Сергей Попов — астрофизик, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник ГАИШ МГУ, посвятивший свои исследования физике компактных объектов. В интервью он рассказал, что нам известно о черных дырах, и о различных подходах к их изучению.


— Когда в астрофизике возникает проблема изучения черных дыр?

— Тема возникала в некоем смысле два раза. В конце XVIII — начале XIX века Митчелл и Лаплас предположили, что могут быть тела настолько массивные и компактные, что даже свет не может улететь с их поверхности. Скорость света к тому моменту была хорошо известна. Все помнят простую формулу из школьной физики про вторую космическую скорость: чтобы запустить спутник, нужно сообщить объекту большую скорость. Но можно так сжать тело или при данном размере сделать его таким массивным, что даже свет со скоростью 300 тысяч км/с не сможет улететь. Черными дырами эти специфические тела никто тогда не называл.

— Что представляет собой черная дыра в данном подходе?

— Это может быть тело типа планеты или звезды. Оно может быть и очень маленьким, просто комбинация массы и радиуса у тела будет такая, что свет не сможет улететь. То есть это тело с очень высокой плотностью.

Но по-настоящему черные дыры, как мы их сейчас себе представляем, появились с созданием общей теории относительности. Теперь это уже не тело, а область пространства. Согласно общей теории относительности и всем геометрическим теориям гравитации массивные тела меняют геометрию пространства и времени вокруг себя. Можно так много вещества или энергии положить в данное место, что область пространства «окуклится»: не будет путей, ведущих наружу. У такого тела не будет поверхности, но будет горизонт, некая граница, отделяющая недра черной дыры от всего остального.

— Описанный второй подход дополняет первый или отменяет?

— Я бы сказал: настолько дополняет, что отменяет. Произошел классический переход количества в качество. Мы, с одной стороны, можем говорить о том, что в теории относительности идеи, которые были в ньютоновских теориях, развиваются. С другой стороны, появляются качественно новые моменты, и черные дыры — это один из таких примеров. Все завязано на геометрию пространства и времени.

— В рамках каких дисциплин изучают черные дыры?

— Можно говорить о двух совершенно разных подходах к обсуждению черных дыр. Один подход — физический. В теоретической физике подход к изучению черных дыр связан с теориями гравитации. Стоит отметить, что общая теория относительности — это лучшая на сегодняшний день теория гравитации, которая прошла все мыслимые существующие тесты. Однако, все понимают, что в какой-то момент придется двигаться дальше, и есть специально обученные люди, которые профессионально должны придумывать новые теории гравитации, что они и пытаются делать. Просто пока ничего лучше у них не получилось. Исследователи могут посчитать, что мы будем видеть, падая в черную дыру, вращаясь вокруг нее.

Другой подход — астрофизический. Астрономия — наука специфическая. Это единственная дисциплина, которая не может экспериментировать с объектами своих исследований, а только наблюдать за ними. На черные дыры мы смотрим издалека. Поскольку черная дыра — это очень специфический объект, изнутри наружу ничего не попадает, то в астрофизике мы всегда наблюдаем процессы, происходящие в окрестностях черных дыр. Это принципиально иная ситуация по сравнению с расчетами теоретиков. Обычное вещество достаточно хорошо видно, если оно не подошло слишком близко к горизонту. Поэтому для астрофизиков черная дыра и объект, очень похожий на черную дыру, оказываются чаще всего неотличимыми.

— Обнаружены ли черные дыры как объекты? Существует ли общепринятая точка зрения по данному вопросу?

— Ситуация непростая. С одной стороны, будем оперировать фактами, нет Нобелевской премии, врученной за открытие черных дыр. Она есть за нейтронные звезды, за двойные нейтронные звезды. За черные дыры, которые с точки зрения публики уж точно более интересный объект, нет. Это означает, что нет окончательного доказательства, есть последнее сомнение. С другой стороны, есть огромное количество кандидатов в черные дыры. Что это за объекты? Это объекты, поведение и свойства которых мы не можем объяснить другим способом, не привлекая какую-то фантастическую теорию, в которую, кроме ее создателя, никто не верит и которая может плохо укладываться в существующую, местами очень хорошо проверенную научную картину мира.

О каких объектах идет речь? Например, черные дыры — это, как мы думаем, естественная финальная стадия эволюции очень массивных звезд. Звезда живет, превращает водород в гелий, гелий в углерод, азот, кислород и так далее. Если звезда достаточно тяжелая, то доходит до элементов группы железа, образуется ядро и дальше реакции не идут. Гравитации, стремящейся сжать ядро, ничто не противодействует. Ядро начинает сжиматься. Может образоваться нейтронная звезда — объект такой высокой плотности, что дальнейшее схлопывание запрещено квантовыми законами. Но в какой-то момент этот барьер тоже падает, гравитация побеждает. Мы можем рассчитать, каков абсолютный предел для вещества, которое еще будет удерживаться от коллапса. Если говорить простым языком, то чем плотнее вещество, тем больше там скорость звука. Это понятно интуитивно. Если скорость звука станет больше, чем скорость света, это плохо, так быть не должно. Это один из абсолютных пределов, и дальше все должно куда-то схлопнуться. Это «куда-то» в разумной физике не может быть ничем иным, кроме черных дыр.

— Какие еще существуют способы изучения черных дыр?

— Можно пытаться исследовать очень похожие на черные дыры объекты. Самый известный способ, наверное, с помощью двойных звезд.

Две звезды вращаются вокруг общего центра массы. Они, как правило, образовались из одного облака. Грубо говоря, если бы Юпитер был в 80 раз тяжелее, то у Солнца была бы рядом вторая звезда и была бы система из двух звезд. В такой системе можно определить массу каждой звезды. Если мы видим в подобной системе темный объект, который ничего не излучает, но масса у него больше, чем тот предел, где скорость света равна скорости звука, то нам ничего не остается, как сказать, что это черная дыра: объект слишком плотный, компактный, темный.

Природа может дать еще одну хорошую возможность. Если мы возьмем предмет, бросим в черную дыру, он по определению уйдет под горизонт со скоростью света. Это может произойти без особого всплеска, и мы ничего не увидим. Но если мы бросаем один предмет, бросаем второй так, чтобы они столкнулись над горизонтом, то мы сталкиваем два объекта, которые двигаются почти со скоростью света, и выделяется колоссальное количество энергии. В природе это реализуется в тех же самых двойных звездах. Газ со звезды может течь в сторону черной дыры, закручиваться в диск, нагреваться в этом диске трением до нескольких миллионов градусов. Появляются очень яркие источники. Самые известные кандидаты в черные дыры — как раз объекты в двойных системах. Похожая вещь реализуется в активных ядрах галактик или в квазарах, блазарах. Черные дыры там уже очень тяжелые, могут иметь массы миллионы, миллиарды масс Солнца. Самая тяжелая черная дыра из известных на сегодняшний день имеет массу чуть больше 10 миллиардов солнечных масс. Ситуация очень похожая, но масштабы больше, поэтому энергии выделяется больше, появляются объекты, которые мы видим с другого конца Вселенной.

— Но при этом ты говоришь, что это кандидаты в черные дыры. Что мешает получить наконец Нобелевскую премию, сказав, что вот они — черные дыры?

— Мешает то, что мы видим процессы над горизонтом. Отличительная черта черной дыры — это наличие горизонта. Продемонстрировать наличие горизонта фантастически сложно. Если мы кидаем какой-то предмет в черную дыру, он упадет в нее. Но если мы наблюдаем издали — а мы не хотим подлетать очень близко, чтобы не оказаться внутри черной дыры, — то мы будем видеть, что предмет падает все медленнее, медленнее, медленнее и застывает над горизонтом. Так устроена природа, время по-другому течет в сильной гравитации. Что-то узнать о черной дыре действительно можно, только прыгнув в нее. Как в известном анекдоте про мафию: пока снаружи, вы особенно ничего не знаете, а если вы что-то знаете, значит, вы уже внутри. С черной дырой примерно так же, поэтому остаются вопросы.

Есть еще забавный способ что-то узнать о черных дырах — наблюдать эффект гравитационного линзирования. Представьте, что мы смотрим на далекую звезду. Если точно между нами и этой звездой пролетит массивное тело, оно исказит пространство и соберет больше световых лучей, то есть сработает как собирающая линза, и мы увидим, что блеск звезды увеличился. Дальше мы можем задаться вопросом: что же является линзой? Можем оценить массу линзы. Если окажется, что масса линзы три-шесть масс Солнца, а никакого яркого объекта не видно, то лучший кандидат — черная дыра. Есть несколько хороших событий линзирования, которые, очевидно, вызваны черными дырами.

— А когда станет возможным проводить эксперименты внутри дыры?

— Черные дыры — очень далекие объекты. Мы не знаем близких черных дыр, но если мы прикинем, где они должны находиться, то окажется, что они дальше, чем ближайшие звезды. Так что скорее спутник полетит к ближайшим звездам, чем к черным дырам. И вряд ли при нашей жизни.

— Многих в какой-то момент напугала история, связанная с обсуждением открытия хиггсовского бозона коллайдерами. Писали, что сейчас откроется черная дыра и всех засосет.

— Самое главное в данном вопросе — успокоить людей, что это все по определению достаточно безопасно. Большой адронный коллайдер имеет большую энергию частицы по сравнению с той, что мы можем делать на ускорителях. Но в космосе летают частицы с гораздо большей энергией, в миллионы миллиардов раз больше. Если бы при взаимодействии этих частиц с чем-то образовывались все засасывающие черные дыры, то не было бы в космосе таких объектов, как белые карлики. Они бы просто все оказались поглощенными черными дырами. Поскольку этого не произошло за 13 миллиардов лет, что Вселенная живет, то можно не беспокоиться и по поводу экспериментов на коллайдере. Крэш-тест природа проводила все 13 миллиардов лет, и он показал, что ничего опасного не происходит.

— Какая разница между микрочерными и черными дырами?

— Микрочерные дыры необходимо как-то получить, сейчас они вряд ли образуются в природе. Не факт, что они образуются в процессах с элементарными частицами, но черные дыры могли образовываться в очень молодой Вселенной и могли иметь всякие массы — и большие, и маленькие. Маленькие черные дыры сейчас активно испаряются. Астрономы пытаются найти вспышки, которые могли бы свидетельствовать об испарении этих первичных черных дыр. Но пока они не обнаружены.

— Существует мнение, что черные дыры — пожиратели галактик или планет.

— Вспомним очень простой факт: Земля вращается вокруг Солнца и на Солнце не падает. Если мы Солнце заменим черной дырой с такой же массой, то Земля также не будет падать на черную дыру. Черные дыры ничего не всасывают, нет никакого специального «чернодырного» действия по всасыванию, это не пылесосы. Черные дыры притягивают точно так же, как все остальные тела. Поэтому если у черной дыры есть звезда-спутник, то она просто крутится вокруг нее. Черная дыра есть в центре нашей галактики, вокруг вращаются звезды, и они не падают на нее потому, что у них есть угловой момент. Поэтому черные дыры не смогут, летая по Вселенной, все поглотить, или это заняло бы бесконечное время, потому что пролететь необходимо очень близко. Как если у вас дома есть старый, плохо работающий пылесос, который нужно поднести очень близко. Черная дыра, если хотите, очень плохой пылесос и работает чуть-чуть по-другому.

Материал подготовлен на основе радиопередачи «ПостНаука» на радио Русская Служба Новостей.

Беседовал Ивар Максутов
ПостНаука