Книга: Математика космоса [Как современная наука расшифровывает Вселенную]

* * *

Большинство астрономов признают, что подобные наблюдения свидетельствуют о существовании черных дыр в традиционном релятивистском смысле; тем не менее убедительных доказательств того, что принятая интерпретация верна, у нас нет. Все наши доказательства — в лучшем случае косвенные и основаны на современных теориях фундаментальной физики, хотя мы и знаем, что теория относительности и квантовая механика плохо уживаются между собой, особенно когда, как в данном случае, нам необходимо привлекать одновременно то и другое. Отдельные вольнодумцы-космологи начинают сомневаться, действительно ли то, что мы видим, — это черные дыры; может быть, это что-то другое, что выглядит примерно так же. Они задумываются также о том, не пора ли нам заново обдумать теоретические представления о черных дырах.

По мнению Самира Матура, вариант «Интерстеллар» не работает. Невозможно упасть в черную дыру. Мы уже видели, что, вопреки первоначальным представлениям, черные дыры способны излучать по квантовым причинам. Это хокинговское излучение, в котором одна частица из неустойчивой виртуальной пары частица/античастица падает в черную дыру, а другая улетает прочь. Это приводит нас к информационному парадоксу черной дыры: информация, как и энергия, сохраняется и потому не может навсегда уйти из Вселенной. Матур разрешает этот парадокс, предлагая другой взгляд на черную дыру: «пушистый шар», к которому можно прилипнуть, но в который невозможно проникнуть.

В этой теории ваше столкновение с черной дырой не заканчивается падением в нее. Вместо этого ваша информация распределяется тонким слоем по горизонту событий, и вы превращаетесь в голограмму. Идея не новая, но нынешний ее вариант допускает, что голограмма — это несовершенная копия упавшего объекта. Тут есть внутреннее противоречие, отчасти потому, что та же логика, кажется, наглядно показывает, что горизонт событий — весьма энергетически насыщенный барьер, файервол, — и все, что на него попадает, попросту поджарится. «Пушистый шар» или файервол? Вопрос чисто схоластический. Вполне возможно, что и то и другое лишь артефакты неподходяще выбранной системы координат, подобно дискредитированному мнению о том, что горизонт событий останавливает время. С другой стороны, невозможно различить то, что видит внешний наблюдатель, и то, что видит наблюдатель, упавший внутрь, если внутрь ничего упасть не может.

В 2002 году Эмиль Моттола и Павел Мазур подвергли сомнению распространенное представление о коллапсирующих звездах. Они предположили, что такие звезды, вместо того чтобы становиться черными дырами, возможно, превращаются в гравастары — гипотетические странные пузыри очень плотного вещества. Снаружи гравастар, по идее, должен очень походить на традиционную черную дыру. Но то, что мы привыкли называть горизонтом событий, представляет у него холодную плотную оболочку, внутри которой пространство обладает упругостью. Эта гипотеза пока очень спорна, в ней не разрешены кое-какие тонкие вопросы — такие, к примеру, как механизм образования подобных объектов, — но притом необычайно интересна.

Источником данной теории стал пересмотр релятивистского сценария для черной дыры в свете квантовой механики. Обычно на эти эффекты не обращают внимания, но в результате возникают странные аномалии. Информационное содержание черной дыры, к примеру, намного больше, чем информационное содержание коллапсировавшей звезды, но информация-то должна сохранятся. Опять же фотон, падающий в черную дыру, к моменту встречи с центральной сингулярностью должен приобрести бесконечную энергию.

Моттола и Мазур, столкнувшись с этими проблемами, заинтересовались, нельзя ли разрешить их при помощи правильного квантового подхода. Когда коллапсирующая звезда приближается к образованию горизонта событий, она создает мощнейшее гравитационное поле. Это поле искажает квантовые флуктуации пространства-времени и порождает другой тип квантового состояния, схожий с гигантским «суператомом» (специальный термин: конденсат Бозе — Эйнштейна). Это скопление идентичных атомов, находящихся в одном и том же квантовом состоянии, при температуре, близкой к абсолютному нулю. Горизонт событий становится тогда тонкой оболочкой гравитационной энергии, похожей на ударную волну в пространстве-времени. Эта оболочка оказывает отрицательное (то есть направленное наружу) давление, так что вещество, упавшее внутрь ее, развернется и поднимется обратно к оболочке. Однако вещество снаружи будет по-прежнему всасываться внутрь.

С математической точки зрения гравастары имеют смысл: это стабильные решения эйнштейновских уравнений поля. Они помогают обойти информационный парадокс. Физически они заметно отличаются от черных дыр, хотя снаружи и выглядят одинаково: как внешняя метрика Шварцшильда. Предположим, что коллапсирует звезда массой 50 солнечных. В традиционном варианте получается черная дыра 300 километров в поперечнике, которая будет испускать хокинговское излучение. По альтернативной теории получается гравастар того же размера, но его оболочка имеет толщину всего 10?^–35 метра, температура составляет 10 миллиардных долей кельвина, и он не излучает вообще ничего. (Холли это понравилось бы.)

Гравастары являются возможным объяснением еще одного загадочного явления: гамма-барстеров. Время от времени небо «освещается» вспышкой высокоэнергетических гамма-лучей. Обычная теория состоит в том, что эти объекты представляют собой сталкивающиеся нейтронные звезды или черные дыры, формирующиеся во время взрыва сверхновой. Другая возможность — рождение гравастара.

Еще более гипотетически, внутренность гравастара с масштабом в нашу Вселенную тоже испытывала бы отрицательное давление, которое разгоняло бы вещество в направлении горизонта событий, то есть от центра. Расчет показывает, что этот разгон примерно соответствует ускоренному расширению Вселенной, которое обычно относят на счет темной энергии. Может быть, наша Вселенная на самом деле представляет собой внутренность громадного гравастара?

Среди предсказаний Эйнштейна, сделанных более столетия назад, было существование гравитационных волн, порождающих в пространстве-времени рябь, как на поверхности пруда. Если два массивных тела, таких как черные дыры, стремительно носятся друг вокруг друга, они производят возмущения в космическому пруду и порождают заметную рябь. В феврале 2016 года ученые из программы обсерватории гравитационных волн LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) объявили об обнаружении гравитационных волн, вызванных слиянием двух черных дыр. Инструменты LIGO представляют собой пару четырехкилометровых труб, выставленных под прямым углом в форме буквы L. Лазерные лучи ходят вдоль труб, многократно отражаясь, и интерферируют друг с другом в месте перегиба L. Если проходит гравитационная волна, длины труб чуть меняются, и это влияет на интерференционную картину. Установка может зарегистрировать сдвиг на одну тысячную размера протона.

Сигнал, зарегистрированный LIGO, соответствует релятивистскому предсказанию для спирального сближения и столкновения между двумя черными дырами с массами 29 и 36 масс Солнца. Этот результат открывает новую эру в астрономии: LIGO — первый успешный гравископ, наблюдающий космос посредством гравитации, а не света.

Это замечательное гравитационное открытие не дает никакой информации о наиболее спорных квантовых свойствах, отличающих традиционные черные дыры от их гипотетических альтернатив, таких как «пушистый шар», файервол или гравастар. Зато его потомки, вынесенные в космос, смогут увидеть не только столкновения черных дыр, но и менее яростные слияния нейтронных звезд; по идее, они должны помочь нам разгадать эти загадки. Между тем LIGO выявил новую загадку: короткий всплеск гамма-излучения, связанный, судя по всему, с зарегистрированной им гравитационной волной. Существующие теории слияния черных дыр этого не предсказывают[75].

Мы уже привыкли к существованию черных дыр, но они обитают в царстве, где перекрываются и сталкиваются теория относительности и квантовая теория. Мы попросту не знаем, какой физикой там следует пользоваться, поэтому космологи, как могут, управляются с тем, что есть под рукой. Последнее слово в вопросе черных дыр еще не сказано, и нет причин полагать, что наши нынешние представления о них полны или верны.