, хотя он не показывает какую-то прям физическую величину, это обычно размерный множитель, позволяющий сравнивать массу с длиной например.
В нашем случае общий множитель выглядит следующим образом: нашу массу мы умножаем на гравитационную постоянную и делим на квадрат скорости света.
Только в случае шварцшильдовского радиуса мы этот множитель умножаем на 2, а в бухдалевском – на 9/4.
Несложно заметить, что множитель увеличился сразу на четверть, а сам бухдалевский предел стал аж на 1/8 больше шварцшильдовского радиуса. Тот самый скачкообразный рост. Я понимаю, когда мы на одну восьмую увеличиваем, скажем, один метр, хотя и то странно, но здесь же вообще какие-то немыслимые массы, размеры и масштабы. Одна восьмая – это как-то многовато кажется.
Собственно, разница между бухдалевской звездой и черной дырой, как я понимаю, заключается в единственном пункте, который многие научпоперы разделяют зачем-то на два. У черной дыры есть горизонт событий, а у звезды Бухдаля – нет.
Горизонт событий – это граница, за которой никакие события не могут повлиять на наблюдателя. И очевидный вывод, который часто отмечают отдельно, но он по факту – те же Фаберже, только в анфас: гравитация за горизонтом событий не выпускает наружу ничего, включая свет. Как бы еще событие могло повлиять на наблюдателя? Только через свет – надо же какой-то канал связи поддерживать.
Так вот, от звезды Бухдаля реально улететь и свету, и даже нам с вами, если сильно постараемся.
Еще одна экзотическая гипотеза – это планковская звезда. Она устанавливает предел плотности энергии коллапсирующей звезды. То есть если на единицу объема звезды энергия будет превышать определенное значение, то коллапс в черную дыру становится обратимым процессом. История довольно хитрая. По факту упирается в планковские величины и принцип неопределенности. Предполагается, что в условиях такой энергии пространство-время и гравитация квантуются. И в этом случае Вселенная начинает выдавать артефакты, которые сохранят принцип неопределенности для самого пространства-времени. Она сама начнет выдавливать черную дыру обратно наружу, чтобы сохранить свою загадочность и неопределенность.
Но этот процесс, если он действительно существует, длится безумно долго. Тут в дело вступает Лоренцево замедление времени, и для планковской звезды солнечной массы процесс бы занял гораздо больше времени, чем нынешний возраст нашей Вселенной.
И, как видите, мы везде говорим о гравитационном коллапсе. Звезды коллапсируют в нейтронные звезды или в черные дыры, газовые скопления коллапсируют в звезды и галактики, везде у нас этот гравитационный коллапс. Что это такое?
Гравитационный коллапс – это быстрое сжатие объектов под действием гравитации.
То есть у нас есть гравитация, которая сжимает массу, потому что масса мнет пространство-время, а гравитация – это и есть те самые складки, то есть геометрия пространства-времени. И если у нас образовалась складка, логично, что масса начинает в нее скатываться и плющиться сама в себя.
Возвращаясь к нашему фазовому переходу, мы видим изменение каких-то характеристик, а не только самостоятельный и бесследно проходящий скачок энергии.
Вода замерзает и становится твердой, а звезда сжимается и становится гравитационным капканом для всего, что поимеет счастье пролететь через нее, то есть черной дырой.
Это похоже на надувание шарика. Помните этот момент в самом начале, когда шарик сопротивляется надуванию и еще не увеличивается в размерах, а потом, после приложения какого-то критического усилия, его резко раздувает во все стороны? Так же и здесь. Вспоминайте нашу простыню пространства-времени, только пусть она будет эластичной. Если мы положим на простыню, скажем, шарик с водой, то в зависимости от того, сколько в нем воды (какая у него масса), простыня наша прогнется чуть сильнее или чуть слабее. Но если шарик превысит какое-то критическое значение и будет весить как, скажем, карьерный самосвал, простыня просто мгновенно растянется до бесконечности или дырки – мы пока не знаем, и это будет черной дырой.
То есть гравитационный коллапс возникает, когда у объекта нет сил оставаться, скажем так, на плаву. В звезде гравитационный коллапс останавливается термоядерной реакцией. То есть масса прогибает наше пространство-время, газ скапливается в одном месте, и места настолько мало, что частицы газа начинают друг друга толкать с такой силой, что возникает термояд, который как раз и начинает сам себя поддерживать. Получается, что гравитация обеспечивает сжатие газа до такой степени, чтобы зажечь термояд, а термояд расталкивает эти частицы настолько, что они не проваливаются в складку пространства-времени бесследно.
Если мы говорим, что пространство-время, как болото, засасывает нашу звезду, то в какой-то момент она просто не сможет сопротивляться. Собственно точно так же рождаются звезды и галактики, так же из белого карлика получается нейтронная звезда, так же должна получаться звезда Бухдаля и что угодно еще.
Именно поэтому я и говорил про фазовый переход, хотя это ничем не проверенная аналогия. Сходство есть, но мы пока ничего не можем утверждать наверняка.
Может быть, в будущем я накопаю еще информации про звезды Бухдаля. Но пока у меня в загашнике, как и у многих научпоперов, есть два крышесносных факта. Очевидно, что раз звезда Бухдаля – объект гипотетический, то и факты чисто гипотетические.
Факт номер раз.
Немногочисленные математические выкладки говорят, что звезда Бухдаля – это практически пробник, или имитатор, черной дыры. По крайней мере, это максимально приближенное к ней что-то. Помните, единственное отличие от черной дыры, во всяком случае математически, – это отсутствие горизонта событий.
И факт номер два.
Судя по расчетам, полная кинетическая энергия бухдалевской звезды равна половине потенциальной энергии.
То есть наш разогнанный газ, его частицы, его кинетическая энергия наполовину уравновешивает его потенциальную энергию – то есть гравитационное сжатие.
Такое соотношение в астрофизике давно известно. Как правило, когда потенциальную энергию уравновешивают другие силы, это значит, что объект может существовать стабильно и довольно долго. А значит, у нас есть все шансы найти звезды Бухдаля. Если мы найдем такую звезду и изучим ее со всех сторон – как она выглядит, что у нее внутри, как это все работает и какими свойствами обладает, – мы станем на шажок ближе к разгадке тайн черной дыры.
Глава 2. Большая история о черных дырах
2.1. Подробнее о черных дырах
Что вообще такое черные дыры?
Черным физики называют что-то, что не отражает никакое излучение, попадающее на тело. То есть черный – это не цвет. Это отсутствие отраженных фотонов.
Занятный факт: самое черное тело в нашей Солнечной системе – само Солнышко. Оно настолько тяжелое, что почти весь свет, который на него попадает, остается внутри него. То, что Солнце само светится, нас не особо интересует.