Нераскрытые тайны природы. Расширяющий кругозор экскурс в историю Вселенной с загадочными Большими Взрывами, частицами-волнами и запутанными явлениями, не нашедшими пока своего объяснения

Малоун Джон

В действительности размеры Солнца (не говоря уже о Вас и обо мне) слишком малы, чтобы образовалась черная дыра. Достаточными размерами и массой обладают лишь крупные звезды, а звезды-гиганты обречены превратиться в черные дыры. Тимоти Ферри в книге «The Whole Shebang» [4] пишет: «В каждой нормальной звезде существует сложное равновесие между двумя противоположными силами. Гравитация стремится сжать звезду в точку, а энергия, выделяющаяся в ее центре, заставляет звезду расширяться, стремится взорвать ее. В этих условиях звезда начинает пульсировать, периодически изменяя размеры под воздействием противоположно направленных сил, обусловленных изящным механизмом обратной связи». Этот механизм обратной связи позволяет поддерживать равновесие, благодаря которому звезды могут существовать и гореть достаточно долго. Например, наше Солнце горит уже около 10 миллиардов лет, что составляет почти половину его жизненного цикла. Скорость выгорания

ядерного топлива в центре звезды пропорциональна кубу ее массы, вследствие чего увеличение массы звезды всего в несколько раз приводит к резкому усилению яркости (в сотни раз!) и значительно сокращает срок ее жизни. Общий закон развития звезд заключается в том, что как только равновесие между гравитацией и выделением энергии нарушается, звезда любого размера коллапсирует.

Звезды с массой до 1,4 массы Солнца в результате коллапса превращаются в так называемые белые карлики (с массой Солнца, а размером с Землю). Они не могут дальше уменьшаться из-за ограничивающего плотность электронов в веществе принципа Паули (см. гл. 16). Более крупные и массивные звезды будут сжиматься до гораздо меньших размеров, образуя объекты диаметром менее 16 км, называемые нейтронными звездами, поскольку их ядра состоят в основном из электрически нейтральных элементарных частиц — нейтронов. Нейтронная звезда может вращаться, делая тысячи оборотов в секунду. Если такая звезда обладает магнитным полем, то она превращается в так называемый пульсар — мощный импульсный источник радиоизлучения.

Некоторые звезды во Вселенной столь огромны и обладают столь большой массой, что в этом случае гравитационные силы преодолевают ограничения, не позволяющие белым карликам и пульсарам уменьшаться дальше в размерах, и возникают черные дыры. Ни вещество, ни даже свет не могут преодолеть гравитационное притяжение таких объектов, поэтому все, что находится вблизи них и пересекает так называемый горизонт событий, «засасывается» внутрь дыры. В этой области пространства не действуют обычные законы гравитации, а возникают закономерности, характерные для черной дыры, которая является сингулярностью, т. е. зоной действия особых законов.

Конечно, очень многие давно пытались представить или теоретически описать происходящие внутри черной дыры процессы. В этих попытках приняли участие даже голливудские режиссеры, снявшие в 1979 г. очень зрелищный, но поразительно примитивный фильм под названием «Черная дыра». Некоторые астрофизики полагают, что всё попавшее в черную дыру превращается в «спагетти», а другие считают, что черные дыры связаны с иными измерениями и иными вселенными. Хотя черными дырами занимались блестящие ученые, разработавшие сложнейшие математические теории, однако пока никто не представляет толком, что происходит внутри них. Как и в концепции Большого Взрыва, теоретическое описание сингулярностей представляется весьма сложной задачей. Даже самый развитый математический аппарат позволяет автору создать лишь воображаемую реальность, существование и адекватность которой еще предстоит доказать.

С тех пор как Джон Уилер изменил свое мнение и принял концепцию черных дыр, многие астрофизики пытались исследовать природу этих загадочных звездных объектов. Начиная с 1970-х и до 1990-х годов предлагаемые теории были столь же многочисленны, как и вызываемые ими дискуссии. Но несмотря на это изобилие теорий, оставалась одна проблема: действительное существование черных дыр не было подтверждено.

Даже чисто практическая задача наблюдения черных дыр создаёт астрономам массу проблем, поскольку по определению черные дыры нельзя наблюдать. Любые заключения об их поведении можно сделать только на основе их воздействия на расположенные поблизости звезды и галактики. После ликвидации неисправностей в космическом телескопе «Хаббл» в 1994 г. в открытом космосе (что потребовало специального запуска космического челнока) и дальнейшей разработки рентгеновских телескопов начала поступать ценная и обширная информация. За короткий период с конца 1990-х до начала 2000 года удалось получить новые данные, которые подтвердили предсказания, относящиеся к черным дырам. Сейчас большинство астрофизиков считают существование черных дыр вполне доказанным. Однако, как это часто бывает, обилие новой информации не только позволяет ответить на старые вопросы, но и порождает множество новых. Например, начиная с 1974 г. астрономы были уверены, что наиболее вероятным кандидатом в черные дыры является звезда Х-1 созвездия Лебедя (Cygnus Х-1, Cyg Х-1), и они внимательно следили за ее поведением. Этот объект оказался бинарной системой, или двойной звездой, — довольно распространенным видом космических образований. Однако в отличие от других систем этого типа составляющие ее звезды совершенно различны. Одна из них ярко светит в оптическом диапазоне, но невидима в рентгеновской области. Другая оказывается «темной» в оптическом диапазоне, но яркой в рентгеновской

области. При этом первая звезда, по-видимому, вращается вокруг второй, масса которой, как показывают математические расчеты, значительно превышает массу обычных нейтронных звезд. Именно это обстоятельство натолкнуло на мысль, что речь идет о черной дыре. К середине 1980-х годов астрономы собрали много данных о поведении Cyg X-1, зачастую противоречащих друг другу. Дискуссии в среде космологов привели к тому, что между Кипом Торном и Стивеном Хокингом было заключено пари, в соответствии с которым, если бы звезда Cyg Х-1 оказалась черной дырой, то Хокинг должен был оплатить Торну подписку на журнал «Penthouse». В противном случае Торн должен был подписать Хокинга на сатирический журнал «Private Eye». К началу 1990-х годов Торн уже был уверен в своей правоте на 95%, хотя и не ожидал, что противник легко признает свое поражение. Однако Хокинг оказался достаточно объективным и, как с юмором пишет об этом Торн, «в июне 1990 года, когда я работал со своими российскими коллегами в Москве, Хокинг «вломился» в мой офис в Калтехе (разумеется, в окружении семьи, сиделок и друзей), снял со стены помещенный в рамку текст нашего пари и оставил на нем соответствующую расписку, заверив ее отпечатком большого пальца».

Принадлежность Cyg Х-1 к черным дырам подтверждена совместными данными, полученными при помощи «Хаббла» и новых рентгеновских телескопов. Информация о других объектах иногда противоречива. Многие астрономы считают, что мы, возможно, имеем дело с двумя разными типами черных дыр. Одни из них действительно сравнимы по массе с бинарной системой Cyg Х-1, а другие имеют массу, эквивалентную миллиардам звезд типа Солнца. Более того, такие сверхмассивные черные дыры постоянно обнаруживаются в центрах галактик. К началу 2001 г. астрономы обнаружили уже не менее тридцати таких объектов, измеряя скорость газов, захватываемых центральной черной дырой и имеющих характерную спиральную форму (как вытекающая из ванны вода).

Новейшие открытия показывают, что более крупные и массивные галактики имеют в своем центре и более массивные черные дыры. Кроме того, астрономы полагают, что сверхмассивные черные дыры существуют только в галактиках эллиптической формы, обладающих плотным ядром из звезд, а галактики без центрального уплотнения, по-видимому, вообще не содержат черных дыр. Наша собственная Галактика, Млечный Путь, имеет относительно небольшое уплотнение в центре и содержит несколько небольших черных дыр (немного превышающих по массе наше Солнце). Интересно, что масса и очень больших, и очень малых черных дыр всегда составляет около 0,2% от массы всей центральной области Галактики.

Космологи сейчас тщательно изучают эти факты, так как они свидетельствуют о том, что черные дыры могут оказаться «зародышами», вокруг которых формируются галактики. Исследователи из Мичиганского университета обнаружили еще три сверхмассивные черные дыры, а их руководитель Дуглас Ричстоун заявил в январе 2000 г.: «Каким-то образом черные дыры «узнают» массу галактики, в центре которой они расположены, или, наоборот, образующаяся вокруг черных дыр галактика как-то «догадывается» о массе черной дыры в центре. В любом случае мы имеем дело с каким-то непонятным механизмом». Выше уже упоминалось, что в квантовой механике пары электронов как-то «узнают» о состоянии друг друга, поэтому космологов страшно заинтересовала возможность существования похожей взаимосвязи в космических масштабах. Разумеется, споры о том, какая из масс является «ведущей», несколько напоминают дискуссии о том, что было в начале: яйцо или курица. Некоторые ученые считают, что основным фактором служит черная дыра, а другие склонны считать, что дыры и галактики формируются в неразрывной связи.

В 1939 г., когда Оппенгеймер и Снайдер опубликовали свою первую работу с гипотезой о существовании черных дыр, многие выдающиеся астрофизики отнеслись к этой идее скептически, и понадобилось много лет, чтобы они поменяли свое мнение. Лишь в конце 1990-х годов новые данные, полученные на телескопе «Хаббл», продемонстрировали возможность существования черных дыр во многих галактиках. Черные дыры только сейчас начинают приоткрывать свои секреты и одновременно предлагают ученым целый ряд новых загадок. Долгий и интересный путь исследования их природы только начинается, но он обещает привести нас к пониманию процессов, играющих важнейшую роль в развитии Вселенной.

Литература для дальнейшего чтения

 1. Thorne, Kip S. Black Holes and Time Warps: Einstein's Outrageous Legacy. New York: Norton, 1994. Книга была опубликована до того, как космический телескоп «Хаббл» начал работать нормально, и поэтому не содержит новейших данных в этой области, однако она остается наиболее полным источником по истории развития теории черных дыр. Несмотря на большой объем (более 600 страниц), она читается легко и с интересом, так как Торн был лично знаком с многими из тех, кто вот уже 60 лет развивает эту теорию.