Изучением черных дыр всерьез физики занялись не так давно - хотя сама концепция их существования появилась еще в позапрошлом веке. Но идея присутствия где-то в космосе таких объектов казалась настолько фантастической и недоказуемой, что практически не рассматривалась всерьез.
В 1783 году священник из английской деревни Торнхилл Джон Митчелл представил в журнал «Философские труды Лондонского Королевского общества» свою статью. В ней он писал, что достаточно массивная и компактная звезда будет иметь столь сильное гравитационное поле, что свет не сможет уйти от нее далеко - он будет затянут обратно за счет гравитационного притяжения. Митчелл считал, что таких объектов в космосе может быть очень много, но увидеть их невозможно - так как их свет поглощается ими же. Тем не менее теоретически их гравитационное притяжение можно обнаружить. Статья не вызвала ажиотажа в научном сообществе и прошла практически незамеченной.
Спустя несколько лет французский ученый Пьер-Симон Лаплас, незнакомый с работой Митчелла, выдвинул схожую гипотезу. Он опубликовал ее в своем труде «Система мира», однако после второго издания теория из книги исчезла - по всей видимости, Лаплас решил, что о такой дурацкой идее и говорить не стоит.
А вот в XIX веке ученым уже не могла прийти в голову мысль о невидимых звездах. Все дело в том, что ньютоновское убеждение относительно того, что свет состоит из частиц, вышло из моды. Ученые пришли к выводу, что концепция, согласно которой свет - это волна, лучше описывает явления окружающего мира. О том, как гравитация действует на волны, ничего известно не было, стало быть, и рассуждения о небесных объектах, «затягивающих» собственный свет, пришлось забыть.
Вновь вспомнили о них только в XX веке. В 1916 году, практически сразу после публикации Эйнштейном общей теории относительности, Карл Шварцшильд описал «застывшую звезду», как тогда называли такие объекты, не рассматривая процесс ее зарождения, а в 1939 этот недостающий элемент в теорию добавили Роберт Оппенгеймер и Хартланд Снайдер. И только 1969 году американский физик Джон Уилер придумал термин «черная дыра» (Уилер вообще был романтиком, и второй придуманный им термин, «кротовая нора», еще более любим фантастами).
Жизненный цикл звезды чем-то похож на человеческий - она рождается и умирает. Вначале огромное облако газа (преимущественно водорода) в космосе начинает сжиматься под воздействием собственной гравитации, его молекулы все чаще сталкиваются друг с другом, и их скорости увеличиваются. Газ разогревается, и при определенной температуре возникает реакция термоядерного синтеза, в результате которой образуется гелий. В ходе реакции выделяется тепло и излучается свет. Так возникает звезда. Тепло создает дополнительное давление, которое уравновешивает гравитационное притяжение, и звезда перестает сжиматься - в стабильном состоянии она может существовать более миллиона лет. Но рано или поздно запасы реагирующего водорода у звезды иссякают, и она начинает остывать и сжиматься.
Тут сравнение с человеческой жизнью заканчивается, потому что дальнейшая судьба светила зависит от его массы. Из небольших звезд получаются белые карлики, объекты с плотностью в сотни тонн на кубический сантиметр. В космосе их обнаружено довольно много, и наше Солнце со временем пополнит их ряды. Из более крупных светил образуются нейтронные звезды. Их размер куда меньше, чем у белых карликов, зато плотность составляет сотни миллионов тонн на кубический сантиметр.
И, наконец, если масса звезды достаточно велика, то образующаяся нейтронная звезда под воздействием гравитации сжимается все сильнее и сильнее, пока не станет черной дырой.
Одним из важнейших достижений Эйнштейна было открытие природы гравитации. Ученый показал, что она, по сути, является искривлением пространства. Под воздействием массивных объектов оно «проминается», как натянутая эластичная ткань, на которую положили тяжелый предмет. Продолжая это сравнение, можно сказать, что точно так же в виде тяжелого шара можно представить и Солнце, а Земля, будучи значительно более мелким шариком, не притягивается к нему, а всего лишь вращается в получившейся воронке (с той только разницей, что настоящий шарик со временем скатился бы вниз).
Так же можно представить и рождение черной дыры - шар на натянутой эластичной ткани становится все более маленьким и плотным, и ткань все сильнее прогибается под его весом, пока наконец он не становится настолько маленьким, что она просто смыкается над ним и он пропадает из поля зрения. Примерно так происходит и в реальности: пространство-время вокруг звезды свертывается, и она пропадает из Вселенной, оставляя в ней лишь сильно искривленную область пространства-времени. В самой же черной дыре искривление пространства-времени становится бесконечным - такое состояние физики называют сингулярностью, и в нем нет ни пространства, ни времени в нашем понимании.
Из-за происходящего искривления лучи света, идущие от звезды, меняют свои траектории. Если представить себе эти лучи как конусы, вершина которых - у звезды, а «подошва» - это круг расходящегося света, то можно сказать, что в процессе коллапса эти конусы постепенно все больше наклоняются внутрь, к звезде. Наблюдателю, смотрящему на этот процесс, будет казаться, что свечение становится все более тусклым и красным (это потому что красный свет имеет наибольшую длину волны). В конце концов искривление (то есть гравитационное поле) станет настолько сильным, что ни один луч света не сможет выйти наружу. Согласно теории относительности, ничто не может двигаться быстрее света, и это означает, что, начиная с этого момента, ничто не может выбраться за пределы этого гравитационного поля. Эту область пространства, из которой нет выхода, и называют черной дырой. Ее граница определяется по траектории тех световых лучей, которые первыми потеряли возможность выйти наружу. Она называется горизонтом событий черной дыры - так же как, глядя из окна, мы не видим, что находится за горизонтом, так и условный наблюдатель не может понять, что происходит внутри границ невидимой мертвой звезды.
Убеждение, что ничто не может покинуть черную дыру, было незыблемым до 70-х годов XX века. А в 1974 году Стивен Хокинг предположил, что черные дыры в результате квантовых процессов все же излучают разнообразные элементарные частицы, преимущественно фотоны. В 2010-х годах разные группы ученых в лабораторных условиях подтвердили его предположение. При этом в природе такого излучения пока не было обнаружено, как, впрочем, и самих черных дыр - Нобелевская премия за их открытие еще ждет своего счастливчика.
Изучением черных дыр всерьез физики занялись не так давно - хотя сама концепция их существования появилась еще в позапрошлом веке. Но идея присутствия где-то в космосе таких объектов казалась настолько фантастической и недоказуемой, что практически не рассматривалась всерьез. В новом выпуске рубрики «Просто о сложном» - рассказ об истории открытия «застывших звезд» и о том, что происходит с пространством и временем на границах черной дыры.
В 1783 году священник из английской деревни Торнхилл Джон Митчелл представил в журнал «Философские труды Лондонского Королевского общества» свою статью. В ней он писал, что достаточно массивная и компактная звезда будет иметь столь сильное гравитационное поле, что свет не сможет уйти от нее далеко - он будет затянут обратно за счет гравитационного притяжения. Митчелл считал, что таких объектов в космосе может быть очень много, но увидеть их невозможно - так как их свет поглощается ими же. Тем не менее теоретически их гравитационное притяжение можно обнаружить. Статья не вызвала ажиотажа в научном сообществе и прошла практически незамеченной.
Спустя несколько лет французский ученый Пьер-Симон Лаплас, незнакомый с работой Митчелла, выдвинул схожую гипотезу. Он опубликовал ее в своем труде «Система мира», однако после второго издания теория из книги исчезла - по всей видимости, Лаплас решил, что о такой дурацкой идее и говорить не стоит.
Из небольших звезд получаются белые карлики, объекты с плотностью в сотни тонн на кубический сантиметр. В космосе их обнаружено довольно много, и наше Солнце со временем пополнит их ряды.
А вот в XIX веке ученым уже не могла прийти в голову мысль о невидимых звездах. Все дело в том, что ньютоновское убеждение относительно того, что свет состоит из частиц, вышло из моды. Ученые пришли к выводу, что концепция, согласно которой свет - это волна, лучше описывает явления окружающего мира. О том, как гравитация действует на волны, ничего известно не было, стало быть, и рассуждения о небесных объектах, «затягивающих» собственный свет, пришлось забыть.
Вновь вспомнили о них только в XX веке. В 1916 году, практически сразу после публикации Эйнштейном общей теории относительности, Карл Шварцшильд описал «застывшую звезду», как тогда называли такие объекты, не рассматривая процесс ее зарождения, а в 1939 этот недостающий элемент в теорию добавили Роберт Оппенгеймер и Хартланд Снайдер. И только 1969 году американский физик Джон Уилер придумал термин «черная дыра» (Уилер вообще был романтиком, и второй придуманный им термин, «кротовая нора», еще более любим фантастами).
Жизненный цикл звезды чем-то похож на человеческий - она рождается и умирает. Вначале огромное облако газа (преимущественно водорода) в космосе начинает сжиматься под воздействием собственной гравитации, его молекулы все чаще сталкиваются друг с другом, и их скорости увеличиваются. Газ разогревается, и при определенной температуре возникает реакция термоядерного синтеза, в результате которой образуется гелий. В ходе реакции выделяется тепло и излучается свет. Так возникает звезда. Тепло создает дополнительное давление, которое уравновешивает гравитационное притяжение, и звезда перестает сжиматься - в стабильном состоянии она может существовать более миллиона лет. Но рано или поздно запасы реагирующего водорода у звезды иссякают, и она начинает остывать и сжиматься.
Тут сравнение с человеческой жизнью заканчивается, потому что дальнейшая судьба светила зависит от его массы. Из небольших звезд получаются белые карлики, объекты с плотностью в сотни тонн на кубический сантиметр. В космосе их обнаружено довольно много, и наше Солнце со временем пополнит их ряды. Из более крупных светил образуются нейтронные звезды. Их размер куда меньше, чем у белых карликов, зато плотность составляет сотни миллионов тонн на кубический сантиметр.
И, наконец, если масса звезды достаточно велика, то образующаяся нейтронная звезда под воздействием гравитации сжимается все сильнее и сильнее, пока не станет черной дырой.
Одним из важнейших достижений Эйнштейна было открытие природы гравитации. Ученый показал, что она, по сути, является искривлением пространства. Под воздействием массивных объектов оно «проминается», как натянутая эластичная ткань, на которую положили тяжелый предмет. Продолжая это сравнение, можно сказать, что точно так же в виде тяжелого шара можно представить и Солнце, а Земля, будучи значительно более мелким шариком, не притягивается к нему, а всего лишь вращается в получившейся воронке (с той только разницей, что настоящий шарик со временем скатился бы вниз).
В самой же черной дыре искривление пространства-времени становится бесконечным - такое состояние физики называют сингулярностью, и в нем нет ни пространства, ни времени в нашем понимании.
Так же можно представить и рождение черной дыры - шар на натянутой эластичной ткани становится все более маленьким и плотным, и ткань все сильнее прогибается под его весом, пока наконец он не становится настолько маленьким, что она просто смыкается над ним и он пропадает из поля зрения. Примерно так происходит и в реальности: пространство-время вокруг звезды свертывается, и она пропадает из Вселенной, оставляя в ней лишь сильно искривленную область пространства-времени. В самой же черной дыре искривление пространства-времени становится бесконечным - такое состояние физики называют сингулярностью, и в нем нет ни пространства, ни времени в нашем понимании.
Из-за происходящего искривления лучи света, идущие от звезды, меняют свои траектории. Если представить себе эти лучи как конусы, вершина которых - у звезды, а «подошва» - это круг расходящегося света, то можно сказать, что в процессе коллапса эти конусы постепенно все больше наклоняются внутрь, к звезде. Наблюдателю, смотрящему на этот процесс, будет казаться, что свечение становится все более тусклым и красным (это потому что красный свет имеет наибольшую длину волны). В конце концов искривление (то есть гравитационное поле) станет настолько сильным, что ни один луч света не сможет выйти наружу. Согласно теории относительности, ничто не может двигаться быстрее света, и это означает, что начиная с этого момента ничто не может выбраться за пределы этого гравитационного поля. Эту область пространства, из которой нет выхода, и называют черной дырой. Ее граница определяется по траектории тех световых лучей, которые первыми потеряли возможность выйти наружу. Она называется горизонтом событий черной дыры - так же как, глядя из окна, мы не видим, что находится за горизонтом, так и условный наблюдатель не может понять, что происходит внутри границ невидимой мертвой звезды.
Убеждение, что ничто не может покинуть черную дыру, было незыблемым до 70-х годов XX века. А в 1974 году Стивен Хокинг предположил, что черные дыры в результате квантовых процессов все же излучают разнообразные элементарные частицы, преимущественно фотоны. В 2010-х годах разные группы ученых в лабораторных условиях подтвердили его предположение. При этом в природе такого излучения пока не было обнаружено, как, впрочем, и самих черных дыр - Нобелевская премия за их открытие еще ждет своего счастливчика.
Четыре условные «зоны» в пространстве вокруг черной дыры: зеленая — безопасная, в желтой круговые орбиты начинают искажаться, в оранжевой начинается падение в черную дыру, а из красной уже нет спасения
Первая картинка: дыра еще далеко
Вторая картинка: к горизонту событий
Третья картинка: за горизонтом
Четвертая картинка: это конец
Зрелищное исследование , посвященное физике черных дыр, провели Эндрю Гамильтон (Andrew Hamilton) и Гэвин Полемус (Gavin Polhemus). Они не просто нарисовали воображаемую трехмерную модель событий, происходящих у самой границы черной дыры и дальше, в ее недрах, но создали настоящие картины релятивистской модели этого процесса. Итак, что же там, за горизонтом?
Но прежде стоит напомнить, что в случае черной дыры речь идет о горизонте событий . Упрощенно говоря, это воображаемая граница, до которой мы еще можем видеть события и хотя бы теоретически повлиять на них, но после которой материя начинает падать в черную дыру — и перейдя которую ничто, даже свет, уже не может вернуться обратно.
Черная дыра характеризуется всего тремя параметрами — массой, зарядом и спином. Они считаются едва ли не самыми «простыми» объектами, намного проще звезд или планет. Именно это и позволило создать впечатляющие картинки: для других тел подобные расчеты плка невозможны. И то — в работе ученые использовали простейший вид черной дыры, не имеющей ни заряда, ни спина. Геометрия окружающего пространства определяется только одним: массой сферической черной дыры.
В этом пространстве можно выделить четыре зоны (взгляните на иллюстрацию слева). Первая — еще вполне безопасная, в которой круговые орбиты других тел не нарушаются, и они могут оставаться там сколько угодно долго. Но представим, что мы направились дальше. Мы попадем во вторую зону, круговые орбиты здесь нестабильны, а затем и в третью, где притяжение черной дыры уже начинает засасывать в себя все подряд. Чтобы оставаться в этой зоне, придется постоянно держать включенными двигатели звездолета. Иначе нас ждет красная зона за горизонтом событий — отсюда уже ничто не выберется.
Но работа эта отнюдь не чисто «увеселительная», из нее ученые делают и вполне серьезные выводы. Такие вычисления помогают лучше понять, как действуют известные физические законы в недоступных недрах черных дыр, и как они меняются с переходом через горизонт событий.
А в остальном — приглашаем посмотреть картинки.
Вверху : Если позади черной дыры находится яркий объект, свет от него будет сильно отклоняться из-за гравитационного линзирования, и нам из звездолета будет видно только светящееся кольцо. Внизу : У настоящей черной дыры координатной сетки, конечно, нет. Но если мы спроецируем ее на дыру на экране нашего звездолета, то увидим одновременно оба ее полюса — и все из-за того же линзирования.
Вверху : На расстоянии примерно в 1,5 раза большем радиуса дыры имеется фотонная сфера — область, в которой частицы света, теоретически, могут оставаться на постоянной круговой орбите. На практике, они там надолго не задерживаются. Внизу : Пересекая горизонт событий, можно ожидать, что мы пересечем пространственную сетку, которая визуально обозначает его. Но ничего подобного: горизонт словно разделяется на части, охватывая нас и сверху и снизу.
Картинка третья
Вверху : Принято думать, что с этого момента нас должна была бы окружать темнота. Но нет: звездное небо над нами остается, оно просто быстро сжимается, будто горизонт восстает все выше. Теперь нас не спасут никакие фантастические двигатели. Внизу : Теперь мы превращаемся в спагетти: нас невероятно растягивает вдоль вертикальной оси и сжимает вдоль горизонтальной. Это — проявление приливных сил , действующих на любой протяженный объект со стороны неоднородного гравитационного поля.
Вверху : Все ближе к сингулярности в самом сердце черной дыры. Те же приливные силы заставляют всю остальную Вселенную выглядеть, как тонкая светящаяся полоса. Излучение над и под ней центральной полосой заметно смещается в красную сторону, а по сторонам — в синюю. Саму сингулярность увидеть невозможно никак: весь свет идет к ней, и ничто — от нее. Внизу : В центре черной дыры — точка сингулярности, где наши измерения бесконечно искривлены и где нет уже ничего, ни времени, ни пространства.
5 декабря 2017 в 10:00Изображение чёрной дыры. Несмотря на её тёмный цвет, считается, что все чёрные дыры были сформированы из обычной материи, но подобные иллюстрации не совсем точны
В апреле 2017 телескопы всего мира одновременно собрали данные по центральной чёрной дыре Млечного Пути. Из всех известных во вселенной ЧД та, что находится в центре Галактики - Стрелец A* - особенная. С нашей точки зрения её горизонт событий крупнейший из всех доступных нам ЧД. Он настолько большой, что телескопы, расположенные в разных местах Земли, должны были бы его увидеть, если бы посмотрели на него все одновременно. И хотя на комбинирование и анализ данных, полученных с разных телескопов, уйдут месяцы, к концу 2017 года мы должны получить наше первое изображение горизонта событий. Так как он должен выглядеть? Такой вопрос задаёт один из наших читателей, запутавшийся в иллюстрациях:
Разве горизонт событий не должен полностью окружать чёрную дыру на манер яичной скорлупы? Все художники рисуют чёрные дыры в виде разрезанных яиц, сваренных вкрутую. Почему горизонт событий не окружает чёрную дыру полностью?
Конечно, в интернете можно найти иллюстрации разного рода. Но какие из них правильные?
Рисунок с простым чёрным кругом и кольцом вокруг него - чрезмерно упрощённое изображние горизонта ЧД
Самый старый вид иллюстраций - простой чёрный диск, закрывающий собой весь свет позади него. Это имеет смысл, если вспомнить, что собой представляет ЧД: по сути, это собранная в одном месте масса настолько большой величины и настолько компактная, что скорость убегания с её поверхности превышает скорость света. Поскольку ничто не может двигаться так быстро, даже передача взаимодействий между частицами внутри ЧД, внутри ЧД схлопывается до сингулярности, а вокруг ЧД образуется горизонт событий. Из этого сферического участка космоса свет не может убежать, поэтому он и должен выглядеть с любой перспективы, как чёрный круг, наложенный на фон Вселенной.
ЧД - не просто масса над изолированным фоном, она оказывает гравитационные эффекты, растягивающие, увеличивающие и искажающие свет из-за гравитационного линзирования.
Но это ещё не вся история. Из-за гравитации ЧД увеличивают и искажают идущий с обратной стороны свет из-за эффекта гравитационного линзирования. Существует более точные и детальные иллюстрации внешнего вида ЧД, и у неё даже есть горизонт событий, размер которого правильно сопоставлен с кривизной пространства согласно ОТО.
К сожалению, и эти иллюстрации не лишены недостатков: они не учитывают материал, находящийся перед ЧД и аккреционный диск вокруг ЧД. Некоторые изображения включают и это.
Изображение активной ЧД, занятой аккрецией материи и ускорением её части в виде двух перпендикулярных струй, может описать ЧД в центре нашей Галактики правильно с многих точек зрения.
Из-за огромных гравитационных эффектов чёрные дыры формируют аккреционные диски в присутствии других источников материи. Астероиды, газовые облака, целые звёзды могут быть разорваны на части приливными силами, исходящими от таких массивных объектов, как чёрные дыры. Из-за сохранения углового момента и из-за столкновений между различными падающими в ЧД частицами, вокруг неё появиялется дискообразный объект, который разогревается и излучает. Во внутренних регионах частицы периодически падают в ЧД, что увеличивает её массу, а материал, находящийся перед ней, закрывает часть сферы, которую вы бы иначе видели.
Но сам по себе горизонт событий непрозрачен, и материю за ним вы видеть не должны.
У чёрной дыры в фильме Interstellar достаточно точно показан горизонт событий для особого класса вращающихся ЧД
Вас может удивить, что в голливудском фильме Interstellar ЧД изображена точнее, чем на многих профессиональных изображениях, созданных в НАСА или для него. Но даже среди профессионалов полно неправильных представлений о ЧД. ЧД не засасывают материю внутрь, а лишь оказывают гравитационное воздействие. ЧД не раздирают предметы из-за какой-то дополнительной силы - это делают простые приливные силы, когда одна часть падающего объекта оказывается ближе к центру, чем другая. И, что самое важное, ЧД редко существуют в «голом» состоянии, и часто находятся вблизи другой материи, как та, что существует в центре нашей Галактики.
Композитное изображение ЧД Стрелец А* в центре нашей Галактики, составленное из рентгеновских и инфракрасных лучей. Она обладает массой в 4 миллиона солнечных, и окружена горячим газом, излучающим в рентгеновском диапазоне
Памятуя обо всём этом, вспомним, что же это за изображения варёных яиц? Помните, что саму ЧД изобразить нельзя, поскольку она не испускает свет. Мы можем только наблюдать в определённом диапазоне длин волн и видеть сочетание света, обходящего ЧД сзади, изгибающегося вокруг и перед ней. И получающийся сигнал действительно будет напоминать варёное вкрутую яйцо, разрезанное пополам.
Некоторые из возможных сигналов горизонта событий ЧД, полученные в симуляциях проекта "Телескоп горизонта событий "
Всё дело в том, что именно мы фотографируем. Мы не можем наблюдать в рентгеновском диапазоне, ибо таких фотонов слишком мало. Мы не можем наблюдать в видимом свете, поскольку центр галактики для него непрозрачен. И мы не можем наблюдать в инфракрасном свете, поскольку атмосфера блокирует такие лучи. Но мы можем наблюдать в радиодиапазоне, и делать это по всему миру, одновременно, чтобы получить наилучшее из возможных разрешений.
Части «Телескопа горизонта событий» из одного полушария
Угловой размер ЧД в центре Галактики равен примерно 37 угловых микросекунд, а разрешение телескопа равно 15 угловых микросекунд, поэтому у нас должно получиться его увидеть! Большая часть радиочастотного излучения исходит из заряженных частиц материи, ускоряющихся вокруг ЧД. Мы не знаем, как будет ориентирован диск, будет ли там несколько дисков, будет ли это больше похоже на рой пчёл или на компактный диск. Мы также не знаем, предпочтёт ли он одну «сторону» ЧД, с нашей точки зрения, другой.
Пять различных симуляций в ОТО с использованием магнитогидродинамической модели аккреционного диска ЧД, и то, как будет выглядеть полученный сигнал
Мы ожидаем найти реальный горизонт событий, с определённым размером, блокирующий весь идущий из-за него свет. Мы также ожидаем наличие какого-либо сигнала, расположенного перед ним, неровность этого сигнала из-за беспорядка вокруг ЧД, и что ориентация диска относительно ЧД определит, что именно вы сможем увидеть.
Одна часть будет ярче, когда диск вращается в нашу сторону. Другая сторона тусклее, когда диск вращается от нас. Контур горизонта событий также может быть видимым из-за гравитационного линзирования. Что ещё важнее, расположение диска к нам ребром или плоскостью очень сильно будет влиять на характер полученного сигнала, как видно в первом и третьем квадратах рисунка ниже.
Расположение диска к нам ребром (два правых квадрата) или плоскостью (два левых квадрата) очень сильно будет влиять на то, какую ЧД мы увидим
Мы можем проверить и другие эффекты, а именно:
Обладает ли ЧД размером, предсказанным ОТО,
круглый ли горизонт событий (как предсказано), или вытянутый, или сплющенный у полюсов,
простирается ли радиоизлучение дальше чем мы думаем,
Или есть ещё какие-то отклонения от ожидаемого поведения. Это новая ступень физики, и мы находимся на грани её прямой проверки. Одно ясно: неважно, что увидит «Телескоп горизонта событий», мы обязательно узнаем что-то новое и прекрасное об одних из самых экстремальных объектов и условий во Вселенной!
Почти сто лет назад американский астроном Весто Слайфер (Vesto Slipher, 1875-1969) обнаружил, что линии в спектрах излучения большинства галактик смещены в красную сторону. В то время космологических теорий, которые могли бы объяснить этот феномен, еще не было, равно как не существовало и общей теории относительности (ОТО). Слайфер истолковал свои наблюдения, опираясь на эффект Доплера. Получилось, что галактики удаляются от нас, причем с довольно большими скоростями.
Позже Эдвин Хаббл (Edwin Hubble, 1889-1953) обнаружил, что чем дальше галактика находится от нас, тем больше наблюдаемый сдвиг спектральных линий в красную сторону (то есть красное смещение) и, следовательно, с тем большей скоростью она улетает от Земли. Сейчас данные по красному смещению получены для десятков тысяч галактик, и почти все они удаляются от нас. Именно это открытие и позволило ученым заговорить о расширении Вселенной и о нестационарности нашего мира.
Альберт Эйнштейн в поиске решений своих знаменитых уравнений, описывающих сосуществование энергии и гравитации (то есть материи и кривизны четырехмерного пространства-времени), пренебрег фактом расширения и представил миру в первых публикациях по ОТО стационарную, бесконечную и неизменную Вселенную. Более того, когда российский математик и геофизик А.А. Фридман (1888-1925) нашел «расширяющиеся» и «пульсирующие» решения для уравнений, Эйнштейн долго не признавал такой сценарий развития Вселенной и правомочность найденных решений. Однако дальнейшие математические исследования уравнений, которые называются системой уравнений Гильберта - Эйнштейна и описывают весь мир в целом, показали, что Александр Фридман прав и Вселенная совсем не обязана быть бесконечной и стационарной.
Теория и эксперимент стали соответствовать друг другу, а заодно выяснилось, что удаляющиеся галактики не движутся, подобно тому, как мы ходим по комнате или как Луна вращается вокруг Земли, а удаляются от нас из-за расширения самого пространства. Обычно это иллюстрируют с помощью растягивающейся резиновой пленки или воздушного шарика. Здесь, впрочем, тоже есть некий нюанс, который часто сбивает многих с толку. Если нарисовать галактику на шарике и начать его надувать, то ее изображение тоже будет увеличиваться. При расширении Вселенной такого не происходит. Галактика - это гравитационно-связанная система, она не участвует в космологическом расширении. Так что в иллюстрации с шариком галактику лучше не рисовать на нем, а приклеить «ее» к шарику в одной точке. Но поскольку на самом деле галактики ни к чему не приклеены и могут двигаться в пространстве, то еще лучше представлять их как капли воды на поверхности раздувающегося шарика. Капли-галактики в этом случае не расширяются, но могут свободно перемещаться по нему с некоторой собственной скоростью.
Для более наглядного представления процесса расширения удобно ввести систему отсчета, нарисовав на шаре координатную сетку. Если бы галактики были «приклеены» к такому раздувающемуся шарику-пространству, то их координаты не изменялись бы, и расширение сводилось бы лишь к модификации свойств самой системы координат. Однако реальное расстояние между галактиками, измеряемое, например, с помощью линейки, света или радиолокатора, при этом все же увеличивается, поскольку размер линейки не изменяется при космологическом расширении, а скорость света и радиоволн не зависит от того, насколько растянулась пленка пространства-шарика. В этом плане наше пространство совсем не похоже на резиновую пленку, утончающуюся при растяжении и заставляющую упругие волны бегать по ней с возрастающей скоростью.
Согласно ОТО пространство расширяется, рождаясь как бы из ничего, в силу тех законов, которым оно подчиняется. Именно этот процесс, с учетом свойств всего того, что находится в пространстве, и описывают уравнения Гильберта - Эйнштейна. Поведение света, атомов, молекул, твердых тел, жидкостей и газов слабо зависит от локальной кривизны пространства-времени и существенно изменяется только в особо сильных гравитационных полях, наподобие тех, что встречаются вблизи черных дыр. В большей же части Вселенной, как полагают ученые, основные процессы происходят почти так же, как и на Земле, и получается, что галактики вполне реально удаляются друг от друга из-за расширения пространства, в котором они находятся. Космические корабли движутся, а свет распространяется по тому пространству, которое есть, и если его станет больше, это будет заметно, хотя бы по тому времени, которое им придется затратить, путешествуя из одной галактики в другую.
Свет всегда излучается с некоторой определенной длиной волны и энергией кванта. Но, распространяясь в расширяющейся Вселенной, он как бы растягивается, «краснеет». В случае сжатия Вселенной наблюдался бы обратный эффект - посинение. Если когда-то давно какая-либо галактика излучила фотон с некой длиной волны, а сейчас мы его видим, как фотон с другой длиной волны, то, исходя из красного смещения, равного разности этих длин, поделенной на исходную длину волны фотона, можно сказать, во сколько раз за это время растянулась Вселенная. Для этого нужно к красному смещению прибавить единицу: если оно равно 2, то, значит, Вселенная растянулась в три раза с того момента, когда был излучен фотон.
Важно отметить, что при этом сравниваются размеры (космологи говорят о масштабном факторе) в момент излучения и в момент приема фотона. А вот то, что происходило между этими моментами, не так существенно: Вселенная могла раздаваться с постоянной скоростью, могла расширяться то быстрее, то медленнее, могла вообще в какой-то момент сжиматься. Важно только то, что за это время все космологические расстояния возросли в три раза. Именно об этом говорит красное смещение, равное 2.
«Растяжение» фотона по дороге от источника к наблюдателю принципиально отличается от обычного эффекта Доплера. Рассмотрим движущийся с некоторой скоростью космический корабль, излучающий световые волны во все стороны. В этом случае наблюдатели, находящиеся впереди корабля, будут видеть посиневшие фотоны, то есть фотоны с большей энергией, а наблюдатели позади увидят покрасневшие фотоны с меньшей энергией. В сумме же энергия всех фотонов будет неизменной - сколько джоулей корабль излучил, столько же все наблюдатели и уловили. В космологии все по-другому. Излучающая во все стороны галактика для находящихся по разные стороны (но на равном расстоянии) наблюдателей будет выглядеть одинаково покрасневшей. Хотя с точки зрения обычной логики такое рассуждение кажется странным. И в этом плане космологическое красное смещение похоже на гравитационное, при котором фотоны краснеют, преодолевая поле притяжения испустившей их звезды.
Таково свойство Вселенной: кинетическая энергия всех частиц и волн - галактик, пылинок, протонов, электронов, нейтрино, фотонов и даже гравитационных волн уменьшается из-за расширения пространства. Это явление напоминает некоторые эффекты, наблюдаемые в нестационарных и незамкнутых системах. Известно, что если в системе фундаментальные константы зависят от времени, то энергия не сохраняется. Например, в мире с периодически изменяющейся гравитационной постоянной можно было бы поднимать груз, когда постоянная мала, и сбрасывать - когда велика. В результате получился бы выигрыш в работе, то есть стала бы возможной добыча энергии за счет непостоянства гравитационной постоянной.
В нашем мире от времени зависит сама метрика пространства, поскольку Вселенная расширяется. Находясь в нестационарном мире, можно констатировать, что энергия фотона в расширяющейся Вселенной падает. К счастью, все глобальные физические изменения у нас происходят крайне медленно и на обычной жизни никак не сказываются.
Линейка для Вселенной: Следует заметить, что любые связанные объекты не участвуют в космологическом расширении. Длина эталонного метра, находящегося в Палате мер и весов (и его современного лазерного аналога), не изменяется с течением времени. Именно поэтому и можно говорить об увеличении физического расстояния между галактиками, которое можно этим (постоянным!) метром измерить. Наиболее близкое к общепринятому пониманию - это так называемое собственное расстояние. Для его определения необходимо, чтобы множество наблюдателей, расположенных на линии, соединяющей две галактики, провели одновременное измерение расстояний, отделяющих их друг до друга, с помощью обычных линеек. Затем все эти данные надо передать в единый центр, где, сложив все результаты, можно будет определить, каким было расстояние во время измерения. Увы, но к моменту получения результата оно уже изменится за счет расширения. К счастью, астрономы научились по видимому блеску источников известной светимости вычислять собственное расстояние. Очень часто о расстоянии говорят в терминах красного смещения. Чем больше красное смещение, тем больше расстояние, причем для каждой космологической модели выведены свои формулы, связывающие эти две величины. Например, квазар GB1508+5714 с красным смещением 4,3 в общепринятой сейчас модели Вселенной расположен на расстоянии 23 миллиарда световых лет от нашей Галактики. Приходящий сегодня от него свет был испущен всего через миллиард лет после Большого взрыва и находился в пути около 13 миллиардов лет. Возраст Вселенной в этой модели составляет 14 миллиардов лет.
Скорость удаления галактики за счет космологического расширения может быть любой, в том числе и больше скорости света. Дело в том, что она при этом никуда не движется по пространству (ее координаты на раздувающемся шарике не меняются). Кинетическая энергия с этой скоростью не связана, поэтому при замедлении расширения Вселенной никакая энергия не выделяется. Галактика, разумеется, может иметь и «обычную» скорость, например, за счет гравитационного взаимодействия с другими галактиками. В космологии такую скорость называют пекулярной. Разумеется, в реальной жизни астрономы наблюдают суммарный эффект: галактика имеет красное смещение, связанное с космологическими процессами, а в дополнение к этому фотоны испытывают красное (или синее) смещение за счет эффекта Доплера, связанного с пекулярной скоростью. Иногда добавляется еще и гравитационное красное смещение, вызванное собственным полем тяжести светящегося объекта. Разделить эти три эффекта для индивидуального источника нелегко. Заметим, что для небольших во вселенском масштабе расстояний формула, связывающая красное смещение и скорость разбегания, совпадает с формулой для обычного эффекта Доплера. Порой это даже приводит к путанице, поскольку физика эффектов различна, и для больших расстояний формулы сильно отличаются. Красное смещение является очень удобной и общепринятой величиной для обозначения того, как далеко в пространстве и как давно во времени произошло то или иное событие, наблюдаемое сегодня земными астрономами.
Часто даже профессионалы (физики, астрономы) на вопрос: «Можно ли наблюдать галактику, которая и в момент излучения ею света, и в момент приема ее сигнала на Земле удаляется от нас быстрее света?» - отвечают: «Конечно, нельзя!» Срабатывает интуиция, основанная на специальной теории относительности (СТО), которую один космолог метко назвал «тени СТО». Однако этот ответ неправильный. Оказывается, все-таки можно. В любой космологической модели скорость убегания линейно растет с расстоянием. Это связано с одним из важнейших принципов - однородностью Вселенной. Следовательно, существует такое расстояние, на котором скорость убегания достигает световой, а на больших расстояниях она становится сверхсветовой. Та воображаемая сфера, на которой скорость убегания равна световой, называется сферой Хаббла.
«Как же это возможно! - воскликнет читатель. - Неужели специальная теория относительности неверна?» Верна, но противоречия здесь нет. Сверхсветовые скорости - вполне реальны, когда речь идет не о переносе энергии или информации из одной точки пространства в другую. Например, солнечный зайчик может двигаться с любой скоростью, нужно только установить экран, по которому он бежит, подальше. СТО «запрещает» лишь передачу информации и энергии со сверхсветовой скоростью. А для переноса информации нужен сигнал, распространяющийся по пространству, - расширение самого пространства тут ни при чем. Так что в нашем примере про удаляющиеся галактики с теорией относительности все в полном порядке: со сверхсветовой скоростью они удаляются лишь от земного наблюдателя, а по отношению к окружающему пространству их скорость может вообще быть нулевой.
Удивительно то, что мы можем увидеть галактики, улетающие от нас быстрее света. Это возможно потому, что скорость расширения Вселенной не была постоянной. Если в какой-то период она уменьшится и свет сможет «добежать» до нашей Галактики, то мы увидим сверхсветовой источник. Этот пример прекрасно иллюстрирует то, что судьба фотона зависит от того, как ведет себя Вселенная во время его движения по ней. Допустим, что в момент излучения фотона галактика-источник удалялась от нас быстрее света. Тогда, хотя фотон и был испущен в нашу сторону, двигаясь по растягивающейся координатной сетке, он будет удаляться от нас за счет раздувания Вселенной. Если темп расширения уменьшается, то вполне возможно, что в какой-то момент скорость убегания (в том месте, где в это время находится фотон) станет меньше скорости света. Тогда свет начнет приближаться к нам и в конце концов может достичь нас. Сама галактика-источник в момент «разворота» света удаляется от нас все еще быстрее света (потому что она гораздо дальше фотона, а скорость растет с расстоянием). В момент приема фотона ее скорость тоже может быть больше световой (то есть она будет находиться за сферой Хаббла), но это не помешает ее наблюдению.
Большой бабах:
Во Вселенной, заполненной веществом (такая Вселенная всегда расширяется с замедлением), можно детально рассчитать все эти критические параметры. Если бы наш мир был таким, то галактики, для которых красное смещение больше 1,25, излучили принимаемый нами сейчас свет в тот момент, когда их скорость была больше скорости света. Современная сфера Хаббла для простейшей модели Вселенной, заполненной веществом (то есть без вклада темной энергии), имеет радиус, соответствующий красному смещению, равному 3. И все галактики с большим смещением начиная с момента излучения до нашего времени удаляются от нас быстрее света.
В космологии говорят о трех важных поверхностях: горизонте событий, горизонте частиц и сфере Хаббла. Две последние являются поверхностями в пространстве, а первая - в пространстве-времени. Со сферой Хаббла мы уже познакомились, поговорим теперь о горизонтах. Горизонт частиц отделяет наблюдаемые в настоящий момент объекты от ненаблюдаемых. Поскольку Вселенная имеет конечный возраст, то свет от далеких объектов просто еще не успел до нас дойти. Этот горизонт все время расширяется: время идет, и мы «дожидаемся» сигналов от все более и более далеких галактик. Горизонт частиц удаляется, он как бы убегает от нас со скоростью, которая может быть и больше скорости света. Благодаря этому мы видим все больше и больше галактик.
Заметим, что современное расстояние до «галактик на краю наблюдаемой Вселенной» нельзя определять как произведение скорости света на возраст Вселенной. В любой модели расширяющейся Вселенной это расстояние будет больше такого произведения. И это вполне понятно. Такое расстояние прошел сам свет, но Вселенная за это время успела расшириться, поэтому современное расстояние до галактики больше пути, пройденного светом, а в момент излучения это расстояние могло быть существенно меньше этого пути.
Источники на горизонте частиц имеют бесконечное красное смещение. Это самые древние фотоны, которые хотя бы теоретически можно сейчас «увидеть». Они были излучены практически в момент Большого взрыва. Тогда размер видимой сегодня части Вселенной был крайне мал, а значит, с тех пор все расстояния очень сильно выросли. Отсюда и возникает бесконечное красное смещение.
Конечно, на самом деле мы не можем увидеть фотоны с самого горизонта частиц. Вселенная в годы своей молодости была непрозрачной для излучения. Поэтому фотоны с красным смещением больше 1 000 не наблюдаются. Если в будущем астрономы научатся регистрировать реликтовые нейтрино, то это позволит заглянуть в первые минуты жизни Вселенной, соответствующие красному смещению - 3х107. Еще большего прогресса можно будет достичь при детектировании реликтовых гравитационных волн, добравшись до «планковских времен» ($10^{-43}$ секунд с начала взрыва). С их помощью можно будет заглянуть в прошлое настолько далеко, насколько это в принципе возможно с помощью известных на сегодня законов природы. Вблизи начального момента Большого взрыва общая теория относительности уже неприменима.
Горизонт событий - это поверхность в пространстве-времени. Такой горизонт возникает не во всякой космологической модели. Например, в описанной выше замедляющейся Вселенной горизонта событий нет - любое событие из жизни удаленных галактик можно увидеть, если достаточно долго подождать. Смысл введения этого горизонта в том, что он отделяет события, которые могут повлиять на нас хотя бы в будущем, от тех, которые никак повлиять на нас не смогут. Если даже световой сигнал о событии не доходит до нас, то и само событие не может оказать на нас влияние. Можно представить себе это как межгалактическую трансляцию футбольного матча, происходящего в далекой галактике, сигнал которой мы никогда не получим. Почему такое возможно? Причин может быть несколько. Самая простая - модель с «концом света». Если будущее ограничено во времени, то ясно, что свет от каких-то далеких галактик дойти до нас просто не сумеет. Большинство современных моделей такой возможности не предусматривают. Есть, правда, версия грядущего Большого разрыва , но она не очень популярна в научных кругах. Зато есть другой вариант - расширение с ускорением. В таком случае некоторые нелюбители футбола попросту «убегут от света»: для них скорость расширения будет сверхсветовой.
Получается, что расширяющаяся Вселенная в чем-то похожа на страну Черной королевы, в которую попала Алиса в сказке Льюиса Кэрролла «Алиса в Зазеркалье». Там, чтобы устоять на месте, нужно было очень быстро бежать.
Допустим, что имеется галактика, обладающая большой собственной скоростью, направленной на нас. В этом случае в ее полное спектральное смещение будут вносить вклад два эффекта: космологическое красное расширение и синее смещение из-за эффекта Доплера за счет ее собственной скорости.
Первый вопрос такой: как будет изменяться расстояние до галактики с нулевым смещением спектра? Ответ: галактика будет от нас удаляться. Второй вопрос: представим себе галактику, расстояние до которой не изменяется из-за того, что ее собственная скорость полностью скомпенсировала эффект расширения (это как раз похоже на Алису, бегущую по стране Черной королевы). Галактика перемещается по нашей нарисованной координатной сетке с такой же скоростью, с какой сетка раздувается. Каким будет смещение спектра такой галактики? Ответ: смещение будет синим. То есть линии в спектре такой галактики будут смещены в сторону более коротких волн.
Побеждающая гравитация: Говоря о «большой Вселенной», часто полагают, что вещество равномерно распределено в пространстве. В первом приближении это верно. Однако не стоит забывать и о таких «возмущениях», как галактики и их скопления. Они образуются из первичных флуктуаций плотности. Если в равномерно распределенном веществе возникает шар с чуть большей плотностью, то, не учитывая эффектов, связанных с температурой, можно сказать, что шар начнет сжиматься, а плотность вещества - расти. В простейшей модели расширяющейся Вселенной, в которой вклад темной энергии равен нулю, ничего принципиально не изменяется. Любое возмущение плотности в такой пылевой Вселенной (для реального газа, а не пыли нужно, чтобы масса возмущения превзошла некоторую критическую величину - так называемую массу Джинса) приведет к тому, что вещество «выпадет» из расширения Вселенной и образует связанный объект. Если же вклад темной энергии не нулевой, то флуктуации плотности с самого начала должны иметь величину больше некоторой критической, иначе контраст плотности не успеет возрасти до нужного значения, и вещество не «выпадет» из Хаббловского потока. Подобно тому, как энергия фотона уменьшается за счет расширения, кинетическая энергия частичек пыли также будет уменьшаться со временем по мере расширения Вселенной. Из-за этого, пока флуктуация не отделилась полностью от общего расширения Вселенной, процесс «схлопывания» возмущения будет идти медленнее, чем без учета расширения. Вместо экспоненциального роста плотности будет наблюдаться степенной ее рост. Как только контраст плотности достигнет некоторого критического значения, флуктуация как бы «забудет» про расширение Вселенной.
Столь неожиданное поведение спектра излучения обусловлено тем, что здесь имеют место два физических эффекта, описывающихся разными формулами. Для источника, находившегося на сфере Хаббла, в момент излучения в простейшей модели замедляющейся Вселенной красное смещение равно 1,25, а скорость убегания равна скорости света. Значит, чтобы оставаться на неизменном расстоянии от нас, источник должен иметь собственную скорость, равную скорости света. А к собственным (пекулярным) скоростям надо применять формулу для релятивистского эффекта Доплера, которая для скорости источника, равной скорости света и направленной на нас, дает бесконечно большое синее смещение. Смещение спектральных линий за счет эффекта Доплера оказывается значительнее космологического и для галактик на меньших расстояниях. Таким образом, покоящийся источник будет иметь синее смещение, а звезда с нулевым смещением будет от нас удаляться.
Конечно, галактики не могут иметь околосветовые собственные скорости. Зато некоторые квазары и галактики с активными ядрами порождают джеты - струи вещества, бьющие на расстояния в миллионы световых лет. Скорость вещества в такой струе может быть близка к скорости света. Если струя направлена на нас, то за счет эффекта Доплера мы можем увидеть синее смещение. Кроме того, вещество должно вроде как приближаться к нам. Однако в свете того, что было написано выше, второй вывод не столь очевиден. Если источник находится достаточно далеко, то космологическое расширение все равно «унесет» вещество от нас, даже если его скорость очень близка к световой и струя видна нам «посиневшей». Только в космологии возникает такая абсурдная на первый взгляд ситуация, когда удаляющийся от нас объект имеет синее смещение. Например, квазар GB1508+5714, имеющий красное смещение 4,3, удаляется от нас в 1,13 раза быстрее света. Значит, вещество его джета, двигающееся в нашу сторону с большой собственной скоростью, удаляется от нас, так как скорость частиц не может превосходить скорость света.
Недавнее открытие того факта, что Вселенная сейчас расширяется с ускорением, буквально взбудоражило космологов. Причин такого необычного поведения нашего мира может быть две: либо основным «наполнителем» нашей Вселенной является не обычное вещество, а неведомая материя с необычными свойствами (так называемая темная энергия), либо (еще страшнее подумать!) нужно изменять уравнения общей теории относительности. Да еще почему-то человечеству довелось жить в тот краткий по космологическим масштабам период, когда замедленное расширение только-только сменилось ускоренным. Все эти вопросы еще очень далеки от своего разрешения, но уже сегодня можно обсудить то, как ускоренное расширение (если оно будет продолжаться вечно) изменит нашу Вселенную и создаст горизонт событий. Оказывается, что жизнь далеких галактик, начиная с того момента, как они наберут достаточно большую скорость убегания, для нас остановится и их будущее станет нам неизвестно - свет от целого ряда событий просто никогда до нас не дойдет. Со временем, в достаточно далеком будущем, все галактики, не входящие в наше локальное сверхскопление размером 100 мегапарсек, скроются за горизонтом событий: все ускоряющееся расширение «утянет» туда соответствующие им точки на координатной сетке.
Тут, кстати, хорошо видна разница между горизонтом частиц и горизонтом событий. Те галактики, что были под горизонтом частиц, так под ним и останутся, свет от них будет продолжать доходить. Но чем ближе становится скорость галактики к скорости света, тем больше времени нужно свету, чтобы дойти до нас, и все события в такой галактике покажутся нам растянутыми во времени. Условно говоря, если в такую галактику поместить часы, которые к моменту ее ухода за горизонт событий должны показывать 12 часов дня, то земным наблюдателям будет виден бесконечно замедляющийся ход этих часов. Сколько бы мы ни смотрели (теоретически такая галактика «с часами» никогда не исчезнет с нашего небосклона), мы никогда не увидим стрелки часов ровно на «двенадцати» - последний оборот она будет совершать бесконечно долго по нашим собственным часам. Подождав длительное время, мы увидим то, что происходило в галактике (по ее часам) в 11 ч 59 м, в 11 ч 59 м 59 с и так далее. Но то, что произошло на ней после «полудня», останется скрытым от нас навсегда. Это очень похоже на наблюдение за часами, падающими в черную дыру.
Аналогично, возможно, рассуждает и наблюдатель в этой далекой галактике. Он сейчас видит нашу галактику в ее прошлом, но с какого-то момента времени наша история станет недоступной для него, поскольку наши сигналы перестанут доходить до этой галактики. Забавно, что для общепринятого набора космологических параметров такие галактики находятся в общем-то недалеко. Их красное смещение должно быть более 1,8. То есть они могут находиться даже внутри сферы Хаббла, но послать им весточку человечество уже опоздало.
Вот такие парадоксальные с точки зрения здравого смысла явления происходят в нашей Вселенной. Их необычность связана с тем, что привычные понятия скорости, расстояния и времени в космологии приобретают несколько иной смысл. К сожалению, пока ученые не пришли к какому-то общему мнению о том, какой жизнью живет наша Вселенная и что с ней в принципе может случиться. Ведь даже специалистам расширение границ здравого смысла дается очень непросто.
Сергей Попов, кандидат физико-математических наук
Алексей Топоренский, кандидат физико-математических наук
