Нераскрытые тайны природы

Глава 17. Что же такое черные дыры?

При чтении многих современных монографий по космологии возникает вопрос, не провалился ли Дж. Роберт Оппенгеймер сам в «черную дыру»? Созданные им сложные теории и методы расчетов, связанные с обсуждением черных дыр, практически не упоминаются, а его фамилия отсутствует даже в авторских указателях. Между тем это был выдающийся американский физик, известный в наши дни как руководитель лаборатории в Лос-Аламосе в период создания атомных бомб, сброшенных на Хиросиму и Нагасаки. Он первым понял, что из теории относительности Эйнштейна вытекает возможность существования странных космических объектов. В конце 1938 г. Оппенгеймер и Джордж Волков рассчитали массу и размеры нейтронных звезд. В ходе работы Оппенгеймер понял, что «умирающие» массивные звезды должны претерпевать коллапс (направленный внутрь взрыв), и задумался об их дальнейшей эволюции.

Расчеты приводили к очень сложным математическим уравнениям, для решения которых Оппенгеймер привлек Гартланда Снайдера, блестяще и разносторонне одаренного выпускника Калифорнийского технологического института. Кип Торн, один из крупнейших современных специалистов по теории черных дыр, подробно рассматривает работы Оппенгеймера в своей книге «Черные дыры и деформации времени» (1994) [1]. Несмотря на то что сам Торн был учеником Джона А. Уилера (постоянного соперника и критика Оппенгеймера), он признает, что расчеты, проведенные Снайдером под руководством Оппенгеймера и Ричарда Толмена, являлись исключительно сложными. Некоторые задачи удалось решить лишь в конце 1980-х годов, после появления нового поколения сверхмощных компьютеров. Торн пишет, что «для решения задачи авторам пришлось построить идеализированную модель коллапса звезды и затем рассчитать его следствия. Он называет «научным подвигом» тот факт, что Снайдеру удалось составить требуемые уравнения и найти методы их решения, «позволяющие анализировать различные стороны процесса коллапса и описать его с точки зрения различных наблюдателей, находящихся вне или внутри звезды, а также на ее поверхности».

Многие физики сочли полученные уравнения совершенно необоснованными. Проблема состояла в том, что для наблюдателя, связанного с внешней системой координат, коллапс прекращался или «застывал», в то время как для наблюдателя на поверхности звезды, который постоянно проваливался внутрь, он продолжался бы бесконечно. Вывод о том, что происходящее может выглядеть совершенно по-разному в зависимости от системы наблюдения, объясняется деформацией времени. Такая возможность до этого никем не учитывалась и не обсуждалась. Конечно, физики уже знали и о возможности деформации времени согласно теории относительности Эйнштейна и о том, что результат наблюдений согласно принципу неопределенности Гейзенберга зависит от самого процесса измерения, однако считалось, что все эти эффекты происходят лишь на субатомном уровне, поэтому большинство американских физиков не задумывалось о возможности проявления квантовых эффектов в космических масштабах.

Позднее выяснилось, что у Оппенгеймера и Снайдера был предшественник. За 11 лет до опубликования в 1939 г. их знаменитой статьи молодой индийский физик Субраманьян Чандрасекар теоретически показал, что звезды, масса которых в 1,4 раза превышает массу Солнца, не могут превращаться в хорошо известные астрономам белые карлики, а будут продолжать сжиматься под воздействием гравитации. Примерно тогда же к этому выводу пришел и выдающийся российский физик Лев Давыдович Ландау (если бы Ландау дожил до 1983 года, он бы с полным правом разделил Нобелевскую премию с Чандрасекаром).

Сам факт, что от момента открытия до присуждения Нобелевской премии прошло 55 лет, наглядно показывает, насколько предложенная идея опередила уровень развития мировой науки. В 1928 г. знаменитый физик сэр Артур Эддингтон, своими измерениями во время затмения Солнца в 1919 г. подтвердивший предсказанное Эйнштейном искривление пространства, был возмущен теорией Чандрасекара: «Я убежден, что существует закон природы, запрещающий звездам вести себя столь бессмысленно!»

^{Дж. Роберт Оппенгеймер, теоретически предсказавший в 1939 г. существование черных дыр. Несмотря на прекрасное математическое обоснование, его концепция первоначально была встречена в штыки большинством физиков, а сам он приобрел известность только как руководитель лаборатории в Лос-Аламосе, где были созданы первые атомные бомбы. (С любезного разрешения Американского института физики. Архив Эмилио Сегре.)}

Почти так же отнеслись к идеям Оппенгеймера и Снайдера именитые американские физики во главе с Джоном А. Уилером. На некоторое время теоретические споры заглохли, поскольку началась Вторая мировая война, и физики были заняты практическими проблемами, связанными с созданием атомной бомбы. Однако после войны разногласия между Оппенгеймером и Уилером перешли на уровень личных отношений. При этом оба работали в Принстонском институте перспективных исследований. Их взаимная неприязнь усилилась после того, как Оппенгеймер стал выдвигать технические и моральные доводы против программы разработки водородной бомбы. С техническими проблемами удалось справиться, но поднятые этические проблемы сказались на его дальнейшей судьбе. Уилер стал одним из главных создателей американской водородной бомбы, а Оппенгеймеру дорого обошлась его оппозиция созданию нового вида оружия. Позднее, в 1950-е годы, ему пришлось подвергнуться проверке в печально известной комиссии сенатора Маккарти, в результате чего он был лишен допуска к секретным работам. Хотя Оппенгеймеру никогда не предъявлялось прямое обвинение в измене, это разбирательство стало концом его научной деятельности и частично объясняет упомянутое выше «исчезновение» имени Оппенгеймера из трудов, посвященных черным дырам.

Еще одна причина состоит в том, что Уилер кардинально поменял к тому моменту свое отношение к проблеме гравитационного коллапса. Он не только стал усиленно заниматься ею, но и превратился в одного из крупнейших специалистов в этой области, а в 1969 г. даже придумал прекрасное название черная дыра (разумеется, в результате этого предыдущая деятельность его старого соперника Оппенгеймера оказалась почти совершенно забытой). Любителям телевизионного сериала «СтарТрек» будет небезынтересно узнать, что в первых эпизодах, относящихся еще к 1967 году, использовался очень похожий термин. Лоуренс М. Краус, автор книги «Физика в сериале «СтарТрек», пишет по этому поводу следующее: «При просмотре этого эпизода специально для сверки с текстом книги мне показалось, что авторы просто неточно использовали научное понятие, и это выглядело забавным. Лишь позднее я осознал, что авторы сериала придумали название, почти совпадающее с научным термином». В сериале речь шла о «черной звезде».

Образ космической черной звезды, или дыры, оказался весьма эффектным, что отмечали многие рецензенты. Частично это можно связать с тем, что Джон Уилер нашел удивительно удачное и емкое название для странных объектов, которое одновременно очень подходит для удачных, а иногда грубоватых шуток по поводу многих житейских ситуаций. Широкая публика, вообще говоря, никогда не проявляла интереса к проблемам других звездных объектов (от белых и коричневых карликов до нейтронных звезд), однако черные дыры были восприняты столь же остро, как когда-то в древности кометы. Это кажется особенно странным, если учесть, что уже почти 60 лет ведущие физики мира ломают головы над проблемой черных дыр. Психологи неоднократно отмечали, что обаяние метафоры «черная дыра» обусловлено именно ее абстрактностью и неопределенностью, позволяющей каждому вкладывать в это понятие собственный смысл.

В большинстве справочников обычно подчеркивается, что гравитационное поле черных дыр настолько сильно, что даже свет не может выходить из них. Выше уже упоминалась книга Кипа Торна «Черные дыры и деформация времени», опубликованная в 1994 г. Хотя к этому моменту астрономы еще не имели даже доказательств реального существования черных дыр, К. Торн (который сам является выдающимся специалистом в этой области) сумел добавить к стандартному определению еще одну характеристику, назвав черную дыру «объектом, образующимся при коллапсе звезды, в который предметы могут попадать, но из которого они не могут выходить». Впрочем, это определение также достаточно осторожно, поскольку Торн хорошо представлял себе, к каким странным выводам может приводить концепция черных дыр.

Попробуем ответить на довольно простой вопрос: каковы размеры черных дыр?

Теоретически черной дырой может стать любой объект — звезда, луна, небоскреб Эмпайр Стейт Билдинг, слон, читатель или автор этой книги, пресс-папье со стола и т. п., если только к нему удастся приложить нагрузку и сжать вещество до требуемой плотности. Когда объект сожмется до ничтожных размеров, его гравитационное поле возрастет настолько, что пространство искривится и образуется черная дыра, из которой наружу не сможет вырваться даже луч света. Из человека (например, из меня или из Вас, читатель) можно, конечно, сформировать лишь очень маленькую черную дыру, радиус которой будет в миллиарды раз меньше размеров электрона. При сжатии Земли возникнет черная дыра величиной с шарик для настольного тенниса, а Солнце образовало бы черную дыру радиусом около 2,4 км.

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.

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.

2. Pickover, Clifford A. Black Holes: A Traveler's Guide. New York: John Wiley & Sons, 1996. Очень популярно и легко написанная книга, в которой рассказывается о воображаемом путешествии двух ученых будущего внутрь черной звезды для проведения экспериментов. Иллюстрации в книге наводят ужас, но она снабжена программой компьютерной графики, позволяющей читателю самому создавать образы черных дыр на персональном компьютере.

3. Cooper, Heather. Black Holes. New York: DK Publishing, 1996. Книга предлагается «молодым, но взрослым» читателям и является достаточно сложной. Ее можно рекомендовать тем, кто хотел бы быстро получить общее представление о проблеме, но не имеет времени на чтение объемных трудов типа книги К. Торна.

4. Ferris, Timothy. The Whole Shebang. New York: Simon & Shuster, 1997. Черные дыры упоминаются в этой книге лишь наряду со многими другими проблемами физики, но Т. Ферриса отличает способность достаточно ясно и сжато излагать сложные вопросы.

5. Wheeler, John Archibald and Kenneth William Ford. Geons, Black Holes, and Quantum Foam: A Life in Physics. New York: Norton, 1998. С конца 1930-х годов Уилер был одним из крупнейших специалистов США в области квантовой механики и возглавлял очень крупные исследовательские программы, поэтому его автобиография содержит множество интересных сведений о людях и событиях, связанных с развитием космологии.

6*. Кауфман У. Космические рубежи теории относительности. — М.: Мир, 1981.

7*. Редже Т. Этюды о Вселенной. — М.: Мир, 1985.