Современное понятие черной дыры возникло в начале 1916 г. Всего за несколько месяцев до этого Альберт Эйнштейн обнародовал ОТО. Возможно, вы помните его уравнения поля (одно из которых увековечено на восточной стене Музея Бургаве в Лейдене). Оказалось, они допускают существование в пространстве областей с гравитацией, достаточно сильной, чтобы искривленный пространственно-временной континуум замкнулся сам на себя. Эти решения уравнений поля независимо получили двое блестящих ученых: 42-летний немецкий физик и астроном Карл Шварцшильд и голландский специалист в области математической физики Йоханнес Дрост, 29-летний студент-дипломник Хендрика Лоренца.
В начале Первой мировой войны, в 1914 г., Шварцшильд вступил в германскую армию и зимой 1915/16 г. одновременно сражался с русскими солдатами на Восточном фронте и с редкой кожной болезнью, пузырчаткой, вероятно приведшей к его смерти в мае 1916 г. Однако в этот период он нашел время и силы написать три научные статьи, в том числе об объектах, которые мы теперь называем черными дырами. Кроме того, Шварцшильд переписывался с жившим в Берлине Эйнштейном по поводу полученных им результатов. Решение Дроста, также высоко оцененное Эйнштейном, было более изящным, но опубликовано только в 1917 г.
Как бы то ни было, стало ясно, что достаточно сильное точечное гравитационное поле должно проявлять ряд необычных свойств. Во-первых, вплоть до некоторого расстояния от него (названного радиусом Шварцшильда) пространственно-временной континуум испытывает настолько сильное искривление, что любое возможное движение в любом направлении завершается ближе к центру, чем началось. Иначе говоря, ничто не может покинуть область внутри радиуса Шварцвальда, будь то элементарная частица, космический корабль или свет. Во-вторых, гравитационное красное смещение в радиусе Шварцвальда насколько велико, что время не только существенно замедляется, но и полностью останавливается – по крайней мере с точки зрения внешнего наблюдателя. В-третьих, любая материя, пересекшая радиус Шварцвальда (иначе – горизонт событий), в итоге оказывается в самом центре с бесконечной плотностью, в математической точке нулевых размерностей. Во всяком случае, это следует из уравнений – что, возможно, свидетельствует о чрезвычайной неполноте нашего представления о процессах, происходящих в ЧД.
Неудивительно, что большинство физиков, включая самого Эйнштейна, сочли «метрику Шварцшильда» не более чем занятным математическим вывертом ОТО. Подобные курьезы не могут быть частью нашей физической реальности, не так ли? В конце концов, «допускается общей теорией относительности» далеко не равнозначно «существует в природе».
В 1934 г. Вальтер Бааде и Фриц Цвики предсказали существование нейтронных звезд (см. главу 6). Нейтронная звезда – это коллапсировавшее ядро массивной звезды, жизнь которой завершилась катастрофическим взрывом сверхновой. Как вы помните, она состоит из плотно упакованных нейтронов (незаряженных ядерных частиц). Фактически нейтронную звезду можно охарактеризовать как атомное ядро размером с мегаполис, и она, бесспорно, имеет ту же невероятную плотность, что и ядро атома.
Через пять лет после предсказания Бааде и Цвики физик-теоретик Роберт Оппенгеймер – впоследствии отец атомной бомбы – заявил, что слишком массивные нейтронные звезды не смогут противостоять гравитации. Нейтронная звезда массой около трех солнечных должна коллапсировать еще глубже – просто потому, что никакой известный закон физики этому не воспрепятствует. Фактически, по мнению теоретика, гравитационный коллапс никогда бы не прекратился. Согласно расчетам Оппенгеймера и его коллеги Харлана Снайдера, материя спрессовывалась все плотнее, в конечном счете образовав в пространстве область настолько мощной гравитации, что ее ничто не могло бы преодолеть.
Именно это и описывали Шварцшильд и Дрост в 1916 г.: бесконечные плотности, экстремальное искривление пространственно-временного континуума, попавший в ловушку свет и «поверхность» невозврата, где время для наблюдателя останавливается. Оппенгеймер и Снайдер назвали такие объекты «застывшие звезды». Термин «черная дыра» не использовался до 1960-х гг. Он впервые появился в репортаже американской журналистки Энн Эвинг в 1964 г. и был вновь введен в обиход Джоном Арчибальдом Уилером в 1967 г., через полстолетия после публикаций Шварцшильда и Дроста.
К этому времени астрофизики уже не могли игнорировать идею ЧД. Если ядро массивной звезды коллапсирует в нейтронную звезду (после прохождения стадии сверхновой), то ядро очень массивной звезды должно коллапсировать в ЧД. Тем не менее многие считали фантастикой существование этих таинственных объектов. Кроме того, если свет не может покинуть ЧД, значит, ее присутствие невозможно доказать путем наблюдений.
Прошло еще полвека, и все изменилось. За минувшие десятилетия астрономы обнаружили множество косвенных свидетельств существования ЧД. Сама ЧД невидима по определению. Но есть нечто, что мы можем наблюдать, – это влияние ЧД на ее окружение. Нельзя увидеть человека-невидимку, но он оставляет следы во дворе, а если сядет на вашу кровать, то сомнет простыни.
Вот как ЧД может выдать свое присутствие. Представьте двойную систему массивных звезд. Более тяжелая звезда эволюционирует быстрее, как объяснялось в главе 5. Она становится сверхновой; ее ядро коллапсирует в ЧД. На следующей стадии вторая звезда начинает раздуваться, превращаясь в гигант. ЧД, вращающаяся вместе с ней, засасывает внешние слои газа расширяющейся звезды. Прежде чем кануть в ЧД, газ собирается в тонкий вращающийся диск вокруг ЧД – так называемый аккреционный диск. Чрезвычайно горячий, он излучает рентгеновские лучи.
Именно это ученые обнаружили в 1971 г. Мощный источник рентгеновского излучения в созвездии Лебедя – Лебедь Х-1 – совпадал со звездой-сверхгигантом. Измерения доплеровского сдвига частоты показали, что звезда обращается с периодом 5,6 дня вокруг объекта более чем в 10 раз массивнее Солнца. Такой тяжелый второй объект двойной системы не может быть нормальной звездой, поскольку тогда он был бы виден в телескоп. Это не могла быть и нейтронная звезда, так как нейтронные звезды не могут быть массивнее Солнца более чем в три (примерно) раза. Наблюдаемое рентгеновское излучение свидетельствует, что массивный объект каким-то образом разогревает газ до температур во многие миллионы градусов. Единственное возможное объяснение – ЧД, окруженная раскаленным аккреционным диском.
Многие двойные системы, излучающие в рентгеновском диапазоне, в настоящее время считаются содержащими ЧД. Поскольку это остатки взорвавшихся звезд, они называются черными дырами звездной массы. Кроме того, астрономы открыли намного более крупные ЧД в ядрах галактик. Сверхмассивные ЧД могут иметь от нескольких миллионов до многих миллиардов солнечных масс. В большинстве случаев они выдают свое присутствие интенсивным высокоэнергетическим излучением, а также выбрасывают в пространство мощные джеты
[91] заряженных частиц. Такие активные ядра галактик называются квазарами. Источником излучения высоких энергий служит аккреционный диск ЧД. Джеты, по всей видимости, образуются мощными магнитными полями, хотя их происхождение пока остается туманным.
