Так ли уж темна «тёмная сторона» Луны? Что представляют собой чёрные дыры, и почему они чёрные? Что такое тёмная материя и тёмная энергия? Об этом астроном Владимир Сурдин рассказал слушателям интеллектуального клуба «Химия слова» на онлайн-лекции.
Рассказываем о тёмной стороне Вселенной
Что там, на той стороне Луны?
Луна всегда повернута к Земле одним боком: из-за приливного захвата вращение нашей планеты и её спутника синхронизировано. Поэтому с Земли невозможно увидеть обратную сторону Луны.
Однако она не такая уж тёмная – та сторона освещается солнцем, когда на Земле день. Название «тёмная сторона Луны» – калька с английского. «Dark» – не только что-то тёмное, но и неизвестное, таинственное.
Впервые люди смогли увидеть ту сторону, когда Луну облетел советский космический аппарат «Луна-3». Первые снимки были не лучшего качества, но сейчас благодаря многим новым изображениям из разных космических миссий мы можем подробно рассмотреть рельеф загадочной «тёмной стороны».
Скрытое от глаз наблюдателей полушарие разительно отличается от видимого нами. На той стороне Луны практически нет морей (так астрономы называют крупные углубления в рельефе, похожие на земные моря и океаны), и вся она испещрена метеоритными кратерами.
– Моря Луны к воде не имеют никакого отношения, но когда-то это были моря расплавленной магмы. Она застыла, по цвету «морская» часть нашего спутника гораздо темнее «континентальной». Главная загадка Луны состоит в том, что она несимметрична, – рассказал Владимир Сурдин. – Но самое интересное – Земля тоже несимметрична: с одной стороны – груда материков, а с другой – огромный Тихий океан. Учёные не могут объяснить этот феномен.
Ну и дыра!
Первым человеком, предположившим возможность существования чёрных дыр, был английский геофизик и астроном Джон Мичелл. Он подсчитал, что тело с массой Солнца, но радиусом меньше трёх километров, обладало бы настолько мощной силой притяжения, что даже свет не мог бы улететь от него. Издали оно бы казалось абсолютно чёрным.
Свою теорию Мичелл представил на заседании Лондонского Королевского общества в 1783 году. Современники встретили её со скепсисом – существование настолько компактных массивных тел казалось чем-то невероятным.
Спустя 13 лет эту теорию переоткрыл французский математик и астроном Пьер Лаплас. Исследователь опубликовал её в книге «Система мира», но и она прошла незамеченной.
Всё изменилось с того момента, как Альберт Эйнштейн создал общую теорию относительности. В отличие от ньютоновской, новая теория описывала гравитацию как силу, искривляющую пространство-время.
Эйнштейн вывел уравнение для геометрической теории гравитации, но оно содержало переменные с множеством значений, и потому решить его – дело непростое. Это удалось талантливому немецкому математику и астроному Карлу Шварцшильду. Он создал формулу для расчёта радиуса горизонта событий – того радиуса, при котором вторая космическая скорость (превысив которую, возможно «улететь» с космического тела) в окрестностях чёрной дыры становится равна скорости света. Горизонт событий – это «точка невозврата»: если пересечёшь её, то из чёрной дыры уже не вырвешься.
Кстати, интересный факт: если бы кто-то рискнул направиться прямиком в чёрную дыру, то он, конечно же, был бы раздавлен огромной силой гравитации, но вот для наблюдателя со стороны он бы остался навсегда зависшим на горизонте событий. Дело в том, что чёрная дыра настолько искривляет пространство-время, что само течение времени у горизонта событий останавливается.
Следующий шаг в исследовании сделал новозеландский математик Рой Керр. Он решил уравнение Эйнштейна для вращающихся тел и рассчитал, что чёрную дыру будет окружать сфера, которую он назвал пределом статичности. Между пределом статичности и горизонтом событий находится область – эргосфера. Если какое-либо тело в неё попадет, то оно ещё может ускользнуть прежде, чем пересечёт горизонт событий. Но в этой области вращение дыры подхватывает тело и вращает, как на карусели.
– Изучать чёрные дыры – очень сложная задача. Это чистая математика, – говорит Владимир Сурдин. – Доказательства на практике учёные собирают по крупицам. Например, искусственные спутники Земли помогли доказать, что увлекаемые гравитацией большего тела объекты вращаются в ту же сторону, что и само тело.
Верно ли, что черные дыры ничего из себя не выпускают? Известный английский физик-теоретик Стивен Хокинг считал иначе. Вакуум – не пустое пространство, в нем могут рождаться и моментально исчезать пары виртуальных частиц. На границе черных дыр такие пары могут разделяться, и когда одна пересекает горизонт событий, вторая вырывается, образуя хокингское излучение. Подтвердить его существование смогла группа израильских учёных в 2019 году.
И не дыра вовсе?
Чёрные дыры появляются не сами по себе. Они – ядра умерших звёзд.
Звёзды рождаются из раскаленных газовых облаков и миллиарды лет поддерживают своё горение за счет термоядерных реакций. Перед самой смертью звезды её внешняя оболочка раздувается, остывает, а ядро, наоборот, сжимается. Звезда становится красным гигантом. Затем она сбрасывает внешнюю оболочку, из которой образуется яркая планетарная туманность, а ядро перерождается в белый карлик. Это если звезда была маленькой, как, например, наше Солнце.
Если же звезда огромна, во много раз больше Солнца, сбрасывание оболочки сопровождается взрывом сверхновой. Такое название этому явлению дали древние астрономы: когда они видели яркую вспышку на небе, они думали, что это рождение звезды. На самом деле так звезда умирала.
После смерти из ядер огромных звезд рождаются массивные компактные тела. Это могут быть либо нейтронные звёзды – объекты с очень большой плотностью вещества: наперсток такого весил бы тысячи тонн. Либо чёрные дыры – зависит от того, насколько сильно сжалось ядро.
Чёрные дыры невидимы, их сложно обнаружить. Они действуют как линзы, преломляющие пространство, поэтому заметить их можно если они пройдут на фоне какого-то очень яркого объекта, например, далекой галактики. Но подобные наблюдения заняли бы не один миллион лет.
Долгое время считалось, что не удастся обнаружить нейтронные звёзды, излучающие мало света, и тем более чёрные дыры, вообще свет не выпускающие. Также подвергали сомнению существование компактных массивных тел. Но исследовательница Джоселин Белл с помощью радиотелескопа обнаружила радиоимпульсы, которые испускали нейтронные звёзды. Это доказало, что объекты малого размера с большой массой всё-таки существуют. Оставался шаг до открытия чёрных дыр.
Увидеть чёрную дыру стало возможным с открытием двойных звёздных систем. В случае, если в такой системе один из компонентов – нейтронная звезда или чёрная дыра, то массивное компактное тело начинает утягивать звёздное вещество с обычной звезды. При перетекании вещество начинает вращаться в аккреционном диске, оно нагревается и испускает разного рода излучение, которое и выдают положение нейтронной звезды или чёрной дыры.
Аккреционный диск вокруг чёрной дыры искривляется замысловатым образом: так, что наблюдатель может видеть сияние одновременно спереди и сзади. Наглядно это показали в фильме «Интерстеллар», научным редактором которого был астрофизик Кип Торн.
Двойные системы из двух нейтронных звёзд или двух чёрных дыр способны порождать гравитационные волны, существование которых предсказал Эйнштейн. Их фиксируют с помощью огромных гравитационно-волновых лазерных детекторов: длина их труб-антенн – четыре километра. Сейчас таких детекторов шесть.
Двойные системы порождают гравитационные волны за счет того, что два массивных объекта быстро вращаются вокруг общего центра масс и понемногу приближаются друг к другу. В какой-то момент они подходят настолько близко, что сливаются в один объект. Сами по себе волны не сильные, пик наступает в момент слияния, и после гравитационные волны затухают.
В 2015 году два американских детектора поймали одинаковый сигнал: на расстоянии миллиарда световых лет от нас произошло слияние двух чёрных дыр. После этого детекторы ловили ещё несколько слияний чёрных дыр, а в 2017 году они засекли слияние двух нейтронных звёзд. Оно произошло со взрывом, который удалось сфотографировать телескопу-роботу.
Ещё один способ обнаружить черную дыру – наблюдение за звёздами. В густых шаровых звездных скоплениях звезды на периферии могут вращаться медленнее чем те, что ближе к центру. Это значит, что вращение в центре сообщает какое-либо массивное тело – чёрная дыра. Кстати, в центре нашей Галактики тоже находится огромная чёрная дыра. За доказательство её существования в нынешнем году году Нобелевскую премию получили немецкий астрофизик Райнхард Генцель и американский астроном Андреа Гез.
Невидимое глазу наполнение
– Около пяти процентов вещества Вселенной – это известные нам субстанции, а всё остальное – тёмная материя и тёмная энергия, – рассказывает Владимир Сурдин. – Они невидимы, мы не можем их обнаружить, но наблюдаем эффекты, которые доказывают их существование.
Одно из этих доказательств – одинаковая скорость вращения звёзд по всей Галактике. Дело в том, что по расчётам скорость вращения должна падать при удалении от центра. Но этого не происходит, а значит, масса Млечного Пути не только в звёздах, но и в невидимом межзвёздном веществе – тёмной материи.
Другое доказательство – скопления галактик. Они действуют, как линзы, искажая свет от очень далёких объектов во вселенной. По силе искажения можно определить массу такого скопления. И расчёты показали, что масса скопления галактик во много раз больше совокупной массы звёздного вещества в них. И это снова показывает, что есть невидимое вещество, составляющее большую часть массы скопления.
– Тёмная материя действует как всепроницаемое, ни с чем не взаимодействующее вещество, оно – носитель массы, – говорит Владимир Сурдин. – Вселенная неоднородна, и её неоднородность объясняется именно наличием тёмного вещества, которое обуславливает гравитационные эффекты.
Когда Вселенная родилась, именно плотные сгустки тёмной материи способствовали образованию скоплений звёзд и галактик. Теперь галактики разлетаются друг от друга, и сила, что «расталкивает» их в разные стороны, названа тёмной энергией. Это самая загадочная сила, поскольку её природа не исследована.
И что будет со Вселенной дальше – пока ещё не разгаданная загадка.
Ольга Тебенкова, оригинал статьи опубликован в газете «Волжский химик»