1.3. Сказки про чёрные дыры
Дыра в пространстве, да ещё чёрная. Звучит зловеще и непредсказуемо. Видимо, поэтому популяризаторы чёрных дыр так пугают нас, землян, при встрече с ней. Смотрите, только на подступах к ней, к так называемому «горизонту событий», вас уже начинают трясти гравитационные силы, и чем ближе продвигаетесь к жерлу этого антивулкана, тем сильнее вы ощущаете вибрацию. Силы гравитации нарастают как снежный ком, наконец, ваше тело просто разрывается этими силами на крупные или сразу на молекулярные и атомарные составляющие. Жуткая картина.
Что такое чёрная дыра? Космический объект, который с помощью имеющихся у астрономов технических средств увидеть не могут, а по расчетам математических моделей получается, что в данном месте галактики должна быть масса с огромной гравитацией, вокруг которой вращаются небесные тела.
Некоторых ученых и журналистов, работающих в научной тематике, порой так заносит, что они начинают сочинять настоящие космические сказки о чёрных дырах. Снова, под мелодичный стих Пушкина: «О сколько нам фантазий чудных, готовит просвещённый люд».
1. «Чёрные дыры это одно из самых странных явлений во Вселенной. Во всяком случае, на данном этапе развития человечества. Это объект с бесконечной массой и плотностью[3], а значит и притяжением, за пределы которого не может вырваться даже свет поэтому дыра чёрная. Сверхмассивная чёрная дыра может втянуть в себя целую галактику и не подавиться» [6].
2. «Чёрные дыры удивительные объекты, в которых сила тяжести настолько огромна, что может сгибать свет, деформировать пространство и искажать время. Существуют два способа вычислить, насколько что-то велико. Можно назвать массу или [то,] какую величину занимает участок. Если брать первый критерий, то нет конкретного предела массивности чёрной дыры. Кроме того, в каждой галактике должна проживать центральная сверхмассивная чёрная дыра, чья масса превосходит солнечную в миллион раз 1036 кг» [7].
3. «Согласно теориям, вещество внутри чёрной дыры сжимается до бесконечной плотности, а пространство и время перестают существовать. Когда это происходит, законы физики перестают действовать, просто потому, что человеческий разум не способен вообразить предмет, имеющий нулевой объём и бесконечную плотность» [8].
4. «Бесконечный уровень гравитации, который производит сингулярность, находящаяся в центре чёрной дыры, способен искривлять пространство, пускать время вспять и изменять до неузнаваемости свет» [9].
Поскольку время с пространством искривляются, то можно предположить, что искривление времени открывает возможность путешествия во времени в будущее. Говорят, в своё время на эту тему теоретизировали А. Эйнштейн и С. Хокинг.
Желаете совершить путешествие во времени, следуйте за Эйнштейном, доберитесь до центра нашей галактики и ныряйте в ЧД, которая находится на расстоянии в 25 тыс. световых лет. После чего, очевидно, должно наступить что-то визуально и физически невообразимое.
Сказки о ЧД сочиняют журналисты и настоящие учёные. Меня особенно умиляют фразы о необычных генераторах гравитационных волн.
5. «Кто и что излучает гравитационные волны? Например, вы, уважаемый читатель. Потрясите рукой, и во все стороны Вселенной со скоростью света помчатся волны пространства-времени. Они нигде не поглотятся и будут вечным свидетельством вашего существования!» [10].
Такого рода потряхивания рукой стали весьма популярны среди физиков, лекторов-популяризаторов науки, журналистов, которые своими жестикуляциями, очевидно, хотят навечно оставить след в космологической науке, одновременно делая зарядку для своих рук.
Сколько людей в один и тот же момент времени трясут, помахивают своими руками: одни прощаясь или провожая друзей и родственников на вокзалах, другие в порывах гнева и раздражения, третьи на боксёрских рингах, остальные в церквах, крестясь в молитвенных поклонах. Представьте себе, какой бы создавался шквал гравитационных волн только от одних жестикуляций руками всего человечества.
Откуда возникло это потрясывание ручкой в научной тематике? Здесь стоит обратиться к американскому профессору Кипу Стивену Торну (Kip Stephen Thorne, родился в 1940 году), основателю и вдохновителю обсерватории LIGO. В 2017 году вместе с Райнером Вайссом и Барри Бэришем ему присуждена Нобелевская премия по физике «за экспериментальную регистрацию гравитационных волн».
В одном интервью Торн говорит: «Потому что есть гравитация, говорят ученые. Искривление и гравитация суть одно и то же. Там, где есть гравитация, пространство будет искривлено. Она его неотъемлемое свойство. Она есть везде и была всегда. Гравитационное поле самое первое поле Вселенной, а гравитационные волны, соответственно, её самые первые волны. Они, а не пресловутый бозон Хиггса, который только что обнаружили в большом адронном коллайдере, появились в первый миг бытия мира. Вот только, что это такое, физики так до конца понять и не могут. Едущий по улице автомобиль или колышущиеся занавески гонят гравитационную волну и искривляют пространство. Только очень слабо. Ни один детектор, произведённый руками человека, до сих пор её не фиксировал» [11].
Надеюсь, каждый из нас наблюдал, как на окне колышутся занавески. Отодвиньте эти занавески, и увидите искривлённое пространство, воспетое в песне: «За окном черёмуха колышется, осыпая лепестки свои». Гляньте вдаль, а там сплошная физика, переплетённая с лирикой: «В поле рожь густая, шевелились усики овса». Да что там «Рожь шумит, качается», там вся природа, если поверить Торну: тонкая травинка, кустик, каждое дерево гонит сплошным потоком гравитационные волны благодаря шевелению, качанию, в сопровождении голосового пения.
А вы живёте на берегу океана? Тем хуже для вас. Здесь штормы, ураганы, цунами это мощные источники гравитационных волн, от которых вас бы просто трясло каждую секунду. Здесь песня о генераторе гравитационных волн: «Ветер с моря дул». Откуда ветер набирает свою силу? От перепада давления, при неравномерном нагреве поверхности Земли. Солнце светит и палит лечит ваш радикулит! Это уже гелиотерапия, и совсем другая песня.
А в городе автомобили разных мастей, мощностей и прочая техника. Наконец, самолёты и ракеты, а во время войны разрывы тысяч снарядов, да мы просто утонули бы в этом бесконечном шторме гравитационных волн. И это не весь арсенал генерации гравиволн вся Вселенная должна быть пронизана реликтовыми волнами тяготения, унаследованными от инфляционной эпохи после Большого взрыва, которого не было.
Кроме постоянной генерации гравиволн, вокруг ещё искривлённое пространство в тандеме с искривлённым временем. Жуть! Дома бы просто качались и вибрировали, а где вибрация, там разрушения. Это будет пострашнее землетрясений. И как жить в таком поле бесконечных генераторов гравитационных волн?
Скажете, слабые волны. Нет, не слабые они же идут к нам не из-за миллионов и миллиардов световых лет, они рядом, а для их распространения благоприятные среды воздушный и водный океаны. Кроме того, гравитационные волны от разных источников излучаются на близких частотах, а это путь к наложению, т. е. к резонансу. Этот путь весьма опасный не только для солдат, идущих в ногу по мосту, это опасность для всего человечества. Это уже не рябь в далёком пространстве космоса это реальное цунами. Спасибо природе, что она до таких гравитационных волн не додумалась.
Полагаю, верить в данном случае К. Торну и ОТО-питекам никак нельзя.
Но вернёмся к чёрным дырам, до которых действительно далеко, поэтому здесь сплошные сказки. «Внутри чёрной дыры, для всех намерений и целей, пространство и время перестают существовать, нулевой объём, бесконечная плотность!» и т. п.
Сказочно подробную информацию о чёрных дырах можно встретить в научных журналах, медийных сайтах и в книгах. Основное внимание в статьях по данной тематике уделяется физическим параметрам и гравитационной силе ЧД, вот только не раскрывается главный вопрос: откуда возникает такая мощнейшая сила, которая создает эту «бесконечную плотность» и саму гравитацию? Откуда эта энергия, способная породить силу, которая может «сгибать свет, деформировать пространство, искажать время и пускать его вспять»?
В интернете в свободном доступе по запросу «чёрная дыра» Google выдал 1,9 млн сайтов! По запросу «чёрные дыры» на миллион больше! Вот, к примеру, большая по объёму, с множеством графиков и рисунков, научная статья [12], в которой на основе спектроскопии трёх известных звёзд авторы пытаются анализировать свойства центральной чёрной дыры, то есть её массы и расстояния до неё. Подобные статьи мотивировали меня на исследования этих загадочных ЧД.
Аналогичные статьи на деньги налогоплательщиков печатаются в большом количестве. А о видео и говорить нечего это сборники замученных фраз про то, как велика плотность и гравитация, поэтому «будьте осторожны, пролетая мимо такого объекта, иначе если попадете в ЧД, то оттуда уже никогда не выбраться»'.
Наконец, 11 апреля 2019 года с большой помпой средства массовой информации преподнесли нам последнее достижение мировой науки: была показана фотография ЧД, точнее якобы тень ЧД, находящейся в центре гигантской галактики М87. Огромная ЧД обнаружена комплексом радиотелескопов (проект Event Horizon Telescope) на расстоянии 53,5 миллиона световых лет, массой 6,5 миллиарда солнечных масс! [13] (Фотографию не привожу, на ней нет ничего, кроме размытого красноватого бублика, как некой «тени» на аккреционном диске).
В данной книге я не буду касаться результатов этих исследований. Нужно время, чтобы внимательно рассмотреть портрет этой тени, вернее понять, что там высветилось. Вместо этого поговорим о слиянии двух ЧД, впервые зафиксированных LIGO в 2015 году.
1.4. Интерферометры Advanced LIGO
11 февраля 2016 года участники проекта LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory лазерная интерферометрическая обсерватория гравитационных волн) объявили об обнаружении гравитационных волн. Ранее, 14 сентября 2015 года, на своих установках они обнаружили сигнал, исходивший от слияния двух чёрных дыр массами 36 и 29 солнечных масс (последние уточнения 39 и 30 солнечных масс) на расстоянии около 1,3 млрд световых лет от Земли. Хотя сигнал был очень слабым, силы его оказалось достаточно, чтобы подтвердить существование этих волн.
Впервые существование гравитационных волн предсказал А. Эйнштейн около 100 лет назад. Они распространяются со скоростью света и заполняют Вселенную. Учёный был убеждён, что эти волны никогда не удастся зафиксировать и измерить. Результаты работ на интерферометрах Advanced LIGO якобы доказали существование гравитационных волн, которые были зафиксированы от слияния двух массивных ЧД.
Из сказанного вытекает несколько равноправных вопросов и напрашивающихся выводов.
1. Свет не может покинуть ЧД, а вот гравитационные волны, оказывается, могут. Если гравитационная волна вырвалась из новоявленной ЧД, то скорость этой гравитационной волны должна быть намного больше скорости света, что противоречит той же ОТО, которая и предсказывает генерацию и распространение гравитационных волн.
2. Уважаемые ученые из коллаборации LIGO действительно увидели и зарегистрировали сигналы, но некорректно их интерпретировали [14] [15].
3. Если столкнулись две массивные ЧД (30 и 39 масс Солнца) и слились в одну, тогда сигнал должен быть не единичным пичком длительностью в две десятые доли секунды, а должен занять всё время, пока не закончатся переходные процессы от их слияния (помните о потряхивании рукой). В этом случае время искажения «пространство-время» (генерации гравиволн) должно продолжаться не доли секунды или целые секунды и минуты, а дни, недели, а может, месяцы и более.
А что зафиксировали интерферометры LIGO один импульс длительностью 0,2 секунды на протяжении всего этапа слияния. Получается, при полном слиянии энергия не выделялась и не выплёскивалась, а когда слились последние «крохи» вещества, то произошёл мощный выброс энергии за столь малый промежуток времени. Как такое может быть, как этот всплеск мог уложиться в ничтожно малое время? Ведь эти процессы не удар языка в колокол на колокольне Ивана Великого, после которого малиновый звон длится несколько десятков секунд. А что нам говорит директор национального научного фонда Девид Ритц (David Reitze) на презентационной конференции: «Два объекта массами в 30 раз больше Солнца сталкиваются на скоростях половины скорости света. Поймите, какая выделится энергия, какая это сила![4]» [15].
Я соглашусь с господином Ритцем, что должна была выделиться огромная энергия при условии, если два космических тела типа ЧД ударились в лоб, и тогда произошёл бы взрыв огромной силы с выбросом мощной энергии, в том числе световой. После чего осколки этих объектов разлетелись бы по всей Вселенной, а пространство вместе со временем сжималось бы и расширялось (звенело) в виде возмущающего действия по крайней мере несколько часов, суток и недель, а не долю секунды.
Рис. 1.1. LIGO международный проект по детектированию гравитационных волн при помощи лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории, создан по инициативе Кипа Торна в 1992 году (фотоснимок из открытых источников)
В то же время на видео во время презентации показывалась компьютерная симуляция слияния двух ЧД, где они за счет взаимной гравитации приходили во вращательное движение, сближали свои орбиты, ускорялись, а затем сливались в одну.
Рассмотрим эту ситуацию чуть подробнее. ЧД сближались не в лоб, а по касательным орбитам. В этом случае ЧД на скоростях, равных половине скорости света, никак не смогли бы зацепиться гравитационными полями друг за друга из-за огромной массы и инерции, даже пролетая, что называется, впритирку, надеюсь, вы не забыли их массы 30 и 39 солнечных. Значит, ЧД сближались не на полусветовых скоростях и по другим траекториям, позволившим им сцепиться гравитационными полями. Далее мы наблюдаем соприкосновение двух горизонтов событий, нет, не далее, а в самом начале. Вот здесь должны генерироваться первые гравитационные волны. Эта генерация должна продолжаться до тех пор, пока чёрные дыры окончательно не сольются в одну, образуя общий горизонт событий, за которым скроется новая огромная суммарная ЧД. В этом случае гравитационные волны должны генерироваться уже не секунды, минуты и часы, а дни и месяцы.
Теперь об их собственном вращении вокруг своих осей. Если ЧД вращались, то в момент первого касания должна пойти мощная волна. Схожую ситуацию можно наблюдать в соревнованиях «Формула-1». При наезде догоняющего болида передним колесом на заднее колесо первого, из зоны контакта выбрасывается сноп искр, затем разогрев и разрушение разогретых колёс. Поэтому амплитудный всплеск от соприкосновения ЧД должен быть в самом начале, а не в конце, после чего спад импульса, т. е. импульс должен быть отзеркален по горизонтали (рис. 1.2).