Книга: 100 великих загадок астрономии

Загадки черных дыр

Загадки черных дыр

Черные дыры настолько загадочны, что даже Альберт Эйнштейн не верил в то, что их можно отыскать где-то в космической дали. Само их существование, впрочем, следовало из его теории относительности. Однако на протяжении полувека черные дыры считались чем-то вроде блистательной и безответственной игры ума. Результатом математических экзерсисов, которые не имеют отношения к реальности.

В 1916 году немецкий астроном Карл Шварцшильд, анализируя эту теорию, сделал поразительное открытие: на определенном расстоянии от звезды время и пространство… могут меняться ролями. Пространство становится временем, а время – пространством. Во всяком случае, так гласили сухие математические формулы. Эти метаморфозы приключаются лишь со звездами, чей радиус крайне мал. Например, объект, масса которого равна массе Солнца, должен сжаться до радиуса, равного трем километрам, – только тогда он минует эту магическую границу превращений. Для Земли «радиус Шварцшильда» составляет всего 9 миллиметров. Но вряд ли в природе существуют столь крохотные тела, наделенные громадными массами. Этим все и успокоилось. На время.

Существование черных дыр следовало из теории относительности

Между тем было уже известно о существовании необычайно компактных звезд большой массы – «белых карликов». В 1930 году некий молодой человек, Субрахманьян Чандрасекар, путем вычислений установил, что звезды, чья масса не превышает 1,4 массы Солнца, в конце своей жизни превращаются в белых карликов размером с нашу планету. Что касается более массивных звезд, то под действием собственной силы тяжести они вроде бы должны неудержимо сжиматься. Процесс, который и вообразить трудно. Недаром ряд известных ученых высмеял гипотезу индийского студента, который впоследствии стал видным астрофизиком и лауреатом Нобелевской премии.

Однако в 1939 году американский физик Роберт Оппенгеймер вместе со своим учеником Хартлендом Снайдером доказали, что если масса звезды слишком велика, то никакая сила не способна остановить гравитационный коллапс. Идея Чандрасекара подтвердилась. Загадочный объект, полученный Шварцшильдом путем математических выкладок, обрел физический смысл.

Когда звезда сжимается, то в непосредственной близости от нее сила ее притяжения возрастает до невероятной величины. Пространство вокруг такой звезды все сильнее искривляется. Как только ее радиус становится меньше радиуса Шварцшильда, пространство, окружающее ее, смыкается, становится непреодолимым барьером. Никакое излучение, никакие частицы не могут вырваться из этой гравитационной ловушки. Звезда отгораживается от всего мироздания. Она становится невидимой. Как говорят астрофизики, она скрывается за «горизонтом событий», который можно представить себе в виде воображаемой сферы, что окружает «застывшую звезду» – черную дыру, как ее станут именовать впоследствии (это название придумал в 1967 году американский физик Джон Арчибальд Уилер). Радиус горизонта событий никогда не уменьшается. Черная дыра может только расти.

Лишь в 1971 году была обнаружена первая предполагаемая черная дыра – Cygnus X-1 в созвездии Лебедя. В наши дни астрофизики убеждены, что в центральной части большинства галактик нашей Вселенной притаилась громадная черная дыра – словно неумолчное сердце этого многозвездного (многоклеточного, сказал бы мистик) организма. Есть она и в центре Млечного Пути. Но механизм зарождения подобных монстров пока еще не ясен.

Возможно, их зародыши появились уже в первые доли секунды после Большого взрыва. Их масса могла быть очень малой. Быть может, галактики с самого начала формировались вокруг этих неоднородностей? По другой гипотезе, черные дыры возникли в первые сто миллионов лет из случайных колебаний плотности в первородном газе. Быть может, черные дыры и звезды зарождаются практически по одному и тому же сценарию? Молекулярные облака сжимаются под действием гравитационных сил. Малые облака образуют звезды, а большие – громадные черные дыры. А может быть, сверхмассивные черные дыры зарождались в результате коллапса крупных звездных скоплений, возникших посреди галактик? А не образовались ли они при столкновениях первых галактик? Хотя подобные катастрофы все же редки, а количество черных дыр во Вселенной – поразительно велико.

Наблюдается интересная закономерность. Чем больше галактика, тем крупнее черная дыра, притаившаяся посредине, а значит, тем меньше шансов на зарождение новых звезд. Очевидно, черные дыры не позволяют галактикам беспредельно расширяться; они придают им форму – очерчивают их, подобно тому, как черная дыра смерти отчетливо очерчивает личность человека.

«Изучая галактики, мы убедились, что масса черных дыр, расположенных в их центральной части, пропорциональна массе их звезд, – отмечает французский астроном Эмануэль Дадди. – Но мы не понимаем, почему». Похоже, что возникновение звезд и галактик, с одной стороны, а также черных дыр – с другой, протекало параллельно, что удивляет исследователей. По-видимому, в раннюю эпоху существования нашей Вселенной в ней наблюдались какие-то процессы, которые и привели к одновременному развитию и галактик, и черных дыр.

И почему все-таки масса галактики непременно соотносится с массой расположенной посреди нее черной дыры? Откуда галактике известно, сколько в ней звезд? И откуда она знает, из скольких звезд должна состоять, чтобы уравновесить силу притяжения черной дыры? Как отмечает американский астроном Марк Дикинсон, «мы видим, что существует связь между черными дырами и галактиками, в которых они располагаются, но мы не понимаем, что обуславливает эту связь». Очевидно, черные дыры и галактики сообща развивались и каким-то образом «знали» друг о друге. Но как это происходило? На этот вопрос ученые пока не могут дать ответ.

В последние годы астрономы, используя космические обсерватории «Чандра» и «Спитцер», ведут перепись черных дыр. Как удалось установить, масса некоторых из них, расположенных в центре галактик, в миллиарды раз превышает массу Солнца. Так, в 2009 году американские астрономы Йенс Томас и Карл Гебхардт определили, что черная дыра в галактике М 87 весит в 6,4 миллиарда раз больше, чем Солнце. Теоретически масса подобных объектов может превышать 10 миллиардов солнечных масс.

Что же касается «классических» черных дыр, описанных Оппенгеймером и Снайдером, то есть объектов, которые образовались в результате коллапса звезды, то они гораздо меньше тех, что простерлись в центре галактик. Их невозможно наблюдать непосредственно. Лишь по косвенным признакам можно догадаться об их присутствии в той или иной части космоса.

Допустим, черная дыра притаилась рядом со звездой, образуя вместе с ней двойную звездную систему. Тогда она выдает себя мощным рентгеновским излучением, которое возникает, когда с поверхности звезды в ее сторону переливается, стремительно разогреваясь, поток вещества. Подобные двойные системы наблюдаются не только в нашем Млечном Пути, но и в соседних галактиках. Впрочем, астрономы, изучающие источники рентгеновского излучения, не всегда могут отличить нейтронную звезду от черной дыры.

Самая маленькая черная дыра была открыта в 2008 году. Ее диаметр составил всего 24 километра, а масса лишь в 3,8 раза превысила солнечную массу. Астроном из НАСА Николай Шапошников обнаружил ее в созвездии Жертвенника, на расстоянии 10 тысяч световых лет от Земли. Вместе со звездой по имени XTE J1650—500 она образует двойную звездную систему. По расчетам, минимальная масса черной дыры должна составлять примерно 1,7–2,7 солнечные массы.