Российский физик, член-корреспондент РАН Дмитрий Георгиевич Яковлев об эволюции звезд, о черных дырах и новых способах изучать Вселенную
- Дмитрий Георгиевич, скажите, как всё-таки правильно говорить - нейтронные звезды или черные дыры?
- Это разные объекты, и разница кардинальная. Нейтронные звезды – это звезды, то есть объекты, состоящие из вещества. Черные дыры – это не звезды. Это объекты, описываемые общей теорией относительности; образно можно сказать, что это искривленное пространство-время, замкнутое само на себя.
Черная дыра имеет так называемый горизонт событий – замкнутую поверхность, никакая информация из-под которой не может выйти к удаленному наблюдателю. Черная дыра имеет массу, может обладать электрическим зарядом и вращаться. В этом смысле она похожа на обычную звезду. Однако внутренность черной дыры закрыта горизонтом событий и наблюдениям недоступна. Черная дыра звездной массы настолько компактна, что обычные звезды с такой компактностью - отношением массы к радиусу - существовать не могут.
Представьте, что вы сидите на какой-нибудь планете и подбрасываете камень вверх. Сильно брошенный камень улетит от вас насовсем. Слабо брошенный вернется под действием силы тяжести. А теперь представьте, что масса планеты увеличивается. С каждым увеличением выбросить камень насовсем будет все труднее. И наконец, наступит момент, когда даже если вы бросите камень со скоростью света, он все равно вернется. Так можно образно представить замкнутое пространство.
А нейтронные звезды – это очень плотные, компактные звезды, но всё же имеющие настоящую поверхность и состоящие из вещества. Пространство вокруг них замкнуться не успело, но – можно сказать – почти замкнулось. Вещество внутри нейтронных звёзд оказывается столь плотным, что обладает особыми, экзотическими свойствами, которые не встречаются ни у каких других звезд. В лабораториях такие свойства воспроизвести очень трудно. Этим нейтронные звезды и интересны. Их необходимо описывать уравнениями общей теории относительности, и этим они сходны с чёрными дырами. Если немного увеличить их массу, то они превратятся в чёрные дыры.
-Вами разработан и реализован метод исследования внутреннего строения нейтронных звезд. Мне всегда сложно было понять, как можно исследовать то, что нельзя увидеть, пощупать, посмотреть. Как вы это делаете?
- Наверное, это громко сказано, что мной разработан какой-то метод. Эти методы разрабатывается большими коллективами ученых из разных стран. И я не думаю, что один человек может разработать что-то сногсшибательное.
Но, тем не менее, вы правы – нейтронные звёзды очень плотные, и непосредственно наблюдать их внутреннее строение нельзя. Основную информацию об этих звёздах мы получаем благодаря излучению, испущенному с их поверхности или из близких к ним областей пространства. С поверхности нейтронные звезды, в основном, испускают рентгеновское излучение, которое нельзя регистрировать наземными обсерваториями, потому что атмосфера Земли поглощает рентгеновские лучи. Поэтому для наблюдений за нейтронными звездами приходится строить космические рентгеновские обсерватории.
Рентгеновские лучи испускаются с поверхности нейтронной звезды, но могут нести в себе информацию о внутреннем строении. Таким образом исследовать внутреннее строение звезды сложно, но задача решаема. Кроме рентгеновского излучения, от нейтронных звезд или их окрестностей наблюдается также электромагнитное излучение в самых разных диапазонах, от радио- до гамма-лучей. Очень полезно комбинировать результаты различных наблюдений.
Кроме электромагнитного излучения существуют и другие типы излучений, которые можно детектировать. Они тоже несут в себе полезную информацию о внутреннем строении нейтронных звезд. Прежде всего, речь идет о гравитационном излучении, которое детектируется с помощью гравитационных обсерваторий. Первые регистрации гравитационного излучения от сливающихся пар чёрных дыр и одной пары сливающихся нейтронных звезд были выполнены в 2015-2017 годах гравитационной обсерваторией LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory — лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерваторией). Они принесла науке очень много, а создателям LIGO – еще и Нобелевскую премию 2017 года. Ввод в действие LIGO и других гравитационных обсерваторий – это новый метод наблюдать Вселенную. Уверен, что самые интересные наблюдения гравитационного излучения еще впереди.
- Вы предвосхитили мой вопрос об открытии LIGO и о его значении для науки. Почему именно слияние черных дыр позволило обнаружить гравитационные волны?
- Гравитационные волны были обнаружены гораздо раньше создания LIGO. В 1974 году был открыт так называемый двойной пульсар – тесная двойная система из двух нейтронных звезд, одна из которых является радиопульсаром (за его открытие в 1993 году была присуждена Нобелевская премия). Эта система была открыта с помощью наблюдений на радиотелескопе Arecibo (Аресибо). Уже за несколько лет наблюдений удалось понять особенности движения нейтронных звезд по их орбитам. Оказалось, что нейтронные звезды постепенно сближаются в полном соответствии с предположением, что они теряют энергию орбитального движения на излучение гравитационных волн по законам общей теории относительности Эйнштейна. Через 300 миллионов лет звезды сольются, что создаст мощный взрыв в нашей Галактике, в том числе, и в гравитационном излучении. Наблюдения LIGO позволили впервые обнаружить гравитационные волны с помощью гравитационной обсерватории и создали качественно новую возможность наблюдать Вселенную – в гравитационных лучах.
Результаты LIGO, я думаю, окончательно убедили научное сообщество в существовании гравитационных волн. Сливающиеся нейтронные звезды выгодны для наблюдения гравитационными обсерваториями типа LIGO. Слияние вызывает необычайно сильное гравитационное излучение.
Когда мы ночью смотрим на небо, мы видим нашу светящуюся Галактику – Млечный путь. Это излучение связано с тем, что внутри звезд протекают термоядерные реакции, благодаря чему звезды остаются горячими долгое время. Так вот, если в нашей Галактике произойдет слияние двух нейтронных звезд, то мощность их гравитационного излучения превзойдет мощность всего электромагнитного излучения Млечного пути на несколько порядков.
- Сложно представить такие масштабы…
- Представить сложно, но ничего опасного в этом нет, поскольку гравитационное излучение достаточно безобидно. Ведь то, что зарегистрировали детекторы LIGO – это слабенькие колебания приемной антенны под действием гравитационной волны. Амплитуда колебаний составляет лишь доли размеров таких маленьких микрочастиц, как протон или нейтрон. Поэтому гравитационное излучение необычайно трудно обнаружить, а гравитационные обсерватории – сложнейшие конструкции – вершина человеческой мысли.
- А что собой представляют квазары?
- Квазары – это активные ядра галактик, совсем не похожи на нейтронные звезды или черные дыры звездных масс. В центрах квазаров есть черные дыры, но огромной массы – до миллиарда масс Солнца. Вокруг этих громадных черных дыр скапливается вещество и испускается мощное излучение. Такое излучение можно видеть с края Вселенной. Изучая квазары, можно исследовать физические условия в веществе на ранней стадии эволюции Вселенной.
- А на каком этапе жизни Вселенной появились квазары?
- Квазары появились, когда родились галактики. Считается, что самая ранняя Вселенная была однородной. А затем во Вселенной, расширяющейся по закону Хаббла, появились неоднородности, возникли галактики и квазары.
- Опасна ли черная дыра в центре нашей Галактики для человеческой цивилизации?
- В нашей Галактике находится черная дыра с массой несколько миллионов масс Солнца. Это видно по орбитам звезд, которые движутся вблизи центра Галактики. Такая черная дыра совершенно не опасна. Мне кажется, что она гораздо безопаснее для человечества, чем многие изобретения самого человека.
- Как нейтронная звезда переходит в состояние черной дыры?
- Дело обстоит так. Одиночная изолированная нейтронная звезда, а таких очень много, никогда не превратится в черную дыру. А двойная система из нейтронных звезд может превратиться в черную дыру. Как говорилось выше, такие звезды теряют орбитальную энергию и постепенно сближаются. Через какое-то время они просто упадут друг на друга, что и наблюдала обсерватория LIGO в 2017 году. Слияние двух нейтронных звезд – это, действительно, грандиозное событие с огромным энерговыделением.
- Как это влияет на понимание пространства-времени и законов, о которых говорил Эйнштейн?
- Введение в строй LIGO дает новый метод исследования Вселенной. Всё, что мы раньше знали о Вселенной, исходило из наблюдений электромагнитного излучения. А сейчас мы увидели Вселенную в гравитационных лучах, и надеемся увидеть то, что нельзя было видеть раньше.
Сегодня мы можем комбинировать наблюдения в электромагнитном диапазоне с наблюдениями в гравитационных лучах. Существует и нейтринная астрономия с использованием нейтринных обсерваторий, а это особый разговор. Мы надеемся, что в будущем удастся комбинировать сразу наблюдения электромагнитного, гравитационного и нейтринного излучений. Тогда мы будем знать гораздо больше, чем сегодня.
Зачем нам это знать? – Да потому, что мы о Вселенной почти ничего не знаем. Сейчас непосредственно наблюдается лишь «светящаяся» материя, около 5% от всей «начинки» Вселенной, а про остальные 95% (про так называемые тёмную материю и тёмную энергию) мы практически ничего не знаем.
- Остается надеяться, что когда-нибудь мы приблизимся к большему пониманию…
- Да, конечно. У меня такое ощущение, что открытие не за горами. Если бы кто-нибудь 30 лет назад мне сказал, что существует темная энергия, за открытие которой будет присуждена Нобелевская премия в 2011 году, то я бы просто посмеялся.
- На нашем веку произойдет это открытие?
- Да, я думаю, что общего понимания мира, в котором мы живем, нужно достичь на нашем веку. Это должно быть основной задачей физики 21 века. Разумеется, новые открытия породят новые проблемы, и познание никогда не закончится, но останавливаться на сегодняшнем уровне 5% было бы уж совсем стыдно. Какую оценку можно поставить школьнику, которые выполнил 5% от домашнего задания?
