Но если из черной дыры ничто не может вырваться, то в таком случае как же она может излучать? Получается парадоксальная ситуация. Но, оказывается, излучает не сама черная дыра, а лишь то вещество, которое на нее падает. Именно по его излучению и определяется наличие черной дыры.
Обладая мощным тяготением, черная дыра забирает у своего компаньона часть вещества, которое устремляется к ней по спирали. И чем это вещество ближе к черной дыре, тем сильнее оно разогревается. В конце концов в какой-то момент оно начинает излучать в рентгеновском диапазоне, что и фиксируют земные наблюдатели.
«Память» черных дыр
В отношении черных дыр долгое время в научных кругах преобладало мнение, что эти, наверное, самые загадочные, объекты во Вселенной ничем друг от друга не отличаются, то есть говоря человеческим языком, все они на одно лицо.
Однако исследования, проведенные в начале третьего тысячелетия американскими учеными, это устоявшееся представление о черных дырах полностью опровергли. Оказалось, они почти так же уникальны, как люди. Более того, их можно не только различить, но также выяснить их долгую «биографию», то есть то, что происходило с ними в далеком прошлом. Конечно, лишь теоретически.
Такие любопытные данные о черных дырах получила группа американских астрофизиков, возглавляемая профессором Самиром Матуром. Эти исследователи разработали новую теорию строения черных дыр, которая, как считают ученые, позволит разрешить давнюю проблему физики: так называемый информационный парадокс.
Суть же этого парадокса состоит в следующем. В соответствии с общепринятой моделью черной дыры, причем абсолютно неважно, из чего она была построена и в какой пропорции — из протонов или электронов, из газа, планет или звезд, — колоссальная гравитация превращает весь этот материал в абсолютно однородную структуру.
Из этого в свою очередь следовало, что внутренняя структура всех черных дыр практически одинакова. Отличаются же они друг от друга лишь своими гигантскими массами и диаметром горизонта событий, в пределах которого вырваться из смерча черной дыры ничто уже не в состоянии.
Профессор Самир Матур доказал, что черные дыры не обезличены, а уникальны и неповторимы
Ранее в соответствии с расчетами знаменитого физика Стивена Хокинга, получалось, что оказавшаяся в черной дыре частица никакого влияния на нее не оказывает. Единственное, что она может сделать, — увеличить массу этого космического монстра.
Но в этой теории ученые обнаружили один существенный недостаток: она противоречила одному из законов квантовой механики — закону обратимости, который гласит, что теоретические вычисления должны объяснить не только процесс, связанный с образованием черной дыры, но и вернуться к тем первоначальным условиям, которые этот механизм образования «включили».
Это значило, что если принять за основу построения Хокинга, из которых следовало, что все черные дыры одинаковы, то даже теоретически нельзя было проследить «историю» хотя бы одной из них к ее уникальному началу. То есть любая информация о частицах, которые создали черную дыру, терялась в ней навсегда.
Именно в таком положении вещей Матур однажды усомнился. И, чтобы опровергнуть эту концепцию, он воспользовался широко известной в настоящее время теорией струн, которая предполагает, что все фундаментальные частицы состоят из объектов, именуемых струнами.
В соответствии с существующими теоретическими построениями струны могут вести себя самым разным образом: они могут переплетаться, свиваться в кольца, формировать спирали. Мы же в нашем масштабе воспринимаем эти комбинации струн как частицы, составляющие мир.
Так вот, Матур попытался вычислить, как будут вести себя струны, объединенные в очень массивный и протяженный объект, своего рода гигантскую «элементарную частицу». Чтобы решить эту грандиозную задачу, физик потратил несколько лет. Причем работал он над ней не сам, а в группе с несколькими учеными из разных стран.
В ходе этого исследования было установлено, что струны могут образовывать довольно сложную упругую и эластичную структуру гигантской протяженности. При этом, постепенно увеличивая массу вещества в своей теоретической структуре, Матур в конце концов «создал» черную дыру. И что самое любопытное в модели Матура, по диаметру теоретическая «черная дыра» в точности соответствовала поперечнику горизонта событий для черной дыры той же массы, но рассчитанной по классической модели.
Новую структуру черной дыры ученые назвали «Пушистый клубок». При этом, как показали дальнейшие расчеты, в разных черных дырах этот клубок может иметь самые разнообразные формы: как цветы на лугу или листья на дереве. Таким образом, профессор Матур доказал, что черные дыры не обезличены, а на самом деле уникальны и неповторимы. Отсюда и разрешение «информационного парадокса», который, кстати, в 2000 году под номером восемь был включен в десятку основных проблем физики третьего тысячелетия.
Итак, в черных дырах ничего не исчезает бесследно, и в запутанном переплетении струн остается информация о частицах, породивших эту загадочную структуру Вселенной.
«Туннели» в неведомое
Черные дыры, как и обычные звезды, отличаются большим разнообразием, особенно по своим размерам. Поэтому астрономы делят их на три типа.
К первому из них относят черные дыры, масса которых равна примерно 10 массам Солнца. Они формируются из массивных звезд, когда в тех прекращаются термоядерные реакции.
Второй тип представлен сверхмассивными черными дырами в центрах галактик: их массы — от миллиона до миллиардов солнечных. Они, как правило, расположены в центрах галактик — звездных островов Вселенной.
Кроме того, эти монстры обладают невероятным аппетитом. Постоянно увеличивая свою массу, они уже «съели» все окружающее их вещество, масса которого равняется миллионам Солнц. Но тем не менее продолжают активно «поглощать» ближайшее окружение, увеличивая тем самым свои «габариты».
В постоянное меню черной дыры входят: газ, пыль, планеты и звезды, но иногда они лакомятся даже своими ближайшими одственниками — компактными массивными объектами типа черных дыр звездной массы. Не брезгуют они и нейтронными звездами, и белыми карликами, случайно оказавшимися в их поле тяготения. Именно эти объекты громче всех «кричат» в рентгеновском и гамма диапазонах, когда черная дыра вкушает их.
Черная дыра в Млечном Пути
И, наконец, к третьему типу относятся первичные черные дыры, которые появились в начале эволюции Вселенной. Их можно считать карликами среди черных дыр, поскольку их массы сравнимы с весом крупных астероидов.
Странный мир черной дыры
Выяснив, как появляется черная дыра, астрофизики пытаются также заглянуть и вовнутрь этого космического монстра. И кое-какую информацию им удалось получить. Конечно же, с помощью теоретических моделей.
Так, исследователи выяснили, что черная дыра представляет собой огромную круглую воронку, а также, что черные дыры излучают акустические волны, напоминающие монотонное жужжание.
Кроме того, в своих моделях физики попытались оценить происходящее внутри черной дыры глазами человека, оказавшегося в этой воронке. И первое, что увидел бы такой условный человек, это огромное количество звезд, проваливающихся в эту пучину. Многие из них, сталкиваясь друг с другом, крушились бы и распадались на фрагменты.
Он смог бы также заметить, как из краев темной воронки появляются блики света, и над ее склоном переливаются яркие, искристые фонтаны. Этот, окаймляющий воронку, диск называется аккреционным. Он вращается с огромной скоростью: около 18 миллионов километров в час. Состоит этот диск из газа и пыли, которые, скатываясь по «спирали смерти», падают в черную дыру.
Сама же черная дыра напоминает гигантскую динамо-машину, вокруг которой появляется мощное магнитное поле. Когда напряжение достигает некой критической величины, черная дыра «разряжается». И тогда из нее, словно брызги из кипящего котла, вырываются струи газа и пыли, называемые джетами. Они уносятся вдаль почти со скоростью света. При этом нередко простираются на миллион световых лет и пылают, как сотни миллиардов солнц.
Итак, все, что движется медленнее частиц света, рано или поздно нырнет во мрак и навсегда исчезнет в ненасытной пасти черной дыры. И только лучи света будут постоянно и монотонно кружить по краю диска, по одной и той же линии, никуда не смещаясь.
При погружении внутрь черной дыры под влиянием возрастающей силы гравитации время начинает течь все медленнее и медленнее.
