Астрономия

Чтобы проверить законы физики в условиях, недоступных на Земле, астрофизик Козимо Бамби (Cosimo Bambi) из Фуданьского университета (Китай) предложил отправить к центру ближайшей черной дыры «нанокрафт» — крошечный зонд, ускоряемый наземной лазерной установкой до релятивистских скоростей.

Общая теория относительности выдерживает проверки в Солнечной системе и за ее пределами: в 2015 году с помощью детекторов LIGO и VIRGO ученые впервые уловили гравитационные волны от слияния черных дыр, а в 2019-м зарегистрировали сигнал, исходящий от новорожденного космического «монстра». Наблюдения в рентгеновском диапазоне и снимки горизонта событий подтверждают теорию Эйнштейна, однако на точность данных влияют космическая среда и неизбежные упрощения в расчетах. Расставить все точки над i можно, лишь напрямую приблизившись к черной дыре.

Ближайший из обнаруженных объектов — GAIA-BH1 — расположен на расстоянии около 1560 световых лет от Земли. Однако лучший кандидат для амбициозной миссии Бамби, по его же оценкам, — изолированная (и поэтому невидимая) черная дыра, предположительно скрывающаяся в 20-25 световых годах от нашей планеты. Поскольку у большинства таких космических «монстров» нет звездных компаньонов, обнаружить их можно либо с помощью редкого явления, искажающего свет далекой звезды, — гравитационного микролинзирования, — либо зафиксировав слабое излучение, возникающее при поглощении разреженного газа из межзвездной среды. Уловить эти сигналы можно при помощи космического телескопа «Джеймс Уэбб» или обсерватории ALMA.

В статье, опубликованной в журнале iScience, астрофизик предлагает отправить к такой черной дыре космический зонд массой один грамм. «Нанокрафт» представляет собой лазерный парус площадью 10 квадратных метров, на поверхности которого в некоторых местах дополнительно реализованы микросхемы. Разогнать аппарат до трети скорости света можно с помощью наземной лазерной установки, а при увеличении мощности — теоретически и до 90 процентов (чем меньше зонд, тем легче его разогнать до нужных скоростей).

Поскольку подобные технологии разрабатываются в рамках инициативы Breakthrough Starshot, первоначально нацеленной на полет к Альфе Центавра, к середине XXI века стоимость лазерной инфраструктуры может оказаться более или менее приемлемой, составив примерно миллиард евро. Правда, на данный момент неясно, увенчаются ли эксперименты Breakthrough Starshot успехом, а строительство сверхмощного лазера, необходимого для запуска «нанокрафта» (по расчетам самого Бамби), сегодня обошлось бы в триллион евро.

Продолжительность миссии будет зависеть от расстояния до черной дыры и скорости полета: при достижении одной трети от скорости света «нанокрафт» достигнет цели за 60-75 лет, а на передачу данных на Землю уйдет еще 20-25 лет. Если же зонд получится разогнать до 90 процентов световой скорости, миссия займет всего 40-45 лет. Для надежности Бамби предлагает отправить либо два одинаковых «нанокрафта» (что значительно дороже), либо снабдить основной аппарат отделяемым модулем: первый останется на орбите подальше от черной дыры в качестве ретранслятора, а второй вплотную приблизится к горизонту событий.

Подход позволит провести сразу три уникальных эксперимента: проверить метрику Керра (описание геометрии пространства-времени вокруг вращающейся черной дыры), неизменность фундаментальных физических констант (например, изменения постоянной тонкой структуры α в условиях мощной гравитации) и наличие горизонта событий (если отправить зонд прямиком в черную дыру, то можно проверить, исчезнет сигнал «нанокрафта», как это предсказывает теория, или нет).

Реализовать столь фантастическое предложение будет непросто, если вообще возможно. Во-первых, придется разработать чрезвычайно легкие и прочные паруса, устойчивые к мощному лазерному излучению. Во-вторых, создать систему навигации в отсутствие каких-либо ориентиров (напомним, увидеть изолированную черную дыру нельзя), а также способ передачи данных с расстояния в десятки световых лет. В-третьих, придумать, как изменить траекторию зонда для успешного выхода на орбиту невидимого космического «монстра».

Перед этим нужно найти ближайшую к Земле черную дыру, что само по себе сложно: поиски могут занять годы или вообще ни к чему не привести, а также проверить новаторские технологии в более «простых» миссиях (например, к той же Альфе Центавра в рамках Breakthrough Starshot). Словом, относиться к предложению китайского ученого следует с осторожностью.

Бамби, тем не менее, отметил, что технологии для отправки «нанокрафта» могут появиться в течение нескольких десятилетий. «Когда это произойдет, — написал он, — человечество получит уникальную возможность изучить фундаментальные законы природы в их самой экстремальной форме — возле „сердца“ черной дыры».