Загадки Космоса – чёрная дыра Гаргантюа. Жуткая красота: сверхмассивные чёрные дыры

В фильме радиус кротовой норы - 1 километр, длина желоба - 10 метров, радиус линзирования на 50 метров больше норы.

Кротовая нора нестабильна и очень хочет закрыться и превратиться в две чёрные дыры.

Чем длиннее кротовая нора, тем больше в ней будет видно размазанных копий объектов за норой, потому что у света больше путей попадания в глаз (под разным углом можно зайти в нору и выйти в одну точку).

Чтобы держать кротовую нору открытой, нужно очень много экзотического вещества с отрицательной массой, чтобы оно выталкивало из норы всё на противоположной стороне. Такое вещество, теоретически, может существовать, но найти его в достаточном количестве, чтобы держать нору - нереально.

Но есть второй вариант удержания кротовых нор: нужно использовать гравитационные силы из пятого измерения. Если четырёхмерный объект пронзает наше трёхмерное пространство, он создаёт в нём очень странные силы, которые ни на что не похожи. Вот их и использовать для удержания кротовой норы.

Гаргантюа снаружи

Такой массы достаточно, чтобы приливные силы на планете Миллер не разорвали её пополам.

Эндюранс припаркован на расстоянии 10 АЕ , и движется по орбите на скорости c/3 (100 000 км/с), в противоположном вращению Гаргантюа направлении.

Изображение дыры:

• Гаргантюа приплюснута слева, потому что она вращается слева направо (относительно камеры) и у света, двигающегося в направлении вращения, больше шансов не быть засосанным за горизонт событий.
• У каждой звезды за чёрной дырой есть два изображения на картинке: обычное, которое далеко от дыры, дано светом, немного согнутым гравитацией. И второе, внутри сферы Эйнштейна , такой сферы, которая всё очень сильно преломляет, потому что близко к дыре. Там ещё несколько особенностей, связанных с вращением дыры, но я это с трудом объясню, потому что оптика не лучшая моя сторона.

Чтобы аккреционный диск не зажарил всех заживо всеми возможными лучами, его сделал температурой всего пару тысяч градусов, как Солнце, он излучает свет и совсем чуть-чуть гамма и рентгеновских лучей. Именно из-за слабости диска из Гаргантюа не вырываются плазменные пучки из южного и северного полюсов, как из квазара. Такое возможно, если дыра не «кушала» другие планеты в течение долгого времени.

То, что на картинках светится - это и есть аккреционный газовый диск .
А выглядит он как хрен пойми что, потому что, благодаря гравитационному линзированию , над и под чёрной дырой виден кусок диска за этой самой дырой.

Очень близко к горизонту событий Гаргантюа есть две критические орбиты, образованные равновесием силы гравитации и центробежной силы.
По одной из них движется планета Манна, по другой - Эндюранс в конце фильма.

Пятимерное пространство

Если пятое (а также шестое, седьмое и тд) измерения существуют, то они должны быть свёрнуты в трубочку или сжиматься очень быстро, иначе гравитация из наших трёх измерений будет распространяться по другим, не 1/r^2, законам.

Пространство в Интерстелларе состоит из трёх трёхмерных бран в четырёхмерном пространстве анти-де Ситтера . Над и под нашей браной находятся ограничивающие браны, они нужны для того, чтобы гиперпространство искривлялось между слоями и не нарушались человеческие законы распространения сил, в частности гравитации. Так, в общем, можно сделать пятой измерение развёрнутым, а не скрученным в трубочку.

Гиперпространство искривляется между этими бранами и расстояние, измеренное в верхней или нижней бране будет очень сильно короче, чем в нашей бране Расстояние между этими бранами должно быть 1,5 сантиметров - этого достаточно для того, чтобы расстояние по верхней бране между Землёй и Гаргантюа было равно 1АЕ, и в нашей бране соблюдались законы Ньютона о гравитации.

Чтобы приземлиться на планету Миллер, которая вращается со скоростью 0,55 c, надо сделать два гравитационных манёвра: сперва остановить вращение Рейнджера полностью, чтобы дыра притянула корабль, а перед планетой Миллер сбросить ещё c/4 скорости и приземлиться.

Как это сделать? Это не показывается в фильме , но Кип предполагает, что вокруг Гаргантюа должны вращаться ещё как минимум две маленькие чёрные дыры, размером с Землю. Только попав в гравитацию таких дыр, можно так сильно сбросить скорость и не убить команду корабля. При этом в фильме Купер говорит, что ему нужно сделать менёвр вокруг нейронной звезды, а не чёрной дыры (я, честно, не помню этой фразы).

Волны на планете Миллер вызваны «покачиванием» планеты туда-сюда, относительно оси, перпендикулярной Гаргантюа. Типа, цунами.

Планета Миллер должна располагаться между аккреционным диском и Гаргантюа. Но Нолан решил не палить концовку, и поставил планету сами знаете как. Греется планета от аккреционного диска.

Планета Манна движется по очень закорюченной орбите со скоростью c/20 .

Чтобы достичь планеты Манна, Купер должен был совершить два гравитационных манёвра: вокруг малой чёрной дыры, вращающейся вокруг Гаргантюа, после этого на скорости c/2 подлететь к планете Манна, и сделав пару витков вокруг неё, снизить скорость до c/20

Облака на планете Манна сделаны из диоксида углерода «сухого льда». На поверхности - обычный лёд. Когда планета Манна подлетает ближе к Гаргантюа и её диску, диоксид углерода испаряется - получаются облака.

Подлетая к чёрной дыре

Как Купер поднял падающий Эндюранс? Вытащил его достаточно высоко, чтобы притяжение Гаргантюа притянуло его и Купера на критическую орбиту. Не забывайте, что когда Эндюранс падает на планету Манна, планета находится очень близко к Гаргантюа.

Критическая орбита, по которой Купер проводит корабль вокруг Гаргантюа - это поле, в котором центробежная сила, которая выталкивает корабль с орбиты и сила гравитации, которая тянет корабль внутрь дыры, совпадают. На этой орбите можно вечно крутиться вокруг Гаргантюа, но с одним условием: нельзя сдвигаться с орбиты ни на шаг, так как корабль либо отбросит от Гаргантюа, либо он упадёт в чёрную дыру. Эта орбита нестабильна. Стоит сказать, что орбита планеты Миллер точно такая же, но стабильная, с неё сложно слезть.

На вопрос Что находится в центре "Млечного Пути"? Черная дыра или Огромная звезда? заданный автором Kuli4 проводников лучший ответ это Черная дыра. Впрочем, есть гипотеза, что даже двойная черная дыра.

Ответ от Пользователь удален [гуру]
Для внешнего наблюдателя сжатие звезды в чёрную дыру никогда не заканчивается, поэтому абсолютно точно сказать нельзя. Но косвенные данные - очень большая масса и очень маленький размер ссылка говорят о том, что это, скорее всего, чёрная дыра.
Изображение, размером 400 на 900 световых лет, составленное из нескольких фотографий телескопа «Чандра» , с сотнями белых карликов, нейтронных звёзд и чёрных дыр, в облаках газа, раскалённого до миллионов градусов. Внутри яркого пятна в центре изображения находится сверхмассивная чёрная дыра галактического центра (радиоисточник Стрелец A*). Цвета на снимке соответствуют рентгеновским энергетическим диапазонам: красный (низкая) , зелёный (средняя) и синий (высокая).
Галактический центр находится на расстоянии 8,5 кпк от Солнечной системы, в направлении созвездия Стрельца. В галактической плоскости сосредоточено большое количество межзвёздной пыли, благодаря которой свет, идущий от галактического центра, ослабляется на 30 звёздных величин, то есть в 1012 раз. Поэтому центр невидим в оптическом диапазоне - невооружённым глазом и при помощи оптических телескопов. Галактический центр наблюдается в радиодиапазоне, а также в диапазонах инфракрасных, рентгеновских и гамма-лучей.
16 октября 2002 международная исследовательская группа Института Макса Планка в главе с Райнером Шёделем сообщила о наблюдениях движения звезды S2 вокруг объекта Стрелец A* за десять лет. Наблюдения доказывали, что Стрелец A* - объект огромной массы. По анализу элементов орбиты было определено, что масса объекта составляет 2,6 ± 0,2 миллионов масс Солнца, эта масса заключена в объёме не более 17 световых часов (120 а. е.) в диаметре. Последующие наблюдения установили более точное значение массы - 3,7 миллионов масс Солнца, а радиус не более 6,25 световых часов (45 а. е.). Для сравнения: орбита Плутона отстоит от Солнца на 5,51 световых часов.
Эти наблюдения позволили предположить, что объект Стрелец A* связан с чёрной дырой.
В ноябре 2004 была открыта чёрная дыра средней массы, которая двигалась по орбите на расстоянии трёх световых лет вокруг объекта Стрелец A*. Масса этой чёрной дыры составляет 1300 масс Солнца, кластер из семи звёзд, возможно, остаток прежнего массивного звёздного кластера. Это открытие позволяет сделать вывод о том, что сверхмассивные чёрные дыры растут, поглощая окрестные малые чёрные дыры и звёзды.
В декабре 2008 исследователи из Института внеземной физики Макса Планка опубликовали уточнённые данные о массе предполагаемой сверхмассивной чёрной дыры по результатам наблюдений за 16 лет. Она составила 4,31 ± 0,06 миллионов масс Солнца. Рейнхард Генцель (нем. Reinhard Genzel), руководитель группы, отметил, что это исследование является лучшим опытным свидетельством существования сверхмассивных чёрных дыр.

Ответ от Отросток [гуру]
Я читал, что черная дыра...

Ответ от Просовывать [гуру]
В центре находится квазар-сверхмассивная чёрная дыра.

Ответ от Невролог [гуру]
По нонешним представлениям в центре галактики находится чёрная дыра массой примерно 4 300 000 масс Солнца. Было это установлено при помощи инфракрасных интерферометров, которым удалось засечь в непосредственной близости от центра галактики звёзды, вращающиеся вокруг свермассивного невидимого объекта. По траекториям движения звёзд удалось достаточно точно вычислить массу объекта и верхний предел его размеров (по мамксимальному приближению звёзд к тяготеющему центру). По всем расчётам это чёрная дыра, потому что скопление обычных объектов малой светимости в таком малом пространстве невозможно, под действием гравитации они неизбежно слились бы в один объект.
В гарвардской базе данных статей по астрономии и астрофизике () статьи на эту тему исчисляются сотнями. Вот, например:
Gillessen, S.; Eisenhauer, F.; Trippe, S.; Alexander, T.; Genzel, R.; Martins, F.; Ott, T. Monitoring Stellar Orbits Around the Massive Black Hole in the Galactic Center // The Astrophysical Journal. - 2009. - Vol. 692. - С. 1075-1109.

Ответ от Ўрец [гуру]
В центре нашей галактики две чёрные дыры разных размеров. Вторая чёрная дыра вызвана поглащением Млечным Путём более мелкой галактики в прошлом.

Ответ от Боб блинский [гуру]
Исследование квазаров и активных галактик на окраинах Вселенной позволили астрономам выдвинуть гипотезу, что большинство галактик содержат в центрах массивные черные дыры. Звезды, движущиеся по спиралям, и мощное переменное радиоизлучение предполагают наличие даже в центре нашей Галактики, т. е. на расстоянии около 30 тысяч световых лет, похожего удивительного объекта Если массивная черная дыра действительно скрывается там, то центр Галактики должен быть источником рентгеновских лучей, которые ранее не были открыты. Теперь же отсутствующие ранее рентгеновские лучи были обнаружены! Благодаря высокочувствительной обсерватории Чандра

Ответ от Александр [гуру]
собственно говоря, чёрная дыра - тоже звезда.

Ответ от Алексашка [гуру]
Вся Галактика Млечный Путь вращается вокруг собственной оси, из-за чего возникают спирали и рукава, в которых скапливается звездная пыль, из которой под воздействием гравитации постепенно формируются звезды, планеты, астероиды и прочие тела. Наша Солнечная система находится в одном из самых отдаленных рукавов галактики.
По теории астрофизики, вращение всех тел обусловлено взаимной гравитацией. Все небесные тела нашей галактики вращаются вокруг какого-то сверх-тяжелого объекта (элемента). Вероятно, даже Черная дыра (двойная, тройная или иная) неспособна вызвать вращение вокруг себя всех небесных тел нашей галактики, на которые влияет данная гравитация. Ученые до сих пор не могут этого объяснить.
Есть масса разных теорий и предположений, в основе которых лежит сверхтяжелый элемент, который притягивает к себе всю остальную материю, ибо даже черная дыра вращается не только вокруг своей оси, притягивая всю остальную материю по нисходящей к ней спирали, но так же она вращается вместе со всеми телами нашей Галактики, приближаясь к центу Галактики в силу взаимного притяжения. Ибо чем больше тел приближается к центру, тем больше возрастает гравитация, тем сильнее ускоряется вращение тел и их стремление к точке сосредоточения.
Следовательно, Черная дыра или их скопление не может являться центром галактики.
Другие галактики Вселенной также вращаются относительно друг друга, и так же по спирали, постепенно либо притягиваясь, либо отталкиваясь друг от друга. В каждой галактике существуют свои черные дыры, которые влияют на перемещение объектов, близких к ним.
Но ВСЕ стремится либо ВНУТРЬ вселенной (по одной теории) , либо от НЕЕ (Теория Большого взрыва).
Более точные данные наша наука дать пока не в силах.

Часть из показанного в фильме - чистая правда, другая часть основана на научных предположениях, а еще часть - чистой воды спекуляция.

Фильм Кристофера Нолана «Интерстеллар» многие называют самым научным в современной кинофантастике, но и претензии ему предъявляют по всей строгости. Споры о достоинствах и недостатках этой картины заставляют людей зарываться с головой в учебники физики. Попробуем и мы разобраться, как «Интерстеллар» стал таким, каков он есть, и что в нём строго научно, а что - не совсем.

ОСТОРОЖНО! СПОЙЛЕРЫ!

Видеоверсия этой статьи.

Человек, придумавший «Интерстеллар»

Имя известного физика Кипа Торна всплывает в каждом споре о научности картины Нолана. Учёный сыграл в создании фильма огромную роль. Торн не ограничивался ролью научного консультанта - по сути, именно он придумал «Интерстеллар».

Досье: Стивен Кип Торн

Специалист в области теории гравитации, астрофизики и квантовой теории измерений. Более пятнадцати лет был профессором Калифорнийского технологического института (Калтех). Один из главных мировых экспертов по общей теории относительности. Популяризатор науки. Близкий друг и коллега Стивена Хокинга.

Лет тридцать назад знаменитый Стивен Хокинг устроил своему другу, молодому физику и одинокому отцу Кипу Торну свидание вслепую с Линдой Обст, редактором раздела науки журнала The New-York Times Magazine и начинающим телепродюсером. Романа у парочки так и не вышло, зато образовалась крепкая дружба. Лет десять назад Линда и Кип загорелись идеей создать фильм, основанный на достижениях и знаниях современной науки. Они написали восьмистраничный набросок, где фигурировали, помимо прочего, целых шесть кротовых нор, пять черных дыр и загадочная раса инопланетян, живущих в «балке» - пространстве, имеющем минимум пять измерений. Одним из героев должен был стать Стивен Хокинг, который лично отправлялся в космос.

Предлагая свою идею киностудии, Торн поставил условие: все сюжетные ходы в фильме должны быть научно достоверны или хотя бы основаны на допустимых теориях и спекуляциях.

Идеей заинтересовалась студия Paramount, а в режиссерское кресло уселся сам Стивен Спилберг. Сценарий поручили младшему брату Кристофера Нолана Джонатану. Но затем начались трудности: из-за забастовки Гильдии сценаристов Джон прекратил работу над фильмом, затем ему пришлось переключиться на «Темного рыцаря», а Спилберг что-то не поделил с боссами Paramount и покинул проект. Торн пал было духом, но Линда не отчаялась и за пару недель нашла нового режиссера - Кристофера Нолана.

Старший Нолан привнес в «Интерстеллар» немало нового. Крис переписал сценарий, объединив его с собственными идеями, изначально предназначавшимися для совсем другого проекта. Финальный вариант был совсем не похож на изначальный восьмистраничный набросок, но Кип не расстроился, поскольку, с его точки зрения, Нолан почти всегда придерживался озвученного Торном принципа. Торн категорически возразил режиссеру лишь один раз - когда Крис придумал сцену, где герои двигались быстрее света. Кип две недели доказывал, почему это совершенно невозможно, и добился своего.

Вместе с тем Кип понимал, что Крис снимает художественное кино, поэтому то и дело закрывал глаза на мелкие неточности, нужные для усиления драматизма, и следил лишь, чтобы фантазию Нолана не уносило слишком далеко. Получилось ли у него? Давайте разберемся.

Пыльный мир и патогены

Начало «Интерстеллара» разворачивается на Земле будущего, которая выглядит крайне малопривлекательно. Новый патоген уничтожил все сельхозкультуры, кроме кукурузы, возникла угроза голода, правительства распустили армии и научные центры, а простые люди вынуждены становиться фермерами, чтобы прокормить себя. Словно этого мало, жители страдают от регулярных пылевых бурь, превративших большую часть США в «пылевой котел». Хуже того, патоген уничтожает запасы кислорода в воздухе, замещая его азотом, так что те, кто не умрёт от голода, банально задохнутся.

ПРЕТЕНЗИЯ: Постойте! Как один-единственный патоген мог уничтожить всю растительную жизнь? Как правило, подобные вещи влияют только на определенные виды растений, полностью выкашивая их популяцию. Те же заболевания, которые затрагивают сразу несколько видов, как правило, не настолько сильны.

История Земли знает примеры массовых вымираний, когда из-за резко изменившихся условий погибала большая часть живых существ. Так произошло, когда возникли цианобактерии, выделявшие кислород, который в те времена был настоящим ядом для большинства видов. Сейчас вполне может развиться похожий микроорганизм, который, например, будет выделять в атмосферу азот.

Есть и другой возможный сценарий: появление нового заболевания, которое поражает те основные разновидности растений, от которых мы зависим больше всего. Биологи не исключают такую возможность, хотя и находят ее крайне маловероятной.

КОНТРАРГУМЕНТ: Но зачем в такой ситуации сокращать расходы на науку? Их, наоборот, надо увеличивать, чтобы биологи вывели новые растительные культуры, обладающие иммунитетом к вирусу, изобрели прививку, противоядие или другой способ борьбы с напастью. Ведь именно так сейчас мы боремся с любой болезнью, имеющей даже малейший шанс вызвать пандемию. Помимо прочего, это же гигантский бизнес, где можно заработать огромные деньги. Куда выгоднее, чем выращивать кукурузу в Канзасе.

Возможно, такие попытки были, но потерпели неудачу. Даже сейчас есть болезни, вакцины от которых до сих пор не нашли, хотя разработки ведутся уже лет тридцать. Допустим, поначалу государства действительно тратили на поиски лекарства сотни миллионов, но затем поступления в казну прекратились, бюджеты иссякли, и финансирование пришлось отменить.

КОНТРАРГУМЕНТ: Но кислород-то куда из воздуха денется?

Кислород в атмосфере в основном появляется благодаря фотосинтезу растений. Если новый патоген повлияет именно на этот процесс, кислород перестанет быть возобновляемым ресурсом. Теперь посмотрим, как образуется углекислый газ: либо в процессе дыхания всех живых существ, либо в результате гниения органики, либо в виде промышленных выбросов предприятий и выхлопов автомобилей. Даже если после голода и экономического кризиса сократится население и уменьшатся выбросы в атмосферу, погибающая растительность будет гнить на полях. По некоторым оценкам, в процессе гниения будет поглощено около процента от оставшихся запасов кислорода. На его место придет угарный газ, который затруднит дыхание чувствительным людям и поднимет температуру воздуха градусов на десять. Не смертельно, конечно, но приятного мало.

Впрочем, надо признать, что подобный вариант развития событий маловероятен. Он используется в фильме не как предсказание будущего, а как сюжетный поворот, призванный заставить персонажей отправиться в космос.

Червоточина и «Эндюранс»

Воспользовавшись удачно подвернувшейся кротовой норой, NASA снаряжает межзвездную экспедицию на корабле «Эндюранс» в поисках нового дома для человечества. Хорошо, что возле Сатурна есть нора! Ведь в мире Купера путешествия со скоростью света невозможны, и к звёздам пришлось бы лететь тысячи лет.

ПРЕТЕНЗИЯ: Разве кротовые норы реальны? Неужели физики зарегистрировали хотя бы одну?

Нет, но наука допускает их существование или, по крайней мере, не отрицает его. А что не запрещено… В последнее время не без участия мистера Торна в космологии набирает популярность идея, что пространство - это не бескрайняя пустота, а своего рода материал, который поддается изменению, были бы нужные инструменты.

КОНТРАРГУМЕНТ: Допустим. Но для поддержания норы в рабочем состоянии требуются немалые количества отрицательной или экзотической материи. Да и для открытия норы требуется источник огромной гравитации типа Гаргантюа, а появление подобного в Солнечной системе погрузило бы ее в хаос.

И даже если бы кротовая нора появилась - например, из-за влияния Гаргантюа - то была бы дорогой с одностороннем движением. Для обратного путешествия потребовался бы аналогичный источник гравитации с другой стороны.

Да, само появление норы - это необходимая вольность. В фильме герои предполагали, что кротовая нора была создана существами, живущими в пятимерном пространстве, чтобы указать нам путь к спасению.

КОНТРАРГУМЕНТ: Профессор Бранд говорит, что кротовая нора появилась на орбите Сатурна за пятьдесят лет до событий «Интерстеллара». NASA разогнали за десять лет до начала фильма. То есть на протяжении сорока лет никто ничего не знал о появлении гравитационной аномалии в пределах Солнечной системы? Да толпы приверженцев теории струн выстроились бы очередями в Нобелевский комитет. Это же новость века!

С тех пор прошло полвека, о какой-то норе в космосе все успели забыть - проблем-то хватало. Помнит о ней только один сумасшедший дед, который живет под землей, косит под Кипа Торна и собирает космические корабли на коленке.

ПРЕТЕНЗИЯ: Кстати, о корабле! Зачем ракета-носитель выводила его на орбиту, если ему оказалось под силу взлетать с планет Миллер и Манна?

Во-первых, на орбиту выходил «Эндюранс», а на планеты космонавты садились в «Рейнджере» - челноке, пристыкованном к «Эндюранс». Во-вторых, на пути от Земли до Гаргантюа заправок нет, так что топливо надо экономить.

КОНТАРГУМЕНТ: Кстати, о топливе. На такую дорогу его требуется очень много. Почему ни на одном кадре с «Эндюранс» мы не видим гигантских топливных баков?

А вы уверены, что камера показала все отсеки? Зачем, к примеру, показывать грузовые трюмы, где ничего не происходит? Кроме того, на пути к Сатурну члены экспедиции могли экономить топливо при помощи гравитационных манёвров - разгоняться, замедляться или менять направление полета под действием гравитации небесных тел. Примерно так в конце девяностых годов NASA запускало зонд «Кассини». На его борту было недостаточно топлива, чтобы добраться до Сатурна, но в NASA рассчитали курс так, чтобы «Кассини» прошел по касательной орбит Венеры, Земли и Юпитера. Каждый такой маневр придавал зонду ускорение.

Чтобы добраться от Земли до Сатурна за два года, «Эндюранс» должен преодолевать в среднем 20 километров в секунду. Кип Торн считает, что с помощью маневров и увеличения эффективности ракетного топлива к концу XXI века человечеству будет под силу достичь скорости в 300 километров в секунду. Так что долететь до Сатурна за такое время вполне реально.

КОНТРАРГУМЕНТ: Но как они затормозили на орбите Сатурна и не улетели дальше? Мощи корабельных носовых двигателей тут явно бы не хватило.

Самих по себе, может, и не хватило бы, но с помощью очередных коррекций курса на орбите Сатурна - почему нет? Кроме того, не стоить забывать о кротовой норе, которая вполне могла повлиять на расположение гравитационных полей.

Жизнь на орбите чёрной дыры

Пройдя через кротовую нору, Купер и остальные попадают в конечную точку своего путешествия - планетную систему возле огромной черной дыры Гаргантюа. Это небесное тело - предмет особой гордости как Кипа Торна, так и мастеров по спецэффектам. При изображении дыры использовались вычисления, сделанные Торном специально для фильма. Получившийся результат ошарашил самого Кипа. Он догадывался, как должны в реальности выглядеть черные дыры, но компьютерная анимация превзошла все его ожидания.

ПРЕТЕНЗИЯ: Рядом с Гаргантюа не видно других небесных тел, кроме парочки планет. Откуда планеты Миллер, Эдмундса и Манна черпают тепло и свет?

Из аккреционного диска. Притяжение Гаргантюа так велико, что способно захватить целую звезду. Когда звезда движется прямо на черную дыру, ее судьба плачевна и предсказуема. Если же её орбита пролегает рядом с Гаргантюа, то притяжение черной дыры попросту разрывает небесное тело на части, а большая часть материи, ранее составлявшей тело звезды, попадает на орбиту Гаргантюа и формирует аккреционный диск. Он излучает свет, тепло и радиацию, так что вполне может заменить солнце.

КОНТРАРГУМЕНТ: Выходит, жить на этих планетах нельзя из-за высоких температур и радиации. Как же экипаж «Эндюранс» не поджарился, просто пролетая мимо?

Возможно, с момента, когда последняя звезда попала в гравитационные тиски Гаргантюа, прошло несколько миллионов лет. Тогда газ, составляющий диск, остыл до температуры в несколько тысяч градусов и уже не излучает такой сильной радиации, хотя продолжает давать достаточно света и тепла. Низкой температурой объясняется и блеклость диска.

Гаргантюа - самая достоверная чёрная дыра в истории кино. Но даже она отличается от реальной.

ПРЕТЕНЗИЯ: Откуда там вообще планеты взялись? Разве их не должно было засосать внутрь дыры?

На самом деле наука допускает существование возле гигантских черных дыр зон обычного времени и пространства, даже целых планетных систем, которые вращаются вокруг центральной сингулярости по сложным, но замкнутым орбитам.

ПРЕТЕНЗИЯ: Аккреционный диск выглядит неправдоподобно. Он должен быть несколько сплющенным и несимметричным. Кроме того, модель не учитывает эффект Допплера: один край диска должен отливать красным, другой - синим.

Да, тут Кристофер Нолан специально пошел против истины, чтобы не смущать зрителей. А еще он специально занизил скорость вращения черной дыры. Кроме того, учитывая расстояние от черной дыры до планеты Миллер, Гаргантюа должна занимать половину небосвода, а планета при таком раскладе находилась бы внутри аккреционного диска, так что он в основном был бы виден только с противоположной дыре стороны планеты.

Планеты Миллер и Манна

Первым делом астронавты отправляются на планету Миллер. Время там идёт замедленно - один час на ее поверхности равен семи земным годам.

ПРЕТЕНЗИЯ: Такое возможно только вблизи объектов, обладающих огромной массой, например, на орбите черной дыры. Но нужно находиться совсем рядом с дырой, практически над ее поверхностью. А стабильная орбита вокруг черной дыры должна превышать диаметр Гаргантюа как минимум трижды. Иначе планету Миллер давно бы засосало внутрь. С учетом показанных в фильме кадров время на поверхности планеты должно течь медленнее, чем на Земле, всего процентов на двадцать.

Это верно в отношении невращающихся черных дыр, но с Гаргантюа все обстоит по-другому. Гаргантюа - сверхмассивная вращающаяся черная дыра, что несколько меняет ее воздействие на окружающее пространство. При определенных условиях, скажем, если она будет вращаться очень быстро, а планета Миллер - располагаться достаточно близко к циркулярной орбите Гаргантюа, такое замедление времени возможно.

Правда, у вращающихся черных дыр есть предел скорости вращения, причем максимума они, как правило, не достигают. Чтобы на планете Миллер было такое замедление времени, Гаргантюа должна вращаться лишь чуточку меньше максимума. Это реально, хотя и маловероятно.

КОНТРАРГУМЕНТ: А как быть с приливными волнами? Они возможны, только если разница в гравитационном притяжении черной дыры на разных сторонах планеты очень велика. Но в таком случае планету просто разорвало бы на части!

На самом деле нет. Благодаря гигантским размерам Гаргантюа разница в притяжении черной дыры на разных сторонах планеты Миллер недостаточно велика. Тем не менее силы притяжения должно было хватить для деформирования планеты. Планета Миллер должна была выглядела как эллипсоид, сжатый по бокам и вытянутый в длину. Кроме того, если бы планета вращалась вокруг своей оси, то силы притяжения Гаргантюа действовали бы в нескольких направлениях в зависимости от положения орбит. По фильму же мы видим, что все гигантские волны движутся примерно в одном направлении. Отсюда следует вывод, что планета Миллер всегда повёрнута к черной дыре одной и той же стороной.

Возможно и еще одно объяснение: из-за деформации планеты и притяжения Гаргантюа в определенных районах постоянно проходят землетрясения, вызывающие гигантские цунами.

КОНТРАРГУМЕНТ: Радиация, отсутствие привычного источника света и тепла - планета Миллер не выглядит подходящим местом для жилья. Неужели нужно было лететь на нее в первую очередь и неужели этой части экспедиции нельзя было избежать?

Разумеется, можно было. Планета Миллер никогда бы не стала бы первым кандидатом на место нового дома для человечества, если бы Купер или другие члены экипажа «Эндюранс» догадались использовать по назначению кучу научного оборудования, именно с этой целью доставленного на борт корабля. Информацию о пригодности планеты Миллер для жизни можно было получить прямо с орбиты при помощи телескопов и прочих приборов. Тех самых, которыми Ромили почти четверть века изучал саму чёрную дыру, пока остальные боролись с цунами.

Не спускаясь на планету, можно было бы провести ее изучение с безопасного расстояния, где временной лаг минимальный. Простой спектральный анализ здорово сэкономил бы топливо экспедиции и снизил бы накал страстей на экране. Кристоферу Нолану нужно было это замедление времени, чтобы показать, как растёт пропасть между отцом и дочерью.

В крайнем случае, если NASA так уж хотелось отправить на планету делегацию из мыслящих существ, вполне можно было бы послать в экспедицию экипаж, состоящий из одних роботов. Роботы способны выжить почти в любых условиях (судя по фильму - даже в черной дыре), они менее требовательны, не так капризны и легче переносят одиночество.

ПРЕТЕНЗИЯ: Насколько оправданны маневры Купера, которые он совершил перед посадкой на планете Миллер, чтобы избежать замедления времени и притяжения черной дыры?

Замедления времени он не избежал бы в любом случае - оно возрастает обратно пропорционально расстоянию от черной дыры. Но сэкономить время путем корректировки курса корабля благодаря гравитационному притяжению разных небесных тел еще как можно. В фильме Купер решает избежать притяжения Гаргантюа, разогнавшись до огромной скорости, а затем резко затормозить, попав в зону притяжения нейтронной звезды.

На самом деле подобным образом снизить скорость (и чтобы корабль и пассажиров при резком торможении не разорвало на кусочки) с помощью нейтронной звезды не удалось бы - для этого требуется небольшая черная дыра размером с Землю. Но Нолан был непреклонен насчёт количества черных дыр в фильме: одна, только одна!

***

Перенесемся на планету Манна. Действие разворачивается высоко над поверхностью, в небе которой висят гигантские ледяные облака.

ПРЕТЕНЗИЯ: Как возможно существование подобных облаков? И почему они не падают под собственным весом?

По-видимому, планета Манна вращается вокруг Гаргантюа по крайне сложной орбите и большую часть времени проводит вдали от черной дыры. Почему? Во-первых, до планеты Манна было чуть ли не дольше всего лететь, когда экипаж «Эндюранс» решал, откуда начать. Зато, когда Купер взлетает с планеты, «Рейнджер» оказывается совсем рядом с Гаргантюа. А во-вторых, на это намекают гигантские ледяные облака, которые замерзают на то время, пока планета удалена от аккреционного диска.

А не падают они благодаря особому виду магии. Киномагии. На самом деле они давно должны были рухнуть на поверхность.

Падение в чёрную дыру

ПРЕТЕНЗИЯ: После взлета с планеты Манна «Эндюранс» захватывает притяжением Гаргантюа. Куперу удается спасти основной модуль, но сам он, робот ТАРС и «Рейнджер» проходят сквозь горизонт событий и падают в черную дыру. Как они пережили весь процесс? Их должно было или убить радиацией и температурой аккреционного диска, или они должны были спагеттицифицироваться - превратиться в вытянутую нить из-за разницы в притяжении разных частей тела.

Если Гаргантюа последний раз захватывала звезды в свой гравитационный капкан миллионы лет назад, то диск стал безопасным для случайных путешественников (и бесполезным для окрестных планет, к слову). Что касается спагеттификации, она опять же возможна в маленьких и невращающихся черных дырах. Размеры и скорость вращения Гаргантюа сводят разницу притяжений различных частей тела к нулю, так что превращения в спагетти можно не опасаться.

КОНТРАРГУМЕНТ: Разве это значит, что можно благополучно пережить падение в черную дыру?

Нет, конечно. Отправившись следом за ТАРСом, Купер подписал себе смертный приговор и сам это понимал.

КОНТРАРГУМЕНТ: Допустим, каким-то чудом Купер остался жив. Как он рассчитывал передать сигнал обратно домой? Ведь они испытывали трудности даже с передачей сигнала через кротовую дыру. Что уж говорить о черной дыре, из которой, как известно, не сбегает ничто.

Считалось, что притяжения черной дыры не может избежать ничто, даже свет. Но Стивен Хокинг доказал, что и черные дыры могут излучать элементарные частицы, преимущественно фотоны. Некоторые теории подразумевают, что информацию в принципе невозможно остановить, но единого взгляда на этот вопрос у ученых нет. Тем не менее они едва ли согласятся с тем, что из черной дыры может транслироваться сигнал, так что это, конечно, преувеличение.

ПРЕТЕНЗИЯ: Что это за гравитационные данные, без которых невозможно решение уравнения профессора Бранда?

Согласно фильму, данные были нужны профессору, чтобы подойти к пониманию гравитации и ее взаимодействия с квантовой механикой. Впоследствии это помогло бы поднять с Земли новые человеческие колонии. Разумеется, для решения таких проблем в реальной жизни прыжок в черную дыру не понадобится. И вряд ли такие данные можно передать столь короткой последовательностью сигналов.

ПРЕТЕНЗИЯ: Пройдя горизонт событий, Купер оказывается в тессеракте, четырехмерном гиперкубе, позволяющему измерять время как линейную величину и позволяющему общаться с Мёрф на любом отрезке её жизни. Это тоже научно?

С момента прыжка в черную дыру и до конца фильма сценарий перестает ориентироваться на науку и оперирует чистой воды спекуляциями. Да, учёные допускают существование других измерений, но их познание в трехмерном пространстве не представляется возможным. И уж конечно, нельзя научно доказать, что после прыжка в черную дыру неведомые силы перенесут человека в комнату его дочери. Все эти загадочные явления Нолан списывает на таинственных и загадочных «их», живущих в пятимерном пространстве.

***
Нолан снимал все-таки фантастику, а не документальное кино, поэтому имел право игнорировать кое-какие детали. «Интерстеллар» порой становился жертвой художественного замысла, визуальные решения делались для удобства зрителей и съемочной группы, а не для ученых. Тем не менее картина получилась куда более научной, чем большая часть современной кинофантастики. Задумайтесь: на каком еще сеансе нам вообще требовалось знать, как работает реальная астрофизика?

Оказавшись на обратной стороне кротовой норы, космический корабль входит в трехпланетную систему, вращающуюся вокруг сверхмассивной чёрной дыры, которую исследователи называют Гаргантюа. Предполагается, что сверхмассивные чёрные дыры, с массами от миллиона до нескольких миллиардов масс Солнца, сидят в ядрах всех галактик. Вероятно, что и в центре нашего Млечного Пути есть такой объект - Sagittarius А, чья масса превышает 4 миллиона Солнечных масс (4,31 106 M;). По Торну, Гаргантюа скорее похож на ещё более массивную сверхмассивную чёрную дыру, которая предположительно находится в ядре туманности Андромеды и которая оценивается в 100 миллионов солнечных масс (1.1–2.3 ; 108 M;). Её размер приблизительно пропорционален массе, а радиус такого гиганта охватывал бы орбиту Земли вокруг Солнца.
Такие огромные чёрные дыры не являются фантастическим преувеличением, поскольку у нас есть наблюдательные данные, подтверждающие существование таких «монструозных» чёрных дыр в далеких галактиках (Behemoth). Самой большой из обнаруженных на данный момент является чёрная дыра в галактике NGC 1277, находящейся в 250 миллионах световых лет от нас. Её масса может быть оценена в 17 миллиардов солнечных, а её размер сравним с орбитой Нептуна.
Ещё одной важной характеристикой Гаргантюа является то, что это быстро вращающаяся чёрная дыра. Все объекты во Вселенной, исключая саму Вселенную, имеют свойство вращаться. Естественно, что и чёрные дыры тоже вращаются, что описывается геометрией Керра. Последнее зависит от двух параметров: массы чёрной дыры (М) и момента количества движения (J). Важным отличием от обычных звёзд, которые вращаются по-разному, является то, что чёрные дыры по Керру вращаются с необычной устойчивостью: все точки на её условной поверхности (горизонте событий) вращаются с одной и той же угловой скоростью. Однако существует такой предельный момент количества движения Jmax , выше которого горизонт событий пропадет: это ограничение соответствует тому, что скорость вращения горизонта будет равна скорости света. В такой чёрной дыре, называемой «экстремальной», гравитационное поле у горизонта событий исчезнет, потому что внутреннее влияние гравитации будет компенсироваться за счет огромных отталкивающих центробежных сил. Тем не менее, вполне возможно, что большинство чёрных дыр во Вселенной имеет момент количества движения, довольно близкий к предельному. Например, типичная чёрная дыра звёздной массы (около 3 солнечных), считающаяся движущим механизмом в двойных рентгеновских источниках, должна вращаться на 5000 оборотах в секунду. Предположительно, чёрная дыра Гаргантюа, показанная в "Интерстелларе" как раз имеет момент количества движения на 10 в -10 степени близкий к предельному Jmax. Даже если это теоретически возможно, данная конфигурация всё равно выглядит нереалистичной с физической точки зрения. Потому что чем быстрее вращается чёрная дыра, тем тяжелее увлечь за собой вещество, вращающееся в том же направлении под воздействием центробежных сил, в то время как вещество, вращающееся в противоположном, легко «всасывается» в чёрную дыру, замедляя вращение. Вследствие этого слишком быстро вращающаяся чёрная дыра будет иметь тенденцию к замедлению до равновесной скорости, меньшей, чем у Гаргантюа (по релятивистским общим расчетам, чёрные дыры должны вращаться не быстрее, чем 0,998 Jmax). Однако преимуществом очень быстро вращающихся чёрных дыр является то, что планеты могут вращаться в непосредственной близости от горизонта событий, не падая под него. Это является ключевым моментом в фильме, а также позволяет очень сильное замедление времени.
Для шварцшильдовской чёрной дыры (то есть для дыры с моментом количества движения J=0), устойчивая внутренняя круговая орбита, в которой любой объект пройдет по спирали и врежется в чёрную дыру, расположена на расстоянии трех радиусов самой чёрной дыры. Для чёрной дыры с массой, равной 100 миллионам солнечных масс, это расстояние должно быть около 900 миллионов километров, чуть больше, чем расстояние от Юпитера до Солнца. Но для чёрной дыры Керра, вращающейся очень близко к предельному Jmax, устойчивая внутренняя круговая орбита может быть также близко, как сам горизонт событий, всего 100 миллионов километров. Это объясняет почему в «Интерстелларе» планета Миллер может вращаться над самым горизонтом событий и не падать.
Стоит также отметить, что чёрная дыра Керра это не волчок, крутящийся в стационарном внешнем пространстве; вращаясь, она задерживает всё полотно пространства-времени вместе с собой. Как следствие, планета Миллер должна вращаться со скоростью, близкой к световой.

Кип Стивен ТОРН
Перевод с английского Ю.Н. Елдышева

Из всех творений человеческого разума: от мифологических единорогов и драконов до водородной бомбы, пожалуй, наиболее фантастическое – это черная дыра; дыра в пространстве с вполне конкретными краями, в которую может провалиться все что угодно и из которой ничто не в силах выбраться. Дыра, в которой гравитационная сила столь велика, что даже свет захватывается и удерживается в этой ловушке. Дыра, которая искривляет пространство и искажает течение времени. Подобно единорогам и драконам, черные дыры кажутся, скорее, атрибутами научной фантастики или древних мифов, чем реальными объектами. Однако из физических законов с неизбежностью следует существование черных дыр. В одной нашей Галактике их, возможно, миллионы.

Спуск в «Ад»

Вообразите себя капитаном большого космического корабля звездного класса. По заданию Географического общества вам предстоит исследовать несколько черных дыр, находящихся на больших расстояниях друг от друга в межзвездном пространстве, и с помощью радиосигналов передать на Землю описание своих наблюдений.

Пробыв в пути 4 года и 8 месяцев, ваш корабль тормозит в окрестности ближайшей к Земле черной дыры, получившей название Гадес (Ад) и расположенной вблизи звезды Веги. На телеэкране заметно присутствие черной дыры: атомы водорода, рассеянные в межзвездном пространстве (их средняя плотность – 6·10 –2 см –3), втягиваются внутрь ее гравитационным полем. Везде вы видите их движение: медленное вдали от дыры и все более быстрое по мере приближения к ней. Это напоминает падение воды в Ниагарском водопаде за исключением того, что атомы падают не только с востока, но и с запада, севера, юга, сверху и снизу – отовсюду.

Если вы ничего не предпримете, то тоже окажетесь втянуты внутрь.

Итак, вам предстоит с величайшей осторожностью перевести звездолет с траектории свободного падения на круговую орбиту вокруг черной дыры (подобную орбитам искусственных спутников, вращающихся вокруг Земли) так, чтобы центробежная сила вашего орбитального движения компенсировала силу притяжения черной дыры. Почувствовав себя в безопасности, вы включаете двигатели корабля и готовитесь к изучению черной дыры.

Прежде всего, в телескопы вы наблюдаете электромагнитное излучение, испускаемое падающими атомами водорода. Вдали от черной дыры они настолько холодные, что излучают лишь радиоволны. Но ближе к дыре, там, где атомы падают быстрее, они время от времени сталкиваются между собой, нагреваются до нескольких тысяч градусов и начинают излучать свет. Еще ближе к черной дыре, двигаясь гораздо быстрее, они разогреваются за счет столкновений до нескольких миллионов градусов и испускают рентгеновское излучение. Наблюдая это излучение, приходящее из окрестностей черной дыры, вы вспоминаете, как искали черные дыры с Земли: советские астрофизики Я.Б. Зельдович и И.Д. Новиков в 60-х годах предсказали, что, падая на черную дыру, газ будет испускать мощное рентгеновское излучение. В 1972 г. американский астроном Р. Джиаккони зарегистрировал рентгеновское излучение, приходящее от объекта Лебедь X-1, подтвердив тем самым предсказание Зельдовича и Новикова и классифицировав этот объект как черную дыру, находящуюся на расстоянии 14 тыс. св. лет от Земли.

Направляя свои телескопы «внутрь» и продолжая приближаться к черной дыре, вы «увидите» гамма-лучи, испускаемые атомами водорода, нагретыми до еще более высоких температур. И наконец, в самом центре вы обнаружите темный диск самой черной дыры.

Следующий ваш шаг – тщательно измерить длину орбиты корабля. Это приблизительно 1 млн км, или половина длины орбиты Луны вокруг Земли. Затем вы смотрите на далекие звезды и видите, что они перемещаются, подобно вам. Наблюдая за их видимым движением, вы выясняете, что вам необходимо 5 мин 46 с, чтобы совершить один оборот вокруг черной дыры. Это и есть ваш «орбитальный период».

Зная период обращения и длину своей орбиты, вы можете рассчитать массу черной дыры. При этом вы пользуетесь тем же методом, что и Исаак Ньютон, вычисливший в 1685 г. массу Солнца и планет Солнечной системы: в соответствии с законом всемирного тяготения Ньютона сила притяжения какого-либо тела пропорциональна его массе, а согласно законам Кеплера, которым подчиняется движение небесных тел по своим орбитам, эта сила пропорциональна также кубу длины орбиты, деленному на квадрат орбитального периода. Применяя эти физические законы к вашей собственной орбите, вы получаете, что масса черной дыры Гадес в 10 раз больше солнечной (10 M слн). Это, no-существу, полная (суммарная) масса, скопившаяся в черной дыре за всю ее историю и включающая массу звезды, в результате коллапса которой около 2 млрд лет назад образовалась черная дыра, массу всего межзвездного водорода, втянутого в нее с момента ее рождения, а также массу всех астероидов и заблудившихся звездолетов, упавших на нее.

Отправляясь в путешествие, вы детально изучили свойства черных дыр. Как доказали в 70-е годы английский и канадские астрофизики С. Хокинг, В. Израэл и Б. Картер, использовавшие представления общей теории относительности (ОТО) Эйнштейна, черная дыра – это удивительно простой объект.

Все его свойства – сила гравитационного притяжения, отклоняющая световое излучение звезд, а также форма и размер ее поверхности–определяются лишь двумя числами: массой дыры (которую вы уже знаете) и моментом количества движения. Этот момент – мера того, как быстро дыра вращается вокруг собственной оси. Вращаясь, она создает в пространстве вокруг себя некий вихрь, закручивающий все, что попадает внутрь дыры.

Падая, некоторые водородные атомы межзвездной среды кружатся по часовой стрелке, а другие – в противоположном направлении. В результате они могут сталкиваться между собой, но в среднем падают в дыру отвесно («вертикально»), т.е. в радиальном направлении, не вращаясь. И вы приходите к выводу, что эта черная дыра с массой 10 M слн едва ли вращается вообще – ее момент количества движения близок к нулю.

Зная массу и момент количества движения, можно теперь, пользуясь формулами ОТО, рассчитать все свойства, которыми должна обладать черная дыра. Наиболее интересны свойства ее поверхности, или горизонта – границы, из-за которой все, что падает в дыру, уже не может вернуться; границы, из-за которой не выбраться звездолету и даже любому виду излучения: радиоволнам, свету, рентгеновским или гамма-лучам. Поскольку эта дыра не вращается, ее горизонт имеет форму сферы, длина большой окружности которой при массе 10 M слн составляет 185 км, что равно, например, периметру Лос-Анджелеса.

Эта величина ничтожна по сравнению с длиной вашей орбиты (1 млн км). И тем не менее в столь крошечный объем втиснута масса вдесятеро больше солнечной! Если бы черная дыра была твердым телом с таким же объемом и массой, ее средняя плотность составила бы 10 12 г/см 3 . Но насколько позволяют судить ваши наблюдения, она сотворена из вакуума – пустоты. Снаружи от горизонта вещества нет вовсе, если не считать атомов водорода, падающих в дыру из межзвездного пространства, и вашего корабля. 10 солнечных масс звездного газа, из которых в результате коллапса, произошедшего 2 млрд лет назад, образовалась дыра, ныне упрятаны за горизонтом. И так как они никогда больше не появятся и не передадут никакой информации наружу, вы можете полагать в своих дальнейших расчетах, что они полностью исчезли из нашей Вселенной. Единственное, что после них осталось,– сильное гравитационное притяжение, которое влияет на вашу орбиту так же, как и до коллапса, и которое на сфере с экватором длиной 185 км становится столь огромным, что преодолевает любое сопротивление и, тем самым, создает горизонт.

Определив длину окружности горизонта, вы с трудом удерживаетесь от искушения рассчитать диаметр черной дыры по обычной формуле, деля длину окружности на число π = 3,14159... Однако вас уже предупредили, что не следует доверять подобным вычислениям по двум причинам. Во-первых, чудовищное гравитационное поле черной дыры полностью искажает геометрию пространства возле нее: у горизонта диаметр круга может быть гораздо больше, чем отношение длины окружности к числу я. Во-вторых, понятие диаметра имеет смысл лишь тогда, когда вы его можете измерить. Но чтобы измерить диаметр горизонта черной дыры, вам придется проникнуть внутрь него, а очутившись там, вы никогда не сможете вернуться в нашу Вселенную. Вам не удастся даже передать результаты своих измерений на Землю – сигналы не выйдут за горизонт из-за неумолимого тяготения.

«Не беда,– пытаетесь вы себя успокоить,– пусть я даже никогда не смогу проверить ответ экспериментально, но ведь можно вычислить диаметр дыры с помощью формул ОТО для искривленного пространства». Но тут же вы вспоминаете, что, хотя снаружи черная дыра чрезвычайно проста, о ее внутренности этого сказать нельзя.

Хотя по массе и моменту количества движения черной дыры вы в состоянии вычислить все ее свойства снаружи, вы не можете ничего узнать о ее внутренности. Она может иметь неупорядоченную структуру и быть сильно несимметричной. Все это будет зависеть от деталей коллапса, в результате которого образовалась черная дыра, а также от особенностей последующего втягивания межзвездного водорода. Так что диаметр дыры просто нельзя рассчитать на основе той убогой информации, которая имеется в вашем распоряжении.

Получив эти результаты, вы можете исследовать окрестности горизонта черной дыры. Не желая рисковать человеческой жизнью, вы отправляете десятисантиметровый робот (по имени R3D3) со встроенным передатчиком, который должен передать результаты своих исследований на корабль. Робот получает довольно простое задание: с помощью ракетного двигателя он должен сойти с круговой орбиты вашего звездолета и начать падать к черной дыре. Падая, R3D3 будет передавать на корабль информацию о состоянии своих электронных систем и о пройденном расстоянии. Для этого может быть использован ярко-зеленый луч лазера.

Вы рассчитываете принять лазерный сигнал, расшифровать его для определения состояния аппаратуры и пройденного расстояния, а также измерить цвет (длину волны) излучения. Вы знаете, что, хотя лазер все время испускает зеленый луч, вы будете видеть его все более красным по мере приближения робота к горизонту черной дыры. Отчасти излучение «покраснеет» за счет того, что ему придется затратить энергию на преодоление сильного гравитационного поля черной дыры, и отчасти – из-за доплеровского смещения, связанного с удалением источника излучения от вас. Измеряя «покраснение» лазерного излучения, вы сможете рассчитать скорость падения робота.

Итак, эксперимент начинается. R3D3 сходит с круговой орбиты и падает по радиальной траектории. Как только он начинает падать, вы пускаете часы, по которым фиксируется время прихода лазерных импульсов. По истечении 10 с вы получаете от него сообщение, что все системы функционируют нормально и он уже опустился на 2600 км. По цвету лазерного излучения вы вычисляете, что в этот момент робот падает со скоростью 650 км/с. Когда ваши часы отмеряют 20 с, его скорость удвоится и достигнет 1300 км/с, а пройденное им расстояние возрастет вчетверо и составит 10 400 км. Спустя минуту скорость достигнет 9000 км/с, и робот упадет на 130 тыс. км, что составит уже 5/6 расстояния до горизонта*.

* Закон изменения скорости: V = 2GM /R , где R – радиус кривизны, G – гравитационная постоянная, М – масса. (Здесь и далее прим. ред.)

Теперь вы должны быть предельно внимательны. Следующие несколько секунд окажутся решающими, поэтому вы включаете высокоскоростную регистрирующую систему для детальной записи всех приходящих сведений. Через 61 с R3D3 сообщает, что все системы пока функционируют нормально, горизонт – на расстоянии 8000 км и приближается со скоростью 15 тыс. км/с. Проходит 61,6 с. Еще все в порядке, до горизонта осталось 2000 км, скорость – 30 тыс. км/с (или 0,1 скорости света, так что цвет излучения начинает меняться все заметнее). А затем, в течение следующей 0,1 с вы с изумлением замечаете, что излучение из зеленого становится красным, инфракрасным, микроволновым, затем приходят радиоволны и наконец все исчезает. Через 61,7 с все кончено – лазерный луч пропал. R3D3 достиг скорости света и исчез за горизонтом.

По мере того как возбуждение спадает и вы подавляете налет сожаления по поводу участи робота, ваше внимание вновь обращается к записанным данным. В них зафиксированы подробности изменения окраски лазерного излучения. Вы знаете, что свет представляет собой колебания электромагнитного поля и что каждый цвет характеризуется своей собственной длиной волны. Длина волны исходного зеленого излучения лазера примерно 5·10 –4 см, и по мере того как излучение становится все более красным, его длина волны увеличивается. Там, в записях – история этого удлинения.

Из них следует, что пока R3D3 падал, длина волны принимаемого вами излучения сначала менялась очень медленно, а затем все быстрее и быстрее. Но когда она увеличилась в 4 раза (до 2·10 –3 см), скорость ее изменения неожиданно стала постоянной и впоследствии длина волны удваивалась каждые 3,5·10 –5 с. После 28 таких удвоений (или через 9,8·10 –4 с) она достигла 5 км, т.е. того предела, за которым ваша приемная система уже не в состоянии регистрировать сигналы. Следует предположить, однако, что длина волны продолжала все так же удваиваться и после этого, так что после огромного числа удвоений длина волны стала бесконечной и возле горизонта все еще испускались чрезвычайно слабые и длинноволновые сигналы.

Означает ли это, что R3D3 так и не пересек горизонт и никогда не сможет сделать этого? Вовсе нет. Эти последние сигналы с многократно удваивавшейся длиной волны будут бесконечно долго «выбираться» из «тисков» гравитационного поля черной дыры. R3D3 много минут назад пересек горизонт, двигаясь со скоростью света*. Но слабые сигналы от него будут продолжать приходить, поскольку время их пребывания в пути оказалось бесконечно велико. Они – следы далекого прошлого.

* Имеется в виду локальная скорость в системе отсчета наблюдателя, покоящегося вблизи горизонта. Подчеркнем, что реализовать такую систему отсчета на самом горизонте и внутри него невозможно. Поэтому никаких нарушений принципа причинности, конечно, не происходит.

После многочасового изучения данных, полученных от робота, и продолжительного сна, необходимого для восстановления сил, вы приступаете к следующему этапу исследований.

На этот раз вы решаете самостоятельно обследовать окрестности горизонта событий, правда, рассчитываете сделать это с большей предосторожностью, чем ваш посланник: вместо свободного падения к горизонту, вы собираетесь снижаться постепенно.

Попрощавшись с командой, вы влезаете в спускаемый аппарат и покидаете корабль, оставаясь сначала на той же круговой орбите. Затем, включая ракетный двигатель, слегка тормозите, чтобы замедлить свое орбитальное движение. При этом вы начинаете по спирали приближаться к горизонту, переходя с одной круговой орбиты на другую. Ваша цель – выйти на круговую орбиту с периметром, слегка превышающим длину горизонта. Поскольку вы движетесь по спирали, длина вашей орбиты постепенно сокращается: от 1 млн км до 500 тыс., потом до 100 тыс., 90 тыс., 80 тыс.,... и тут начинает твориться что-то странное.

Находясь в состоянии невесомости, вы подвешены в своем аппарате, предположим, ногами – к черной дыре, а головой – к орбите вашего корабля и звездам. Но постепенно вы начинаете ощущать, что кто-то тянет вас за ноги вниз и вверх – за голову. Вы соображаете, что причина – притяжение черной дыры: ноги ближе к дыре, чем голова, поэтому они притягиваются сильнее. То же самое справедливо, конечно, и на Земле, но разница в притяжении ног и головы там ничтожна – меньше 10 –6 , так что никто этого не замечает. Двигаясь же по орбите длиной 80 тыс. км над черной дырой массой 10 M слн, вы ощущаете эту разницу вполне отчетливо – различие в притяжении составит 1/8 земной силы тяжести (1/8 g). Центробежная сила, обусловленная вашим движением по орбите, компенсирует притяжение дыры в центральной точке вашего тела, позволяя свободно парить в невесомости, но на ваши ноги будет действовать избыточное притяжение 1/16 g, голова же, наоборот, будет притягиваться слабо, и центробежная сила потянет ее вверх в точности с тем же дополнительным ускорением – 1/16 g.

Несколько озадаченный вы продолжаете движение по закручивающейся спирали, но удивление быстро сменяется беспокойством: по мере уменьшения размеров орбиты, силы, растягивающие вас, будут нарастать все стремительнее. При длине орбиты 64 тыс. км разность составит 1/4 g, при 51 тыс. км – 1/2 g и при 40 тыс. км она достигнет полного земного веса. Скрипя зубами от натуги, вы продолжаете движение по спирали. При длине орбиты 25 тыс. км сила растяжения составит 4 g, т.е. вчетверо превысит ваш вес в земных условиях, а при 16 тыс. км – 16 g. Больше вы не в состоянии выдержать в вертикальном положении. Пытаетесь решить эту проблему, свернувшись калачиком и подтянув ноги к голове, уменьшив тем самым разность сил. Но они уже настолько велики, что не дадут вам согнуться – снова вытянут вертикально (вдоль радиального по отношению к черной дыре направления).

Что бы вы ни предпринимали, ничто не поможет. И если движение по спирали будет продолжаться, ваше тело не выдержит – его разорвет на части. Итак, достичь окрестности горизонта нет никакой надежды...

Разбитый, преодолевая чудовищную боль, вы прекращаете свой спуск и переводите аппарат сначала на круговую орбиту, а затем начинаете осторожно и медленно двигаться по расширяющейся спирали, переходя на круговые орбиты все большего размера, пока не доберетесь до звездолета.

В изнеможении добравшись до капитанской рубки, вы изливаете свои беды бортовому компьютеру. «Тише, тише,– успокаивает он вас,– естественно, вы удручены, но виноваты во всем сами. Вам рассказывали о растяжении в направлении от головы к ногам в процессе подготовки к полету. Помните? Это ведь те же самые силы, что вызывают океанские приливы на Земле».

Но почему же робот R3D3 оказался столь стойким к действию приливных сил? Вы догадываетесь, что это произошло по двум причинам: он был изготовлен из сверхпрочного титанового сплава и имел размеры, значительно меньшие, чем ваши. Его высота, помнится, равнялась 10 см и, стало быть, приливная сила, действующая на него, была, соответственно, гораздо слабее.

Но затем вы приходите к неутешительному выводу: даже проткнув горизонт, R3D3 должен был продолжать падать в область со все возрастающими приливными силами. Спустя 2·10 –4 с после попадания в черную дыру его должна была поглотить и разрушить сильнейшая хаотическая сингулярность с бесконечной кривизной пространства-времени и бесконечными приливными силами, а он, в свою очередь, некоторым хаотическим образом должен был изменить эту сингулярность.

Вы вспоминаете, что еще в 1965 г. английский физик Р. Пенроуз использовал законы ОТО Эйнштейна для доказательства того, что такая сингулярность «проживает» внутри любой черной дыры, а в 1969 г. хаотическое поведение сингулярности было выведено «русской тройкой» – Е.М. Лившицем, И.М. Халатниковым и В.А. Белинским. Это были «золотые годы» теоретических исследований черных дыр. Но одна ключевая особенность их поведения ускользнула тогда от физиков, они лишь догадывались о ней. И только гораздо позже, в 2013 г. мадам Абигаль Лайман доказала, что каждая черная дыра должна подчиняться «принципу космической цензуры»: ее сингулярность должна быть навечно скрыта от внешнего наблюдателя прикрывающим ее горизонтом. Чтобы изучить сингулярность, наблюдатель не только вынужден погибнуть – ему даже не удастся накопленный столь дорогой ценой опыт передать обратно, во внешнюю часть Вселенной.

Не желая платить столь высокую цену за личное знакомство с сингулярностью, вы решаете ограничиться исследованием окрестностей черных дыр. К счастью, вы припоминаете что большое разнообразие явлений может наблюдаться и снаружи от черной дыры, в непосредственной близости от ее горизонта. Вы решаете изучить эти явления в первую очередь и сообщить о результатах своих исследований на Землю, во Всемирное географическое общество. Черная дыра Гадес обладает слишком большими приливными силами, которые не позволяют приблизиться к ее горизонту, но, согласно законам Эйнштейна, величина приливных сил вблизи горизонта обратно пропорциональна квадрату массы черной дыры. Для черной дыры с массой в 100 тыс. раз больше солнечной, т.е. в 10 тыс. раз более массивной, чем Гадес, приливные силы у горизонта будут в 100 млн раз слабее. Иными словами, такая дыра должна быть весьма «комфортабельной» – никаких болевых ощущений.

Достижим ли горизонт?

Итак, вы начинаете строить планы следующего этапа путешествия: визит к ближайшей черной дыре с массой 100 тыс. M слн из атласа черных дыр Уиткомба,– к черной дыре, расположенной в центре нашей Галактики – Млечного Пути.

Ваш план полета предполагает создание такой тяги ракетных двигателей, которая обеспечивала бы ускорение всего в 1 g, так что вы и ваша команда будете ощущать внутри звездолета силу притяжения, равную земной. Вы разгонитесь по направлению к центру Галактики в течение половины пути, а вторую половину будете замедлять движение с отрицательным ускорением –1 g. Все путешествие длиной 30 100 св. лет потребует 30 103 года в системе отсчета, связанной с Землей, но в вашей системе отсчета пройдет лишь 20 лет и 7 месяцев.

Вы предупреждаете Всемирное географическое общество, что следующее сообщение от вас прийдет из окрестностей галактического центра, после того как вы исследуете находящуюся там черную дыру с массой в 100 тыс. M слн. Члены общества должны пребывать в анабиозе около 60 211 лет, если они хотят дождаться повторного сообщения (30 103 года, пока вы доберетесь до центра Галактики, и 30 108 лет, пока сообщение достигнет Земли). К сожалению, это так. Гораздо приятнее Вселенная в фантастических фильмах, где звездолеты переносят путешественников через галактики за времена, непродолжительные с любой точки зрения. Действительно, в 60-е годы XX в. даже некоторые ученые полагали, что каналы и туннели в гиперпространстве сделают такие путешествия возможными и, более того, позволят путешествовать обратно во времени. Но более пристальное изучение физических законов привело к заключению, что ни одно из таких путешествий не реализуемо. Самое большее, на что вы можете рассчитывать,– это путешествовать сравнительно недолго по своим часам, но чрезвычайно долго с точки зрения землян.

Через 20 лет 7 месяцев ваш звездолет тормозит в центральной части Млечного Пути. Именно здесь, как подтверждают ваши датчики, находится чудовищная черная дыра, всасывающая под свой горизонт смесь газа и звездной пыли. Вы переводите звездолет на тщательно выбранную круговую орбиту над горизонтом черной дыры. Измеряя длину и период своей орбиты и подставляя результаты в формулы Ньютона – Кеплера, вы определяете массу черной дыры. Поразительно! 100 тыс. M слн в точном соответствии с характеристиками, приведенными в атласе черных дыр Уиткомба. Основываясь на безвихревом характере падения газа и пыли, вы заключаете, что у дыры отсутствует заметный момент количества движения. Это подсказывает вам, что ее горизонт имеет форму сферы с длиной большой окружности 1 млн 850 тыс. км – немного меньше длины лунной орбиты вокруг Земли.

Детально изучив с помощью приборов падение газа в дыру, вы готовитесь к спуску в окрестности ее горизонта: организуете лазерную связь между спускаемыми аппаратами и компьютером звездолета, после чего выводите спускаемый аппарат из отсека звездолета и постепенно замедляете его, переводя на спиральную орбиту, приближающуюся к горизонту.

Все происходит в соответствии с вашими ожиданиями, до тех пор пока вы не достигли орбиты длиной 5 млн 500 тыс. км – втрое превышающей длину горизонта. Здесь возникают пугающие перемены! Плавное управление двигателями вместо плавного изменения вашей орбиты приводит к губительному падению по направлению к горизонту. В панике вы разворачиваете аппарат и, резко форсируя двигатели, вновь поднимаетесь на орбиту длиной больше 5 млн 500 тыс. км.

«В чем, черт побери, была ошибка?» – обращаетесь вы по лазерной связи к компьютеру звездолета.

«Тише, тише,– успокаивает он.– Вы рассчитывали вашу орбиту, используя законы Кеплера, основанные на законе всемирного тяготения Ньютона. Но этот закон нарушается вблизи горизонта черной дыры и должен быть заменен законами ОТО Эйнштейна. А законы Эйнштейна предсказывают внезапное изменение круговых орбит там, где вы это испытали,– на орбите, длина которой втрое больше длины горизонта. Ниже все орбиты неустойчивы, как карандаш, поставленный на острие. Ничтожный импульс, переданный падающим газом или вызванный неправильным направлением тяги ракетных двигателей, приведет к падению спускаемого аппарата к горизонту; аналогично, такой же импульс, направленный не к дыре, а от нее, приведет к временному нырку назад, к орбите длиной, втрое превышающей длину горизонта, а затем – снова к стремительному падению к горизонту. Любой другой путь невозможен, пока вы не добьетесь тщательнейшей коррекции на случай таких нырков, детально проработав программу управления ракетными двигателями спускаемого аппарата. Вам, человеку, вручную немыслимо столь аккуратно управлять двигателями, но это могу проделать я. Если хотите, я сохраню устойчивость орбиты спускаемого аппарата с помощью коррекции тяги, в то время как вы будете управлять спуском, меняя режим двигателей более грубо».

«Проклятый компьютер! – бормочите вы про себя.– Он всегда отвечает на мои вопросы, но никогда сам не предложит необходимую информацию, не предупредит, когда я собираюсь поступить неверно».

Тем не менее вы принимаете предложение бортового компьютера, который затем объясняет, что неустойчивость – вовсе не единственная особенность вашей орбиты, появляющаяся при длине, втрое превышающей длину горизонта. Возникает также необходимость изменить направление тяги ваших ракетных двигателей. До сих пор, желая приблизиться по спирали к горизонту, вы были вынуждены, включая двигатели, разворачивать аппарат носом назад. Теперь, внутри сферы с длиной большой окружности, втрое превышающей длину горизонта, вы сможете приближаться к горизонту, лишь если при включении двигателей развернете аппарат носом вперед. Последовательно уменьшающиеся орбиты будут требовать все больших моментов количества движения и больших значений орбитальной скорости.

Итак, с помощью компьютера вы по спирали приближаетесь к горизонту, переходя от орбиты с длиной, превышающей длину горизонта в 3 раза, к орбите, длиннее горизонта в 2,5 раза, затем в 2; 1,6; 1,55; 1,51; 1,505; 1,501 раза... О, разочарование! По мере того как ваша скорость приближается к скорости света, длина вашей орбиты приближается к величине, в 1,5 раза превышающей длину горизонта. Добраться до самого горизонта этим методом нет никаких надежд.

Снова вы обращаетесь за помощью к компьютеру и снова он утешает вас, объясняя, что внутри сферы с длиной большой окружности, превышающей длину горизонта в 1,5 раза, вообще не может быть круговой орбиты. Силы притяжения там настолько сильны, что не могут компенсироваться центростремительными силами, даже если скорость движения по орбите равна скорости света. Если вы хотите еще приблизиться к горизонту, вы вынуждены компенсировать силу притяжения силой тяги ваших ракетных двигателей.

Получив это предостережении вы советуетесь с компьютером, как реализовать подобную компенсацию. Объясняете, что хотели бы приблизиться к горизонту настолько, чтобы длина вашей орбиты составляла 1,0001 длины горизонта, где рассчитываете исследовать большинство эффектов, связанных с его влиянием, и откуда вы еще в состоянии выбраться. Но если вы удержите свой аппарат с помощью ракетных двигателей на такой орбите, какие ускоряющие силы вы будете ощущать? «В 1,5·10 12 раз превышающие силу земного притяжения»,– спокойно отвечает компьютер.

Глубоко обескураженный, вы включаете тягу и по спирали возвращаетесь обратно в чрево звездолета.

После продолжительного отдыха, пятичасовых расчетов с использованием формул ОТО для черных дыр и трехчасового изучения атласа черных дыр Уиткомба вы, наконец, составляете план следующего этапа путешествия. Затем передаете во Всемирное географическое общество (оптимистически полагая, что оно все еще существует) отчет о своем исследовании черной дыры с массой 100 тыс. M слн, а в конце излагаете ваш план.

Расчеты показывают, что чем больше черная дыра, тем меньшая сила тяги ракетных двигателей необходима, чтобы удержать вас на орбите длиной 1,0001 длины горизонта. Для болезненной, но все же выносимой силы, равной 10 g, необходима черная дыра массой 8·10 12 M слн. Ближайшая такая дыра под названием Гаргантюа находится далеко за пределами области размерами в 100 тыс. св. лет, внутри которой расположена наша Галактика, и далеко за пределами скопления галактик Девы (100 млн св. лет), вокруг которого вращается наш Млечный Путь. Черная дыра находится возле квазара 8C 2975, отстоящего на 1,2 млрд св. лет от Млечного Пути, что составляет 8% от размеров наблюдаемой Вселенной. Вы решаете отправиться к ней. Используя укоренив 1 g на первой половине пути и такое же замедление на второй половине, вы затратите на путешествие 1,2 млрд лет по земным часам, но всего лишь 39 лет и 11 месяцев – по вашим. Если члены Всемирного географического общества не желают рисковать и на 2,4 млрд лет погрузиться в анабиоз, они будут вынуждены отказаться от приема вашего следующего сообщения.

Гаргантюа

И вот через 39 лет и 11 месяцев ваш звездолет тормозит в окрестностях Гаргантюа. Над головой вы видите квазар 8C 2975 с двумя ослепительными голубыми струями, выбрасываемыми из его центра, а под вами простирается черная бездна Гаргантюа. Переходя на орбиту вокруг нее и выполняя свои обычные эксперименты, вы убеждаетесь, что ее масса действительно составляет 8·10 12 M слн и что дыра вращается очень медленно. Из этих данных вы определяете длину ее горизонта – около 16 св. лет. Вот, наконец, та черная дыра, чью окрестность вы можете исследовать без невыносимых приливных сил или немыслимого ускорения ракетных двигателей! Перед тем, как начать свой спуск к горизонту, вы тщательно фотографируете гигантский квазар над вами и триллионы звезд, вращающихся вокруг Гаргантюа, а также миллиарды галактик, разбросанных по небу. Особенно тщательно вы фотографируете черный диск Гаргантюа под вами, размеры которого близки к размерам Солнца, наблюдаемого с Земли.

На первый взгляд кажется, что этот диск полностью закрывает собой свет звезд и галактик, расположенных за ним. Однако, присмотревшись, вы замечаете, что гравитационное поле черной дыры действует подобно линзе, отклоняя световые лучи вдоль края горизонта и фокусируя их в тонкое яркое кольцо на окружности темного диска. Там, в этом кольце вы видите несколько изображений каждой из загороженных диском звезд: одно, образованное лучами, отклоненными к левому краю диска; другое – лучами, отклоненными к правому краю; третье – лучами, совершившими полный оборот вокруг дыры и затем вышедшими в направлении на вас; четвертое – лучами, совершившими два оборота вокруг дыры... В результате возникает весьма сложная кольцевая структура, которую вы фотографируете во всех деталях для подробного изучения в будущем.

Завершив фотосъемку, вы начинаете спускаться к горизонту. Но нужно запастись терпением: дыра настолько огромна, что, ускоряясь и замедляясь с ускорением 1 g, вы будете вынуждены потратить 10 лет по вашим часам, чтобы достичь цели – приблизиться к горизонту настолько, чтобы длина вашей орбиты составляла 1,0001 длины горизонта.

Спустившись, вы фотографируете изменения, видимые на небе вокруг вас. Сильнее всего меняется диск под вами: постепенно он вырастает все больше и больше. Вы ожидаете, что он прекратит увеличиваться, когда закроет все небо под вами, оставив верхнюю часть неба чистой, как на Земле. Ничего подобного! Черный диск продолжает расти, поднимаясь по краям вашего звездолета и оставляя лишь непрерывно уменьшающееся отверстие над вами, через которое вы можете наблюдать внешнюю Вселенную. Это выглядит так, словно вы вошли в пещеру и продвигаетесь все глубже и глубже, так что вход представляется светлым пятнышком все меньших размеров.

В панике вы снова обращаетесь к компьютеру за помощью: «Неужели я неверно рассчитал траекторию? Не провалились ли мы сквозь горизонт? Неужто мы обречены?!»

«Тише, тише, – успокаивает он. – Мы в безопасности, мы все еще снаружи от горизонта. Темнота охватывает почти все небо лишь из-за сильной фокусировки световых лучей, вызванной гравитационным полем черной дыры. Посмотрите на этот «указатель» почти над головой – это галактика 3C 295. Перед тем, как вы начали спуск, она была на горизонтальном луче зрения от вас, в 90° от зенита. Но здесь, у горизонта Гаргантюа, гравитационное поле черной дыры действует на световые лучи, испущенные 3C 295, столь сильно, что они изгибаются, делая кажущееся положение этой галактики вместо горизонтального почти вертикальным, так что 3C 295 оказывается почти над головой».

Успокоенный объяснениями компьютера, вы продолжаете свой спуск. На панели перед вами скачут цифры, указывая, сколько всего вы пролетели и длину каждого витка. На начальном этапе каждый километр спуска уменьшает длину вашей орбиты на 2π ≈ 6,2832... км, в соответствии с формулой Евклида для длины окружности. Но вблизи горизонта с каждым пройденным километром сокращение длины орбиты становится все меньше и меньше: 6,2517... км при длине орбиты, равной 100 длинам горизонта; 5,9608... км при длине, превышающей длину горизонта в 10 раз; 4,4429 км при длине, превышающей длину горизонта в 2 раза; 1,9869 км – при длине, превышающей длину горизонта в 1,1 раза; 0,6283 км – при длине, превышающей длину горизонта в 1,01 раза. Такие отклонения от формулы Евклида возможны лишь в кривом пространстве – вы воочию наблюдаете кривизну, которая, в соответствии с предсказаниями ОТО Эйнштейна, должна появляться в сильном гравитационном поле черной дыры.

На заключительном этапе спуска вы вынуждены все больше увеличивать тягу двигателей, чтобы замедлить падение. Наконец, вы останавливаетесь, оставаясь на орбите, длина которой составляет 1,0001 длины горизонта. Последний километр пройденного пути уменьшил длину вашей орбиты всего лишь на 0,0628 км. С трудом двигая руками из-за причиняющего мучительную боль притяжения, превосходящего земное в 10 раз, вы готовите телескопы и камеры для длительных и детальных съемок. За исключением слабых вспышек вокруг от нагретого при столкновениях падающего газа, единственный доступный съемке источник излучения – это светлое пятно над вами. Оно невелико, его диаметр составляет всего 3°, т.е. лишь в 1,5 раза больше размера солнечного диска, если смотреть с Земли. Но в этом пятне сконцентрированы изображения всех звезд, обращающихся вокруг Гаргантюа, и всех галактик во Вселенной.

В самом центре пятна расположены галактики, которые находятся над вами точно в зените. На расстоянии, составляющем 55% радиуса пятна, сосредоточены изображения галактик типа 3C 295, которые находились бы в горизонтальной плоскости (в 90° от зенита), если бы не эффект гравитационной линзы черной дыры. На расстоянии, составляющем 85% расстояния от центра пятна до его края, находятся изображения галактик, которые, как вы знаете, на самом деле расположены с противоположной от вас стороны черной дыры. Во внешнем кольце (15% расстояния от края пятна) присутствует второе изображение каждой галактики, а в самых внешних 3% – третье такое изображение*.

* О том, что собой представляет и как работает гравитационная линза, подробнее см.: Блиох П.В., Минаков А.А. Гравитационные линзы // Природа. 1982. №11. С. 59...69.

Одинаково необычные, цвета всех звезд и галактик сильно искажены. Галактика, которая, как вам известно, излучает в зеленом диапазоне спектра, кажется испускающей мягкое рентгеновское излучение; длина волны ее электромагнитного излучения уменьшилась с 500 до 5 нм за счет гигантского гравитационного притяжения черной дыры, находящейся под вами. А ядро квазара 8C 2975, которое в действительности испускает преимущественно инфракрасное излучение с длиной волны 0,05 см, кажется испускающим зеленый свет с длиной волны 5·10 –5 см.

После тщательной регистрации всех деталей светлого пятна над вами вы обращаете внимание на то, что происходит внутри звездолета. Вы почти уверены, что здесь, столь близко от горизонта черной дыры, законы физики тоже изменяются и изменения повлияют на вашу собственную физиологию. Отнюдь. Вы смотрите на своих спутников и спутниц – они выглядят обычно. Вы ощупываете друг друга – все нормально. Вы выпиваете стакан воды – за исключением влияния ускорения в 10 g, которое вы можете устранить, если решитесь нырнуть под горизонт, – вода льется нормально. Вы запускаете аргоновый лазер – он испускает такой же яркий пучок зеленого цвета, как и всегда. Вы берете импульсный рубиновый лазер, зеркало, детектор излучения и высокоточные часы; включая и выключая лазер, вы измеряете время прохождения импульса от лазера до зеркала и обратно к детектору, вычисляя из результатов экспериментов скорость света. Полученная величина в точности совпадает с теми, что измерены на Земле или в свободно падающей лаборатории: 299 800 км/с.

Все в звездолете выглядит нормально: так, словно вы стоите на поверхности планеты Гиперион, где сила притяжения вдесятеро больше земной. Если не смотреть через иллюминаторы звездолета наружу и не видеть странного пятна над головой и все поглощающей темноты вокруг, нельзя понять, где вы находитесь: возле горизонта черной дыры или на поверхности Гипериона. Кривизна пространства, обусловленная черной дырой, естественно, сохраняется и внутри корабля, так что, располагая достаточно точными инструментами, вы сможете обнаружить ее здесь. Но в то время как кривизна пространства чрезвычайно важна в масштабах орбиты длиной 2·10 13 км, ее проявления ничтожны в масштабах вашего корабля, размеры которого порядка 1 км: эффекты, обусловленные кривизной, порядка 10 –26 – далеко за пределами точности ваших инструментов.

Вы ищете добровольцев для самоубийственного спуска в дыру. Робот R4D5 с его пристрастием к приключениям и опасности вызывается с готовностью. В спускаемом аппарате вместе с ним находится импульсный лазер, зеркало, фотодетектор и часы: робот будет измерять скорость света по мере своего падения и передавать результаты измерений на корабль с помощью лазерных импульсов.

R4D5 покидает звездолет и начинает измерения. Модулируемый лазерный пучок сообщает вам: «299 800; 299 800; 299 800... 299 800». Лазерное излучение превращается из зеленого в красное, инфракрасное, микроволновое, радиоволны, но сообщение остается неизменным: 299 800. А затем пучок пропадает: R4D5 ныряет под горизонт. Но ни разу в процессе своего падения он не регистрирует никаких изменений скорости света внутри спускаемого аппарата и не отмечает никаких отличий от физических законов, управляющих работой его электронных систем.

Результаты этих экспериментов очень радуют вас. Еще в 1907 г. Эйнштейн выдвинул гипотезу (базирующуюся в основном на философских соображениях), согласно которой законы физики должны быть одинаковы во Вселенной всюду и всегда, и это утверждение вскоре стало фундаментальным положением, получившим название «принципа эквивалентности Эйнштейна». В дальнейшем этот принцип не раз подвергался экспериментальной проверке, но никогда она не была столь наглядной и тщательной, как в вашем эксперименте в окрестностях горизонта Гаргантюа.

Устав от десятикратных перегрузок, вы приступаете к подготовке следующего, завершающего этапа своего путешествия – к возвращению в свою Галактику – Млечный Путь. Вы передаете детальный отчет о своих исследованиях в окрестностях Гаргантюа, и поскольку вскоре намереваетесь двигаться со скоростью, близкой к скорости света, ваше сообщение поступит в Млечный Путь менее чем на год раньше вас по земным часам.

По мере удаления звездолета от Гаргантюа вы с помощью телескопа ведете тщательные наблюдения за квазаром 8C 2975. Его струи – длинные тонкие столбы горячего газа, выбрасываемые из ядра квазара,– имеют огромную длину (3 млн св. лет). Направляя телескопы на ядро, вы видите источник энергии, обеспечивающей существование струй: толстый горячий «бублик» из газа размером около 1 св. года с черной дырой в центре. Изучив орбитальное вращение этого «бублика», вы определяете массу черной дыры – 2·10 9 M слн, т.е. примерно в тысячу раз меньше, чем масса Гаргантюа, но гораздо больше массы любой черной дыры в Млечном Пути. Наблюдая вихревое движение газа вблизи дыры, вы приходите к заключению, что эта дыра, в отличие от тех, которые встречались вам прежде, вращается весьма быстро. Энергия, поддерживающая существование струй чудовищной длины, отчасти обусловлена вращением черной дыры, а отчасти – движением газового «бублика». Различие между Гаргантюа и 8C 2975 поразительно: почему Гаргантюа, масса и размеры которой в 1000 раз больше, чем у квазара, не захватывает вращающийся газовый «бублик» и гигантские струи?

Дальнейшие исследования подсказывают ответ: один раз в несколько месяцев какая-либо звезда, обращающаяся вокруг черной дыры, входящей в состав квазара, подходит к дыре слишком близко и разрывается на части приливными силами черной дыры. Вещество из внутренней части звезды – газ массой около 1 M слн – выбрасывается наружу и распределяется вокруг черной дыры, после чего постепенно опускается, группируясь в окружающий дыру «бублик». В результате он всегда заполнен газом, несмотря на постоянные потери – падение вещества на черную дыру и выброс в струях.

Звезды подходят близко и к Гаргантюа. Но из-за ее больших размеров приливные силы снаружи от горизонта слишком слабы, чтобы разорвать звезду на части. Поэтому Гаргантюа «заглатывает» звезды целиком, без выбросов вещества из внутренней части звезды в окружающий ее газовый «бублик». Не имея такого «бублика», Гаргантюа не может образовать струи или другие атрибуты квазаров.

Пока ваш звездолет выбирается из гравитационной ловушки Гаргантюа, вы строите планы возвращения домой. К тому моменту, когда вы достигнете Млечного Пути, Земля станет на 2,4 млрд лет старше, чем во время вашего старта. Изменения в человеческом обществе будут настолько велики, что вы не испытываете особого желания возвращаться на Землю. Вместо этого вы и команда звездолета решаете освоить пространство вокруг какой-нибудь подходящей вращающейся черной дыры. Ведь именно энергия вращения дыры в квазаре 8C 2975 позволяет квазару «проявить себя» во Вселенной, поэтому энергия вращения дыры меньших размеров может стать источником энергии для человеческой цивилизации.

«Электростанция» на черной дыре

В туманности Орион, входящей в Млечный Путь, в то время когда вы покидали Землю, существовали две звезды массой около 30 M слн, вращавшиеся одна вокруг другой. Аккуратные вычисления на бортовом компьютере предсказывают, что каждая из этих звезд должна была взорваться, пока вы путешествовали к Гаргантюа, образовав невращающуюся черную дыру массой около 24 M слн (общая масса выброшенного при взрыве газа составляет примерно 6 M слн). Обе черные дыры должны теперь вращаться одна относительно другой, испуская в процессе вращения гравитационные волны. Эти волны будут передавать слабый импульс отдачи черным дырам, вызывая их чрезвычайно медленное, но неумолимое сближение по спирали. Небольшая коррекция ускорения звездолета позволит вам прибыть туда на последней стадии этого взаимного сближения: через несколько дней после прилета вы сможете наблюдать, как сливаются невращающиеся горизонты обеих черных дыр и как в результате образуется одна быстро вращающаяся дыра. Две родительские дыры были непригодны для поселения, поскольку не обладали заметным моментом количества движения, но новорожденная, быстро вращающаяся дыра представляется идеальной для поселения.

Итак, спустя 39 лет 11 мес. ваш звездолет, наконец, тормозит в той области Млечного Пути, где, по расчетам компьютера, должны находиться две черные дыры. А вот и они, точно на месте! Измеряя траектории движения межзвездного водорода, падающего на дыры, вы убеждаетесь, что они не вращаются и масса каждой составляет около 24 M слн в соответствии с предсказаниями компьютера. Длина горизонта дыры равна 440 км, дыры отстоят на 60 тыс. км и вращаются одна вокруг другой, совершая полный оборот за 14 с. Подставляя эти значения в формулы Эйнштейна (определяющие отдачу при испускании гравитационных волн), вы заключаете, что черные дыры должны слиться через три дня. Этого времени как раз достаточно для подготовки телескопов и съемочных камер к регистрации всех деталей события. Фотографируя искажения, вносимые гравитационной линзой в распределение звезд, расположенных за дырами, вы без труда проконтролируете их движение. Светлое кольцо сфокусированного излучения звезд, окружающее диск каждой черной дыры, обеспечит вам превосходный фотоснимок.

Вам бы хотелось быть поблизости, чтобы видеть все отчетливо, но при этом достаточно далеко, чтобы не испытывать беспокойства из-за приливных сил. Подходящим расстоянием, решаете вы, будет орбита, в 10 раз длиннее той, по которой обращаются черные дыры.

В течение трех следующих дней дыры постепенно сближаются и ускоряют свое орбитальное движение. За день до слияния расстояние между ними уменьшается с 60 до 46 тыс. км, а орбитальный период – с 14 до 9,3 с. За час до слияния они находятся на расстоянии 21 тыс. км друг от друга, а их период составляет 2,8 с. За минуту до слияния расстояние между ними 7400 км, а период 0,61 с. За 10 с до слияния расстояние 4700 км, период 0,31 с.

А затем в последние 10 с вы и ваш звездолет начинаете сотрясаться, сначала слабо, а затем все сильнее и сильнее. Все происходит так, словно гигантская пара рук схватила вашу голову и ноги и стала поочередно сжимать и растягивать вас все сильнее и сильнее, быстрее и быстрее. А затем еще более внезапно, чем началась, дрожь прекращается. Все спокойно.

«Что это было?» – бормочите вы, обращаясь к компьютеру, и голос ваш дрожит.

«Тише, тише,– успокаивает он.– Это были гравитационные волны от финальной стадии сближения черных дыр и их слияния. Вы привыкли к тому, что гравитационные волны настолько слабы, что зарегистрировать их могут лишь сверхчувствительные приборы. Но при слиянии черных дыр они необычайно сильны – будь ваша орбита в 50 раз меньше, звездолет могло разорвать на части вызванной ими тряской. Но сейчас вы в безопасности. Слияние завершилось, и волны прошли. На своем пути во Вселенной они расскажут удаленным наблюдателям о происшедшем здесь событии».

Направляя телескопы на источник гравитационного поля, вы обнаруживаете, что там, где недавно были две дыры, сейчас всего одна, причем она быстро вращается – вы видите это по вихрям падающих атомов водорода. Эта дыра станет идеальным генератором энергии для вас, вашей команды и тысяч поколений ваших потомков.

Аккуратные измерения параметров орбиты звездолета свидетельствуют, что масса образовавшейся дыры составляет 45 M слн. Поскольку суммарная масса родительских дыр равнялась 48 M слн, три солнечных массы должны были превратиться в энергию и унестись гравитационными волнами. Нечего удивляться, что вас трясло так сильно!

О вращении дыры свидетельствуют не только возникающие вихри атомов водорода, падающих в дыру, но и форма окруженного светлым кольцом темного пятна на небе под вами: это пятно сплющено из-за вращения дыры, как сплющена из-за вращения Земля. Более того, пятно выпячивается с одной стороны. Как объясняет компьютер, горизонт черной дыры захватывает световое излучение звезд легче, если они движутся вдоль его левого края, против направления вращения, чем при движении вдоль правого края, по направлению вращения*. Определяя форму пятна и пользуясь формулами ОТО, вы заключаете, что момент количества движения составляет 96% от максимального значения, допустимого для дыры такой массы. Зная же момент и массу, вы вычисляете другие свойства черной дыры, включая скорость вращения ее горизонта и длину ее экватора.

* Возникает сила, аналогичная силе Кориолиса, или магнитное поле при вращении заряженного тела.

Вращение дыры заинтересовало вас. Никогда прежде вы не имели возможности вблизи исследовать вращающуюся дыру. Поэтому вы вновь отыскиваете добровольца, робота R4D4, вызвавшегося исследовать окрестности горизонта. Ему даны четкие инструкции: спуститься, зависнув в нескольких метрах над горизонтом, и там, включив ракетные двигатели, удерживаться неподвижно точно под звездолетом. Таким образом, двигатели должны препятствовать как силе гравитационного притяжения, так и вихревому увлечению пространства. Жаждущий приключений R4D4 спускается вниз, форсируя двигатели сначала едва, а затем все сильнее, чтобы преодолеть вращение пространства и остаться точно под звездолетом. Когда он достигает орбиты, на 56% больше длины горизонта, лазерный луч приносит сообщение: «Я не могу преодолеть увлечение», и он неумолимо захватывается на круговую орбиту, вращаясь вместе с дырой.

«Не беспокойся,– отвечаете вы.– Насколько сможешь, препятствуй увлечению и продолжай спуск, пока до горизонта не останется 100 м».

По мере спуска R4D4 увлекается все быстрее и прекратив спуск в 100 м над горизонтом, вращается с такой же частотой, как и горизонт черной дыры,– 270 об/с. И как ни пытается он тягой двигателей препятствовать вращению, ему это не удается.

«Попробуй изменить направление тяги,– советуете вы.– Если не можешь вращаться медленнее, постарайся двигаться быстрее».

R4D4 изо всех сил пытается форсировать двигатели, но скорость его орбитального движения почти не меняется. Вы по-прежнему видите его совершающим 270 об/с вокруг черной дыры. А затем топливо иссякает, и он начинает падать внутрь. Его лазерное излучение становится инфракрасным, затем превращается в радиоволны, но мерцает все с той же частотой, свидетельствующей о том, что нет никаких изменений в его вращательном движении. Он ушел в глубь черной дыры, нырнув в неистовую сингулярность, которую вы никогда не сможете увидеть...

Через три недели, посвященных экспериментам и наблюдениям, вы и ваша команда принимаетесь, наконец, за строительство. Доставив материалы с далеких планет, создаете рабочее кольцо вокруг черной дыры. Оно имеет длину около 5 млн км, толщину 2 тыс. км и ширину 4 тыс. км и вращается с постоянной скоростью, совершая оборот за 36 мин, чтобы центробежные силы препятствовали гравитационному притяжению черной дыры в центральном слое кольца, в 1000 км от внутренней и внешней поверхностей. Размеры кольца тщательно выбраны, так что люди, предпочитающие жить при земной силе тяжести, могут построить свои дома у внешней или внутренней поверхностей кольца, а те, кто выбирает более слабое притяжение, могут поселиться ближе к его осевой линии. Эти различия в силе тяжести целиком обусловлены приливной силой черной дыры, или, в терминах ОТО,– кривизной пространства-времени.

Электроэнергия, необходимая для обогрева и освещения вашего «кольцевого» мира», берется от черной дыры: 20% массы дыры запасено во вращении пространства вблизи ее горизонта. Превратившись в энергию, эта величина в 100 тыс. раз превзойдет энергию, которую Солнце испускает в виде тепла и света до конца своих дней!

Ваш преобразователь действует по тому же принципу, что и квазары, принципу, впервые открытому в 1977 г. английскими астрофизиками Р. Блэндфордом и Р. Знаеком. Вы внедряете магнитное поле под горизонт дыры и удерживаете его, несмотря на то что оно стремится улизнуть, с помощью гигантских катушек. Поскольку дыра вращается, ее вращательный момент взаимодействует с магнитным полем; в результате образуется гигантский электрический генератор, в котором магнитные силовые линии работают как линии передачи энергии от черной дыры. Электрический ток течет от экватора черной дыры (в форме потока электронов в обратном направлении) по магнитным силовым линиям в ваш кольцевой мир, а затем от него (по другому набору магнитных силовых линий) вниз, к северному и южному полюсам черной дыры. Меняя напряженность магнитного поля, вы можете регулировать выходную мощность «электростанции». По мере того как вы отбираете энергию, дыра замедляет свое вращение, но время, в течение которого вы сможете черпать из этого огромного энергетического резервуара, практически бесконечно*.

* Подробнее о работе черной дыры как «электростанции» см.: Новиков И.Д. Электродинамика черных дыр // Природа. 1986. №7. С. 59...67.

Изложенные выше истории звучат как фантастика. Отчасти это действительно так: я не могу гарантировать, что существует черная дыра с массой 10 M слн вблизи Веги или массой 100 тыс. M слн – в центре Млечного Пути, так же как и то, что черная дыра с массой 1,5·10 12 M слн найдется вообще где-нибудь во Вселенной. Это все, конечно, вымысел. Точно так же я не могу обещать, что человек когда-нибудь добьется таких успехов в развитии техники и технологии, что станут реальностью межгалактические или хотя бы межзвездные полеты и конструирование кольцевых миров вокруг черных дыр.

С другой стороны, я с полной определенностью могу гарантировать (точнее, с почти полной – такой же, как уверенность в том, что Лос-Анджелес завтра не будет разрушен землетрясением), что черные дыры существуют в нашей Вселенной и обладают в точности теми свойствами, о которых рассказывалось. Если вы окажетесь в звездолете непосредственно над горизонтом черной дыры массой 1,2·10 12 M слн, я могу утверждать, что законы физики внутри вашего звездолета будут такими же, как на Земле, но что если вы обратите свой взор на небо вокруг вас, то увидите всю Вселенную в виде блестящего маленького диска над головой. Я могу с уверенностью утверждать, что если вы отправите робота-исследователя к горизонту вращающейся черной дыры, никакая сила тяги его двигателей не позволит ему вращаться быстрее или медленнее, чем сама черная дыра. Я гарантирую, что быстро вращающаяся черная дыра запасает 29% своей массы в виде энергии вращения и что если вы окажетесь достаточно сообразительны, то сможете извлечь эту энергию и использовать ее для своих нужд.

Почему я могу говорить обо всем этом с такой уверенностью? Ведь я никогда не видел черной дыры. И никто не видел. Астрономы лишь обнаружили косвенные данные, подтверждающие существование черных дыр, но до сих пор нет никаких наблюдений, свидетельствующих об их свойствах столь определенно. Почему же я так смело берусь утверждать весьма многое о них? По одной простой причине – законы физики предсказывают эти свойства черных дыр и предсказывают их вполне недвусмысленно, не оставляя место сомнениям. Из законов физики можно вывести все свойства черных дыр (снаружи от горизонта).

Но почему я так доверяю законам физики? Потому что они оказались весьма плодотворными в предсказании и объяснении результатов сотен и тысяч экспериментов и наблюдений на Земле и в Солнечной системе.

А что позволяет мне думать, что те законы, которые так замечательно «работают» в Солнечной системе, будут действовать в межзвездном пространстве и даже в межгалактическом? Я убежден в этом, ибо астрономические исследования нашей и других галактик (весьма детальные исследования) никогда не свидетельствовали о нарушениях физических законов, известных нам.

Последние 20 лет я принимал участие в теоретических поисках, которые создали наше сегодняшнее представление о черных дырах, а также занимался поисками предсказанных проявлений черных дыр в астрономических наблюдениях. Мой личный вклад в это дело невелик, но вместе с моими коллегами – физиками и астрономами – я наслаждался восторгом поиска и был восхищен способностью человеческого разума проникнуть в суть таких явлений. Моя книга представляет собой попытку донести это волнение и удивление до людей, не являющихся специалистами в физике или астрономии.

Кип Стивен Торн (Kip Stephen Thorn), заведующий кафедрой Калифорнийского технологического института (США), член Национальной академии наук США, член ученого совета НАСА. Почетный доктор Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова. Степень доктора философии получил в 1965 г. в Принстонском университете. Специалист в области теории гравитации, астрофизики, квантовой теории измерений. Автор ряда книг, в том числе переведенной на русский язык: Гравитация (совместно с Дж. Уиллером и Ч. Мизнером) М., 1977.

«Природа», №8, 1988 г.