Пролетная миссия к черной дыре: можно ли измерить кривизну пространства без торможения?

Группа астрофизиков под руководством И Фаня и Козимо Бамби из Университета Фудань (Шанхай) совместно с коллегами из Узбекистана и Германии представила новую часть своего исследования о том, как можно проверить теорию гравитации Эйнштейна с помощью межзвездных зондов. В работе, опубликованной в архиве препринтов arXiv, ученые детально разобрали сценарий, при котором крошечные космические аппараты не тормозят у черной дыры, а лишь пролетают мимо нее на предельно малом расстоянии. Главное открытие заключается в том, что даже такой быстрый пролет позволяет накапливать большой угол поворота возле черной дыры, если точно подобрать траекторию, и это дает возможность отличать «обычную» черную дыру от более экзотических объектов, предсказываемых некоторыми альтернативными теориями.

Предыдущая работа этой команды была посвящена миссии, в которой зонды выходят на орбиту вокруг черной дыры. Однако торможение у такого массивного объекта требует колоссальных затрат энергии и сложных маневров. Поэтому в новой части исследования авторы сосредоточились на более реалистичном сценарии: зонды просто пролетают мимо, как кометы, пролетающие около Солнца. Такой подход технически проще, ведь не нужно сбрасывать скорость, а значит, можно отправить множество легких аппаратов, разогнанных мощными лазерами с Земли. Ученые рассмотрели идеальный случай, когда черная дыра не вращается и находится в пустоте, чтобы сосредоточиться на главном: как именно искривление пространства-времени влияет на траекторию пролетающего зонда.

В центре внимания оказалось так называемое «зум-вирл» движение (zoom-whirl от английских слов «zoom» (быстрый подлет) и «whirl» (кружение)), когда зонд, пролетая на грани захвата черной дырой, не падает в нее и не улетает, а совершает несколько витков по очень вытянутой орбите, подобно камню, который кружится перед тем, как упасть в воронку.

Оказывается, если прицельный параметр (расстояние, на котором зонд прошел бы мимо, если бы черная дыра не притягивала его) отличается от критического значения всего на несколько сантиметров, то угол поворота вокруг черной дыры может вырасти до многих оборотов. Причем это число растет не линейно, а логарифмически: чтобы добавить еще один виток, нужно уменьшить отклонение в сотни раз. Для черной дыры массой в десять солнечных масс критическое расстояние составляет около ста километров, а чтобы зонд сделал десять оборотов, его прицельный параметр нужно выставить с точностью до размера атомного ядра, что, конечно, фантастически сложно, но теоретически возможно.

Затем исследователи пошли дальше и заменили идеальную шварцшильдовскую черную дыру на слегка деформированную модель, в которой добавлен специальный параметр, отвечающий за отклонение от теории Эйнштейна. Оказалось, что даже крошечное значение этого параметра, в сто тысяч раз меньшее, чем допускают современные наблюдения, сдвигает границу захвата на несколько сантиметров. Это означает, что зонд, который по расчетам для обычной черной дыры должен был бы улететь, в реальности может упасть, если пространство-время искажено чуть иначе. Авторы показали, что, запуская несколько зондов с разными скоростями и измеряя, какой из них упал, а какой улетел, можно буквально «нащупать» эту границу и понять, совпадает ли геометрия черной дыры с предсказаниями Эйнштейна.

Однако на пути возникает серьезная проблема: если измерять критический параметр только при одной скорости, то нельзя отличить изменение массы черной дыры от изменения ее геометрии — эти два эффекта дают одинаковый сдвиг границы захвата. Такая «вырожденность» массы и деформации пространства означает, что одного пролета недостаточно. Чтобы разделить эти два влияния, нужно провести измерения как минимум при двух разных скоростях зондов.

Тогда, сравнивая, как меняется критическое расстояние в зависимости от скорости, можно выделить чисто геометрический эффект. Авторы подсчитали, что для этого требуется точность локализации границы на уровне сантиметров, что сравнимо с размерами самих зондов, а разница во времени пролета между деформированной и обычной черной дырой составляет всего несколько микросекунд, но это уже измеримо современной техникой.

Практическая реализация такого эксперимента выглядит как флот крошечных зондов, выпущенных из материнского корабля. Сами зонды размером в несколько сантиметров и массой менее грамма не могут нести большие солнечные паруса, потому что те были бы разорваны приливными силами вблизи черной дыры.

Поэтому предлагается, чтобы большой корабль с лазерным парусом оставался в безопасности на расстоянии, а перед самым сближением выпускал рой микроскопических аппаратов. Они обмениваются радиосигналами друг с другом и с материнским кораблем, который затем передает данные на Землю. Расстояние между двумя группами таких зондов, подлетающих к черной дыре с противоположных сторон, можно измерить с высокой точностью, а по углу разворота каждого отдельного зонда определить, насколько близко он прошел к критической траектории. Это позволяет восстановить положение границы захвата с сантиметровой точностью.

В итоге авторы приходят к выводу, что пролетная миссия, хотя и не требует сложного торможения, дает не менее богатую информацию, чем орбитальная. Однако и здесь остаются очень серьезные вызовы: нужно невероятно точно знать начальные скорости и положения всех зондов, а также учитывать, что в реальности черная дыра вращается и окружена разреженным газом, который может влиять на движение.

Тем не менее, именно пролетный вариант представляется более осуществимым в обозримом будущем, поскольку он не требует разработки двигателей для остановки у черной дыры. Если удастся преодолеть технические трудности и откалибровать массу черной дыры по дальним наблюдениям, то такой эксперимент сможет проверить общую теорию относительности с беспрецедентной точностью, недостижимой для земных или околоземных обсерваторий.

Главный результат исследования заключается в том, что даже один-единственный пролетный маневр, выполненный с точностью до сантиметров, способен дать информацию о структуре пространства-времени вблизи горизонта событий. Но для окончательного ответа, является ли черная дыра именно такой, какой ее описывает Эйнштейн, потребуется серия пролетов с разными скоростями. Это позволит разорвать порочный круг, где изменение массы маскирует изменение геометрии. Хотя практическая реализация такой миссии остается делом далекого будущего, работа показывает, что физически и математически идея вполне состоятельна, и при должном развитии технологий лазерного ускорения и микро-зондов человечество сможет впервые «пощупать» гравитацию в ее самом экстремальном проявлении.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях