Смерть с небес - Филип Плейт

Энергия взрыва все равно должна быть безумно большой, иначе мы не увидели бы его так четко сквозь просторы Вселенной, но не настолько невероятной. На деле, энергия этого события была бы сравнима с энергией вспышки сверхновой. Это дало астрономам надежду на то, что они смогут найти Святой Грааль науки о гамма-всплесках: движущую силу этого явления.

А из всех обитателей космического зверинца, о которых астрономам было известно, только один в принципе мог бы генерировать силы таких масштабов.

Черные дыры имеют дурную славу — они засасывают материю и энергию и не возвращают их, поэтому может показаться парадоксом, что они могут стоять за всплесками гамма-излучения, самыми яркими явлениями во Вселенной.

Но ключом к этому является гравитация. А ключом к ней является процесс образования черных дыр. Поэтому давайте сделаем шаг назад (что в принципе неплохо, когда имеешь дело с черными дырами) и взглянем на это исключительное событие со стороны.

В главе 3 мы узнали, что, когда в ядре массивных звезд заканчивается топливо для синтеза, они взрываются. Невероятно мощные силы тяготения ядра приводят к его коллапсу, и это запускает последовательность событий, приводящих к взрыву звезды. В описании главным образом говорилось о том, что происходит с наружными слоями сверхновой, но не о том, что происходит в самом ядре. Но именно в нем кроется мощь гамма-всплесков.

Во время коллапса железного ядра зарождающейся сверхновой электроны врезаются в протоны с образованием нейтронов (а также излучаются нейтрино — главный детонатор при взрыве сверхновой). В мгновение ока все ядро звезды превращается в море нейтронов, а нормальной материи практически не остается. То, что когда-то было железным шаром диаметром в тысячи километров, стало сверхплотной нейтронной звездой, возможно, 15 км в поперечнике. Ее масса сравнима с массой Солнца, но плотность невероятно увеличилась: чайная ложка вещества нейтронной звезды весила бы миллиард тонн! Это чуть больше, чем суммарная масса всех легковых автомобилей в Соединенных Штатах — представьте себе 200 млн автомобилей, спрессованных до размеров кубика сахара, и вы начнете осознавать, насколько экстремальна материя нейтронной звезды.

Невероятная масса нейтронной звезды может существовать благодаря причудливому эффекту квантовой механики, который называется вырождением (см. главу 3). Он подобен электростатическому отталкиванию — в том смысле, что одноименные заряды отталкиваются, — но в данном случае это стремление определенных субатомных частиц сопротивляться слишком сильному сжатию. Вырождение будет наблюдаться, если вы попытаетесь утрамбовать слишком много электронов, но оно также влияет на нейтральные частицы, такие как нейтроны. Это поразительно мощная сила, способная удерживать массивное ядро от дальнейшего коллапса. Коллапс ядра резко обрывается, и рождается нейтронная звезда…

…почти всегда. Оказывается, что, если масса коллапсирующего звездного ядра превышает массу Солнца примерно в 2,8 раза, даже вырождение нейтронов не в состоянии остановить этот процесс. Силы тяготения ядра слишком велики, и коллапс продолжается. Но в этот раз во всей Вселенной не найдется достаточно мощных сил, способных его остановить.

Дальше происходят настолько экзотические события, что человеческому разуму очень сложно их постичь. По мере уменьшения размеров, но не массы, объекта его силы тяготения увеличиваются. Приведем простой пример: если бы каким-то образом вам удалось сжать Землю до половины ее настоящего диаметра, но сохранить ее массу, силы тяготения, которые вы бы ощущали (и, соответственно, ваш вес), увеличились бы. Чем меньше становится Земля, тем больше ее силы тяготения.

Если бы вы захотели запустить ракету на Луну с этого нового сжавшегося шарика, вам пришлось бы сделать ее гораздо более мощной, иначе она не смогла бы преодолеть притяжение Земли. Если бы вы сжали Землю еще больше, ракете понадобилась бы еще большая мощность и так далее. В конце концов Земля бы сжалась настолько, что ее силы тяготения было бы невозможно преодолеть.

Вероятно, вы думаете, что просто нужно увеличить тягу ракеты, но, когда материя становится настолько плотной, нужно дать слово Эйнштейну. Он сформулировал постулат, согласно которому силы тяготения — это всего лишь проявление искривленного пространства. То, что вами ощущается как сила, направленная вниз, к центру Земли, это на самом деле прогиб пространства аналогично тому, как прогнулся бы матрас, если бы вы плюхнули на него шар для боулинга. Запустите стеклянный шарик катиться по кровати, и кровать под ним будет прогибаться так же, как изгибается путь астероида из-за притяжения Земли, когда он пролетает мимо нее.

Это не просто модель, не просто предположение. Последствия этого вполне реальны: если слишком много массы набито в слишком малый объем, пространство может так сильно изогнуться, что превратится буквально в бездонную яму. Вы можете туда упасть, но никогда не сможете из нее выбраться.

Объект, подобный этому, — как дыра в пространстве. Ничто не может выбраться из нее, даже свет. Так как дыра не может излучать свет, она будет черной. Как бы вы назвали такой объект?

Именно это происходит в ядре взрывающейся звезды. Если ядро слишком массивное и стабильная нейтронная звезда образоваться не может, оно коллапсирует. Прямиком к центру. Ядро сжимается в математическую точку, пространство изгибается до точки разрыва непрерывности, и рождается черная дыра.

У дыры мощнейшее притяжение. Любая материя, находящаяся поблизости, будет безжалостно затягиваться в нее. Но есть одна загвоздка. Звезды вращаются, соответственно, вращаются и их ядра. При коллапсе ядра и формировании черной дыры это вращение ускоряется, так же как фигуристка может ускорить свое вращение, прижав руки к телу. Вновь образовавшаяся черная дыра будет вращаться очень быстро, и любая материя, падающая в нее, будет так же вращаться вокруг нее, как вода, утекающая в слив. Чем ближе материя подходит к черной дыре, тем быстрее будет кружиться вокруг нее.

Поэтому материя, падающая в черную дыру, не падает в нее прямиком — плюх! — и исчезает, а спускается по спирали. Материя, находящаяся непосредственно у черной дыры, начинает скапливаться и образует уплощенный диск, называемый аккреционным диском (аккреция — это процесс накопления материи). Такое будет происходить при коллапсе любой вращающейся звезды, но модели показали, что прародители гамма-всплесков могут вращаться даже быстрее, чем обычно. Такие быстро вращающиеся объекты образуют аккреционный диск гораздо легче, чем медленнее вращающаяся звезда. А как только диск сформировался, жуткие силы тяготения черной дыры разгонят внутреннюю часть диска практически до скорости света, и даже материя, находящаяся ближе к периферии диска, все равно будет двигаться невероятно быстро.

В процессе образования черной дыры увеличиваются не только скорость вращения и сила тяготения. Звезды также обладают магнитными полями, как огромные магнитные бруски (см. главу 2). При сжатии звезды растут как сила тяготения, так и сила магнитного поля. Магнитное поле обычной звезды может быть не сильнее магнитного поля Земли: оно сможет сдвинуть стрелку компаса, но и только. Но, если вы возьмете звезду с диаметром несколько миллионов километров и сожмете ее в шарик диаметром всего несколько километров, ее магнитное поле также невероятно увеличится, становясь в миллион и даже триллион раз сильнее.