Sinkabout Наводим на мысли

Дырявый космос: как разогнаться до скорости света?

Идеей использования чёрных дыр человечество было охвачено практически с самого их открытия. Из них предлагали черпать энергию, превратить в гигантскую флешку или квантовый компьютер. Сейчас заговорили о возможности запускать корабль с околосветовой скоростью. Sinkabout разбирался, какие волосы есть у чёрных дыр и откуда взялась белая дыра.

Идеи о чёрных дырах или, как изначально их называли, «чёрных звёздах» возникли ещё в конце XVIII века. Английский священник и естествоиспытатель Джон Митчел (он же «отец сейсмологии», открывший волнообразную природу землетрясений) в 1784 году послал в Лондонское научное общество письмо, в котором предположил, что существуют некие сверхтяжёлые небесные тела. Для них вторая космическая скорость (то есть скорость, которую надо развить, чтобы побороть гравитацию и улететь от тела) будет больше скорости света. Иными словами, «чёрная звезда» будет притягивать свет, а не излучать, а потому она будет незаметной на фоне тёмного неба. На протяжении XIX века учёные не обращали внимания на чёрные дыры, поскольку тогда скорость света не была вычислена точно.

После открытия Эйнштейном теории относительности учёные задумались, а как в новых релятивистских условиях соотносится масса и гравитация сферических тел. Решение предложил немецкий астрофизик Карл Шварцшильд. Он вывел формулу так называемого радиуса Шварцшильда, или гравитационного радиуса. Эта величина определяет, какого размера должен быть сферический невращающийся объект, чтобы превратиться в чёрную дыру. На этом расстоянии расположен горизонт событий — часть пространства, которая не выпускает из себя ничего, даже свет. Существует даже так называемое гравитационное красное смещение — когда у света, который посылает засасываемый в дыру объект, увеличивается длина волны, а визуально это выглядит как покраснение света или вообще переход его в невидимую часть спектра. По теории Шварцшильда, объекты с большой массой имеют очень маленькие размеры. Например, чтобы стать чёрной дырой, Земля должна быть с ноготок (и это не художественное преувеличение: радиус Шварцшильда для Земли — 8,89 мм), а гравитационный радиус Солнца — как от начала Невского проспекта до Московского вокзала.

Земля шварцшильдовского размера — это всего лишь крохотный шарик. Источник: twitter.com

На самом деле неверно думать, что чёрная дыра просто всасывает в себя окружающую материю. Для неё, как и для всех других объектов, существует закон всемирного тяготения, поэтому лучшее средство обезопасить себя от чёрных дыр — просто держаться от них подальше. Солнечной системе такой сценарий не грозит: ближайшая чёрная дыра (и та — неточно), входящая в состав двойной звезды V616 из созвездия Единорога, расположена на расстоянии в 3000 световых лет от Земли.

Чёрная дыра — это один из сценариев смерти звезды. Вообще вся звёздная судьба предопределена её массой. Чем больше звезда, тем больше у неё шансов стать чёрной дырой. Такой исход ждёт небесное тело с массой более 10 солнечных. Маленькие звёзды просто сжимаются и становятся горячими, но тусклыми белыми карликами, а недостаточно большие — взрываются вспышкой сверхновой и становятся нейтронными звёздами. Звёзды достаточно тяжёлые коллапсируют (то есть сжимаются) до состояния чёрной дыры, при этом плотность звёздного вещества чудовищно увеличивается, и материя становится предельно сконцентрированной. Звезда сплавляется в бесконечно плотный комок, у которого остаётся только три характеристики — масса, электрический заряд и угловой момент, характеризующий вращательное движение.

Любая другая информация оказывается утраченной за горизонтом событий. Это свойство чёрных дыр имеет крайне забавное название — «гипотеза об отсутствии волос». Волосы в данном случае — это метафора, которая отражает информацию о материи, образовавшей чёрную дыру.

Поскольку у дыры есть три характеристики, все они могут так или иначе проявляться в каждом конкретном объекте. Загвоздка в том, что решение Шварцшильда верно лишь для нейтральных по заряду и статичных чёрных дыр. На деле же многие из дыр становятся заряженными (решение Рейснера-Нордстрёма), начинают вращаться (решение Кера) или то и другое одновременно. Такие чёрные дыры из-за колоссальной гравитации и своих особых свойств порождают изменения в геометрии пространства-времени.

Сейчас чёрные дыры считаются объектами с нетривиальной топологией. Это значит, что, помимо чёрных дыр, всасывающих материю, должны существовать белые дыры, то есть объекты, исторгающие материю. Попадая в чёрную дыру, объект может появиться в любом месте пространства-времени из белой дыры — то есть оказаться в прошлом, будущем, в миллионах световых лет от изначального положения или вообще в новой Вселенной. Стивен Хокинг предполагал, что существуют чёрные дыры и кротовые норы или червоточины — через них можно путешествовать по другим мирам. Правда, это сценарий номер два. По первому сценарию, человек всё же не сможет выбраться из горизонта событий.

Так могла бы выглядеть кротовина. Источник: space.com

С именем знаменитого учёного связана ещё одна удивительная теория. По Стивену Хокингу, чёрные дыры не такие уж и чёрные. Существует так называемое излучение Хокинга. Благодаря ему чёрные дыры, как бы это парадоксально ни звучало, не только всасывают материю, но и отдают её. В непосредственной близости от горизонта событий из-за флуктуаций (хаотичных отклонений) гравитации и электромагнитного поля из вакуума возникают пары частица-античастица. И если одна из них падает в горизонт событий, то другая улетает прочь. Согласно закону сохранения энергии, улетевшая частица забирает часть энергии и массы с собой, а упавшая — отнимает. Таким образом, чёрные дыры выделяют частицы и постоянно уменьшаются, и чем меньше дыра, тем быстрее она «испаряется». Кстати, именно так отвечают скептикам учёные, которые работают на Большом адронном коллайдере. Мол, если чёрная дыра и возникнет, то будет такой крошечной, что мгновенно исчезнет за счёт излучения Хокинга.

Чёрный юмор о чёрных дырах. Источник: pikabu.ru

На этих идеях основан ряд гипотетически возможных предложений, как использовать чёрные дыры на пользу человечества. Одно из них — это сингулярный реактор, который работает как своеобразная печка: микроскопические чёрные дыры кормят материей, а выходящее из них излучение Хокинга используют для совершения работы. Но в концепции сингулярного реактора нет ничего, кроме самой концепции. До сих пор непонятно, как создавать и контролировать чёрные дыры.

Ещё одну идею допустил Адам Браун, физик Стэнфордского университета. Не все частицы излучения Хокинга улетают от чёрной дыры — часть возвращается, захваченная всё той же огромной гравитацией.

Поэтому вокруг горизонта событий должна существовать особая тепловая атмосфера, из которой можно черпать энергию. Но вот незадача: никакой трос или космический лифт не выдержит притяжения чёрной дыры даже вне горизонта событий, поэтому Адам Браун признаёт, что эта идея изначально обречена на провал.

Наконец, недавно предложили ещё один изящный способ вытягивать энергию из чёрных дыр. В 1993 году физик Марк Стаки предположил, что чёрная дыра могла бы быть гравитационным зеркалом, и поток частиц, пущенный в дыру по определённой траектории, мог бы обогнуть тело и вернуться к источнику. Сейчас астрофизик из Колумбийского университета Дэвид Киппинг подсчитал, что если чёрная дыра движется навстречу потоку частиц, то он вытянет из дыры часть энергии. На этот усиленный луч можно посадить космический корабль со световыми парусами и экономить горючее при межзвёздных путешествиях. Учёный назвал изобретение «halo drive» и заявил, что технология может разогнать корабль массой с Юпитер до околосветовых скоростей.

Световой парус в научно-фантастическом мультфильме Disney. Источник: dixnews.ru

Эмиль Ахмедов, д. ф.-м.н., ведущий научный сотрудник Института теоретической и экспериментальной физики имени А.И. Алиханова, профессор кафедры теоретической физики МФТИ замечает:

«Предложение не лишено смысла. Механизм ускорения „halo drive“ связан с извлечением энергии вращения чёрной дыры за счёт так называемого эффекта Пенроуза. Если точно просчитать траекторию фотонов, то вполне может получиться разогнать космический корабль под световыми парусами. И не важно, что для этого мы используем чёрную дыру — так, для похожей технологии гравитационной пращи это не важно. Например, уже сейчас гравитационное поле обыкновенных планет используют для разгона таких космических аппаратов, как Вояджер или Кассини».

Как бы то ни было, все исследования чёрных дыр на данный момент — или теоретические, или целиком построены на наблюдении. Несмотря на то что в Млечном пути несколько миллионов чёрных дыр, они настолько удалены от нас, что эра экспериментов пока не наступила. Но изучение дыр и их природы приблизит нас к пониманию сущности гравитации и всей квантовой физики.

1499
Написать свой комментарий...