Книга: Чем мир держится?

Встреча у черной дыры

<<< Назад
Вперед >>>

Встреча у черной дыры

Коллапс — термин, первоначально гораздо более популярный в медицине, чем в космологии. Сосудистый коллапс может привести к гибели человека. Гравитационный коллапс может привести звезду если не к гибели, то к перерождению. Он может произойти не со всякой звездой, а только с такой, масса которой превышает солнечную процентов по меньшей мере на двадцать. И может произойти, а может и не произойти. Это, как пишут физики, один из возможных путей завершения эволюции звезд. Возможных, но не обязательных.

Чем станет звезда после гравитационного коллапса? Может быть, нейтронной звездой, а может быть, даже черной дырой.

Термоядерные реакции, по наиболее признанной сегодня теории, дают звезде энергию, которую она тратит на излучение[16]. Но термоядерные реакции ведут к образованию все более тяжелых ядер элементов из ядер легких, пока, наконец, дело не дойдет до появления в центральной области звезды огромного количества ядер группы железа. Ядра железа и его химических сородичей относительно весьма прочны. Нуклоны в них связаны друг с другом так крепко, что синтез на этой «железной» основе более тяжелых ядер не только не ведет к выделению энергии, но, наоборот, требует се затрат.

Центр звезды, ее топка, перестает работать, затухает. Однако потери звездою энергии не только не падают, но растут. А между тем внутри каждой звезды на всем протяжении ее развития борются силы гравитационного притяжения и силы отталкивания частиц, притиснутых друг к другу чудовищным давлением и «желающих» чувствовать себя попросторнее в каждой ее точке. Наступает, наконец, момент, когда гравитационные силы решительно берут верх над силами отталкивания. Разумеется, это означает, говоря философски, что рассматриваемое природное явление должно после некоторых изменений прийти в повое состояние равновесия. Да, конечно, такое состояние возникает. Но какой ценой! Бывшая топка звезды, ее сердцевина, оказывается сжатой действием неуравновешиваемых сил тяготения. Их нажима не выдерживают и прочнейшие связи между нуклонами в ядре железа и его родственников. Ядро разваливается, или, лучше сказать, разламывается. На это разламывание тоже уходит энергия, потому топка становится теперь топкой наоборот: берет энергию, а не отдает ее, в недрах звезды идет вывернутая наизнанку реакция синтеза ядер. Впрочем, температура топки все же не падает, ведь звезда сжимается, а гравитационная энергия, как мы знаем, способна переходить в тепло не хуже любой другой..

Если бы температура в центре звезды поднималась быстро, разогретое вещество набралось бы силы, чтобы побороться с тяготением, чтобы остановить сжатие. Но большая часть тепла расходуется все на ту же «обратную термоядерную реакцию».

Сжатие продолжается, пока не превращается в сжатие взрывное, когда вещество центральной области звезды устремляется к центру ее со скоростью, достигающей на определенных этапах многих километров в секунду. Естественно, что на место уже обрушившихся более близких к центру слоев рушатся слои, более близкие к поверхности. Катастрофа развивается!

Нашему Солнцу взрывной коллапс не угрожает, Слишком для этого мала масса светила. Вот если бы оно было больше хотя бы в один и два десятых раза… Впрочем, в Галактике множество звезд, больших, чем Солнце. Гравитация в конце концов приведет их к сжатию, и они превратятся в нейтронные звезды.

Но и нейтронная звезда еще не дает нам предела плотности, возможного для вещества. Если гравитационный коллапс не остановился, она схлопывается — при определенных условиях — еще примерно на треть своего диаметра. И вот тут-то из нее получается черная дыра. Космическое тело исчезает с небосклона, потому что тяготение вблизи его поверхности достигает такой фантастической величины, что даже и свет оказывается «прикован» и не может уйти в пространство. То же относится и к любым другим формам вещества. Все, что достигает этого района, заглатывается черной дырой безвозвратно. Она становится грандиозной гравитационной ловушкой. Даже гравитационным гробом, как назвал ее академик Я. Зельдович. И не только для вещества. Само пространство-время приобретает здесь новые свойства.

Немецкий астроном Карл Шварцшильд в первые же месяцы после появления теории относительности нашел на основе ее уравнений, что если достаточно плотная звезда сожмется до определенных размеров, до своего так называемого гравитационного радиуса (в каждом случае зависящего от ее массы), то никакие сигналы с этой звезды уже не смогут выйти наружу. Слишком сильно будет искривлено окружающее ее пространство-время.

Черные дыры долю оставались, однако, да периферии космологии и астрофизики. Но с шестидесятых годов положение изменилось. Число посвященных им работ растет чуть ли не с той же быстротой, с какой они сами — в теории — схлопываются.

Какой реально должна быть черкая дыра, первыми показали советские физики А. Г. Дорошкевич, Я. Б. Зельдович и И. Д. Новиков в 1965 году.

Вращающаяся черная дыра становится центром вихря, засасывающего по воронкообразным орбитам частицы и газ. Она имеет четко очерченный горизонт, через который вещество и свет могут проходить только в одну сторону — внутрь, но не наружу[17]; окружность ее экватора должна быть равна девятнадцати километрам, помноженным на число масс Солнца, которым соответствует масса черной дыры. «Типичная» черная дыра имеет в «охвате» от шестидесяти до тысячи километров, и масса ее может содержать от трех до пятидесяти солнечных масс.

Кроме «типичных» черных дыр, могут существовать еще и дыры сверхгигантские. Ими, возможно, становятся центры галактик, в ядрах которых в прошлом происходили мощные взрывы. Если такая дыра есть и в центре нашей Галактики, то ее масса должна быть в сто миллионов раз больше массы нашего Солнца.

Наконец, теория учитывает возможность существования в нашем мире и минидыр массой всего лишь в несколько сот масс самой большой египетской пирамиды— пирамиды Хеопса. По космическим масштабам это и вправду минимасса, и вся она сосредоточена в объеме, который в нормальных условиях занимает одна (одна!) элементарная частица. Такие минидыры должны в соответствии с законами квантовой механики понемногу «испаряться». Один из «фокусов» квантовой механики состоит в том, что в определенных условиях элементарные частицы способны делать «скачки» сквозь как будто непреодолимые для них энергетические барьеры. Здесь не место вдаваться в подробности, заменим их аналогией. Сколько бы раз автомобиль ни подъезжал к глухой каменной степе, преодолеть ее он не в состоянии: он может либо остановиться перед ней, либо разбиться вдребезги. А вот подчиняйся он законам квантовой механики, в одном случае из очень многих автомобиль очутился бы «вдруг» позади стены, не повредив ее. Вот так какая-то часть вещества черной дыры все-таки выскакивает за ту самую ее поверхность, где даже свет вынужден останавливаться и обрывать свою дорогу вовне. Чем больше дыра, тем меньшая доля ее частиц прорывается наружу, но «испарение», предсказанное С. Хоукингом, идет и с поверхности больших черных дыр. Маленькие же дыры испаряются относительно быстро, и завершается этот процесс «таяния» бурно — взрывом. По астрофизическим масштабам взрывом крошечным — всего-то в области пространства величиной с протон освобождается столько же энергии, что и при взрыве одного миллиона мегатонных водородных бомб.

Именно из-за наклонности к взрыву при уменьшении массы минимальная масса черных дыр сегодня — десять в пятнадцатой степени граммов. Минидыры наших дней (если они есть) — реликты, ископаемые, оставшиеся от первых секунд рождения Метагалактики А вот сверхмассивные дыры — памятники тех более близких к нам миллиардолетий, когда складывались уже галактики.

Между прочим, на черную дыру можно и наткнуться. Конечно, встреча с таким космическим телом, даже миниатюрным, обернулась бы для Земли катастрофой. Но, возможно, такие катастрофы, к счастью, не очень значительных масштабов, уже случались в земной истории. Одна из сотен гипотез, связанных со знаменитым Тунгусским метеоритом, объявляет его минидырой. Впрочем, гипотезу эту отнюдь нельзя назвать общепризнанной.

В отличие от случая с нейтронными звездами черные дыры пока не отождествлены достаточно точно ни с какими конкретными объектами Вселенной, хотя их существование уже подозревают в нескольких пунктах. Строго говоря, они только предсказаны — предсказаны на основе уравнений общей теории относительности. Пока что все ее предсказания, которые можно было проверить, оказывались верными. Но мы-то знаем ведь, что теория должна проверяться, пока не будет опровергнута. Станет ли проблема черной дыры новым триумфом теории?

…Построение гипотез гораздо меньше зависит от логического мышления, чем думает большинство людей. Ни одна гипотеза не может быть создана путем только логического рассуждения, потому что она… основывается на недостаточном количестве данных; в противном случае это уже не гипотеза, а констатация факта. Гипотеза же тем изобретательней, чем больше она вынуждена опираться на воображение ввиду отсутствия фактов. Само собой разумеется, что оценка результатов может производиться только разумом.

Ганс Селье

Изложенное выглядит интересно, неожиданно, парадоксально. Однако кого удивишь парадоксами в современной физике? Парадокс — то, что противоречит общепринятому взгляду на вещи. Ну, а когда, строго говоря, «общепринятый» взгляд по каждому поводу принят далеко не всеми?.. Сказал же Р. Фейнман, что каждый физик знает шесть-семь теорий, объясняющих одни и те же известные факты.

С одной стороны, гравитационный коллапс представляется нормальным явлением в жизни каждой достаточно массивной звезды. Теоретические расчеты убедили большинство физиков в том, что переход пережившей коллапс звезды в черную дыру в ряде случаев неизбежен. Надо, однако, отметить, что ряд исследователей (у нас в стране — доктор физико-математических наук М. Е. Герценштейн и некоторые другие ученые, за рубежам — Р. Джилмен, Е. Г. Геррисон, В. Израэл) доказывает, что гравитационный коллапс на его последней стадии обратим, звезда, сжавшись до размеров сферы Шварцшильда, не застывает в этом положении, а снова расширяется, чтобы опять сжаться. Гравитационный коллапс, по Герценштейну и Джилмену, оборачивается не безвозвратной «смертью» звезды с обращением ее в гравитационный гроб, а пульсирующими ее биениями, На месте черной дыры в этой гипотезе возникает пульсар. С другой стороны, есть много оснований ожидать, что где-то впереди наша Метагалактика в целом должна пережить гравитационный коллапс, Положим, что в Метагалактике срабатывают те же задержки (противодействие гравитации некоторых других сил) коллапса, что и в галактике. Однако и тут и там это именно задержки — процесс не остановится, а только станет (становится) медленнее. А в масштабах Вселенной миллиарды и даже десятки миллиардов лет отнюдь не выглядят бесконечностью.

А вот еще одна система аргументов в пользу неизбежности перехода Метагалактики от расширения к сжатию. Рассказ о ней стоит начать с литературного примера, точнее — антипримера.

У советского геолога Обручева есть научно-фантастический роман «Плутония». Его герои сквозь отверстие вблизи полюса проникают внутрь нашей планеты, где, оказывается, находится обширное пустое пространство, освещаемое, собственным «внутриземным солнцем».

Рассмотрим эту ситуацию с гравитационной точки зрения.

Существуй на самом деле такая внутриземная полость, имейся на самом деле путь в нее — вблизи ли полюса или у экватора, — путешествие туда все равно было бы невозможно, как и жизнь в этой полости. Дело в том, что по одному из следствий закона всемирного тяготения Ньютона в пустой полости внутри сферической массивной оболочки гравитационная сила отсутствует, Попав в огромную полость внутри Земли, путешественники всплыли бы в воздух, как космонавты в спутнике, вышедшем на орбиту. Только в спутнике невесомость связана с тем, что он представляет собой свободно падающее тело, а в Плутонии притяжение со стороны ближайшей части земной оболочки уравновешивается притяжением остальных ее частей, в которых ведь вещества намного больше. Впрочем, дело обстояло бы даже хуже. В такой ситуации для путешественников сыграло бы роковую роль тяготение самого Плутона — светила подземной страны. В условиях равновесия сил притяжения со стороны Земли (Земли как «оболочки») Плутон должен был притянуть к себе отважных исследователей.

Поскольку аналогичных Плутонии полостей нет не только в нашей планете, но, насколько мы можем судить, ни в одной из планет Солнечной системы, ни даже ни в одном из массивных тел большою космоса, на данный вывод из теории тяготения Ньютона можно, казалось бы, не обращать внимания. Ан нет! Эффект, который Обручеву пришлось «забыть», играет огромную роль во Вселенной, и знание его открыло ученым глаза на многое в строении нашего мира. Потому что это правило (действующее во всю свою силу и в общей теории относительности) справедливо не только внутри сферической оболочки, но всюду, где силы тяготения, действующие, так сказать, с разных сторон, взаимно компенсируются и тем самым исчезают для соответствующим образом расположенного тела.

Известный уже нам американский физик Р. Дике пишет: «Во Вселенной нет таких огромных сферических полостей, но мы можем их себе представить, мысленно „вычерпав“ все галактики из большого (но не слишком большого) сферического объема, а затем вернув в получившуюся при этом полость…»

Каков, однако, мысленный эксперимент! Не говоря уже о том, что ученый свободно оперирует целыми галактиками — великолепна сама оговорка, что объем (вмещающий группы галактик!) не должен быть «слишком большим».

Эта мысленная операция показывает, что можно «затем» рассматривать гравитационное взаимодействие «возвращенных на место» галактик только как притяжение их друг к другу, считая, что все остальное вещество Вселенной на них не действует.

Тогда каждая галактика, расположенная в этой сфере, притягивается к центру сферы, как если бы именно в ней было сосредоточено все вещество этой области (примерно так же, как герои «Плутонии» притягивались бы к внутреннему Плутону).

Как известно, Метагалактика расширяется, галактики разбегаются, причем расширяется Метагалактика равномерно. Так же равномерно будет расширяться и эта часть Вселенной, наша «сфера с галактиками», причем гравитация сдерживает их разлет, все уменьшая его скорость. Раньше или позже (сроки здесь должны в конечном счете определяться средней плотностью материн в сфере) скорость разлета будет полностью погашена, движение галактик от центра сферы прекратится. Начнется их обратное движение — к центру…

Мысленно выделенная сфера служит здесь моделью Метагалактики. При определенном, сравнительно малом значении средней плотности материи в Метагалактике расширение ее должно оказываться бесконечным; однако большинство физиков, работающих в данной области, полагают, что реальная плотность материи в нашем мире больше этой величины и на смену расширению неизбежно придет сжатие — гравитационный коллапс нашей системы мира.

Научные истины всегда парадоксальны, если судить на основании повседневного опыта, который улавливает лишь обманчивую видимость вещей.

Карл Маркс

Сама же черная дыра нередко рассматривается как модель Метагалактики в момент, предшествовавший тому «первовзрыву», что состоялся, по мнению современных космологов, десять — двадцать или еще больше миллиардов лет назад. Мы, правда, мало знаем пока о черных дырах, вплоть до того, что не уверены до конца в их реальности. И совсем уж мало известно нам о состоянии Метагалактики до того, как она начала расширяться.

Но не случайно же в лабораториях взрывников моделями динамитных и иных зарядов стали раздувающиеся резиновые шарики! Внешняя, и не только внешняя, разница между моделью и тем, что моделируется, бывает очень велика. Порою так велика, что поневоле вспоминается древняя китайская притча о поисках лучшего коня в мире. Императорский эксперт по лошадям был уже слишком стар и рекомендовал поручить эти поиски своему младшему товарищу. Тот, объездив страну, сообщил, где именно находится лучшая лошадь империи. Его спросили, как она выглядит. Ответ был: это гнедая кобыла. За лошадью поехали и обнаружили в указанном месте вороного жеребца. Император предъявил претензии старику-эксперту. А тот пришел в восхищение — его протеже, оказывается, умеет не обращать внимание на случайное и поверхностное, а видит суть. И действительно, вороной жеребец был лучшим конем в поднебесной…

Дж. Уилер в своей работе «За границей времени» объявил, что парадокс коллапса — величайший кризис в физике за все времена. Физик в этой своей работе становится поэтом, воспевающим не столько даже науку, сколько противостоящую ей поразительную Вселенную.

«Вселенная, — пишет Уилер, — начинает свое существование из сверхплотного и сверхгорячего состояния, расширяется до максимальных размеров, а затем вновь сжимается и коллапсирует: никогда не делалось предсказания, внушающего такой же благоговейный страх, как это. Оно нелепо и абсурдно. Эйнштейн и сам не мог поверить в свой вывод. И только наблюдения Хаббла заставили его и научную общественность отказаться от концепции Вселенной, которая, не меняясь, существует бесконечно долго».

Мало того, что Вселенная схлопывается, как отдельная звезда, становящаяся черной дырой, из уравнений еще и следует, что плотность массы-энергии растет неограниченно, материя должна собраться в одной точке…

Неужели же физика предрекает «конец» Вселенной, как когда-то обнаружила ее «начало»?

Нет, «физика продолжается дальше, хотя бы по той простой причине, что физика по определению — это то, что существует вечно, несмотря ни на какие призрачные изменения во внешних проявлениях реальности».

Слово «физика» в данном случае, судя по всему, равнозначно слову «материя».

Сравнительно недавно физики открыли процесс расширения Метагалактики из сверхплотного «первояйца». Их спрашивали, что было до него? А они вспоминали, как один из святых ответил на вопрос: «Чем занимался бог до создания мира?» Святой вышел из положения: бог, дескать, создавал ад для тех, кто задает такие вопросы. Остроумно. Но не убедительно. И во всяком случае ответ такого сорта — признание беспомощности физики. О, конечно, для науки — достоинство, когда она умеет оценить пределы своего знания. Но расширение его пределов — долг науки.

Вспоминается история с другим коллапсом — электрическим, с другой ситуацией, в которой физикам на некоторое время стало казаться странным, как мир вообще может существовать, почему самое обычное вещество сохраняет свое состояние. Этот кризис начался в 1911 году, когда интерес общества к физике был гораздо менее развит, поэтому катастрофа, угрожавшая веществу, прошла бесследно для большей части человечества, тем более, что вскоре разразилась первая мировая война. Между тем кризис был весьма серьезным. Эрнест Резерфорд обнаружил экспериментально, что вещество состоит из отдельных положительных и отрицательных зарядов. Сегодня мы в школьном учебнике читаем, что в каждом атоме есть положительно заряженное ядро и отрицательно заряженные электроны, и не пугаемся, хотя знаем, что противоположные заряды притягиваются. Квантовая механика объяснила, почему электроны не падают на ядро. Но в 1911 году квантовой механики еще не было. По всем известным тогда законам отрицательные частицы должны были сблизиться и соединиться с положительными. Электрический коллапс выглядел неизбежным — и не происходил. Из решения парадокса электрического коллапса (вернее, парадокса его отсутствия) родилась модель атома Нильса Бора и в конечном счете квантовая механика в целом.

Что дает физике парадокс гравитационного коллапса? Чем значительнее парадокс, тем к большим результатам должно привести его разрешение. На повестке дня — не только судьба вещества, но и судьба самой Вселенной.

Что, кажется, страшнее, чем смерть, для человека, звезды, Вселенной? Но за «смертью» Вселенной неизбежно должно следовать новое ее рождение, процесс, в котором снова неизбежно будут порождены звезды, планеты, жизнь, разум.

Смотрите: гравитационный коллапс звезды, заканчивающийся ее превращением в черную дыру, ведет к поразительному обеднению звезды. Она теряет на этом пути большинство своих отличительных признаков. Получилась черная дыра из вещества или антивещества, из звезды или из облака излучения, из большой звезды или из относительно небольшой поначалу, но захватившей достаточное количество фотонов, — понять по черной дыре ее прошлое, определить ее происхождение невозможно. Но у черной дыры все-таки останется масса, электромагнитный заряд, момент количества движения. Три характеристики из многих и живых звезд… Однако коллапсирующая Вселенная должна потерять и заряд, и массу, и момент движения — точнее, они потеряют в ней свой физический смысл. И все же… И все же начинается новый цикл, сжатие сменяется расширением.

«…Единственная разумная картина следующая: Вселенная в период коллапса либо преобразуется, либо превращается, либо переходит, либо воссоздается вероятным образом от одного цикла своей истории к другому», — пишет Уилер, поясняя, что, по его мнению, Вселенная скорее всего не столько преобразуется, сколько воссоздается. Элементарные частицы — реликт, ископаемое, оставленное нам в наследство последним гравитационным коллапсом. Если все электроны во Вселенной, сегодня или десять миллиардов лет назад, все, где бы они ни находились, одинаковы, то из этого можно сделать вывод, что при каждом очередном коллапсе Вселенной, в каждом цикле ее развития должны среди других частиц рождаться электроны, идентичные сегодняшним. То же относится, по Уилеру, ко всем остальным частицам. Сильное предположение? (В физике это словосочетание имеет свой четкий «внутриведомственный» смысл. Предположение находят тем более сильным, чем меньше доводов в его пользу.) Да, конечно, сильное. Но ведь Уилер и употребляет тут выражения типа «по-видимому», «наиболее разумно»…

Он обращает внимание на так называемые большие числа в физике, явно взаимосвязанные между собой, хотя понимаем мы эту связь пока не очень хорошо. Вот эти числа.

Во Вселенной 1080 частиц.

Радиус Вселенной в момент максимального ее расширения (1028 сантиметров) так относится к среднему «размеру» элементарной частицы (10-12 сантиметра)[18], как электрические силы к гравитационным силам. Это составит 1040.

Отношение «размера» элементарной частицы к так называемой планковской длине, предполагаемому кванту пространства, составляет 1020. Во Вселенной отношение числа фотонов, частиц света, к числу барионов, тяжелых ее частиц, составляет 1010.

Выстроим эти числа в один ряд: 1080, 1040, 1020, 1010. Слишком все стройно для случайного распределения. Перед нами типичная логическая задача, внешне похожая на те, что так часто печатает журнал «Наука и жизнь». Требуется найти решение.

Числа огромны, и эту огромность, возможно, нельзя объяснить, полагает Уилер. Если все константы, все постоянные Вселенной, включая гравитационную постоянную, постоянную Планка, размеры заряда электрона, воспроизводятся в каждом новом цикле, то физика должна принимать эти константы как некие исходные данные, заложенные при начале очередного цикла и задающиеся заново каждый раз.

Что такое хаос? Это порядок, который уничтожили при сотворении мира.

Станислав Ежи Лец

Американский физик Б. Картер попробовал посмотреть, что получилось бы, если бы константы были хоть немного другими. Достаточно сделать одну из них всего на один процент больше, чтобы все звезды стали красными, на один процент меньше, — чтобы все они стали голубыми, В этом новом мире не найдется места для маленькой желтой звезды, которую мы зовем Солнцем. А ведь жизнь, которую мы знаем, нуждается в свете и тепле, идущих именно от такой звезды.

Вот и выходит, что нашей планете, а вместе с ней и всему живому, в том числе и нам, людям, крепко повезло с «местом во Вселенной». Впрочем, «повезло» — это не более чем метафора…

Во всех попытках решить проблему дальней истории мира принимает свое участие черпая дыра — «лабораторная модель» Вселенной.

И все-таки, как мы видели, иногда ставится под сомнение сама реальность черной дыры. Да, ставится. Может она исчезнуть из астрофизики? Да, конечно. История науки знает не так мало поистине замечательных идей, сослуживших человечеству и познанию хорошую службу и все-таки ушедших с арены науки, поскольку за ними не оказалось объективной реальности. Чтобы далеко не ходить, возьмем теплород — некое вещество, наделявшееся когда-то теплотворной способностью. Но затем этот таинственный флюид оказался выброшенным за ненадобностью, но до этого ученые успели, пользуясь представлением о нем, вывести основные формулы термодинамики, формулы, не отвергнутые и сегодня. Можно долю перечислять случаи, когда на основе явно неверных, как позже выяснилось, данных бывали сделаны верные выводы.

Есть старый анекдот про человека, остановившего поднятой рукой машину, но не решающегося открыть дверцу, поскольку это не такси. Он спрашивает у шофера: «А где шашечки?» И слышит в ответ: «Вам шашечки или ехать?»

Пока черные дыры «работают» в науке, они нужны.

Все расчеты, предсказания, идеи, касающиеся черных дыр, имеют смысл только в том случае, если дыры эти представляют собой не только чрезвычайно интересную математическую модель, по и реальные участки реального пространства космоса. Л это в конечном счете могут узнать не теоретики, а астрономы-наблюдатели.

Наука всегда оказывается неправа. Она никогда не решает вопроса, не поставив при этом десятка новых.

Бернард Шоу

Первоначально казалось очевидным, что положение черной дыры в пространстве может выдать только ее тяготение. В нашем небе астрономы видят множество двойных звезд. На самом деле таких звезд может быть еще больше, только из пары звезд одна, положим, продолжает жить и светиться, а другая умерла и стала черной дырой. Но «труп» звезды в детективе научном тоже нельзя «спрятать»: его масса осталась прежней, его тяготение должно сказываться на движении живой звезды, это движение и выдаст черную дыру пристрастным наблюдателям.

Английский ученый Р. Пенроуз, однако, обратил внимание на то, что предполагаемые космические объекты находят, как правило, не по тем признакам, на которые поначалу полагаются наблюдатели.

«Вполне возможно, — говорит он, — что черные дыры также будут обнаружены через некоторый побочный эффект, о котором мы сейчас даже не подозреваем. Сегодня в астрономии имеются в изобилии различные непонятные явления, которые могут иметь отношение к черным дырам. Известен феноменальный энергетический выход квазаров и радиогалактик, взрывы в центрах обычных галактик, аномальные красные смещения в спектрах некоторых квазаров и галактик, расхождения в определении массы галактик». Впрочем, последнее предложение приведенной цитаты иллюстрирует скорее важность и сложность проблемы черных дыр, чем способы их найти.

Но поиски идут и весьма активно.

Советские физики Я. Б. Зельдович и О. X. Гусейнов обратились к каталогам так называемых спектрально двойных звезд. Двойные звезды чрезвычайно распространены в космосе. Но довольно часто из двух звезд увидеть в телескоп можно только одну, иногда потому, что вторая звезда совсем не излучает света или излучает его очень мало, иногда потому, что более яркая звезда «забивает» своего спутника, хоть он и светится вполне «нормально». Но на спектре света этой первичной звезды сказывается ее обращение вокруг спутника: когда звезда движется по своей орбите в направлении к Земле, линии спектра смещаются к голубому краю, когда от Земли — к красному. Тут действует знаменитый эффект Доплера. Он проявляется тем сильнее, чем массивнее звезда-спутник. Зельдович и Гусейнов среди нескольких сот спектрально двойных звезд выделили пять, в которых спутник по меньшей мере втрое превосходит по массе Солнце. Черная дыра может, конечно, обладать и меньшей массой, но в таком случае сразу исключается, что выделенные спутники — белые карлики или нейтронные звезды.

Американские физики К. Торн и В. Тримбл продолжили эту работу, в их списке оказалось уже восемь кандидатов на звание черной дыры. Увы, все время можно было найти для наблюдаемого эффекта какое-то другое объяснение, кроме черной дыры. К. Торн назвал ученых, подыскивающих такие альтернативные решения, в том числе своего соавтора В. Тримбл, адвокатами дьявола. Надо сказать, что из-за нашего нехорошего отношения к дьяволу, даже несуществующему, слова «адвокат дьявола» сейчас воспринимаются как не слишком лестная характеристика. Между тем происхождение этого термина весьма почтенное и связано с одним из установлений католической церкви. Когда какого-то из ее «героев» решали посмертно объявить святым, по этому поводу устраивался… судебный процесс. На нем шло серьезнейшее разбирательство обстоятельств жизни и деятельности кандидата в святые. При этом одному из самых почтенных богословов поручалось находить все возможные детали, говорящие против «святости» претендента. Этот-то богослов и получал официальное наименование «адвоката дьявола». В нашем случае в роли претендента в «святые», то есть на конкретное место в космосе, выступает черная дыра. Окончательный ответ на вопрос о ее «святости» должны дать наблюдения.

Большие надежды научный мир возлагал на первый рентгеновский телескоп, который был установлен на борту американского спутника «Ухуру», запущенного в 1970 году. Ведь межзведный газ или газ, стянутый черной дырой со звезды-спутника, должен излучать в рентгеновском диапазоне. А спутник тут был нужен постольку, поскольку земная атмосфера надежно защищает нас от вредных рентгеновских лучей. Что защищает нас — хорошо, что наши приборы — плохо.

К весне 1972 года рентгеновский телескоп довольно многое сообщил нам о ста двадцати пяти рентгеновских источниках. В их числе не оказалось ни одного кандидата в «святые». Зато в этом списке шесть рентгеновских источников принадлежат двойным системам звезд, причем таким, которые раньше не считались двойными. К сожалению, два из шести источников выпадали из числа претендентов по некоторым особенностям излучения. Зато четыре до сих пор остаются под сильным подозрением, причем один — Лебедь X–I — считается почти «изобличенным». Масса его, как показали исследования, не меньше восьми масс Солнца. А ведь именно масса — критерий выбора между тремя объектами с такими мощными полями тяготения, в которых падающий газ порождает сильное рентгеновское излучение. Белый карлик не может превосходить Солнце более чем в один и четыре десятых раза. Нейтронная звезда — более чем в три раза. И только черная дыра не имеет ограничений по массе «сверху».

А не так давно журнал «Знание — сила» опубликовал небольшую статью В. Шикана «Увидеть „черную дыру“»? В заглавии стоит знак вопроса. Однако аппаратура для того, чтобы именно увидеть саму черную дыру, создается. Кандидат физико-математических наук В. Шварцман, работающий в Специальной астрофизической обсерватории АН СССР, расположенной на Северном Кавказе, у станицы Зеленчукской, разрабатывает установку, которая должна увидеть то, что как будто уже по определению увидеть нельзя.

Сигналы, естественно, должны быть получены не от самой черной дыры, а от вещества, на нее падающего. Межзвездный газ при таком падении разгоняется постепенно почти до скорости света и разогревается до триллиона градусов. При этом образуются мощнейшие магнитные поля. Движущиеся в них с околосветовыми скоростями электроны излучают энергию в основном в виде света. Часть фотонов успеет уйти — не из самой гравитационной ловушки, конечно, а из ее ближайших окрестностей.

Плотность межзвездного газа — один атом на кубический сантиметр пространства. Вблизи черной звезды она должна увеличиваться, но все равно только очень слабый ореол окружает самое загадочное тело космоса. Считают, что его можно будет увидеть как слабый источник света. А отличить черную дыру от обычной звезды можно постольку, поскольку ее «светимость должна меняться с огромной быстротой — сотни тысяч раз в секунду и к тому же в чисто случайном порядке». Ведь реальный источник света — падающий межзвездный газ, частицы которого достигли околосветовых скоростей. В нем происходит чрезвычайно бурные и неустойчивые процессы. Светимость обычных звезд колеблется гораздо медленнее.

Решение задачи сводится к тому, чтобы не только заметить, но и исследовать источник света с очень быстрыми резкими колебаниями. «Внешне, — пишет В. Шикан, — все выглядит довольно обычно. К небольшому телескопу — рефлектору с зеркалом диаметром 60 сантиметров прикреплен фотометр, регистрирующий изменения яркости звездного объекта. Преобразовав кванты излучения в электронные импульсы, он передает эту информацию по кабелю в устройство, которое измеряет промежутки времени между отдельными квантами и выражает результат словами из двоичных букв. Далее запись вводится в электронно-вычислительную машину… Если его (объекта наблюдения) яркость менялась сравнительно медленно, значит, в объективе находилась обычная звезда. Если же частота колебаний измерялась нано- или микросекундами, это может означать, что мы увидели не что иное, как… „черную дыру“».

Может означать… Что ж, будем ждать результатов. Стоит сказать еще, что в Москве астрономы Р. Сюняев и Н. Шакура предлагают отличать черную дыру от других небесных тел по небольшим вспышкам интенсивности рентгеновского излучения в газе, падающем на черную дыру от ее звезды-спутника. Такие вспышки, как показывают расчеты, должны состоять каждая из чрезвычайно коротких импульсов с интервалами между ними порядка миллисекунд.

Надо добавить, что, по мнению ученых, сторонников существования черных дыр, наша Вселенная должна буквально кишеть такими объектами. Скажем, американский профессор Пиблс полагает, что значительная часть вещества в Галактике давным-давно перешла в звезды, способные сжаться и стать черными дырами. Только наша Галактика может содержать около миллиарда черных дыр — цифра, которую даже в масштабах Вселенной не сочтешь незначительной.

…А может быть, черные дыры сумеет показать нам только гравитационная астрономия, когда она наконец возникнет? При образовании черной дыры может испускаться мощный поток гравитационных волн, то же происходит при падении на черную дыру сгустка вещества, при встрече двух черных дыр (когда они сливаются в новую черную дыру).

Так или иначе, не в первый раз человек собирается узнать то, что в принципе, как казалось поначалу, нельзя узнать.

Если черные дыры есть — они будут обнаружены. Если нет… Что же, неожиданный результат наблюдений или опыта имеет для физики неизмеримо большее значение, чем тот, которого ждут.

<<< Назад
Вперед >>>

Генерация: 0.973. Запросов К БД/Cache: 2 / 0
Вверх Вниз