Экзотические космические объекты

Подавляющее большинство астрономов убеждено, что сверхмассивные черные дыры расположены в центральной части всех больших галактик. Не является исключением и наша галактика Млечный Путь. Для проверки этой гипотезы активно используются телескопы на Гавайах и орбитальный телескоп Хаббла (Hubble Space Telescope). В январе 2008 года стало известно об открытии самой массивной из всех известных к настоящему времени черных дыр; её масса в 18 миллиардов раз превышает массу Солнца и по величине сравнима с массой небольшой галактики. Находится эта черная дыра на расстоянии 3,5 млрд световых лет от Земли.

Но вот то, как черные дыры оказались в центрах многих галактик, совершенно не ясно. Чтобы понять это, необходимо собрать как можно больше информации о процессах, проходящих в ближайшей окрестности подобной черной дыры. И здесь ученым на помощь приходит Природа. Если черная дыра находится в центре галактики с большой плотностью вещества, то это вещество начинает «засасываться» черной дырой. При этом гравитационные силы настолько велики, что заставляют падающее вещество излучать. Именно это излучение и выдает присутствие черных дыр. Интересный парадокс: черные дыры, оказывается, могут быть самыми яркими объектами во Вселенной! Именно наличие мощнейшего излучения во всем диапазоне длин волн (от радио до гамма), идущего из центра многих галактик, и заставляет думать о том, что там находятся огромные черные дыры. Уже обнаружены звезды, расположенные близко от черных дыр и очень быстро вокруг них вращающиеся. Почему же излучение в рентгеновском диапазоне информативнее наблюдений в видимом спектре, при помощи обычных телескопов? Согласно законам электродинамики, чем с большим ускорением движется заряженная частица, тем более энергичные кванты света она испускает. Но ускорение тем больше, чем ближе частица к черной дыре. Следовательно, более энергичные фотоны прилетают к нам из непосредственной окрестности черной дыры. А исследуя спектральный состав излучения, можно оценить массу черной дыры, ее заряд и скорость вращения. Теоретики предсказывают, что черные дыры способны не только поглощать окружающую их материю, но и излучать частицы всех сортов (так называемое «Хоукинговское квантовое испарение»). Для массивных черных дыр это излучение крайне мало, но чем меньше масса черной дыры, тем больше его интенсивность и энергия вылетающих из нее частиц. Чем меньше черная дыра, тем лучше ее видно! Но раз объект излучает энергию, его масса должна уменьшаться. Причем черная дыра излучает со временем все интенсивнее, поскольку, испаряясь, уменьшается. Этот процесс заканчивается мощнейшим всплеском излучения частиц всех сортов. Фотоны, являясь полноправными квантами, также излучаются, и вполне возможно, что некоторые фотоны, прилетающие на Землю, являются посланцами небольших черных дыр.

СТРУНЫ

В нашей Вселенной, кроме звезд, планет, пылевых и газовых туманностей, обнаружились другие, тоже совершенно невероятные объекты - космические струны. Они тянутся через всю Вселенную от одного ее горизонта до другого, скручиваются, рвутся и сворачиваются в кольца, выделяя громадное количество энергии.

Теория объединения электромагнитных, слабых и сильных взаимодействий предсказала, что в природе есть большое количество частиц, никогда не наблюдавшихся экспериментально. Это не удивительно, если учесть, какие невообразимые энергии нужны для их рождения во взаимодействиях привычных нам частиц. Другими словами, для наблюдений за их проявлениями опять необходимо обращать свой взор на раннюю Вселенную.

Некоторые такие частицы нельзя даже назвать частицами в привычном  нам смысле слова. Это одномерные объекты с поперечным размером около 10-37 см (значительно меньше атомного ядра - 10-13 см) и длиной порядка диаметра нашей Вселенной - 40 миллиардов световых лет (1028 см). Академик Я. Б. Зельдович, предсказавший существование таких объектов, дал им красивое название - космические струны, поскольку они действительно должны напоминать струны гитары.

Создать их в лаборатории невозможно: у всего человечества не хватит энергии. Другое дело - ранняя Вселенная, где  условия для рождения космических  струн возникли естественным путем.

Гипотезу космических струн постичь трудно, представить наглядно просто невозможно: струны можно только описать сложными математическими формулами. Эти загадочные одномерные образования не излучают света и обладают огромной плотностью - один метр такой "ниточки" весит больше Солнца. А если их масса так велика, то и гравитационное поле, пусть даже растянутое в линию, должно значительно отклонять световые лучи. Однако линзы уже сфотографированы, а космические струны и "черные дыры" пока существуют лишь в уравнениях математиков.

Из этих уравнений следует, что  возникшая сразу после Большого взрыва космическая струна должна быть "замкнута" на границы Вселенной. Но границы эти так далеки, что  середина струны их "не чувствует" и ведет себя, как кусок упругой  проволоки в свободном полете или как леска в бурном потоке. Струны изгибаются, перехлестываются и рвутся. Оборванные концы струн тут же соединяются, образуя замкнутые куски. И сами струны, и отдельные их фрагменты летят сквозь Вселенную со скоростью, близкой к скорости света.

Согласно общей теории относительности  масса вызывает искривление пространства-времени. Космическая струна тоже искривляет его, создавая вокруг себя так называемое конусовидное пространство. Представить  себе трехмерное пространство, свернутое  в конус, вряд ли удастся. Обратимся поэтому к простой аналогии. Возьмем плоский лист бумаги - двумерное евклидово пространство. Вырежем из него сектор, скажем, в 10 градусов. Свернем лист в конус так, чтобы концы сектора прилегали один к другому. Мы вновь получим двумерное, но уже неевклидово, пространство. Точнее, оно будет евклидовым везде, за исключением одной точки - вершины конуса. Обход по любому замкнутому контуру, не охватывающему вершину, приводит к повороту на 360 градусов, а если обойти конус вокруг его вершины, оборот будет на 350 градусов. Это и есть одна из характеристик неевклидовости пространства.

Нечто подобное возникает и в  нашем трехмерном пространстве в  непосредственной близости от струны. Вершина каждого конуса лежит  на струне, только "вырезанный" ею сектор мал - несколько угловых минут. Именно на такой угол струна своей чудовищной массой искривляет пространство, и на этом угловом расстоянии видна парная звезда - "космический мираж". И отклонение, которое создает "линза" Тернера, - около 2,5 угловых минут - очень хорошо соответствует теоретическим оценкам. На всех остальных известных нам линзах угловое расстояние между изображениями не превышает угловых секунд или даже долей секунд. Самое интересное, что эффект гравитационной линзы на струне можно увидеть и без телескопа: разрешающая способность человеческого глаза - примерно половина угловой минуты. Нужно только знать, где искать, и отличать "миражи" от реальных объектов.

Из чего же состоит космическая  струна? Это не материя, не цепочка  каких-то частиц, а особый вид вещества, чистая энергия некоторых полей - тех самых полей, которые объединяют электромагнитные, слабые и ядерные взаимодействия. Плотность их энергии колоссальна (1016 ГэВ)2, а поскольку масса и энергия связаны знаменитой формулой E = mc2, струна оказывается такой тяжелой: ее кусочек, по длине равный размеру элементарной частицы массой около 10-24 г, весит 10-10 г. Силы натяжения в ней тоже очень велики: по порядку величины они составляют 1038 кгс. Масса нашего Солнца - около 2.1030 кг, значит, каждый метр космической струны растягивают силы, равные весу ста миллионов Солнц. Такие большие натяжения приводят к интересным физическим явлениям.

Будет ли струна взаимодействовать  с веществом? Вообще говоря, будет, но довольно странным образом. Диаметр струны - 10-37 см, а, скажем, электрона - несравненно больше: 10-13 см. Любая элементарная частица одновременно и волна, которая по порядку величины равна ее размерам. Волна не замечает препятствия, если длина волны значительно больше его размеров: длинные радиоволны огибают дома, а световые лучи дают тень даже от очень маленьких предметов. Сравнивать струну с электроном - все равно, что исследовать взаимодействие веревки диаметром 1 сантиметр с галактикой размером 100 килопарсек. Исходя из здравого смысла, галактика вроде бы просто не должна веревку заметить. Но веревка-то эта весит больше всей галактики. Поэтому взаимодействие все-таки произойдет, но оно будет похоже на взаимодействие электрона с магнитным полем. Поле закручивает траекторию электрона, у него появляется ускорение, и электрон начинает излучать фотоны. При взаимодействии элементарных частиц со струной тоже возникнет электромагнитное излучение, но его интенсивность будет настолько мала, что струну по нему обнаружить не удастся.

Зато струна может взаимодействовать сама с собой и с другими струнами. Пересечение или самопересечение струн приводит к значительному выделению энергии в виде стабильных элементарных частиц - нейтрино, фотонов, гравитонов. Источником этой энергии служат замкнутые кольца, которые возникают при самопересечениях струн.

Кольцевые струны - интереснейший  объект. Они нестабильны и распадаются  за некоторое характерное время, которое зависит от их размеров и  конфигурации. При этом кольцо теряет энергию, которая берется из вещества струны и уносится потоком частиц. Кольцо уменьшается, стягивается, и, когда его диаметр доходит до размера элементарной частицы, струна распадается взрывным образом за 10-23 секунды с выделением энергии, эквивалентной взрыву 10 Гигатонн (1010 т) тротила.

Физика кольцевых струн очень  хорошо вписалась в одну любопытную теорию - так называемую теорию зеркального  мира. Эта теория утверждает, что  у каждого сорта элементарных частиц существует партнер. Так, обычному электрону соответствует зеркальный электрон (не позитрон!), который тоже имеет отрицательный заряд, обычному протону соответствует положительный зеркальный протон, обычному фотону - зеркальный фотон и так далее. Эти два сорта вещества никак не связаны: в нашем мире не видны зеркальные фотоны, мы не можем регистрировать зеркальные глюоны, бозоны и прочие переносчики взаимодействий. Но гравитация остается единой для обоих миров: зеркальная масса искривляет пространство так же, как и масса обычная. Другими словами, могут существовать структуры типа двойных звезд, в которых один компонент - обычная звезда нашего мира, а другой - звезда из мира зеркального, которая для нас невидима. Такие пары звезд действительно наблюдаются, и невидимый компонент обычно считают "черной дырой" или нейтронной звездой, которые не излучают света. Однако он может оказаться звездой из зеркального вещества. И если эта теория справедлива, то кольцевые струны служат проходом из одного мира в другой: пролет сквозь кольцо равноценен повороту частиц на 180о, их зеркальному отражению. Наблюдатель, пройдя через кольцо, поменяет свою зеркальность, попадет в другой мир и исчезнет из нашего. Тот мир не будет простым отражением нашей Вселенной, в нем будут совсем другие звезды, галактики и, возможно, совсем другая жизнь. Вернуться путешественник сможет, пролетев сквозь это же (или любое другое) кольцо обратно.

Отзвуки этих идей мы, как это ни удивительно, находим в многочисленных сказках и легендах. Их герои попадают в другие миры, спускаясь в колодец, проходя через зеркало или  через таинственную дверь. Кэрроловская Алиса, пройдя сквозь зеркало, попадает в мир, населенный шахматными и карточными фигурами, а упав в колодец, встречает разумных зверюшек (или тех, кого она приняла за них). Интересно, что математик Доджсон заведомо не мог знать о теории зеркального мира - она была создана в 80-х годах российскими физиками.

ВЗРЫВАЮЩИЕСЯ ЗВЕЗДЫ

Тот, кто внимательно следит за звёздами из ночи в ночь, имеет в  своей жизни шанс обнаружить новую  звезду, возникшую как бы на пустом месте. Блеск такой звезды постепенно увеличивается, достигает максимума и, через несколько месяцев ослабевает настолько, что она становится не видимой даже вооружённым глазом, исчезает.

Ещё более грандиозное, но чрезвычайно  редкое небесное явление, получившее название сверхновой звезды, запечатлено во многих исторических летописях разных народов. Блеск сверхновой, вспыхивавшей тоже вроде бы на пустом месте, иногда достигал такой величины, что звезду было видно даже днём!

Явления новых звёзд были обнаружены ещё в глубокой древности. В XX в., когда астрономические наблюдения приобрели регулярный характер, a вид звёздного неба «протоколировался» на фотопластинках, стало ясно, что на месте «новых» звёзд на самом деле находятся слабые звёздочки. Просто внезапно их блеск увеличивается до своего максимума и затем вновь уменьшается до спокойного уровня. Более того, оказалось, что иногда явление новой звезды повторяется более или менее регулярно на одном и том же месте, т. е. одна и та же звезда по каким-то причинам раз в сотни лет или чаще сильно увеличивает свою светимость.

Иначе обстоит дело со сверхновыми. Если на их месте до начала вспышки  и была заметна звезда (как, например, в случае относительно яркой сверхновой 1987 г. в Большом Магеллановом Облаке), то после вспышки она действительно исчезает, а сброшенная ею оболочка ещё долгие годы наблюдается как светящаяся туманность.

Исследования сверхновых звёзд, вспыхнувших  в нашей Галактике, затрудняются тем, что эти небесные объекты  чрезвычайно редко доступны наблюдениям. За всю историю науки их удалось увидеть всего несколько раз. Однако регулярные наблюдения множества других галактик приводят к ежегодному обнаружению до нескольких десятков сверхновых в далёких звёздных системах. Установлено, что в среднем в каждой галактике вспышка сверхновой происходит раз в несколько десятилетий. Причём в максимуме своего блеска она может быть столь же яркой, как остальные сотни миллиардов звёзд галактики, вместе взятые. Самые далёкие из известных ныне сверхновых находятся в галактиках, расположенных в сотнях мегапарсек от Солнца.

Как впервые предположили в 30-е  гг. XX в. Вальтер Бааде и Фриц Цвики, в результате взрыва сверхновой может  образоваться сверхплотная нейтронная звезда. Эта гипотеза подтвердилась  после открытия пульсара — быстровращающейся нейтронной звезды с периодом 33 миллисекунды — в центре известной Крабовидной туманности в созвездии Тельца; он возник на месте вспышки сверхновой 1054 г.