Глава 2. Антиматерия

…Мы видим, что возможно построить мир, состоящий из антивещества. Мы достаточно хорошо изучили свойства элементарных частиц, чтобы уверенно утверждать это. Правда, экспериментальная техника пока не позволяет получать антивещество в большом количестве. И тем не менее имеются определенные доказательства, подтверждающие наши выводы… С точки зрения чистой науки это не представляет особого интереса. Мы уже можем рассчитать свойства антиатомов, так как знаем свойства антипротона и позитрона. Мы знаем, что можно создать антивещество, которое будет иметь те же свойства, что и обычное. При этом возникнут трудности, связанные с изоляцией антивещества от обычного, такая изоляция необходима, чтобы предотвратить аннигиляцию.

Г. Альвен.

Миры и антимиры

Очень долго (и окончательно споры еще не утихли) ученые обсуждали вопрос: почему окружающая природа состоит из материи, а не антиматерии, и существуют ли антимиры во Вселенной? Ведь одновременное рождение равного количества вещества и антивещества, равномерно размещенных в пространстве, неминуемо привело бы к их полной аннигиляции – взаимоуничтожению во вспышке. Ведь физического механизма, который разделял бы вещество и антивещество, до сих пор не выявлено, а тяготение стягивает вместе материю и антиматерию совершенно одинаково. Впрочем, некоторые ученые высказывают оригинальную гипотезу о том, что разлетающая ся после начала Большого взрыва Вселенная была наполнена бушующими магнитными полями.

Эти «магнитные сепараторы» могли бы эффективно разделять положительные протоны от отрицательных антипротонов, не позволяя им аннигилировать. Так в далеких уголках Вселенной могли бы существовать антимиры…

Сейчас физики-экспериментаторы уже не только «производят» отдельные античастицы, но и конструируют из них антиядра и даже антиатомы. Поэтому физики-теоретики вовсю обсуждают возможность существования антимира – зеркального отражения нашего мира, где абсолютно все микрочастицы заменены их античастицами: электрон – позитроном, протон – антипротоном, нейтрон – антинейтроном и т. д.

В основе этой нерешенной научной задачи лежат опыты тридцатых годов прошлого века, когда в первых высокогорных лабораториях изучался состав космических лучей, непрерывно бомбардирующих нашу планету. Оттуда вскоре пошел поток открытий всевозможных элементарных частиц, не имеющих ни малейшего отношения к классической атомной триаде: электрону, протону и нейтрону.

Так были обнаружены совершенно поразительные по своей физической природе античастицы. Масса любой античастицы в точности соответствует массе обычной, но все остальные параметры прямо противоположны прообразу. К примеру, все античастицы несут противоположные электрические заряды. Еще удивительнее происходят встречи частиц и соответствующих античастиц. Достаточно им преодолеть микроскопический радиус прямого взаимодействия – и тут же происходит мгновенное взрывное выделение энергии в процессе, который физики называют взаимной аннигиляцией. При этом обе частицы – обычная и ее антипартнер – прекращают существовать, а их масса полностью переходит в энергию аннигиляционной вспышки, распространяя в окружающем пространстве потоки квантов электромагнитного излучения – фотонов и прочих сверхлегких частиц.

Впоследствии следы антиматерии искали повсюду: от аномального поведения некоторых комет до необычных следов в столкновениях элементарных частиц. С помощью гипотезы антиматерии пытались объяснить многие взрывные выделения энергии в дальнем космосе, в частности в ядрах активных галактик. Возможно, убедительные доказательства существования антимира сможет предоставить мощный детектор элементарных частиц, созданный международным коллективом физиков Европейского Центра ядерных исследований (ЦЕРН). Для этой цели планируется доставить на МКС уникальное устройство – альфа-магнитный спектрометр, весящий без малого девять тонн.

В других детекторах, широко применяемых в земных высокогорных обсерваториях, гостей из антимиров ищут в так называемых пузырьковых камерах, где микрочастицы оставляют в пересыщенном растворе следы из капелек конденсата наподобие инверсионных следов у высотных самолетов. В свое время исследуя такие следы – треки элементарных частиц – при столкновениях космических лучей с атомами-мишенями, удалось сфотографировать реакции, в которых образовывались частицы с массой электрона, но положительным электрическим зарядом. Так были экспериментально открыты первые античастицы – позитроны, а вскоре построены ускорители элементарных частиц, позволившие обнаружить многие античастицы в лабораторных условиях.

Нерешенная задача поиска гипотетических космических антимиров, полностью построенных природой из античастиц или хотя бы сгустков антиматерии во Вселенной, неразрывно связана с задачей нарушения баланса в первые мгновения Большого взрыва, когда частиц и античастиц должно было бы быть ровно поровну. Решить подобную «антиматериальную» задачу астрофизики надеются с помощью космических сверхчувствительных детекторов микрочастиц. Кроме всего прочего, новые уникальные космические модуль-лаборатории могут прояснить многие тайны, связанные с загадочными компонентами мироздания: темной материей и темной энергией, которые в совокупности составляют почти всю наблюдаемую Вселенную – метагалактику.

Шведский ученый, лауреат Нобелевской премии Ганнес Альвен (1908–1995), которого большинство астрономов, космологов и астрофизиков до сих пор считают своеобразным еретиком в физике космоса, полагал, что окончательный выбор между различными теориями возможен лишь после того, как будет обнаружено антивещество или доказано, что Вселенная его не содержит. В этом направлении он поддерживал и развивал теорию известного шведского физика Оскара Клейна (1894-1977), считавшего, что наличие обширных областей структурированной антиматерии связано с его моделью терагалактики, состоящей из множества метагалактик. Этот необычный космологический сценарий предполагает, что некогда космос был заполнен разряженным газом «амбиоплазмы», впоследствии конденсировавшейся в метагалактические структуры, расположенные на дистанции во многие триллионы световых лет. Путем сложных построений Клейн доказал, что при такой генерации галактических структур обязательно должны бы образовываться и антимиры.

Правда, Альвен с пессимизмом отмечал, что в настоящее время это не совсем реально, хотя и существуют определенные косвенные аргументы, связанные с колоссальным выделением энергии в пульсарах, квазарах и ядрах активных радиогалактик…

Одно время последователи Альвена и Клейна даже утверждали, что каждая вторая далекая галактика может содержать антиматерию, однако современные наблюдательные данные не поддерживают подобную гипотезу.

Глава 3. Гравитационный коллапс

Астрофизики считают, что черные дыры чаще всего могут образовываться в результате коллапса нейтронных звезд, когда при сжатии их гравитационное поле уплотняется все сильнее и сильнее. Наконец звезда сжимается до такой степени, что свет уже не может преодолеть ее притяжения.

Ж.-П. Люмине.

Черные дыры: Популярное введение

Многие нерешенные задачи науки имеют как бы второе дно, за которым скрывается поиск экспериментальных подтверждений вполне ясных теоретических построений. Такой задачей является исследование гравитационного коллапса – удивительного явления падения очень плотного и массивного вещества под собственным весом «внутрь себя». Причем падение бесконечное!

В результате гравитационного коллапса образуются (вернее, должны теоретически образовываться) поразительные небесные тела квазары, состоящие из одной или нескольких черных дыр – объектов, в которых материя сжата настолько плотно, что ее гравитационное поле не выпускает за свои пределы никакого излучения, включая лучи видимого света. Если черная дыра с массой от миллиона до миллиарда солнечных масс находится в центре галактики с большой плотностью вещества, то это вещество «засасывается» черной дырой. При этом гравитационные силы настолько велики, что заставляют падающее вещество излучать, превращая галактику в активную. Именно это излучение и выдает ученым присутствие квазаров – черных дыр.

По теории черные дыры должны возникать при гравитационном разрушении массивных звезд в процессе гравитационного коллапса – безудержного сжатия умирающего светила под собственным весом. Если черная дыра образовалась где-то в «пустых» просторах космоса, ее практически невозможно наблюдать. Однако ситуация меняется, если гравитационный коллапсар образовался вблизи в газопылевом облаке. Тогда падение межзвездной среды может весьма эффективно высветить провал черной дыры. Однако далеко не каждое космическое тело, провалившееся в черную дыру, даст яркий видимый всплеск излучения. При падении на гравитационный коллапсар газовой среды важна симметрия потока межзвездного вещества – если он сферически симметричен, то излучение энергии будет незначительным. Для существенной «энергетической отдачи» необходим вращающийся вокруг коллапсара аккреционный диск. В этом случае межзвездное вещество, двигаясь по сходящимся к центру черной дыры спиралям, будет сильно разогреваться в плоскости диска. Именно подобные раскаленные диски и надеются когда-нибудь воочию увидеть астрономы.

Схема гравитационного коллапсара

Не решенная до сих пор научная задача непосредственного наблюдения черной дыры делает несколько двусмысленными многочисленные исследования этих по истине странных космических объектов. Строго говоря, надо говорить лишь о «кандидатах в черные дыры», но астрономы так уверены в косвенных признаках их существования, что давно уже считают вполне реальными небесными телами. Трудно даже представить, какая их накроет волна разочарования, если действительность окажется несколько иной…

Согласно современным представлениям черные дыры поглощают световые лучи, проходящие вблизи их поверхностей, и отклоняют лучи, попадающие в их эффективную сферу притяжения. Они легко могут вступать в гравитационное взаимодействие с иными небесными телами, поглощая межзвездное вещество и образуя возле себя планетарные и звездные системы. Вещество, попадающее в сферу притяжения черной дыры, может разогреваться до очень высоких температур, выбрасывая вокруг потоки интенсивного рентгеновского излучения. Исходя из этих в общем-то сугубо теоретических представлений астрономы и считают, что во многих двойных звездных системах источниками рентгеновского излучения являются невидимые компоненты черных дыр.

Недавние астрономические наблюдения с помощью космических телескопов позволяют дать статус кандидатов в черные дыры трудновообразимым гигантам с многомиллиардной солнечной массой. Многие астрономы считают, что подобные сверхмассивные объекты находятся в центре практически всех галактик, играя важную роль в их возникновении и последующей эволюции.

Еще более впечатляющую картину с помощью компьютерных моделей рисуют астрофизики для тесных двойных систем, где аккреционный диск возникает при орбитальном вращении светила и коллапсара, перетекая на черную дыру феерическим потоком звездной плазмы. Вскоре после запуска новых орбитальных рентгеновских телескопов выяснилось, что черные дыры могут активно проявлять себя в тесных двойных системах, в процессах поглощения звездной плазмы, нагревающейся до температуры в миллионы градусов, что и сопровождается всплеском рентгеновского излучения.

Кроме того, возможны и тесные двойные системы исключительно из черных дыр. При этом коллапсары могут сближаться и сливаться, и тогда вблизи них будут ощущаться гравитационные волны – пульсации кривизны пространства-времени. Если вблизи окажется космический корабль, то его будет трясти, сжимать, растягивать, как обычный корабль в сильный шторм. В результате таких слияний должны возникать быстро вращающиеся сплюснутые коллапсары, превращая черные дыры в блины.

Учитывая важнейшие структурные свойства черных дыр (массивность, компактность и невидимость) астрономы постепенно выработали стратегию их поиска. Проще всего обнаружить черную дыру по ее гравитационному взаимодействию с окружающим веществом, например с близкими звездами. Правда, попытки визуально обнаружить невидимые массивные спутники в двойных звездах по эффектам поглощения ими своих светил-партнеров пока еще не увенчались успехом.

Другим направлением поиска гравитационных коллапсаров может служить изучение ядер галактик. В этих структурных образованиях, которые многие астрофизики связывают с загадочными квазарами, по идее должны скапливаться в сверхплотном состоянии колоссальные количества звездной материи, образованной сталкивающимися и сливающимися светилами. Теория предсказывает, что в подобных условиях вполне могли бы сформироваться сверхмассивные гравитационные коллапсары квазизвездного типа. Притягивая и разрушая окружающие их светила, эти «звездные каннибалы» способны создавать в центре галактик чудовищные аккреционные диски, выбрасывая вдоль их осей грандиозные фонтаны сверхбыстрых струй и потоков микрочастиц. Подобные феерические картины астрофизики уже наблюдали вблизи некоторых галактических ядер, что как минимум указывает на правильное направление поиска сверхмассивных кандидатов в черные дыры, в миллиарды раз превышающих Солнце. Недавние наблюдения в различных частях спектра зафиксировали одного из таких монстров и в глубине Млечного Пути. Там, судя по всему, расположился зародыш или, наоборот, останки квазара, включающие унитарный или множественный коллапсар с массой, превышающей два с половиной миллиона солнц.

Нерешенная задача науки о реальности гравитационного коллапса и наличии объектов, заключающих в себе непонятную сингулярность пространства-времени, является актуальнейшей задачей как астрофизики, так и физики элементарных частиц. Таким же образом существуют и два перспективных пути ее решения – эксперименты на ускорителях элементарных частиц и наблюдения всплесков космического излучения.

Современные космологические сценарии допускают, что коллапс звезд является не единственным способом рождения черных дыр и существуют особые механизмы формирования первичных коллапсаров в ранней Вселенной. Если вспомнить раннюю историю Большого взрыва, то средняя плотность вещества на определенном этапе значительно превышала ядерный уровень и любые, даже незначительные ее колебания в теории могли привести к локальным коллапсам пространства-времени. Электронное моделирование показывает, что в подобных условиях должны были возникать особые микроскопические коллапсары много меньше элементарных частиц, но с громадной для таких параметров массой в стотысячные доли грамма. В ходе ранней эволюции Вселенной плотность космической материи стремительно падала, так что рождались все более массивные первичные коллапсары, начиная от размеров нуклонов – протонов и нейтронов и заканчивая обычными звездными параметрами.

Физики-теоретики настойчиво предсказывают существование сверхкороткоживущих микроскопических черных дыр, которые физики-экспериментаторы не менее настойчиво ищут в потоках космических лучей сверхвысоких энергий. Существует даже совершенно фантастический проект массовой генерации подобных микроколлапсаров при взаимодействии очень энергичных встречных пучков элементарных частиц на мощных ускорителях – коллайдерах. Значение факта существования черных дыр для науки трудно переоценить, их «космологический» смысл наличия во Вселенной выходит далеко за рамки астрономии и физики элементарных частиц.

Вообще говоря, сама по себе сверхвысокая плотность вещества новорожденной Вселенной могла быть и недостаточна для генерации микроколлапсаров. Для начала гравитационного коллапса требовались некие флуктуации плотности, достаточно существенные в малых масштабах. Впрочем, даже при отсутствии флуктуаций процессы гравитационного коллапса могли спонтанно происходить во время космологических фазовых переходов. Это могло происходить на самых ранних этапах Большого взрыва, когда только что закончился период инфляционного расширения, или в эпоху ядерной плотности, когда адроны, такие как протоны и нейтроны, конденсировались из кваркглюонной плазмы.

Процесс излучения энергии и массы микроколлапсара, по расчетам, должен идти с постоянным увеличением. Так что черная дыра весьма нестабильна: она сжимается, в результате чего нагревается и начинает излучать все более энергичные частицы и при этом уменьшается все быстрее. Когда коллапсар достигает граничной массы около тысячи тонн, он в течение секунды взрывается, как миллион мегатонных ядерных бомб. Время полного испарения черной дыры пропорционально кубу его начальной массы, и у коллапсара солнечной массы время жизни превышает все мыслимые пределы, составляя число с шестьюдесятью нулями лет. Дыра же с массой в миллиарды тонн должна существовать в пределах возраста современной Вселенной. Следовательно, первичные коллапсары такой массы именно сейчас должны были бы взрываться, заканчивая свой жизненный цикл. А все дыры с меньшей массой должны были испариться в более ранние космологические эпохи.