Независимый бостонский альманах

ВЕРЮ, ПОТОМУ ЧТО ИСТИННО

27-08-2012

Это наша родина, сынок.

С 13 по 18 августа в Вашингтоне проходила конференция Quark Matter 2012. Стало известно, что на коллайдере релятивистских ионов RHIC Брукхейвенской лаборатории, возможно, наблюдали границу (ей соответствует энергия около 20 ГэВ) между обычной материей и плазмой из кварков и глюонов, из которой состояла Вселенная вскоре после Биг Бэнга. Там получили вещество с температурой 4 триллиона градусов!

Но рекорд продержался недолго. Физики CERN добились на Большом адронном коллайдере температуры 5,5 триллионов - в 100 000 раз выше, чем в центре Солнца! Плотность при этом была больше, чем в нейтронных звёздах. На чем стоит остановиться подробнее. Ядра атомов и кварк-глюонная плазма - это разные фазы материи, они существуют при разных температурах и давлениях подобно тому, как вода бывает жидкой, а бывает твердой или парообразной. Но в отличие ото льда, который легче воды, плотность КГП в массивных телах, таких как гипотетические кварковые звезды, должна быть выше, чем у нейтронной жидкости в одноименных звездах. После чего остается один шаг до особой формы бытия сродни небытию! Речь вот о чем. Маркиз де ла Плас (так пишется имя автора) законами небесной механики изящно поименовал раздел астрономии, применяющий законы Ньютона к движению небесных тел. Они же играют важную роль в формировании оных тел и в первом издании книги Лаплас мимоходом затронул один частный случай, после чего на тему впервые обратили какое-то внимание: на объекты, способные своей гравитацией удерживать свет. Для соответствия теме, а она приобретает все большее значение, взгромоздимся на плечи титанов: Ньютон дал закон тяготения, Хаббл - разбегания. Этого достаточно, чтобы кое о чем судить. Например, о мире, в котором мы живем. А живем мы, кажется, в дыре. Да, да, глядя на великолепие мироздания порой думаешь не только о том, что швейковский поручик Дуб на его фоне не столь уж заметен, но и о том, не окажется ли масса мира достаточной для того, чтобы свет не мог покинуть его? Не оттого, что жаль фотонам покидать сияющие чертоги и устремляться во мрак неведомого. А потому что гравитация не пускает. То есть, не является ли наша Вселенная черной дырой? Но почему при столь блестящем развитии астрофизики интонация вопросительна? В самом деле, если Вселенная шар, что вероятно, то закон Ньютона даст силу его притяжения. Достаточно знать массу или среднюю плотность и радиус мира - и все станет ясно! Гм. С массой и размерами некоторые проблемы. Вплоть до когнитивных. До меры разумения. Так, многие почему-то всерьез считают, что радиус Вселенной около 14 млрд. световых лет. Мол, за время ее существования, которое как будто установлено достаточно надежно, свет не мог пройти большего расстояния, а поскольку его скорость это максимальная скорость передачи взаимодействий, то и мир не может быть большим.

Однако как быть со стандартной космологической моделью? Она постулирует, что мир намного больше наблюдаемой области! Так, родоначальник инфляционной теории Алан Гут утверждает (1998, The inflationary universe: the quest for a new theory of cosmic origins), что в настоящее время Вселенная в 10<sup>23</ sup> раз больше наблюдаемой ее части! На практике это означает бесконечность… Вам уютнее жить в небольшом мирке радиусом 14 миллиардов световых лет? Как угодно, но подобные ограничения на размеры справедливы лишь в том смысле, что отсутствует причинно-следственная связь с остальными частями универсума. Во-первых, раз свет от дальних областей еще не дошел до нас, то и никакой детерминированной, связанной, общей с ними истории быть не может. Во-вторых, поскольку хаббловское расширение пространства разносит нас со скоростью большей скорости света, то лежат они за горизонтом событий. Но с методологической точки зрения нет никаких доказательств в пользу предположения, будто границы наблюдаемой области являются также границами Вселенной в целом! Мало того, о каких расстояниях речь? Раз Вселенная расширяется, то разумно мерять дистанции в сопутствующей системе координат, расширяющейся вместе с пространством. Тогда расстояние до самого удалённого наблюдаемого объекта - поверхности последнего рассеяния реликтового излучения - составит около 46 миллиардов световых лет. Или вот недавно была в моде красивая топологическая модель мира в виде многократно связанного додекаэдра Пуанкаре - ее диаметр должен быть не менее 60 млрд. А Нил Корниш, астрофизик из Университета Монтаны, полагает, что Вселенная еще больше - диаметром 156 миллиардов! От размеров мира будет зависеть его масса, но при таком разбросе данных трудно сказать что-либо конкретное и апеллировать к Ньютону. Что же делать? Попробуем подойти к проблеме с другого конца. Если размеры мира не установлены, то хотя бы о его плотности можно что-то сказать? Можно. Что есть истина? - вопрошал когда-то один римский прокуратор одного галилеянина. Чтобы ответить на этот вопрос, призовем Хаббла на помощь Ньютону. Если Фридман показал, что Вселенная нестационарна, то Хаббл занялся определением скорости ее расширения - и появилась возможность установить критическую плотность, от которой зависят эволюция мира и его геометрические свойства. Эта плотность пропорциональна квадрату постоянной Хаббла. По разным оценкам та лежит в пределах от 70 до 77 км/с на мегапарсек - и тогда критическая плотность равна примерно 1026 кг/м3. Сейчас, когда для объяснения ускоряющегося расширения

Вселенной пришлось ввести понятие темной энергии, о которой никто ничего не знает, но которую можно трактовать как некую космологическую константу, противодействующую силам тяготения и начинающую играть значительную роль лишь на больших масштабах, критическая плотность уже не столь критична. Но нам она важна иным. В итоге всех нововведений (а к темной энергии пришлось добавить также не менее таинственную темную материю*) суммарная плотность Вселенной многократно возросла и стала приблизительно равна критической! Из этого, в частности, следует, что никакими искривлениями наш мир не страдает, что он плоский в евклидовом смысле, но главное, мы получили, наконец, некую terra firma и можем перейти к несложным расчетам. Определим размер области, имеющей при данной плотности массу, достаточную, чтобы удерживать фотоны. Для чего воспользуемся известным выражением для гравитационного радиуса или радиуса Шварцшильда: Rg = 2GМ/c2 где G - гравитационная постоянная. Выразим массу через объем шара с этим радиусом (4/3)?Rg3 и плотность. В итоге для Rg получим менее 14 млрд. световых лет. Что явно меньше размеров Вселенной и подозрительно совпадает с радиусом видимой ее части. Иными словами, уже той массы, что мы наблюдаем, вполне достаточно, чтобы понять - Вселенная в целом действительно должна находиться в состоянии гравитационного коллапса. То есть, не может быть ничем иным, как черной дырой! Как видно из графика, радиус

rgШварцшильда пропорционален массе объекта, тогда как радиус самого объекта пропорционален корню кубическому из массы. С ростом последней линии на графике пересекутся - и объект превратится в ЧД. Иными словами, ее можно получить не только сжатием вещества (например, в результате гравитационного коллапса звезд), но и экстенсивным путём, накоплением материала. Но что если этого материала всегда хватало? То, что он сейчас разлетается во все стороны вместе с самим пространством, еще ничего не значит: куда он денется из объятий материнской черной дыры? И все же, прежде чем перейти к глобальным обобщениям, давайте пройдемся по лестнице масс. Так, для Земли гравитационный радиус менее сантиметра и в нынешних условиях рождение столь мелких ЧД невероятно. Для Солнца он 3 км, но оно невелико и черная дыра ему не светит, его судьба - белый карлик. Звезды от 1.4 М? (предел Чандрасекара) до 2,5-3 М? (предел Оппенгеймера-Волкова) в конце пути взрываются, превращаясь в нейтронную звезду (НЗ). И лишь более крупные светила ждет полный гравитационный коллапс. Сравним же ЧД звездной массы с НЗ. Та, потеряв внешние слои и стремительно сжавшись до радиуса около 10-12 км, сохраняет массу от 1 до 2 M? и похожа на орех с тонкой металлической скорлупой. Он заполнен малосжимаемой фермионной нейтронной жидкостью. Средняя плотность 3.7-5.9 х1017кг/м3, что превышает плотность атомных ядер, в центре она достигает 8х1017; кг/м<sup>3<.sup>. По-видимому, под действием невероятного давления нейтроны там тают, образуя кварк-глюонную плазму. НЗ является последним шагом на пути к ЧД (гипотетические кварковые звезды пока не обнаружены, да и отличить ту НЗ от ЧД весьма непросто). Об этом свидетельствует и колоссальная скорость убегания 200000 км/сек. Остается сделать еще один шаг. Еще в 2008 году НАСА сообщило о нахождении в двойной системе XTE J1650-500 ЧД рекордно малой массы 3,8М?. Радиус при этом около 12 км, а средняя плотность составит 5х1017 кг/м 3 - все, как и у НЗ. Единственное (внешне), но принципиальное отличие - скорость убегания равна скорости света! Но будет ли даже такая малая ЧД компактным, сферическим массивным объектом с четко выраженной границей? И состоять из вещества, пусть и в иной фазе, не из нейтронов, а сплошь из кварков и глюонов? Или наступит самый поразительный из всех качественных скачков во внутренней структуре? От нечто к почти ничто? Или он наступает с дальнейшим увеличением ЧД? Однако самая тяжелая из ЧД этого класса M33 X-7 в четыре раза массивнее, чем XTE J1650-500. Соответственно Rg будет вчетверо больше, а плотность во столько же меньше. Почему бы в таком случае кваркам и глюонам не собраться снова в нуклоны? Или именно так рождается сингулярность и назад дороги уже нет? Гм, тогда грань между огромным миром и точкой нулевого радиуса весьма тонка… Для чистоты эксперимента и очистки совести перейдем к супермассивной ЧД в ядре нашей галактики. Она сравнительно невелика (Rg = 12 млн. км) и есть множество звезд, куда больших по размеру, но ее масса более четырех миллионов М?. Похоже на то, что именно такие ЧД были первыми крупными четко локализованными и отграниченными объектами Вселенной, что именно они стали центрами образования галактик - и зажгли тем самым первые звезды! Нас, однако, интересует иное. Дело в том, что средняя плотность галактической ЧД около 106 кг/м3. Почти как в центре Солнца, но не впечатляет после фантастических значений в ЧД звездных масс. Если же взять ЧД в квазаре OJ 287, самую сверхмассивную из обнаруженных на сегодняшний день, с массой 18 миллиардов М?, то ее Rg составит 350 а.е. Для справки: "Вояджер-1" - самый дальний от Земли объект, созданный человеком, на 21 июля 2012 года находился на расстоянии "всего" 121,314 а.е., у границ солнечной системы. Так вот, самое любопытное заключается в том, что средняя плотность этой ЧД крайне мала: 0.08 кг/м3 или 0.08 10-3 г/см3. Это в пятнадцать раз меньше плотности воздуха… Какова же плотность внешних слоев? И как с этим согласовать те ужасы, которыми любят пугать нас специалисты по дырам: быстрая и полная, вплоть до разрушения атомов деструкция астронавтов, имевших неосторожность пересечь горизонт событий? Ведь факт налицо: мы неплохо живем в той черной дыре, которую гордо называем Вселенной. Она вообще практически состоит из пустоты! Что такое средняя плотность 1026 кг/м3, вокруг которой столько копей сломано? Это шесть нуклонов на кубометр. Прекрасный вакуум! Но оставим пока в стороне Вселенную в ипостаси черной дыры, с ней вопрос еще неясен, а вот то, что ЧД играют важную роль в космогонии, раз имеются в центре едва ли не каждой галактики, если существенная часть звезд заканчивает свой сверкающий жизненный путь именно таким мрачным финалом, - твердо установленный факт. Какие же выводы придется сделать о строении ЧД? С одной стороны тривиальные: начиная с минимальной коллапсирующей звездной массы, гравитация соберет все вещество в центр - и о средней плотности можно забыть. С другой стороны… Никак не может считаться тривиальным результат такого сжатия. Сингулярность. Точка бесконечно малого размера, но бесконечной плотности. Тут попахивает Биг Бэнгами и Вселенными! Если вы меж тем обрадуетесь, заметив, что приливные силы около горизонта событий сверхмассивной ЧД незначительны, что центральная сингулярность расположена очень далеко и гипотетический космонавт будет чувствовать себя вполне комфортно, пока не погрузится очень глубоко, то радость будет преждевременной. Деструкция все равно неминуема! Раз свет не может преодолеть силу притяжения, то и скорость падения на ЧД (вторая космическая скорость) будет равна скорости света. Безболезненно сие способны перенести лишь безмассовые фотоны. Иными словами, ваш космический корабль даже при радиальном падении разрушится далеко на подлете, задолго до горизонта событий! Если же он обладал моментом импульса (а как еще можно долететь до чего-либо вообще?), то выйдет на спиральную орбиту и станет частью аккреционного диска ЧД, что также не внушает оптимизма. По излучению этих дисков - надо же голодным дырам чем-то питаться - их и обнаруживают. Так, 18 апреля 2000 г. сразу четыре космических лаборатории выясняли, что с таким диском происходит. chdТелескоп Хаббл и Extreme Ultraviolet Explorer наблюдали ультрафиолетовое излучение от черной дыры XTE J1118+480 массой семь солнечных, входящей в двойную систему с солнцеподобной звездой. Орбитальный рентгеновский телескоп Rossi X-ray Timing Explorer ловил жёсткое рентгеновское излучение, а рентгеновская обсерватория Chandra (на иллюстрации приведен ее снимок) следила в диапазоне между рентгеном и ультрафиолетом. Газ движется по спирали, ускоряется и так сильно нагревается от трения слоев, что излучает в рентгене! Оказалось, что диск простирается к горизонту событий ЧД не ближе 600 миль, вместо ожидавшихся двадцати пяти. Там он исчезает, как исчезнет и ваш корабль, добавив немного сияния в рентгеновскую корону ЧД. Это грустно. Поскольку исключает путешествия в иные вселенные. Пишут, что сам термин черная дыра ввел в употребление выдающийся американский физик Дж. Уилер, он же одним из первых пришел к идее вселенских ЧД. Сообщая об этом, Ли Смолин пишет в работе 1994 года: "Можно предположить, что каждая черная дыра в нашей Вселенной приводит к созданию новой вселенной и, соответственно, большой взрыв в нашем прошлом есть результат формирования черной дыры в иной вселенной". Это красивая идея. Известный специалист по вселенскому чернодырию М.Х. Шульман прямо вопрошает в заголовке статьи 2011 года: "Может ли Вселенная не быть черной дырой?" Как видите, исходя из наших вычислений, вопрос этот совсем не риторический. Судя по всему, мы живем именно в ЧД и "снаружи" о нас можно судить лишь по рентгеновскому излучению аккреционного диска. Где снаружи? Ведь, как писал не так уж давно замечательный популяризатор науки И. Новиков ("Эволюция Вселенной", М, 1990), вне Вселенной ничего нет, ни пространства, ни времени! В полном, между прочим, согласии с Августином Блаженным, отцом христианской церкви. Тот также проповедовал, что до создания мира времени не было. Но это странная идея! Столь же странная, как идея геоцентризма. Или антропоцентризма. Или уникальной Вселенной. Вспомните присказку угольщика Франтишека Шквора из "Похождений бравого солдата Швейка": "Пусть было, как было, ведь как-нибудь да было. Никогда так не было, чтобы никак не было". Что-то да было раньше - и до Творения, и до Биг Бэнга. Черт его знает что, в какой форме, как долго - но было. И всегда будет. И "снаружи" всегда есть. Иначе не было бы понятия "внутри". Написал ведь тот же И. Новиков в книге "Как взорвалась Вселенная" (1988) из легендарной библиотечки "Квант" 30-й раздел, называющийся "Вечно юная Вселенная": о бесконечном и вечном мире многих миров, о Multiverse! Правда, рецензентом тогда у него был доктор физ.-мат. наук А. Линде, автор теории суперинфляции… Кстати, весной 2011 появилась статья самого известного сторонника прогрессивной идеи: On the mass of the Universe born in a black hole | ResearchGate (О массе Вселенной, возникшей в черной дыре). Никодем Поплавски, физик Университета Индианы, пишет во вступлении: "Показано, используя теорию гравитации Einstein-Cartan-Sciama-Kibble, что гравитационный коллапс спиновой жидкости из фермионной материи с жестко заданным уравнением состояния в черной дыре, обладающей массой M, порождает новую Вселенную с массой (формула)... Полагая массу равной массе нашей Вселенной (которая равна примерно 1026 солнечных масс), находим M ~ 103М?. Таким образом, наша вселенная могла возникнуть из черной дыры с промежуточной величиной массы". Иными словами, вполне возможно, что черные дыры играют ключевую роль не только в эволюции нашей Вселенной, но и в генезисе Multiverse! И являются дополнительным аргументом в пользу его существования. Примечание.

* Тёмная материя может увеличивать допустимую массу нейтронных звёзд, а значит и отодвигать границу фазового перехода в ЧД. 22 августа пришло сообщение, что китайские физики смоделировали эффект от включения частиц тёмной материи в число компонентов нейтронных звёзд (НЗ). Как выяснилось, добавление в ферми-газ "тяжелых" частиц ТМ сильно снижает допустимую массу НЗ. Но более лёгкая ТМ, наоборот, позволяет значительно превысить классический предел Оппенгеймера-Волкова.

Комментарии

Добавить изображение



Добавить статью
в гостевую книгу

Будем рады, если вы добавите запись в нашу гостевую книгу. Будьте добры, заполните эту форму. Необходимой является информация о вашем имени и комментарии, все остальное – по желанию… Спасибо!

Если у вас проблемы с кириллическими фонтами, вы можете воспользоваться автоматическим декодером AUTOMATIC CYRILLIC CONVERTER.

Для ввода специальных символов вы можете воспользоваться вот этой таблицей. (Латинские буквы с диакритическими знаками вводить нельзя!)

Ваше имя:

URL:

Штат:

E-mail:

Город:

Страна:

Комментарии:

Сколько бдет 5+25=?