Российские астрофизики получили сильный аргумент в пользу существования во Вселенной черных дыр. Им удалось наблюдать эргосферу – необычную область закрученного пространства, которая встречается только у черных дыр. Предсказанные общей теорией относительности черные дыры имеют столь необычные свойства, что даже горячие сторонники теории Эйнштейна порой испытывают сомнения. Например, не верил в черные дыры знаменитый астрофизик Артур Эддингтон, автор первой популярной книги о теории относительности. Однако новые наблюдения и расчеты способны переубедить многих скептиков.
Об открытии рассказывает один из его авторов, руководитель исследовательской группы, профессор астрофизики Московского государственного университета Владимир Михайлович Липунов.
-- «Черная дыра» известна человечеству около 90 лет. Это одно из самых необычных следствий теории гравитации Эйнштейна. Карл Шварцшильд, немецкий физик получил решение уравнения Эйнштейна, которое обладало одним удивительным свойством: в этом решении существовала область, попадая в которую, любое тело уже не могло вернуться в нашу обычную Вселенную. Это поверхность невозврата (горизонт событий). Представьте себе телеграфиста, который падает в «черную дыру» и передает с равной периодичностью сигналы «тик-тик-тик». Когда он приближаться к горизонту событий, эти тики пойдут все реже. И когда он пересечет горизонт событий, эти тики перестанут к нам приходить, и информация навсегда исчезнет вместе с этим телеграфистом.
– Многие ученые считают «черные дыры» теоретическими объектами – решениями определенных уравнений.
– Есть такое понятие – научное сообщество. Оно как бы уже не сомневается, что «черные дыры» существуют, они открыты. Это некое общее место. В то же время надо понимать, что речь идет не о «черных дырах», а о кандидатах в «черные дыры». Лет 30 назад я встречался с замечательным советским астрофизиком, который положил в прямом смысле жизнь свою на открытие «черных дыр». Он как-то говорил: «Володя, надо найти то, что отличает "черную дыру" от других объектов Вселенной – нейтронных звезд, белых карликов, бог знает чего, но что-то такое, что присуще только "черной дыре"».
И выяснилось, что обычные «черные дыры» в этом смысле совершенно не помощники. Тело, которое попадает действительно в интересную область – приближается к горизонту события, оно уже ничего о себе сообщить не может. Вещество, которое приближается к этому горизонту, излучает всю энергию задолго до того, как попадет в «черную дыру». А когда релятивистские (эйнштейновские) эффекты становятся большими, объект падает в ту же «черную дыру» буквально за миллисекунды. Поэтому мы говорим о кандидатах в «черные дыры». Да, мы видим объекты, вокруг которых вращаются аккреционные диски, эти аккреционные диски вроде бы светятся по правильным формулам, но если вы замените «черную дыру» на другой объект, ничего не изменится.
- Аккреционный диск – это газ, который закручивается вокруг «черной дыры», но он может с тем же успехом закручиваться вокруг нейтронной звезды.
– Практически так и есть. Во всяком случае, достигаемый релятивистский эффект составляет 5-10% максимум.
– Но вы обнаружили эффект, который отличает именно «черную дыру».
– Этот эффект на самом деле открыли английские физики еще в 1960 годы. Я как астроном просто указал на это. Существуют прародители «черных дыр» – это звезды, у которых кончились запасы энергии, и они коллапсируют. Эти звезды вращаются. Как правило, это медленное очень вращение не влияет не поведение черной дыры. Но возможны очень редкие ситуации, когда предки «черных дыр» вращаются быстро. И в этом случае все меняется, конечным продуктом оказывается другая «черная дыра», ее называют керовской «черной дырой». У такой черной дыры есть поверхность – эргосфера.
– Эргосфера окружает эту «черную дыру», как белок окружает желток.
– Очень похоже. И вот в этом белке, оказывается, нельзя покоиться. Любое тело, любая частица, которая попадает в эргосферу, постоянно вращается вокруг «черной дыры». Никакие двигатели, никакие энергии не могут заставить это вещество остановиться.
– Можно ли вырваться из эргосферы?
– Можно без всяких проблем. Более того, она хороша тем, это впервые показал физик Пенроуз, что физические процессы в эргосфере приводят к тому, что можно отбирать энергию у «черной дыры». Оказывается у вращающейся «черной дыры» есть два вида энергии – одна, связанная с неподвижной массой, а другая с вращением. Вот эту энергию вращения можно извлекать.
Если вы приближаетесь к горизонту событий, любое вещество, будет жить оконо него миллисекунды, потому что там есть гигантская радиальная сила и нет никаких центробежных сил. А эргосфера позволяет находиться вблизи этого страшного горизонта событий, поверхности невозвращения практически сколь угодно долго. То есть обычное вещество, будучи положенным в эту эргосферу, имеет огромное время для того, чтобы излучить свою энергию и извлечь энергию «черной дыры». То есть она может очень долго работать – уже не тысячные доли секунды, как это обычно происходит, а минуты, часы.
– Вы наблюдали вещество в эргосфере?
– Мы считаем, что да, мы этот эффект наблюдали. Года четыре назад мы занялись оптическим наблюдением гамма-всплесков. Гамма-всплески – это взрывы во Вселенной, как мы теперь знаем, самые мощные изо всех, что удалось наблюдать. Эти взрывы происходят очень далеко, и при этом излучается гигантская энергия. Она в миллионы раз превосходит все, что мы знали до сих пор. Она больше энергии сверхновых в сотни тысяч раз.
До 1997 года ученые были уверены, что гамма-всплеск светится только в гамма-диапазоне. Но 1997 году было установлено, что одновременно с гамма излучением идут рентгеновские и оптические лучи. Мгновенно было определено расстояние, оно оказалось порядка 10 миллиардов световых лет. Можно сказать, что это на краю Вселенной. При этом мощность взрыва такова, что, по-видимому, некоторые гамма-всплески можно увидеть даже невооруженным глазом. Наша Вселенная – это просто большая деревня. Самое яркое оптическое излучение во Вселенной было открыто с помощью телескопа диаметром 10 сантиметров. А у любителей сегодня телескопы по полметра. Но на самом деле у телескопа, об этом забывают часто, есть очень важный параметр – это поле зрения. Так вот у этого маленького 10-сантиметрового телескопа поле зрения было в тысячу раз больше, чем у обычного. Именно это и позволило увидеть оптическое излучение, большой телескоп просто никогда бы не навелся на этот гамма-всплеск. Когда был теракт в Лондоне, как нашли террористов? С помощью 10-метровых телескопов? Нет, с помощью сантиметровых камер, потому что у камер было гигантское поле зрения и из сотен тысяч лиц они выбрали то, что надо. Тот же прием: вы берете небольшую камеру с большим полем зрения и среди тысяч объектов, попадающих туда, выбираете странный.
Но этот объект выбирается по подсказке, а не совсем случайно, и это подсказка американского космического гамма-телескопа «Свифт» (Swift).
– Пришло время поговорить о вашем результате. Как я понимаю, у вас установлен телескоп-робот, который на сигналы «Свифта» откликается немедленно.
– Наш телескоп установлен в деревне под Москвой, недалеко от Домодедово, связан с центром исследований гамма-всплесков NASA, который в свою очередь связан с гамма-телескопом на орбите. За несколько десятков секунд мы получаем информацию из космоса в нашу деревню на наш телескоп. Обычно спрашивают, кому принадлежит ваш телескоп, когда я прихожу в институт и спрашиваю, нельзя ли оплатить интернет для телескопа. Дело в том, что телескоп расположен на частном участке сотрудника нашего института и построен на деньги московской фирмы «Очкарик». То есть государство наше не затратило практически ни копейки на этот эксперимент. Кроме того, что там имеется уникальная матрица – когда нам ее покупала фирма «Очкарик», это была самая большая матрица в мире. Для чего это нужно? Для большого поля зрения. Но самая важная деталь в телескопе – это компьютер, который обучили мы – студенты, аспиранты, наша группа, это человек 5-7, фактически энтузиасты, которые в течение двух-трех лет сами построили эту обсерваторию и сами обучили телескоп наблюдению. Наш телескоп сам открывает крышу, сам ждет сигнала с космического гамма-телескопа, сам обменивается с Соединенными Штатами информацией по гамма-всплескам. И он может решать и другие задачи. Например, мы впервые с территории России открыли сверхновые звезды.
– В момент, когда мы с вами встретились, вы сказали, что только что пришел сигнал по SMS о том, что случился гамма-всплеск.
– Да, мы дублируем на SMS такие сообщения для того, чтобы либо дежурный наблюдатель, либо я, находясь в Москве, за ноутбуком мог бы тут же войти, проверить, удачно ли прошло наведение телескопа.
– А часто идут подобные сообщения?
– Это сложный эксперимент, и он нацелен на очень редкие события. Когда мы его начинали, это было раз в месяц, сейчас – примерно раз в три дня благодаря «Свифту». Но необходимо учесть, что сообщения могут приходить и днем или вдождь, когда наш телескоп ничего видит. Так что, в среднем, раз в несколько месяцев у нас получается успешное наведение.
– Как раз один из таких случаев наведения – это и был случай, когда вы получили подтверждение существования черной дыры.
– Это было 29 сентября прошлого года. Мы получили первое изображение, и первое сообщение мы отправили буквально чрез 10 минут. Потом были бессонные сутки. Вообще это страшно интересная работа. Этот эксперимент похож на какие-то эксперименты в ЦЕРНе – там работает коллайдер, и люди ждут каких-нибудь пять событий в течение года. А тут ждет весь мир астрономов. То есть через час подключаются греки, потом подключаются испанцы. Ночь приходит в Южную Америку. Поэтому мы не засыпаем, следим за сообщениями и так далее. Потом потребовалась более тонкая обработка, при которой мы обнаружили довольно неожиданную вещь. Обычное оптическое излучение, будучи зарегистрированное, начинает падать: после взрыва все рассеивается и замирает. А здесь на четырехсотой секунде мы обнаружили повышение блесков. И постепенно вырисовалась модель, не скажу, что она новая, когда-то лет десять назад я ее уже обдумывал, и даже были какие-то публикации. Все понимают, что если бы это был обычный коллапс, все кончилось бы в миллисекунду и мы бы видели просто затухание. А тут было впечатление, что взрывы продолжаются, как будто взорвали не снаряд, а целый склад боеприпасов. Складывалось впечатление, что идет борьба с силами гравитации, которые заставляют вещество уйти навсегда из нашей Вселенной, продолжается и на четырехсотой секунде.
– И вы связали наблюдаемый эффект с поведение вещества в эргосфере «черной дыры»?
– Не только мы, но и другие астрофизики заподозрили, что что-то неладное происходит с этой машиной, которая взрывается, то есть она хочет дальше работать, она не хочет сразу уходить под горизонт – вещество сопротивляется. Вот эта самая эргосфера продлевает жизнь гамма-всплеску. Мы построили модель, где объяснять этот эффект. И вдруг 10 января уже этого года американцы сообщили с гамма-телескопа «Свифт», что они обнаружили удивительный гамма-всплеск, где работа центральной «машины» не заканчивалась не 400 секунд, а 10 тысяч секунд. Представить себе, что «черная дыра» образуется несколько часов после того, как вещество практически упало на горизонт событий, если она не вращается – это невозможно. И как только мы это поняли, мы написали работу в журнал. Мы считаем, что американский гамма-телескоп в том случае в течение нескольких часов наблюдал объект в эргосфере «черной дыры».
Я думаю, что Эддингтона наши результаты не удовлетворили бы. Он потребовал бы последних доказательств по гамбургскому счету. Он бы требовал самых сильных эффектов – не 20-30%, а гораздо более сильных
– И сейчас это есть?
– В нашей модели – да, и мы в это верим. Но вы понимаете, что любое открытие должно быть подтверждено. Очевидно, люди начнут более детально исследовать, будут проверять.