Книга: Математика космоса [Как современная наука расшифровывает Вселенную]

* * *

Эйнштейновы уравнения поля имеют решения, соответствующие черным дырам, но это не гарантия того, что они существуют в природе. Может быть, неизвестные нам законы физики не допускают существования черных дыр. Так что прежде чем очень уж увлекаться математикой и астрофизикой, неплохо бы найти хоть какие-то наблюдательные свидетельства того, что черные дыры существуют в реальности. Было бы чертовски интересно пойти дальше и заняться поисками белых дыр, червоточин и альтернативных вселенных, но прямо сейчас даже поиск черных дыр — достаточно амбициозная задача.

Первоначально черные дыры оставались чисто теоретической спекуляцией; считалось, что их невозможно наблюдать непосредственно, поскольку излучают они только слабое хокинговское излучение. Об их присутствии узнают по косвенным данным, в основном по гравитационному взаимодействию с другими близлежащими телами. В 1964 году прибор, запущенный на ракете, зарегистрировал исключительно сильный рентгеновский источник в созвездии Лебедя, получивший название Лебедь X-1. Лебедь, по-латыни Cygnus, летит вдоль Млечного Пути, и это существенно, поскольку Лебедь X-1 лежит в самой гуще нашей Галактики и потому виден нам именно на Млечном Пути.

В 1972 году Чарльз Болтон, Луиза Вебстер и Пол Мердин свели воедино наблюдения оптических и радиотелескопов, чтобы показать, что Лебедь X-1 представляет собой двойной объект. Один компонент (тот, что излучает видимый свет) — это голубой сверхгигант HDE 226868. Второй, регистрируемый только по радиоизлучению, примерно в 15 раз массивнее Солнца, но настолько компактен, что не может быть звездой ни одного из обычных типов. По оценкам, его масса превосходит предел Толмана — Оппенгеймера — Волкова, так что нейтронной звездой он тоже не может быть. Приведенные данные сделали этот объект первым серьезным кандидатом на роль черной дыры. Однако голубой сверхгигант в паре так массивен, что сложно точно оценить массу второго компонента. В 1975 году Торн и Хокинг заключили по этому поводу пари: Торн утверждал, что это черная дыра, а Хокинг считал, что нет. После дополнительных наблюдений в 1990 году Хокинг признал поражение и выплатил проигрыш, хотя статус объекта окончательно не подтвержден до сих пор.

Имеются и более многообещающие рентгеновские двойные объекты с менее массивной обычной составляющей. Лучший из них — V404 Лебедя, открытый в 1989 году; сегодня известно, что находится он в 7800 световых годах от нас. Здесь обычный компонент — звезда чуть меньше Солнца, а компактный компонент имеет массу около 12 солнечных, то есть выше предела Толмана — Оппенгеймера — Волкова. В этом случае есть и другие свидетельства, так что сегодня считается общепризнанным, что второй компонент здесь — черная дыра. Два тела обращаются вокруг общего центра масс каждые 6,5 суток. Гравитация черной дыры деформирует звезду и придает ей яйцевидную форму, поглощая одновременно ее вещество, перетекающее в черную дыру устойчивым потоком. В 2015 году V404 начала испускать короткие вспышки света и интенсивного рентгеновского излучения; известно, что такие же явления наблюдались в 1938, 1956 и 1989 годах. Считается, что причиной их является вещество обычной звезды, которое накапливается вокруг черной дыры и всасывается внутрь, когда его масса превышает некую критическую величину.

Рентгеновское излучение помогает находить и другие черные дыры. Выпадающий на черную дыру газ образует тонкий диск, называемый аккреционным диском; затем этот газ нагревается трением по мере того, как момент импульса передается по диску наружу. Газ может разогреться настолько, что начинает излучать рентгеновские лучи высоких энергий, и до 40 % его может превратиться в излучение. Нередко энергия уносится прочь в виде громадных струй, направленных под прямым углом к аккреционному диску.

Недавно сделано поразительное открытие: у большинства достаточно крупных галактик в центре располагается гигантская черная дыра массой от 100 000 до миллиардов солнечных. Не исключено, что именно эти сверхмассивные черные дыры организуют вещество в галактики. В нашей Галактике такая дыра имеется — с ней связан радиоисточник Стрелец A*. В 1971 году Дональд Линден-Белл и Мартин Рис прозорливо предположили, что этот объект может оказаться сверхмассивной черной дырой. В 2005-м выяснилось, что M31 — галактика Андромеды — имеет центральную черную дыру с массой 110–230 миллионов солнечных. В другой близлежащей галактике, M87, тоже имеется черная дыра, масса которой составляет 6,4 миллиарда солнечных. А в отдаленной эллиптической радиогалактике 0402+379 имеются две сверхмассивные черные дыры, которые обращаются вокруг друг друга, подобно звездам в гигантской двойной системе, на расстоянии 24 световых лет. Один оборот у них занимает 150 000 лет.