06.01.2017. - Астрофизик рассказывает о черных дырах, алмазных планетах и сверхцивилизациях

Астрофизик рассказывает о черных дырах, алмазных планетах и сверхцивилизациях

Может ли черная дыра оказаться проходимой, а кротовая нора – построенной высокоразвитым инопланетным разумом, как это показано в фильме «Интерстеллар»? Что общего у нейтронной звезды и черной дыры? Как были открыты нейтронные звезды и может ли существовать на окраине Солнечной системы еще одна большая каменная планета? Об этом и многом другом нам рассказал известный астрофизик Сергей Попов.

Сергей Борисович Попов – российский астрофизик, популяризатор науки, доктор физико-математических наук, ведущий сотрудник Государственного астрономического института им. П. К. Штернберга (ГАИШ МГУ). Круг научных интересов – черные дыры и нейтронные звезды. Много внимания уделяет популяризации науки, пишет научно-популярные статьи и выступает с публичными лекциями.

– Сергей Борисович, как были открыты нейтронные звезды?

– Открыты они были довольно драматично. Прежде всего надо сказать, что они были предсказаны в 1930-е годы. Но искать их никто не бросился, поскольку предсказание говорило о том, что это должны быть маленькие горячие объекты, которые трудно обнаружить, имея в распоряжении технологии того времени. После этого нейтронные звезды открыли с помощью первых рентгеновских наблюдений, но не узнали. Что я имею в виду? Эти источники не несли никакого специального маркера, который позволил бы очень быстро определить, что это за объекты. В итоге официально их открыли случайно – как радиопульсары. Люди просто изучали мерцание источников на космической плазме, и один из источников показал очень периодичный сигнал – повторение импульсов с очень высокой точностью.

Далее. В 1967 году наблюдения сделала тогда еще никому не известная аспирантка Джоселин Белл. Поначалу ей никто не поверил, ведь в радиодиапазон действительно легко могут попасть какие-то наземные источники. Но четкая суточная периодичность в изменении положения источников показала, что это все-таки астрономический объект, и тогда решили, что наблюдается искусственный внеземной сигнал. В такой ситуации это довольно логичное предположение, тем более что тогда эта тема была очень популярна.

Однако за короткое время было обнаружено еще несколько таких источников с разными периодами. Стало ясно, что это не искусственный сигнал, а просто новый класс астрономических объектов. Думали, что это либо вращающиеся нейтронные звезды, либо пульсирующие белые карлики. Только эти объекты могут давать такой точный короткий период – доли секунды.

Но тут существует два простых предсказания. Для того чтобы понять, как должны вести себя колебания белого карлика, возьмите мячик, который достаточно хорошо прыгает, бросьте его и посмотрите, как потихоньку колебания будут затухать. Вы убедитесь, что частота колебаний (когда шарик прыгает все ниже и ниже) будет возрастать. Если же это вращение нейтронной звезды, то оно будет тормозиться. Закрутите мячик на столе – и увидите, что он вращается все медленнее и медленнее. Если пульсары объясняются нейтронными звездами, то период должен увеличиваться. Наблюдения показали, что период действительно увеличивается. Тогда-то и стало ясно, что перед нами нейтронные звезды.

Дальше, к сожалению, последовала, как считается, самая большая из очевидных ошибок Нобелевского комитета: Джоселин Белл Нобелевскую премию не получила, а получил ее руководитель проекта Энтони Хьюиш, формально не за открытие радиопульсаров, а за большой вклад в развитие радиоастрономии, хотя, в принципе, все понимали, что этот большой вклад связан, прежде всего, с открытием радиопульсаров. Вот так были открыты нейтронные звезды.

– Что общего у нейтронной звезды и черной дыры?

– Дело в том, что нейтронные звезды – это очень хорошо определенный класс объектов, которые возникают на поздних стадиях звездной эволюции и в реальных астрофизических условиях имеют массу примерно от одной до трех масс Солнца. Черные дыры – это очень широкий класс объектов, в том смысле, что они опять-таки могут быть хорошо определены как некие области пространства, события внутри которых не могут повлиять на то, что происходит снаружи, то есть на области, отделенные от нас горизонтом событий. Но такие области могут иметь как самые разные размеры, так и самое разное происхождение. Поэтому могут существовать гигантские, сверхмассивные черные дыры с массой в десятки миллиардов масс Солнца, и, конечно, они уже становятся совсем не похожими на нейтронные звезды. Или могут существовать первичные черные дыры, которые возникли на заре существования Вселенной. Масса у них может быть как у астероида, а размер как у протона, например. Но один из самых известных типов черных дыр, как и нейтронные звезды, является финальным продуктом звездной эволюции. Массивные звезды, как правило, после взрыва сверхновой превращаются или в нейтронные звезды, или в черные дыры. И вот только между двумя этими типами объектов можно увидеть такую связь, о которой вы говорите. Действительно, мы можем взять нейтронную звезду, потихоньку добавлять на нее вещество, и со временем, когда ее масса превысит критическую, она сколлапсирует в черную дыру. Но, тем не менее, это все-таки довольно разные классы объектов.

– Недавно, кстати, ученые выяснили, сколько «весит» древняя черная дыра, которая была открыта в 2013 году. Свет от нее шел к нам 12,9 млрд лет, то есть она появилась на заре существования Вселенной. Масса же ее составляет, как выяснилось, 12 млрд масс Солнца. Обычно древние черные дыры имеют не очень большую массу, так как для их формирования необходимо время и, собственно, вещество. Какие гипотезы существуют для объяснения такой массы у столь древней черной дыры?

– Здесь существенна уже количественная разница. Представьте себе человека небедного, который платит большие налоги, из которых следует, что ему положено иметь Porsche Cayenne, а он ездит на McLaren F1. В принципе, и та, и другая – дорогие машины, разница между ними – количественная, но она как-то бросается в глаза. Речь идет о том, что черные дыры, находящиеся на таком расстоянии от нас, должны были бы иметь массу не 10-12 млрд масс Солнца, а, скажем, 100 млн. С бытовой точки зрения эти цифры не так сильно различаются, но, когда мы берем конкретные модели роста масс черных дыр, оказывается, что за те 700 млн лет, что были у черной дыры, довольно тяжело вырасти до 12 млрд масс Солнца – это странно. И самое естественное на данный момент объяснение состоит в том, что та первая черная дыра, которая начала расти и выросла в такую, была немного массивнее, чем другие. То есть мы сводим это к вопросу, откуда вообще берутся сверхмассивные черные дыры.

Самая очевидная история черной дыры начинается от первых звезд. Первые звезды образуются спустя десятки миллионов лет после Большого взрыва – это довольно массивные звезды. В конце своей жизни они превращаются в черные дыры, которые типично должны иметь массу примерно в 200 масс Солнца. После этого они могут сливаться друг с другом, поглощать вещество, потихоньку расти, и так к нашему времени можно дорасти до 10 млрд масс Солнца, если попасть в центр крупной галактики. Чтобы дорасти до 10 млрд масс Солнца не за 13 млрд лет, а за 700 млн – нужно изначально быть тяжелее, чем 200 масс Солнца. И все получится, если такая черная дыра будет изначально всего раз в десять тяжелее. Проблема в том, откуда в самом начале взять черные дыры с массой в несколько тысяч масс Солнца. Сейчас самый бесспорный ответ на этот вопрос состоит в том, что эти черные дыры образовывались не из первых звезд, а сразу в результате коллапса довольно большого газового облака. Тогда можно изначально получить черную дыру с массой несколько тысяч масс Солнца. Далее все идет как обычно, но, понятно, что, если вы изначально стартуете с большего капитала, в конце у вас тоже будет больший капитал.

– Как, на ваш взгляд, решить известную дилемму о том, что черные дыры вроде бы почти стопроцентно существуют, но их до сих пор никто не обнаружил?

– Действительно, черные дыры – это весьма необычный объект, который очень трудно наблюдать. С астрофизической точки зрения мы видим много разных источников, которые ведут себя так же, как должна вести себя черная дыра, что в принципе, конечно, не является окончательным аргументом в пользу их существования. С точки зрения физики есть много всяческих интересных процессов, связанных непосредственно с существованием горизонта, который в реальной астрофизике наблюдать фантастически сложно. И строго говоря, мы и не знаем, как его наблюдать, мы можем это делать, только если нам очень повезет. С одной стороны, есть физические предсказания, какие эффекты более или менее однозначно говорили бы о том, что мы имеем дело с черными дырами, с другой – прямо мы проверить это не можем, хотя можем проверять всевозможные другие вещи. И черные дыры являются лучшей интерпретацией для некоторых наблюдений.

Что мы сможем сделать в ближайшем будущем и на что надеемся? Самое надежное, что должно произойти в ближайшие несколько лет, – это регистрация гравитационно-волнового сигнала от слияния черных дыр. Черные дыры образуются в том числе из массивных звезд, массивные звезды любят образовывать двойные системы, значит, должны существовать системы и из двойных черных дыр, которые постепенно сольются, что приведет к всплеску гравитационного излучения. Регистрировать такие события должны начать уже в следующем году, и, конечно, взаимодействие тел с горизонтом и твердыми поверхностями должно выглядеть по-разному. Интересно, что формально это не будет совсем окончательным доказательством существования черных дыр. Но я бы сказал, что любой нормальный суд присяжных такие улики бы принял как достаточные.

Еще было бы здорово увидеть вспышку от хокинговского испарения черных дыр. У физиков есть большие споры по этому поводу, и есть модели, где никакого хокинговского излучения нет, но, тем не менее, пока это является неким стандартным предсказанием. Можно надеяться увидеть последнюю вспышку при испарении черной дыры, но это отчасти, наверное, вопрос везения. В последний раз, если не ошибаюсь, совсем недавно наблюдали вспышку, которую пытались объяснить подобным образом, и некоторые продолжают настаивать на таком объяснении, хотя оно не является общепризнанным, – это так называемый Быстрый радиовсплеск. Скорее всего, эта вспышка объясняется другими причинами, тем не менее было бы здорово увидеть «последний выдох» черной дыры.

В то же время мы просто надеемся, что чем дальше мы продвигаемся, тем лучше будем знать и понимать свойства известных источников. И развитие телескопов, больших интерферометров позволит увидеть так называемую тень черной дыры. Речь идет примерно о том, что показано в фильме «Интерстеллар». Есть специальный проект, который называется Event Horizon Telescope – объединение десятка наземных телескопов, у которых есть три основные цели – три самые большие черные дыры на небе: черная дыра в центре галактики М87, черная дыра в центре нашей Галактики и черная дыра в Туманности Андромеды. Ученые надеются увидеть структуру излучения прямо вблизи этих объектов, и это тоже будет хорошим аргументом в пользу того, что мы имеем дело именно с черными дырами. (Уже после интервью появилась статья – вы можете увидеть ее в моих обзорах на этой странице. В этом материале рассказывается о новых аргументах в пользу существования горизонта у черной дыры в М87).

Вместе с тем всегда останутся всевозможные теоретические споры на тему того, что настоящие дыры с горизонтами не образуются, если мы находимся в соответствующей системе отсчета, все испарится до того, как дыра возникнет, и т. д. Но это, по большому счету, не влияет на астрофизические наблюдения, и останутся, наверное, возможности построения страшно экзотических альтернативных моделей, где люди будут придумывать изощренные конфигурации, которые чуть-чуть больше, чем черная дыра. И тогда с наблюдательной точки зрения их тоже будет довольно трудно опровергнуть, и аргументы против этих альтернатив тоже будут довольно косвенными, хотя и более убедительными, чем аргументы в пользу таких моделей.

– Если мы уж упомянули фильм «Интерстеллар», то спрошу: может ли все-таки черная дыра быть проходимой или это слишком маловероятно?

– Я бы всем советовал почитать книжку The science of Interstellar, где в более-менее популярной форме на все эти вопросы отвечает знаменитый американский физик и астроном Кип Торн, который разбирается в них куда лучше, чем я. В принципе, кротовые норы все-таки остаются некоей экзотикой с самых разных точек зрения. Мы не до конца уверены, что можем применять общую теорию относительности в таких экстремальных условиях, как центр черной дыры: она просто не проверена для таких условий. Теория относительности не является окончательной теорией гравитации, и ей на смену придет теория, которая в своих предельных случаях будет сводиться к общей теории относительности, но во всех экстремальных ситуациях будет давать другие предсказания. То есть обсуждение кротовых нор, так же, как и обсуждение недр черных дыр, основано на экстраполяции уравнений общей теории относительности в те области, где они не проверены. Но сразу же хочется защитить теорию относительности, так как сама она не является домыслом. В принципе кротовые норы могут быть связаны с черными дырами, просто предположение об этом – некая спекуляция, основанная на хорошей теории, но непроверенная по объективным причинам.

Безусловно, было бы странно, если бы любая черная дыра являлась входом в кротовую нору. Все-таки черные дыры должны быть вполне естественным объектом, а кротовые норы могут в природе сами по себе не встречаться. В этом нет ничего страшного, например, айфоны тоже не встречаются в природе – люди их создают сами. Поэтому в «Интерстелларе» не зря обсуждается более могущественная цивилизация, которая и создала эту кротовую нору. И это в каком-то смысле кажется менее фантастическим, чем существование кротовых нор самих по себе, да еще в большом количестве. Конечно, я говорю о больших кротовых норах, а не о каких-то структурах, существующих на уровне квантовой пены.

– Что вы думаете о существовании большой каменной планеты на окраине Солнечной системы? И почему, если она есть, ее до сих пор не обнаружили, ведь, казалось бы, она так близко по сравнению с уже обнаруженными экзопланетами?

– Если я смотрю в окно – я вижу какие-то довольно далекие от меня объекты, а закатившуюся запонку под диваном я не вижу, потому что там темно. Примерно то же самое и в случае обнаружения еще одной планеты в Солнечной системе. Планету около другой звезды мы видим благодаря свету этой звезды – вернее, наоборот: тени от этой планеты на звезде. Саму планету мы не видим – мы видим, что по диску звезды прошло что-то темное. А здесь нам нужно было бы увидеть именно саму планету. Но сделать это трудно, потому что она, во-первых, далеко от нас, а во-вторых, далеко от Солнца, поэтому отражает мало света. Конечно, если точно знать, где в данный момент находится эта планета и навести на это место большой телескоп – ее можно обнаружить. Но так не делается просто потому, что крупные телескопы не могут осмотреть все небо. И такая планета на расстоянии 200 а. е. осталась бы незамеченной. Но пока такой удачи не случилось, поэтому увидеть ее сейчас, если она есть, не получается.

Есть аргументы в пользу того, что такие планеты на окраинах звездных систем могут существовать. Самые серьезные аргументы связаны с поведением малых тел в Солнечной системе. Изучение орбит некоторых комет показывает, что они достаточно аномальны, и, конечно, эту аномальность можно объяснить разными способами. Но самый простой способ, требующий всего одного предположения, это сказать, что на расстоянии 100-200 а. е. должна находиться планета с массой порядка массы Земли. Тогда это объяснило бы аномалии в орбитах комет. Как только возникает такая идея – в астрофизике возникает и резонный вопрос: а откуда она там возьмется. То есть если это естественный объект – мы должны представить естественный способ его появления.

Существует две версии того, как это могло бы произойти. Первая кажется более реалистичной. Она состоит в следующем: когда планеты еще только образовывались, в Солнечной системе летало очень много всевозможных объектов самой разной массы. Потихоньку они сталкивались друг с другом, поглощались более крупными телами или выбрасывались – какие-то наружу, какие-то внутрь. Юпитер, будучи массивной планетой, своей гравитацией способен выкидывать довольно далеко достаточно тяжелые объекты. Ему под силу закинуть планету с массой Земли куда-нибудь на 150 а. е. И если ее туда закинули – потом она не сможет изменить свою орбиту так, чтобы вернуться обратно. Моделирование показало, что все это вполне реально.

Вторая версия кажется немного более экзотической. Если то облако, из которого образовывалась Солнечная система, было достаточно массивным, то, в принципе, так далеко можно и планету собрать. Для этого нужно, во-первых, много вещества, во-вторых, много времени – около 1 млрд лет. Солнечной системе больше 4 млрд, так что время было.

– Обнаружены ли какие-то новые типы экзопланет за последнее время (кроме суперземель, горячих и холодных газовых гигантов, водных миров)?

– За последние месяцы об открытии каких-то принципиально новых типов экзопланет я не слышал. Некоторые открытия есть, но они не столь революционны, потому что телескоп Kepler, как известно, находится сегодня уже не в активной фазе своей работы, и специалисты работают с его архивами. Наземные инструменты открывают планеты, но это не такой большой поток, поэтому если уж что-то выделять, скажем, из открытий прошлого года, то, наверное, по моему субъективному мнению, это открытие планеты, которая была обнаружена довольно экзотическим способом – при помощи гравитационного линзирования. Что в свою очередь исключает ее детальное изучение впоследствии. Планета находится в достаточно тесной двойной системе, но орбита ее довольно большая. То есть расстояние от звезды до звезды составляет 15 а. е., а от планеты до звезды – 1 а. е. Поэтому, на мой взгляд, это довольно интересная и необычная система. К сожалению, как я уже сказал, изучать ее детально будет, по-видимому, очень нелегко.

– Дело в том, что довольно часто в каких-то научно-популярных фильмах или передачах приходится слышать, например, об «алмазных» планетах, состоящих по преимуществу из углерода. Что можно сказать об этом и как относиться к таким домыслам?

– Это и домыслы и не домыслы одновременно, это некое преувеличение. Могут существовать планеты с очень большим содержанием углерода. И если они достаточно массивны, то и углерод будет находиться в сжатой форме, соответственно, часть его будет пребывать в состоянии, похожем на алмаз. Это, однако, не означает, что подлетая к такой планете вы увидите большой круглый бриллиант. Планета будет выглядеть гораздо более прозаично – снаружи и вовсе там должен быть далеко не алмаз. Здесь наша фантазия просто легко покупается на какие-то преувеличения, основанные, в принципе, на чем-то реальном.

Хочу сказать, что в лаборатории мы не можем воспроизвести даже земные недра. Мы совсем не знаем, что происходит в центре Юпитера. Но ведь это не значит, что в центре Юпитера находится большой бар с напитками – мы выбираем из ограниченного набора более скучных вариантов. Если мы так плохо знаем даже нашу Землю и планеты Солнечной системы, то что говорить про далекие экзопланеты. Чаще всего мы знаем о них только массу, радиус и все. Поэтому неудивительно, что, когда мы сталкиваемся с большим многообразием экзопланет, естественным образом возникает огромное количество гипотез о том, как они могут выглядеть и из чего состоять. Но, к сожалению, какие-либо новые конкретные данные по экзопланетам пока ограничены.

PLAnetary Transits and Oscillations of stars (PLATO) – планируемый Европейским космическим агентством космический телескоп, который при помощи группы фотометров будет обнаруживать и характеризовать экзопланеты всех типов и размеров в системах желтых и оранжевых карликов, подобных нашему Солнцу. Телескоп планируется запустить в 2017 или 2018 году. Он будет иметь гораздо большее поле зрения, чем Kepler (поле зрения которого составляет 100 квадратных градусов), что позволит изучать более широкую выборку звезд.

– Что известно о спутниках экзопланет?

– Ничего. Открывать их достаточно трудно. Считается, что телескопы следующего поколения, такие как «Джеймс Уэбб», смогут это делать, причем разными методами. Так, «Уэбб» сможет увидеть спутники, если они достаточно горячие. PLATO сможет обнаруживать спутники таким же образом, каким планеты открывал Kepler – по транзитам, по прохождению по диску. Поэтому ему будут доступны только большие спутники, вроде нашей Луны или галилеевых спутников Юпитера. В преддверии этого пока существует множество дискуссий, есть много интересных идей и ожидание данных.

Источник