У серці чорної діри
Раптово вона з'явилася перед нами - гігантська чорна діра, схожа на вихор, вихлюпується фонтани блакитної матерії.
Ми нарешті наблизилися до мети.
Отже, відбулося перше подорож до центру самої таємничої зірки космосу. Цей віртуальний досвід насичений дивними явищами. А сам міжзоряний політ тривав кілька років.
Такий «космічний труп» з'являється, коли дуже масивна зірка (10 сонячних мас і більше) завершує своє життя. На цій стадії енергія ядерного синтезу в серце зірки вже не може протистояти гравітаційній силі, що діє всередині неї. Внутрішні шари схлопиваются і виробляють ударну хвилю, яка розкидає зовнішні шари агонізуючої зірки в простір.
Вибух видно у всій Галактиці і навіть поза її у вигляді вибуху наднової. Серце зірки нескінченно падає вниз і концентрується в одну точку, звану «дивина».
Одержаний об'єкт виключно компактний і створює навколо себе не має рівних гравітаційну силу: її тяжінню чинити опір не може ніщо. Навіть промені світла потрапляють в вічну пастку.
При швидкості, близької до швидкості світла, відбувається явище аберації: видиме напрямок світлових променів зміщується вперед. Поступово весь небосхил стає видимим попереду. Посилений блиск зірок утворює сліпучу крапку, під якою кільцем проходить Чумацький Шлях.
Навколо чорної діри виникає ефект гравітаційної лінзи. Вгорі: світлові промені Чумацького Шляху відхиляються чорною дірою: його фантомне зображення з'являється у вигляді кільця. Внизу зліва: світлові промені Чумацького Шляху на задньому плані настільки розтягнуті, що відображають фантомне зображення поблизу чорної діри. Справа: то ж явище призводить до появи двох зображень зірки, розташованої за чорної діри, що протистоять один одному.
Самі по собі чорні діри невидимі, оскільки не випускають ніяких променів. Бути може, вони не існують? Засіб їх виявити - опитати сусідів. Так і надходять вже п'ятнадцять років в Інституті Макса Планка. Спостерігачі шукають рух серед численних зірок, що заповнюють центр Галактики. Це щільне скупчення, сконцентроване в невеликій зоні, вже є знаком, що існує велика маса, здатна гравітаційно зв'язати всю зоряну село.
Щоб «торкнутися» чорної діри, треба з величезною швидкістю падати до її горизонту. Прискорення при наближенні до неї змінює аспект лежать навколо зірок. Попереду світло зірок зсувається до блакитного, їх яскравість посилюється, а ззаду світло зміщується до червоного: ефект Доплера.
При наближенні до горизонту чорної діри світлові промені відхиляються, створюючи відчуття падаючого на голову неба. На горизонті полонені промені утворюють блискуче кільце. Поруч: входячи в хід хробака - по теорії він виводить в іншу Всесвіт - ми побачимо незнайоме небо, а потім розіб'ємося про дивина.
Якщо ми сподіваємося досягти мети протягом одного людського життя, потрібен неймовірно швидкий корабель: 99% швидкості світла. І все одно знадобиться більше чотирьох років, щоб пройти повз найближчої зірки! На жаль, таке прискорення розсіє людини в пил, настільки сильні будуть сили гравітації, що впливають на організм. Чи не врятують навіть титанові стіни.
Однак уявімо, що в ХХХ столітті у нас в розпорядженні з'являться технології для подібного подорожі без смертельного результату. Тоді ми будемо рухатися в просторі зі швидкістю, що дорівнює 70% швидкості світла. Зірки не будуть пролітати повз нас, а немов з'являться ззаду: Антарес і Оріон, що знаходяться в протилежному напрямку, з'являться перед нами. Поступово світлові промені немов сконцентруються в центрі нашого поля зору, утворивши якусь сліпучу світлову калюжу. Ми набрали 99% швидкості світла і більше нічого не бачимо.
несподіваний ефект
Він викликаний явищем «аберації світла», подібним з дощовими краплями на вітровому склі машини. Коли вона рухається з великою швидкістю, видиме напрямок дощу зміщується вперед і нам здається, що дощ летить на нас майже горизонтально.
Поступово весь небосхил, який був за спиною, немов зміщується вперед, крім точки, розташованої точно позаду нас.
Це явище відкрито Джеймсом Бредлі в 1728 році. Коли британський астроном перетинав річку в екіпажі, він зауважив, що видиме напрямок вітру змінився, - ефект, добре знайомий мореплавцям. Здивований Бредлі задав собі питання: чи може цей ефект відноситься і до світла? Після декількох місяців спостереження за зіркою Гамма Дракона він виявив зміни видимого положення зірки.
Явище аберації має бентежний наслідок: якщо прискорюватися до швидкостей, близьких до швидкості світла, а світло, що випромінюється усіма об'єктами, навіть розташованими позаду нас, концентрується в напрямку, в якому ми мчимо на всіх парах, виникає відчуття, що ми летимо назад!
Під час цього казкового прискорення змінюється навіть вид зірок. Червоні зірки, на зразок Бетельгейзе, стають помаранчевими, потім жовтими і нарешті сліпуче білими. У блакитних гігантів яскравість посилюється в десять разів. Позаду нас ефект зворотний. Всі зірки поступово червоніють, їх світність різко падає, потім вони темніють остаточно, зливаючись з чорним небом. Ці два протилежних явища пов'язані з ефектом Доплера, який викликає зміщення в червону сторону, коли світло видаляється, і зміщення в блакитну сторону, коли наближаєшся до джерела світла.
Насправді між емісією хвилі і її прийомом може статися зсув частот, коли відстань між передавачем і приймачем змінюється з плином часу. Цей зсув світлових хвиль схоже з більш відомим зміщенням акустичних хвиль: рев сирени поліцейської машини стає все більш пронизливим при наближенні і більш низьким при видаленні.
повернення немає
І ось вже чорна діра перед нами - її силует вимальовується на тлі розкішного зоряного килима. Наш корабель стає на кругову орбіту на пристойній відстані від чудовиська. Щоб не відчувати гравітаційного впливу останнього, треба адаптувати швидкість з висотою.
Чим ближче ми наблизимося до чорної діри, тим вище повинна бути швидкість і витрата енергії. Але є межа цієї еквілібристики, звана «фотонної сферою»: на цій орбіті швидкість сателлізаціі дорівнює швидкості світла, а значить, тільки фотони можуть підходити досить близько до чорної діри, маючи шанс піти.
Навколо мертвої зірки відбуваються дивні оптичні явища. Зірки з усіх боків як би обзаводяться двійниками, ведучи світловий хоровод навколо неї. На відстані об'єкти виглядають немов розтягнутими. Газовий шлейф Чумацького Шляху закруглюється, а двійник малює петлю під чорною дірою. Всі ці візуальні міражі викликані відхиленням світлових променів. Передбачений Альбертом Ейнштейном в 1915 році в рамках його теорії гравітації, цей ефект підтверджений в 1919 році під час сонячного затемнення, яке дозволило виявити, що світлові промені, що проходять впритул до краю Сонця, відхиляються на 1,75 кутових секунди.
Явище стає більш помітним поблизу чорної діри. Фотон, що пролітає близько, немов захоплюється її неймовірною гравітаційної силою. Якщо він не перетне фотонних сферу, то зможе кілька разів обернутися на орбіті і полетіти під іншим кутом.
Для спостерігача це виглядає як кілька джерел світлових променів. Переміщення світла створює нескінченну множинність фантомних зображень поблизу чорної діри. Ще більш дивно, що зірки, розташовані позаду нас, можуть бути помічені навколо чорної діри, оскільки деякі з них променів були нею відхилені, бо вона виступає в якості космічного дзеркала заднього виду.
А коли зірка знаходиться точно позаду чорної діри, вона діє як лупа, концентруючи і відхиляючи в нашу сторону основну частину світу цієї зірки, що подесятеряє її яскравість.
Відправившись в подорож в один кінець, наш корабель тепер мчить прямо вперед до темного порту, так і залишається абсолютно чорним. Якби в цьому пекельному спуску перед нами мчала еластична людська фігура, її ноги непомітно притягувалися б до мертвої зірки, а все тіло поступово б витягувалося, перетворюючись в довгу спагеттіні.
Однак є межа, яка відокремлює зону, де ще все можливо, від зони, коли наша доля буде остаточно вирішена. На жаль! Цю точку неповернення визначити неможливо. Як плавцеві, який нічого не почуває, поки його не підхоплює течія, яка несе до точки падіння. У момент, коли ми перетинаємо горизонт чорної діри, нічого не відбувається.
Поступово темний силует діри заповнює все поле зору, і нам здається, що небо валиться нам на голову. Останнє бачення в момент зіткнення з чорною дірою (дивиною) - видовище надзвичайно яскравого кільця, яке оточує нас з усіх боків. Ми вже не виберемося з чорної діри і не зможемо поділитися цим унікальним досвідом, тому що звідти не може піти ніяка інформація.
Єдина надія залежить від наукової фантастики: якщо ходи хробака існують, ми, можливо, зможемо вибратися в інший світ. Але якщо теорія і не забороняє його існування, це залишається надзвичайно неймовірним.
Рік за роком відновлювалися орбіти десятка зірок, що виявило - всі вони з величезною швидкістю обертаються навколо. нічого. Але «нічого» дивно масивного - приблизно 3,7 мільйона сонячних мас - і що знаходиться в зоні, розміром не перевищує нашої Сонячної системи. Цей темний об'єкт міг бути лише надмасивної чорною дірою, названої Саггітаріус А * і є серцем Чумацького Шляху.
дивовижні об'єкти
Чорні діри, як і вихідна Всесвіт, описані загальною теорією відносності і мають найпотужніші гравітаційні поля в природі. Це прості і бентежать об'єкти: з одного боку, їх фізика повністю описується трьома параметрами - менше, ніж у атома! - а з іншого, вони є місцем дивовижних гравітаційних ефектів, які наша інтуїція поки не в силах розгадати.
У лекціях по загальній теорії відносності чорні діри описувалися методично ще півстоліття тому. Було б краще показати, на що вони схожі. Але тоді ніхто не брався за подібну задачу.
Для заповнення цієї лакуни довелося створити програму, призначену для визначення траєкторії фотонів поблизу чорної діри. Два роки тому це було моделювання без особливих амбіцій, яке висувало просту чорну діру на шахівниці. Результат був цікавим, але слід було перенести чорну діру на небо, що й було зроблено групою американських дослідників: мова йшла про визначення місця 470 мільйонів об'єктів.
Ефект виявився неймовірним. Потім для виконання чистої роботи довелося визначити кольору зірок по зоряним каталогом, вивчити відповідь очі на даний спектр: справжня робота цветометріста. Рішення рівняння траєкторій фотонів зайняло всього кілька днів мурашиного праці. Коли був створений математичний і інформативний інструмент, захотілося подивитися, що відбувається при входженні в чорну діру. Останній етап полягав у інтеграції всіх фізичних явищ, передбачених загальною теорією відносності поблизу чорної діри.
Наукова візуалізація існує у вигляді схем, але вони безплідні і призначені для фахівців. І потім - вони не дають відповідей на найпростіші запитання на кшталт: на що схожий зоряний фон поблизу силуету чорної діри?
Мрію здійснив студент
Лише п'ятнадцять років ми маємо в своєму розпорядженні інформативними інструментами для реалізації анімаційних послідовностей. Це зробив французький математик Жан-Ален Марк. Але після його передчасної кончини велика частина його робіт - незакінчених і обмежених інформативними засобами того часу - була загублена.
На щастя, у Жан-Ален Марка виявився стільки ж завзятий послідовник. Ще будучи студентом Ален Рьязуело захопився моделюванням. Тепер він - співробітник Паризького астрофізичного інституту - нарешті завершив роботу, розпочату колись старшим побратимом по науці і мрії.