Глава 1. Что это такое?

Невидимые миру звезды

Черная дыра является порождением тяготения. Поэтому предысторию открытия черных дыр можно начать со времен И. Ньютона, открывшего закон всемирного тяготения — закон, управляющий силой, действию которой подвержено абсолютно все. Ни во времена И. Ньютона, ни сегодня, спустя века, не обнаружена иная столь универсальная сила. Все другие виды физического взаимодействия связаны с конкретными свойствами материи. Например, электрическое поле действует только на заряженные тела, а тела нейтральные совершенно к нему безразличны. И только тяготение абсолютно царствует в природе. Поле тяготения действует на все: на легкие частицы и тяжелые (причем при одинаковых начальных условиях совершенно одинаково), даже на свет. То, что свет притягивается массивными телами, предполагал еще И. Ньютон. С этого факта, с понимания того, что свет также подчинен силам тяготения, и начинается предыстория черных дыр, история предсказаний их поразительных свойств.

Одним из первых это сделал знаменитый французский математик и астроном П. Лаплас.

Имя П. Лапласа хорошо известно в истории науки. Прежде всего он является автором огромного пятитомного труда «Трактат о небесной механике». В этой работе, публиковавшейся с 1798 по 1825 год, им была представлена классическая теория движения тел Солнечной системы, основанная только на законе всемирного тяготения Ньютона. До этой работы некоторые наблюдаемые особенности движения планет, Луны, других тел Солнечной системы не были полностью объяснены. Казалось даже, что они противоречат закону Ньютона. П. Лаплас тонким математическим анализом показал, что все эти особенности объясняются взаимным притяжением небесных тел, влиянием тяготения планет друг на друга. Только одна сила царит в небесах, провозглашал он, — это сила тяготения. «Астрономия, рассматриваемая с наиболее общей точки зрения, есть великая проблема механики», — писал П. Лаплас в предисловии к своему «Трактату». Кстати, сам термин «небесная механика», так прочно вошедший в науку, был впервые употреблен им.

П. Лаплас был также одним из первых, кто понял необходимость исторического подхода к объяснению свойств систем небесных тел. Он вслед за И. Кантом предложил гипотезу происхождения Солнечной системы из первоначально разреженной материи.

Главная идея гипотезы Лапласа о конденсации Солнца и планет из газовой туманности и до сих пор служит основой современных теорий происхождения Солнечной системы…

Обо всем этом много писалось в литературе и в учебниках точно так же, как и о гордых словах П. Лапласа, который в ответ на вопрос Наполеона: почему в его «Небесной механике» не упоминается бог? — сказал: «Я не нуждаюсь в этой гипотезе».

А вот о чем до последнего времени было мало известно, — это о предсказании им возможности существования невидимых звезд.

Предсказание было сделано в его книге «Изложение систем мира», вышедшей в 1795 году. В этой книге, которую мы бы сегодня назвали популярной, знаменитый математик ни разу не прибегнул к формулам и чертежам. Глубокое убеждение П. Лапласа в том, что тяготение действует на свет точно так же, как и на другие тела, позволило ему написать следующие знаменательные слова: «Светящаяся звезда с плотностью, равной плотности Земли и диаметром в 250 раз больше диаметра Солнца, не дает ни одному световому лучу достичь нас из-за своего тяготения; поэтому возможно, что самые яркие небесные тела во Вселенной оказываются по этой причине невидимыми».

В книге не приводилось доказательств этого утверждения. Оно было опубликовано им несколько лет спустя.

Как рассуждал П. Лаплас? Он рассчитал, пользуясь теорией тяготения Ньютона, величину, которую мы теперь называем второй космической скоростью, на поверхности звезды. Это та скорость, которую надо придать любому телу, чтобы оно, поборов тяготение, навсегда улетело от звезды или планеты в космическое пространство. Если начальная скорость тела меньше второй космической, то силы тяготения затормозят и остановят движение тела и заставят его снова падать к тяготеющему центру. В наше время космических полетов каждый знает, что вторая космическая скорость на поверхности Земли равна 11 километрам в секунду. Вторая космическая скорость на поверхности небесного тела тем больше, чем больше масса и чем меньше радиус этого тела. Это понятно: ведь с ростом массы тяготение увеличивается, а с ростом расстояния от центра оно ослабевает.

На поверхности Луны вторая космическая скорость равна 2,4 километра в секунду, на поверхности Юпитера 61, на Солнце — 620, а на поверхности так называемых нейтронных звезд, которые по массе примерно такие же, как Солнце, но имеют радиус всего в десять километров, эта скорость достигает половины скорости света — 150 тысяч километров в секунду.

Представим себе, рассуждал П. Лаплас, что мы возьмем небесное тело, на поверхности которого вторая космическая скорость уже превышает скорость света. Тогда свет от такой звезды не сможет улететь в космос из-за действия тяготения, не сможет достичь далекого наблюдателя и мы не увидим звезду, несмотря на то, что она излучает свет!

Если увеличивать массу небесного тела, добавляя к нему вещество с той же самой средней плотностью, то вторая космическая скорость увеличивается во столько же раз, во сколько возрастает радиус или диаметр.

Теперь понятен вывод, сделанный П. Лапласом: чтобы тяготение задержало свет, надо взять звезду с веществом той же плотности, что и Земля, а диаметром в 250 раз больше солнечного, то есть в 27 тысяч раз больше земного. Действительно, вторая космическая скорость на поверхности такой звезды будет тоже в 27 тысяч раз больше, чем на поверхности Земли, и примерно сравняется со скоростью света: звезда перестанет быть видимой.

Это было блестящим предвидением одного из свойств черной дыры — не выпускать свет, быть невидимой. Справедливости ради надо отметить, что П. Лаплас был не единственным ученым и формально даже не самым первым, кто сделал подобное предсказание. Сравнительно недавно выяснилось, что в 1783 году с аналогичным утверждением выступал английский священник и геолог, один из основателей научной сейсмологии, Дж. Мичелл. Его аргументация была очень похожа на аргументацию П. Лапласа.

Сейчас между французами и англичанами идет иногда полушутливая, а иногда серьезная полемика: кого следует считать первооткрывателем возможности существования невидимых звезд — француза П. Лапласа или англичанина Дж. Мичелла? В 1973 году известные английские физики-теоретики С. Хоукинг и Г. Эллис в книге, посвященной современным специальным математическим вопросам структуры пространства и времени, приводили работу француза П. Лапласа с доказательством возможности существования черных звезд; тогда о работе Дж. Мичелла еще не было известно. Осенью 1984 года известный английский астрофизик М. Рисс, выступая на конференции в Тулузе, сказал, что хотя это не очень удобно говорить на территории Франции, но он должен подчеркнуть, что первым предсказал невидимые звезды англичанин Дж. Мичелл, и продемонстрировал снимок первой страницы соответствующей его работы. Это историческое замечание было встречено и аплодисментами и улыбками присутствующих.

Как тут не вспомнить дискуссии между французами и англичанами о том, кто предсказал положение планеты Нептун по возмущениям в движении Урана: француз У. Леверье или англичанин Дж. Адамс? Как известно, оба ученых независимо правильно указали положение новой планеты. Тогда больше повезло французу У. Леверье. Такова участь многих открытий. Часто их делают почти одновременно и независимо разные люди. Обычно приоритет признается за тем, кто глубже проник в суть проблемы, но иногда это просто капризы фортуны.

Но предвидение П. Лапласа и Дж. Мичелла еще не было настоящим предсказанием черной дыры. Почему?

Дело в том, что во времена П. Лапласа еще не было известно, что быстрее света в природе ничто не может двигаться. Обогнать свет в пустоте нельзя! Это было установлено А. Эйнштейном в специальной теории относительности уже в нашем веке. Поэтому для П. Лапласа рассматриваемая им звезда была только черной (несветящейся), и он не мог знать, что такая звезда теряет способность вообще как-либо «общаться» с внешним миром, что-либо «сообщать» далеким мирам о происходящих на ней событиях. Иными словами, он еще не знал, что это не только «черная», но и «дыра», в которую можно упасть, но невозможно выбраться. Теперь мы знаем, что если из какой-то области пространства не может выйти свет, то, значит, и вообще ничто не может выйти, и такой объект мы называем черной дырой.

Другая причина, из-за которой рассуждения П. Лапласа нельзя считать строгими, состоит в том, что он рассматривал гравитационные поля огромной силы, в которых падающие тела разгоняются до скорости света, а сам выходящий свет может быть задержан, и применял при этом закон тяготения Ньютона.

А. Эйнштейн показал, что для таких полей теория тяготения Ньютона неприменима, и создал новую теорию, справедливую для сверхсильных, а также для быстроменяющихся полей (для которых ньютоновская теория также неприменима!), и назвал ее общей теорией относительности. Именно выводами этой теории надо пользоваться для доказательства возможности существования черных дыр и для изучения их свойств.

Общая теория относительности — это изумительная теория. Она настолько глубока и стройна, что вызывает чувство эстетического наслаждения у всякого, кто знакомится с ней. Советские физики Л. Ландау и Е. Лифшиц в своем учебнике «Теория поля» назвали ее «самой красивой из всех существующих физических теорий». Немецкий физик Макс Борн сказал об открытии теории относительности: «Я восхищаюсь им как творением искусства». А советский физик В. Гинзбург писал, что она вызывает «…чувство… родственное тому, которое испытывают, глядя на самые выдающиеся шедевры живописи, скульптуры или архитектуры».

Многочисленные попытки популярного изложения теории Эйнштейна, конечно, могут дать общее впечатление о ней. Но, честно говоря, оно столь же мало похоже на восторг от познания самой теории, как знакомство с репродукцией «Сикстинской мадонны» отличается от переживания, возникающего при рассмотрении подлинника, созданного гением Рафаэля.

И тем не менее, когда нет возможности любования подлинником, можно (и нужно!) знакомиться с доступными репродукциями, лучше хорошими (а бывают всякие).

Для понимания невероятных свойств черных дыр нам необходимо сказать кратко о некоторых следствиях общей теории относительности Эйнштейна.

Гравитационный радиус

Чем же отличается теория тяготения Эйнштейна от теории Ньютона? Начнем с простейшего случая. Предположим, что мы находимся на поверхности сферической невращающейся планеты и измеряем силу притяжения этой планетой какого-либо тела с помощью пружинных весов. Мы знаем, что согласно закону Ньютона эта сила пропорциональна произведению массы планеты на массу тела и обратно пропорциональна квадрату радиуса планеты. Радиус планеты можно определить, например, измеряя длину ее экватора и деля на 2π.

А что говорит о силе притяжения теория Эйнштейна? Согласно ей сила будет чуточку больше, чем вычисленная по формуле Ньютона. Мы потом уточним, что значит это «чуточку больше».

Представим себе теперь, что мы можем постепенно уменьшать радиус планеты, сжимая ее и сохраняя при этом ее полную массу. Сила тяготения будет нарастать (ведь радиус уменьшается). По Ньютону, при сжатии вдвое сила возрастает вчетверо. По Эйнштейну, возрастание силы опять же будет происходить чуточку быстрее. Чем меньше радиус планеты, тем больше это отличие.

Если мы сожмем планету настолько, что поле тяготения станет сверхсильным, то различие между величиной силы, рассчитываемой по теории Ньютона, и истинным ее значением, даваемым теорией Эйнштейна, нарастает чрезвычайно. По Ньютону, сила тяготения стремится к бесконечности, когда мы сжимаем тело в точку (радиус близок к нулю). По Эйнштейну, вывод совсем другой: сила стремится к бесконечности, когда радиус тела становится равным так называемому гравитационному радиусу. Этот гравитационный радиус определяется массой небесного тела. Он тем меньше, чем меньше масса. Но даже для гигантских масс он очень мал. Так, для Земли он равен всего одному сантиметру! Даже для Солнца гравитационный радиус равен только 3 километрам. Размеры небесных тел обычно много больше их гравитационных радиусов. Например, средний радиус Земли составляет 6400 километров, радиус Солнца 700 тысяч километров. Если же истинные радиусы тел много больше их гравитационных, то отличие сил, рассчитанных по теории Эйнштейна и теории Ньютона, крайне мало. Так, на поверхности Земли это отличие составляет одну миллиардную часть от величины самой силы.

Только когда радиус тела при его сжатии приближается к гравитационному радиусу, в столь сильном поле тяготения различия нарастают заметно, и, как уже говорилось, при радиусе тела, равном гравитационному, истинное значение силы поля тяготения становится бесконечным.

Прежде чем обсуждать, к каким следствиям это ведет, познакомимся с некоторыми другими выводами теории Эйнштейна.

Суть ее заключается в том, что она неразрывно связала геометрические свойства пространства и течение времени с силами гравитации. Эти связи сложны и многообразны. Отметим пока лишь только два важных обстоятельства.

Согласно теории Эйнштейна время в сильном поле тяготения течет медленней, чем время, измеряемое вдали от тяготеющих масс (где гравитация слаба). О том, что время может течь по-разному, современный читатель, конечно, слышал. И все же к этому факту трудно привыкнуть. Как может время течь по-разному? Ведь согласно нашим интуитивным представлениям время — это длительность, то общее, что присуще всем процессам. Оно подобно реке, текущей неизменно. Отдельные процессы могут течь и быстрее и медленнее, мы можем на них влиять, помещая в разные условия. Например, можно нагреванием ускорить течение химической реакции или замораживанием замедлить жизнедеятельность организма, но движение электронов в атомах при этом будет протекать в прежнем темпе. Все процессы, как нам представляется, погружены в реку абсолютного времени, на течение которой, казалось бы, ничто влиять не может. Можно, по нашим представлениям, убрать из этой реки вообще все процессы, и все равно время будет течь как пустая длительность.

Так считалось в науке и во времена Аристотеля, и во времена И. Ньютона, и позже — вплоть до А. Эйнштейна. Вот что пишет Аристотель в своей книге «Физика»: «Время, протекающее в двух подобных и одновременных движениях, одно и то же. Если бы оба промежутка времени не протекали одновременно, они все-таки были бы одинаковы… Следовательно, движения могут быть разные и независимые друг от друга. И в том и в другом случае время абсолютно одно и то же».

Еще выразительнее писал И. Ньютон, считая, что говорит об очевидном: «Абсолютное, истинное, математическое время, взятое само по себе, без отношения к какому-нибудь телу, протекает единообразно, соответственно своей собственной природе».

Догадки о том, что представления об абсолютном времени отнюдь не столь очевидны, иногда высказывались и в давние времена. Так, Лукреций Кар в I веке до нашей эры писал в поэме «О природе вещей»: «Время существует не само по себе… Нельзя понимать время само по себе, независимо от состояния покоя и движения тел».

Но только А. Эйнштейн доказал, что никакого абсолютного времени нет. Течение времени зависит от движения и, что сейчас для нас особенно важно, от поля тяготения. В сильном поле тяготения все процессы, абсолютно все, будучи самой разной природы, замедляются для стороннего наблюдателя. Это и значит, что время — то есть то общее, что присуще всем процессам, — замедляется.

Замедление это обычно невелико. Так, на поверхности Земли время протекает медленнее, чем в далеком космосе, всего на ту же одну миллиардную часть, как и в случае с вычислением силы тяготения.

Хочется особенно подчеркнуть, что такое ничтожное замедление времени в поле тяготения Земли непосредственно измерено. Измерено замедление времени и в поле тяготения звезд, хотя обычно там оно тоже крайне мало. В очень сильном поле тяготения замедление заметно больше и становится бесконечно большим, когда радиус тела сравнивается с гравитационным.

Второй важный вывод теории Эйнштейна состоит в том, что в сильном поле тяготения меняются геометрические свойства пространства. Эвклидова геометрия, столь нам привычная, оказывается уже несправедливой. Это означает, например, что сумма углов в треугольнике не равна двум прямым углам, а длина окружности не равна расстоянию ее от центра, умноженному на 2π. Свойства обычных геометрических фигур становятся такими же, как будто они начерчены не на плоскости, а на искривленной поверхности. Поэтому и говорят, что пространство «искривляется» в гравитационном поле. Разумеется, это искривление заметно только в сильном поле тяготения, если размер тела приближается к его гравитационному радиусу.

Конечно, представление об искривлении самого пространства так же трудносовместимо с нашими укоренившимися интуитивными представлениями, как и представление о разном течении времени.

Столь же определенно, как и о времени, И. Ньютон писал о пространстве: «Абсолютное пространство, по своей собственной природе независимое от всякого отношения к внешним предметам, остается неизменным и неподвижным». Пространство представлялось ему как некая бесконечная «сцена», на которой разыгрываются «события», никак не влияющие на эту «сцену».

Еще первооткрыватель неэвклидовой, «искривленной» геометрии — Н. Лобачевский высказывал мысль о том, что в некоторых физических ситуациях может проявляться его — Н. Лобачевского — геометрия, а не геометрия Эвклида. А. Эйнштейн своими расчетами показал, что пространство действительно «искривляется» в сильном поле тяготения.

Этот вывод теории также подтвержден прямыми экспериментами.

Почему же мы с таким трудом воспринимаем выводы общей теории относительности о пространстве и времени?

Да потому, что повседневный опыт человечества, и даже опыт точной науки, на протяжении веков имел дело только с условиями, когда изменения свойств времени и пространства совершенно незаметны и посему полностью пренебрегались. Все наши знания основываются на повседневном опыте. Вот мы и привыкли к тысячелетней догме об абсолютно неизменяемых пространстве и времени.

Наступила наша эпоха. Человечество в своих познаниях столкнулось с условиями, когда влиянием материи на свойства пространства и времени пренебрегать нельзя. Несмотря на инертность нашего мышления, мы должны привыкнуть к такой необычности. И теперь новое поколение людей уже гораздо легче воспринимает истины теории относительности (основы специальной теории относительности изучают сейчас в школе!), чем это было несколько десятилетий назад, когда теорию Эйнштейна с трудом воспринимали даже самые передовые умы.

Сделаем еще одно замечание о выводах теории относительности. Ее автор показал, что свойства пространства и времени не только могут меняться, но что пространство и время объединяются вместе в единое целое — четырехмерное «пространство-время». Искривляется именно это единое многообразие. Конечно, наглядные представления в такой четырехмерной сверхгеометрии еще более трудны и мы здесь не будем на них останавливаться.

Вернемся к полю тяготения вокруг сферической массы.

Так как геометрия в сильном поле тяготения неэвклидова, искривленная, то надо уточнить, что такое радиус окружности, например, экватора планеты. В обычной геометрии радиус можно определить двояко: во-первых, это расстояние точек окружности от центра, во-вторых, это длина окружности, деленная на 2π. Но в неэвклидовой геометрии эти две величины не совпадают из-за «кривизны» пространства.

Использование именно второго метода определения радиуса тяготеющего тела (а не самого расстояния от центра до окружности) имеет ряд преимуществ. Для измерения такого радиуса не надо приближаться к центру тяготеющих масс. Последнее весьма важно, например, для измерения радиуса Земли было бы весьма сложно проникнуть в ее центр, но не очень сложно измерить длину экватора.

Для Земли и нет никакой необходимости непосредственно измерять расстояние до центра, ибо поле тяготения Земли невелико, и для нас с большей точностью справедлива геометрия Эвклида, а длина экватора, деленная на 2π, равна расстоянию до центра. В сверхплотных звездах с сильным полем тяготения это, однако, не так: разница в «радиусах», определенных разными способами, может быть весьма заметной. Более того, как мы увидим далее, в ряде случаев достигнуть центра тяготения принципиально невозможно. Поэтому мы всегда будем понимать под радиусом окружности ее длину, деленную на 2π.

Рассматриваемое нами поле тяготения вокруг сферического невращающегося тела получило название поля Шварцшильда, по имени ученого, который сразу же после создания Эйнштейном теории относительности решил ее уравнения для данного случая.

Немецкий астроном К. Шварцшильд был одним из творцов современной теоретической астрофизики, им выполнен ряд ценных работ в области практической астрофизики и других разделов астрономии. На заседании Прусской академии наук, посвященной памяти К. Шварцшильда, умершего в возрасте всего 42 лет, так оценивал А. Эйнштейн его вклад в науку:

«В теоретических работах Шварцшильда особенно поражают уверенное владение математическими методами исследования и та легкость, с которой он постигает существо астрономической или физической проблемы. Редко встречаются столь глубокие математические познания в сочетании со здравым смыслом и такой гибкостью мышления, как у него. Именно эти дарования позволили ему выполнить важные теоретические работы в тех областях, которые отпугивали других исследователей математическими трудностями. Побудительной причиной его неиссякаемого творчества, по-видимому, в гораздо большей степени можно считать радость художника, открывающего тонкую связь математических понятий, чем стремление к познанию скрытых зависимостей в природе».

К. Шварцшильд получил решение уравнений Эйнштейна для поля тяготения сферического тела в декабре 1915 года, через месяц после завершения А. Эйнштейном публикации своей теории. Как мы уже говорили, эта теория очень сложна из-за совершенно новых, революционных понятий, но, оказывается, ее уравнения еще очень сложны, так сказать, чисто технически. Если формула закона тяготения И. Ньютона знаменита своей классической простотой и краткостью, то в случае новой теории для определения поля тяготения надо решить систему десяти уравнений, каждое из которых содержит сотни (!) слагаемых. И это не просто алгебраические уравнения, а дифференциальные уравнения в частных производных второго порядка.

В наше время для оперирования с подобными задачами используется весь арсенал электронных вычислительных машин. Во времена К. Шварцшильда, разумеется, ничего подобного не было и единственными инструментами были перо и бумага.

Но надо сказать, что и сегодня работа в области теории относительности требует иногда долгих и кропотливых математических преобразований вручную (без электронной машины), являющихся часто нудными и однообразными из-за огромного количества членов в формулах. Но без чернового труда не обойтись. Я часто предлагаю студентам (а иногда аспирантам и научным работникам), покоренным фантастичностью общей теории относительности, познакомившимся с ней по учебникам и желающим в ней работать, конкретно вычислить своими руками хоть одну сравнительно простую величину в задачах этой теории. Не все после многодневных (а иногда и гораздо более долгих!) вычислений столь же горячо продолжают стремиться посвятить свою жизнь этой науке.

В оправдание такой «жесткой» проверки на любовь скажу, что я сам прошел через подобное испытание. (Кстати, согласно преданиям в былые времена и обычная человеческая любовь подвергалась испытаниям подвигами.) В студенческие годы моим учителем по теории относительности был известный специалист и очень скромный человек А. Зельманов. Для моей дипломной работы он поставил передо мной задачу, связанную с удивительным свойством поля тяготения — возможностью «уничтожить» его в любом месте по своему желанию. «Как? — воскликнет читатель. — Ведь в учебниках сказано, что от тяготения в принципе нельзя загородиться никакими экранами, что выдуманное фантастом Г. Уэллсом вещество „кэйворит“ является чистейшим вымыслом, невозможным в реальности!»

Все это так, и если оставаться неподвижным, например, относительно Земли, то силу ее тяготения не уничтожить. Но действие этой силы можно полностью устранить, начав свободно падать! Тогда наступает невесомость. В кабине космического корабля с выключенными двигателями, летящего по орбите вокруг Земли, нет силы тяжести, вещи и сами космонавты плавают в кабине, не ощущая никакой тяжести. Мы все много раз видели это на экранах телевизоров в репортажах с орбиты. Заметим, что никакое другое поле, кроме поля тяготения, не допускает подобного простого «уничтожения». Электромагнитное поле, например, так убрать нельзя.

Со свойством «устранимости» тяготения связана сложнейшая проблема теории — проблема энергии поля тяготения. Она, по мнению некоторых физиков, не решена и до сих пор. Формулы теории позволяют вычислить для какой-либо массы полную энергию ее гравитационного поля во всем пространстве. Но нельзя указать, где конкретно находится эта энергия, сколько ее в том или ином месте пространства. Как говорят физики, нет понятия плотности гравитационной энергии в точках пространства.

Мне в моей дипломной работе предстояло показать прямым вычислением, что известные в то время математические выражения для плотности энергии гравитационного поля бессмысленны даже для наблюдателей, не испытывающих свободного падения, скажем, для наблюдателей, стоящих на Земле и явно чувствующих силу, с которой планета их притягивает. Математические выражения, с которыми мне предстояло работать, были еще более громоздкими, чем уравнения поля тяготения, о которых мы говорили выше. Я даже просил А. Зельманова дать мне еще кого-нибудь в помощники, который делал бы эти же вычисления параллельно, ведь я мог ошибиться. А. Зельманов вполне определенно отказал мне. «Вы должны это сделать сами», — был его ответ.

Когда все уже было позади, я увидел, что потратил на эту рутинную работу несколько сотен часов. Почти все вычисления пришлось провести дважды, а некоторые и больше. Ко дню защиты диплома темп работы стремительно возрастал, подобно скорости свободно падающего тела в поле тяготения. Правда, надо заметить, что суть работы состояла не только в прямых вычислениях. По ходу дела надо было еще думать и решать принципиальные вопросы.

Это была моя первая публикация по общей теории относительности.

Но вернемся к работе К. Шварцшильда. Он с помощью изящного математического анализа решил задачу для сферического тела и переслал ее А. Эйнштейну для передачи Берлинской академии. Решение поразило А. Эйнштейна, так как сам он к тому времени получил лишь приближенное решение, справедливое только в слабом поле тяготения. Решение же К. Шварцшильда было точным, то есть справедливым и для сколь угодно сильного поля тяготения вокруг сферической массы; в этом было его важное значение. Но ни А. Эйнштейн, ни сам К. Шварцшильд тогда еще не знали, что в этом решении содержится нечто гораздо большее. В нем, как выяснилось позже, содержится описание черной дыры.

А теперь продолжим разговор о второй космической скорости. Какую скорость согласно уравнениям Эйнштейна надо придать ракете, стартующей с поверхности планеты, чтобы она, поборов силы тяготения, улетела в космос?

Ответ оказался чрезвычайно прост. Здесь справедлива та же формула, что и в ньютоновской теории. Значит, вывод П. Лапласа о невозможности для света уйти от компактной тяготеющей массы подтвердился теорией тяготения Эйнштейна, согласно которой вторая космическая скорость должна быть равна скорости света как раз на гравитационном радиусе.

Сфера с радиусом, равным гравитационному, получила название сферы Шварцшильда.

Предсказание

Итак, согласно теории Эйнштейна, как только радиус небесного тела становится равным его гравитационному радиусу, свет не сможет уйти с поверхности этого тела к далекому наблюдателю, то есть оно станет невидимым. Но читатель наверняка уже обратил внимание, что это чрезвычайно необычное свойство далеко не единственное из тех «чудес», которые должны произойти с телом, размеры которого сравнялись с гравитационным радиусом. Согласно сказанному в предыдущем разделе сила тяготения на поверхности звезды с радиусом, равным гравитационному, должна стать бесконечно большой, так же как и бесконечно большим должно быть ускорение свободного падения. К чему это может привести?

Чтобы ответить на этот вопрос, вспомним сначала, почему обычные звезды и планеты не сжимаются к центру под действием тяготения, а представляют собой равновесные тела.

Сжатию к центру препятствуют силы внутреннего давления вещества. В звездах это давление газа с очень высокой температурой, стремящееся расширить звезду. В планетах типа Земли это силы натяжения, упругости, давления, также препятствующие сжатию. Равенство сил тяготения и указанных противоборствующих сил как раз и обеспечивает равновесие небесного тела.

Противоборствующие тяготению силы зависят от состояния вещества: от его давления и температуры. При его сжатии они увеличиваются. Однако если сжать вещество до какой-то конечной (не бесконечно большой) плотности, то они останутся также конечными. Иначе обстоит дело с силой тяготения. С приближением размера небесного тела к гравитационному радиусу тяготение стремится, как мы знаем, к бесконечности. Теперь оно не может быть уравновешено противоборствующей конечной силой давления, и тело должно неудержимо сжиматься к центру под его действием.

Итак, важнейший вывод теории Эйнштейна гласит: сферическое тело, радиус которого равен гравитационному радиусу и меньше, не может находиться в покое, должно сжиматься к центру. «Но позвольте, — спросит читатель, — если на гравитационном радиусе сила тяготения бесконечна, то какова она станет, как только тело уменьшится до размеров меньше гравитационного радиуса?»

Ответ довольно очевиден. До сих пор мы говорили о силе тяготения на поверхности статического, не сжимающегося в данное время тела. Но она зависит от состояния движения. Как мы уже говорили выше, при свободном падении наступает состояние невесомости — свободно падающее тело вообще не испытывает действия гравитационной силы. Поэтому на поверхности свободно сжимающегося тела не ощущается никакой силы тяготения (и вне сферы Шварцшильда, и внутри ее). Увлекаемое тяготением вещество не может остановиться на сфере Шварцшильда (оно испытало бы тогда бесконечную силу тяготения). Тем более не может оно остановиться внутри сферы Шварцшильда. Любая частица, например ракета, со сколь угодно сильным двигателем, оказавшись от тяготеющего центра на расстоянии меньше гравитационного радиуса, должна неудержимо падать к этому центру.

Итак, мы получили ответ на вопрос о том, к чему ведет бесконечное нарастание гравитационной силы с приближением тела к сфере Шварцшильда: к катастрофическому, неудержимому его сжатию. Физики называют это явление релятивистским коллапсом.

Таким образом, достаточно сжать тело до размеров гравитационного радиуса, а дальше оно само будет неудержимо сжиматься. Так возникает объект, который впоследствии получил название черной дыры.

Описанный нами процесс релятивистского (гравитационного коллапса впервые был строго рассчитан с помощью уравнений общей теории относительности американскими физиками Р. Оппенгеймером и Г. Волковым в 1939 году. Их статья является образцом краткости и ясности изложения. Полностью и строго описывая суть явления, она занимает всего несколько страниц.

Имя Р. Оппенгеймера хорошо известно не только физикам, но и широкой общественности. Он участвовал в создании американской атомной бомбы, в 1943–1945 годах возглавлял знаменитую Лос-Аламосскую научную лабораторию. Но впоследствии понял, какую опасность человечеству несет создание водородной бомбы и гонка вооружений, выступил за использование атомной энергии только в мирных целях и в 1953 году был снят со всех постов как неблагонадежный американец.

Работу Р. Оппенгеймера и Г. Волкова следует считать строгим предсказанием возможности возникновения черных дыр. Само название «черная дыра» появилось гораздо позже — в конце 60-х годов. Придумал его американский физик Д. Уилер. До этого они известны были под разными именами. Например, у нас их называли «коллапсарами», однако выяснилось, что это слово звучит не очень благозвучно по-английски. Впрочем, с названием «черная дыра», несмотря на его точность и образность, тоже бывали казусы.

Закончим этот раздел следующим замечанием.

Черную дыру можно в принципе сделать искусственно. Для этого надо сжать любую массу до размеров гравитационного радиуса, дальше она сама будет сжиматься, испытывая гравитационный коллапс.

Правда, на этом пути лежат огромные технические трудности. Чем меньшую массу мы хотим превратить в черную дыру, тем до меньших размеров ее необходимо сжать, поскольку гравитационный радиус прямо пропорционален массе. Так, мы знаем, что гравитационный радиус Земли равен примерно одному сантиметру. А чтобы превратить в черную дыру, скажем, гору размером в миллиард тонн, пришлось бы ее сжать до размера атомного ядра!

В последующих разделах мы увидим, что во Вселенной большие массы могут самопроизвольно превращаться в черные дыры в ходе естественной эволюции. Однако, прежде чем говорить об этом, продолжим знакомство с удивительными особенностями черных дыр.

 

Глава 2. Вокруг черной дыры

Дыра во времени

Как уже говорилось, теория тяготения предсказывает, что время течет тем медленней, чем ближе часы находятся к гравитационному радиусу. Это означает, что, какие бы процессы ни протекали в сильном поле тяготения, далекий от черной дыры наблюдатель увидит их в замедленном темпе.

Так, для него колебания в атомах, излучающих свет в сильном поле тяготения, происходят замедленно, и фотоны от этих атомов приходят к нему «покрасневшими», с уменьшенной частотой. Это явление носит название гравитационного красного смещения (оно послужило основой для одной из проверок правильности теории Эйнштейна). Для нас сейчас важен тот факт, что замедление времени и покраснение света тем больше, чем ближе область излучения располагается к границе черной дыры (к сфере Шварцшильда). Там время замедляет свой бег, и на самой границе черной дыры оно как бы замирает для далекого наблюдателя. Этот наблюдатель, следя, например, за камнем, падающим к черной дыре, видит, как у самой сферы Шварцшильда он постепенно «тормозится» и приблизится к границе черной дыры лишь за бесконечно долгое время.

Аналогичную картину увидит далекий наблюдатель при самом процессе образования черной дыры — когда под действием тяготения само вещество звезды падает, устремляется к ее центру. Для него поверхность звезды лишь за бесконечно долгое время приближается к сфере Шварцшильда, как бы застывая на гравитационном радиусе. Поэтому раньше черные дыры называли еще застывшими звездами.

Но это застывание вовсе не значит, что наблюдатель будет вечно созерцать застывшую поверхность звезды на гравитационном радиусе. Вспомним о замедлении времени, о покраснении света, выходящего из сильного гравитационного поля. С приближением поверхности звезды к гравитационному радиусу наблюдатель видит все более и более покрасневший свет звезды, несмотря на то, что на самой звезде продолжают рождаться обычные фотоны. Менее энергичные («покрасневшие») фотоны к тому же приходят к наблюдателю все реже и реже. Интенсивность света падает.

К факту покраснения света из-за замедления времени, обусловленного сильным полем тяготения, прибавляется еще покраснение света из-за Доплер-эффекта. Действительно, ведь поверхность сжимающейся звезды неуклонно удаляется от наблюдателя. А известно, что свет от удаляющегося источника воспринимается также покрасневшим.

Итак, совместное действие Доплер-эффекта и замедления времени в сильном поле тяготения ведет к тому, что с приближением поверхности звезды к сфере Шварцшильда далекий наблюдатель видит свет все более покрасневшим и все меньшей интенсивности — звезда становится невидимой. Ее яркость стремится к нулю, и ни в какие телескопы ее нельзя уже обнаружить. При этом потухание происходит для далекого наблюдателя практически мгновенно. Так, звезда с массой Солнца после того, как она сожмется до размеров удвоенного гравитационного радиуса, потухнет для внешнего наблюдателя за стотысячную долю секунды.

Нельзя обнаружить поверхность застывшей у гравитационного радиуса звезды и радиолокационным методом. Радиосигналы будут бесконечно долго двигаться к гравитационному радиусу и никогда не вернутся к пославшему их наблюдателю. Звезда для внешнего наблюдателя полностью «исчезает», и остается только ее гравитационное поле. Внешний наблюдатель никогда не увидит то, что произойдет со звездой после ее сжатия до размеров меньше гравитационного радиуса.

«Стоп! — скажет читатель. — О каких размерах меньше гравитационного радиуса можно говорить, когда сам процесс сжатия до гравитационного радиуса растягивается на бесконечный срок? Ведь мы только что говорили, что звезда застывает при размерах, равных гравитационному радиусу. Когда же она станет меньше гравитационного радиуса? После бесконечного долгого времени?»

Вот тут-то и проявляется одна из самых удивительных и важных истин, открытых теорией относительности, — относительность временных промежутков, зависимость их от состояния движения наблюдателя. Вспомним, что уже в специальной теории относительности, где роль гравитационных полей не учитывается, один и тот же процесс с точки зрения разных наблюдателей имеет различную длительность: часы на быстро летящей ракете идут с точки зрения наземного наблюдателя медленнее, чем его собственные. Это явление проверено непосредственным физическим экспериментом. В случае же падения к черной дыре относительность длительности процесса проявляется в совершенно удивительном виде. Рассмотрим такое явление подробнее.

Представим себе ряд наблюдателей, расположенных вдоль линии, продолжающей радиус черной дыры, и неподвижных по отношению к ней. Например, они могут находиться на ракетах, двигатели которых работают, не давая наблюдателям падать на черную дыру. Далее, представим себе еще одного наблюдателя на ракете с выключенным двигателем, который свободно падает к черной дыре. По мере падения он проносится мимо неподвижных наблюдателей со всевозрастающей скоростью. При падении к черной дыре с большого расстояния эта скорость равняется второй космической скорости. Скорость падения стремится к световой, когда падающее тело приближается к гравитационному радиусу. Ясно, что темп течения времени на свободно падающей ракете с ростом скорости уменьшается. Это уменьшение настолько значительное, что с точки зрения наблюдателя с любой неподвижной ракеты для того, чтобы падающий успел достичь сферы Шварцшильда, проходит бесконечный промежуток времени, а по часам падающего наблюдателя это время соответствует конечному промежутку. Таким образом, бесконечное время одного наблюдателя на неподвижной ракете равно конечному промежутку времени другого (на падающей ракете), причем промежутку очень малому, — так, мы видели, для массы Солнца это всего стотысячная доля секунды. Что может быть более наглядным примером относительности временной протяженности?

Итак, по часам, расположенным на сжимающейся звезде, она за конечное время сжимается до размеров гравитационного радиуса и будет продолжать сжиматься дальше, к еще меньшим размерам. Но далекий внешний наблюдатель этих последних этапов эволюции, как мы помним, никогда не увидит. А что будет видеть наблюдатель на сжимающейся звезде после своего ухода под сферу Шварцшильда? Что будет со звездой?

Отложим на некоторое время эти вопросы, а сейчас вернемся к внешнему полю черной дыры и посмотрим, как в этом сверхсильном поле движутся тела и распространяются лучи света.

Небесная механика черных дыр

Согласно ньютоновской теории тяготения любое тело в гравитационном поле звезды движется либо по разомкнутым кривым — гиперболе или параболе, — либо по замкнутой кривой — эллипсу (в зависимости от того, велика или мала начальная скорость движения). У черной дыры на больших от нее расстояниях поле тяготения слабо, и здесь все явления с большой точностью описываются теорией Ньютона, то есть законы ньютоновской небесной механики здесь справедливы. Однако с приближением к черной дыре они нарушаются все больше и больше.

Познакомимся с некоторыми важнейшими особенностями движения тел в поле тяготения черной дыры.

По теории Ньютона, если скорость тела меньше второй космической, то оно движется по эллипсу около центрального тела — тяготеющего центра (ТЦ). У эллипса есть ближайшая к ТЦ точка (периастр) и наиболее удаленная (апоастр). По теории Эйнштейна, в случае движения тела со скоростью, меньшей второй космической, траектория его также имеет периастр и апоастр, но она уже не эллипс; оно движется по незамкнутой орбите, то приближаясь к черной дыре, то снова удаляясь от нее. Траектория вся целиком лежит в одной плоскости, но вблизи черной дыры она может выглядеть весьма причудливо, как, например, показано на рисунке . Если же она лежит достаточно далеко, то вид ее представляет собой медленно поворачивающийся в пространстве эллипс. Такой медленный поворот эллиптической орбиты Меркурия на 43 угловых секунды в столетие послужил первым подтверждением правильности теории тяготения Эйнштейна.

#i_006.png

Очень интересно рассмотреть простейшее периодическое движение тела в поле черной дыры по круговой орбите. По теории Ньютона, движение по кругу возможно на любом расстоянии от ТЦ. Из теории Эйнштейна следует, что это не так. Чем ближе к ТЦ, тем больше скорость движущегося по окружности тела. На окружности, удаленной на полтора гравитационных радиуса, скорость обращающегося тела достигает световой. На еще более близкой к черной дыре окружности движение его вообще невозможно, ибо для этого ему потребовалась бы скорость больше скорости света.

Но, оказывается, в реальной ситуации движение по окружности вокруг черной дыры невозможно и на больших расстояниях, начиная с трех гравитационных радиусов, когда скорость движения составляет всего половину скорости света. В чем же причина?

Дело в том, что на расстояниях меньше трех гравитационных радиусов движение по окружности неустойчиво. Малейшее возмущение, сколько угодно малый толчок заставят вращающееся тело уйти с орбиты и либо упасть в черную дыру, либо улететь в пространство (ничего похожего не предусматривает ньютоновская «Небесная механика»). Но, пожалуй, самое интересное и необычное в новой небесной механике — это возможность гравитационного захвата черной дырой тел, прилетающих из космоса.

Напомним, что в ньютоновской механике всякое тело, прилетающее к тяготеющей массе из космоса, описывает вокруг нее параболу или гиперболу и (если не «стукнется» о поверхность тяготеющей массы) снова улетает в космос — гравитационный захват невозможен. Иначе обстоит дело в поле тяготения черной дыры. Конечно, если прилетающее тело движется на большом расстоянии от черной дыры (на расстоянии десятков гравитационных радиусов и больше), там, где поле тяготения слабо и справедливы законы механики Ньютона, то оно движется почти точно по параболе или гиперболе. Но если оно пролетает достаточно близко от дыры, то его орбита совсем не похожа на гиперболу или параболу. В случае, если оно вдали от черной дыры имеет скорость много меньше световой и его орбита подходит близко к окружности с радиусом, равным двум гравитационным радиусам, то оно обернется вокруг черной дыры несколько раз, прежде чем снова улетит в космос. Этот случай изображен на рисунке .

Наконец, если вращающееся тело подойдет вплотную к указанной окружности двух гравитационных радиусов, то его орбита будет на эту окружность навиваться; тело окажется гравитационно захваченным черной дырой и никогда снова не улетит в космос (рисунок ). Если тело подойдет еще ближе к черной дыре, оно упадет в черную дыру и также окажется гравитационно захваченным.

Прежде чем перейти к другим физическим явлениям в поле тяготения черной дыры, сделаем еще одно замечание, касающееся второй космической скорости. Мы уже говорили раньше, что для второй космической скорости справедлива формула теории Ньютона и тело, обладающее такой и большей скоростью, навсегда улетает от черной дыры в космос. Однако мы должны сделать оговорку.

Очевидно, что если тело движется к черной дыре непосредственно вдоль радиуса, то, какую бы скорость оно ни имело, оно врежется в черную дыру и не улетит в космос.

Более того, нам теперь известно, что если тело будет двигаться хоть и не прямо по радиусу к черной дыре, но орбита его пройдет на достаточно близком расстоянии от черной дыры, то оно будет гравитационно захвачено. Следовательно, чтобы вырваться из окрестностей черной дыры, мало иметь скорость больше второй космической, надо еще, чтобы направление этой скорости составляло с направлением на черную дыру угол больше некоторого критического значения. Если угол будет меньше, тело гравитационно захватится, если больше (и скорость равна второй космической), то улетит в космос. Значение этого критического угла зависит от расстояния до черной дыры. Чем дальше от нее, тем меньше критический угол. На расстоянии нескольких гравитационных радиусов надо уже точно «прицелиться» в черную дыру, чтобы быть ею захваченной.

Наконец, скажем несколько слов еще об одном важном процессе, возникающем при движении тел в поле черной дыры. Речь идет об излучении гравитационных волн. Теория тяготения Эйнштейна предсказывает их существование.

Что же представляют собой эти волны, носящие столь экзотическое название. Они подобны электромагнитным, которые являются быстро меняющимся электромагнитным полем, «оторвавшимся» от своего источника и распространяющимся в пространстве с предельно большой скоростью — скоростью света. Точно так же гравитационные волны являются изменяющимся гравитационным полем, «оторвавшимся» от своего источника и летящим в пространстве со скоростью света.

Известно, чтобы обнаружить электромагнитную волну, достаточно в принципе взять электрически заряженный шарик и наблюдать за ним; когда на него станет падать электромагнитная волна, шарик придет в колебательное движение. Но чтобы обнаружить гравитационную волну, одним шариком не обойтись. Потребуется минимум два, помещенных на некотором расстоянии друг от друга (заряжать их электричеством, конечно, не нужно). При падении на них гравитационной волны шарики будут то несколько сближаться, то удаляться. Измеряя изменение расстояния между ними, можно обнаружить волны тяготения. А почему нельзя обойтись одним шариком? — может спросить читатель.

Дело заключается в следующем. Если на шарик не действуют никакие посторонние силы, то он находится в поле гравитационной волны в состоянии невесомости. На шарике не ощущается никаких сил тяготения, и поэтому невозможно обнаружить проходящую гравитационную волну. Ситуация точно такая же, как у космонавтов в кабине космического корабля на орбите. Находясь в невесомости, они не могут обнаружить и тем более измерить гравитационное поле. Два шарика, находясь на некотором отдалении, подвергаются воздействию поля чуть-чуть по-разному, и между ними возникает относительное движение. Вот это относительное движение и можно измерить.

В случае электромагнитных волн для их обнаружения не обязательно брать даже шарик — существуют разные типы электромагнитных антенн. В случае же гравитационных волн придуманы тоже разные конструкции гравитационных антенн.

Но все выглядит относительно просто только теоретически. На самом деле в сколь-нибудь привычных для нас условиях возникающие гравитационные волны крайне слабы: они должны излучаться при ускоренных движениях массивных тел. Но даже при движении небесных тел излучение гравитационных волн ничтожно. Так, при движении планет в Солнечной системе излучается гравитационная энергия, равная мощности всего лишь сотни электрических лампочек. Хотя это число и может показаться большим по нашим земным меркам, оно ничтожно по сравнению, скажем, с мощностью светового излучения Солнца, которое в сто тысяч миллиардов миллиардов раз больше (число записывается единицей с двадцатью тремя нулями). Попытки же создать лабораторные излучатели гравитационных волн пока и вовсе обречены на неудачу.

Скажем, можно сделать излучатель гравитационных волн в виде быстро вращающегося стержня. Если взять стальную болванку длиной 20 метров, массой 500 тонн и раскрутить ее до предела на разрыв центробежными силами (частота вращения при этом около 30 герц), то она будет излучать всего одну десятитысячную миллиардной миллиардной доли эрга в секунду.

Приведенные примеры показывают, насколько трудны попытки обнаружения гравитационных волн. В прямых экспериментах на Земле эти волны пока не обнаружены, хотя в разных лабораториях мира построены и строятся уже десятки гравитационных антенн, предназначенных для приема волн тяготения из космоса. Пионером этой работы был американский экспериментатор Д. Вебер в конце 50-х — начале 60-х годов. У нас в стране работа по созданию гравитационных антенн наиболее интенсивно ведется в Московском университете под руководством В. Брагинского.

Хотя, как уже сказано, с помощью антенн на Земле пока гравитационные волны не обнаружены, однако некоторые астрономические наблюдения прямо показывают, что гравитационные волны излучаются при движении небесных тел. Что же это за наблюдения?

Дело заключается в следующем. Как мы уже знаем, при движении планет или, например, движении звезд в двойных звездных системах излучаются гравитационные волны, уносящие энергию. Эти потери энергии обычно очень малы. Но чем больше масса движущихся небесных тел и меньше расстояние между ними, — тем интенсивнее излучение. Потери энергии в системе двойной звезды приводят к постепенному сближению звезд и уменьшению периода их обращения вокруг центра масс. Конечно, это происходит крайне медленно, и тем не менее с помощью специальных способов наблюдения такое уменьшение периода в одном случае удалось зафиксировать, причем в точном согласии с предсказаниями теории Эйнштейна. Мы не будем здесь рассказывать об астрономических наблюдениях подробнее, так как это увело бы нас далеко в сторону.

Вернемся к движению тела вокруг черной дыры по круговой орбите. При этом будет происходит излучение гравитационных волн и постепенное уменьшение радиуса орбиты. Так будет продолжаться до тех пор, пока радиус не примет критического значения трех гравитационных радиусов. На меньших расстояниях, как мы знаем, движение уже неустойчиво. Следовательно, тело, достигнув критической орбиты, сделав еще несколько оборотов и излучив некоторое количество энергии, «свалится» с этого расстояния в черную дыру.

Какое общее количество энергии излучит тело в виде гравитационных волн за все время, пока оно двигалось вокруг черной дыры по окружности с медленно уменьшающимся радиусом? Излучение происходит, как мы видели, крайне малоинтенсивно, но сам процесс этот длится долго! Таким образом, полное количество излученной энергии будет велико. Чтобы показать ее, приведем такое сравнение. Известно, что при ядерных превращениях, например, водорода в гелий или в еще более тяжелые элементы, определенная доля массы превращается в энергию. Максимально во всех видах реакций эта доля может составить около одного процента. В случае же излучения гравитационных волн при движении вокруг черной дыры излучается энергия в шесть раз больше!

Мы видим, что в принципе даже таким простейшим способом можно было бы использовать черные дыры как источник энергии. Конечно, практически такая машина почти бесполезна. Дело в том, что гравитационные волны крайне слабо взаимодействуют с веществом. Поэтому выделяющуюся в виде гравитационных волн энергию было бы очень трудно уловить и использовать для практических нужд: гравитационные волны рассеивались бы в космическом пространстве. В дальнейшем мы увидим, что существуют другие способы использования гигантской гравитационной энергии черных дыр.

Черные дыры и свет

Мы уже знаем, что поле тяготения влияет на свет. Оно заставляет фотоны менять свою частоту и искривляет траекторию лучей. Чем ближе к черной дыре, тем сильнее искривление траектории. На рисунке  приведены пути лучей света, исходящих с разных расстояний от черной дыры (перпендикулярно к ее радиусу). Мы видим, что существует критическая окружность с радиусом в полтора гравитационных радиуса. (О ней мы уже упоминали в предыдущем разделе.) По этой окружности фотон, удерживаемый на окружности мощным тяготением черной дыры, вполне может двигаться. Однако это движение неустойчиво. Малейшее возмущение — и он либо упадет на черную дыру, либо улетит в космос.

Наличие критической окружности для фотонов ведет к тому, что свет, проходящий достаточно близко к черной дыре, будет ею гравитационно захвачен (это изображено на рисунке ). Луч, подходящий вплотную к окружности размером в полтора гравитационных радиуса, неограниченно навивается на нее, а подходящий еще ближе упирается в черную дыру.

При движении около черной дыры меняется и частота колебаний световых волн. Чем ближе фотоны к черной дыре, тем сильнее возрастает частота колебаний. При удалении от черной дыры частота колебаний световых волн уменьшается. На значительном расстоянии от черной дыры эти изменения невелики и значительны только вблизи сферы Шварцшильда.

«Черные дыры не имеют волос»

До сих пор мы говорили только о черных дырах, возникающих при сжатии сферических тел и обладающих поэтому сферически симметричным полем тяготения. А какая черная дыра возникает при сжатии не сферического, например сплюснутого, тела? Мы пока будем говорить только о невращающихся телах, оставив вопрос о вращении до следующего раздела.

Итак, до сжатия тело имело не сферическое гравитационное поле. Означает ли это, что возникнет сплюснутая черная дыра со сплюснутым полем тяготения? Долгое время ответ на этот вопрос был неизвестен, и эту задачу решили лишь сравнительно недавно. На самом деле никаких сплюснутых или других несимметричных черных дыр существовать не может. Дело в том, что в ходе сжатия, когда размеры тела приближаются к гравитационному радиусу, происходит интенсивное излучение гравитационных волн. Оказывается, что при этом все отличия поля тяготения от строгой сферичности уменьшаются и «излучаются» в виде гравитационных волн.

В первый момент после возникновения черная дыра имеет действительно искаженную, сплюснутую форму. Но эта дыра не может сохраняться постоянно во времени. Подобно тому, как пленка мыльного пузыря, если бы мы его растянули, а потом отпустили, быстро принимает сферическую форму, точно так же граница «искаженной» черной дыры быстро принимает гладкую сферическую форму. Все «лишнее» излучается в виде гравитационных волн. В результате возникает совершенно сферически симметричная черная дыра с совершенно сферически симметричным внешним полем тяготения Шварцшильда, которое характеризуется только одной величиной — массой тяготеющего центра.

Таким образом, черные дыры могут быть и большие (массивные) и маленькие, но во всем остальном они совершенно подобны друг другу. Возникает тогда вопрос, а что будет, если сжимающееся тело обладало электрическим зарядом, то есть имело вокруг себя, помимо гравитационного, еще электрическое, или магнитное, или, наконец, какое-либо еще поле? Будет ли возникшая из этого тела черная дыра также обладать этими полями?

Исследование вопроса привело к крайне интересному выводу. Оказалось, что все виды физических полей в ходе релятивистского коллапса будут излучены или погребены в самой черной дыре. Исключение составляет только поле электрического заряда. При сжатии оно, так же как и сферическое гравитационное поле, вовсе не меняется и остается вокруг возникшей черной дыры.

Итак, при релятивистском коллапсе сколь угодно сложного невращающегося тела, окруженного электрическим, магнитным и другими полями, возникает черная дыра со свойствами, полностью характеризуемыми всего двумя параметрами — массой, от которой зависит сила внешнего гравитационного поля, и электрическим зарядом, характеризующим электрическое поле. Все другие отличительные особенности материи, которая образовала черную дыру, как бы исчезают. Никакие измерения или опыты над черной дырой не помогут ответить на вопрос, возникла ли она, например, из вещества или антивещества, обладало ли вещество магнитным полем и т. д. И это свойство «забывания» всех признаков определяется опять же тем, что никакие сигналы из черной дыры во внешнее пространство не выходят.

Если мы оставим в стороне явление электрического заряда, которое несущественно для небесных тел, то в качестве характеристики, определяющей свойства черной дыры, остается только ее масса. Все черные дыры одинаковой массы являются точными копиями друг друга. Такая безликость черных дыр послужила поводом уже знакомому нам американскому физику-теоретику Д. Уилеру сказать, что «черные дыры не имеют волос».

Установление факта безликости было трудной задачей. Здесь тоже была и своя предыстория и история, как и при теоретическом предсказании черных дыр.

Упомянем лишь о двух работах, выполненных в середине 60-х годов. При создании первой я был лишь свидетелем, а во второй принимал участие сам. Первая работа была сделана советским физиком академиком В. Гинзбургом. Он рассматривал вопрос о том, каково будет магнитное поле звезды, если ее сжимать до все меньших размеров. Оказалось, что если звезду сжать почти до гравитационного радиуса и на этом остановиться, то вблизи самой поверхности звезды магнитное поле необычно возрастет. При дальнейшем сжатии точно к гравитационному радиусу напряженность магнитного поля у поверхности стремилась бы к бесконечности! Но это абсурд! Я помню, с каким подъемом и волнением рассказывал В. Гинзбург об этом в Астрономическом институте имени П. К. Штернберга, а потом с каким энтузиазмом специалисты обсуждали эти выводы. Значение работы было огромно. Ведь если предположение о наличии магнитного поля у черной дыры ведет к абсурду (а так получилось!), значит, никакого магнитного поля у черной дыры не может быть вовсе! Все магнитное поле должно быть излучено или погребено внутри дыры!

Это был очень неожиданный вывод, с которым специалисты не сразу освоились.

Вторая работа касалась возможности возникновения сплюснутой черной дыры. Я тогда только что окончил учебу и работал в группе, созданной академиком Я. Зельдовичем. Поскольку на протяжении уже нескольких лет меня волновала проблема сплюснутой черной дыры, я рассказал о ней моему руководителю, а заодно и моему сверстнику, тоже начинавшему работать во вновь созданной группе, А. Дорошкевичу. Все трое мы всесторонне начали исследовать проблему. Стиль работы у нас был разный, и, удачно дополняя друг друга, мы выполнили большой объем работ.

Вскоре обнаружилось, что, если бы возникла сплюснутая, как репа, или, наоборот, вытянутая, как огурец, черная дыра, то сплюснутость или вытянутость ее должны были бы быть бесконечными! Это означает, например, что в случае сплюснутости длина экватора черной дыры была бы бесконечной. Но это, конечно, абсурд! Отсюда мы сделали вывод, что никаких сплюснутых или вытянутых дыр быть не может. Все отклонения от сферичности должны, излучаясь в виде гравитационных волн, исчезать!

Обе упомянутые работы отличает одна общая черта: мы пришли к выводу, что поля должны излучаться в ходе возникновения черной дыры. Такой вывод покажется чрезмерно смелым. Ведь сам процесс излучения мы не рассчитывали, мы этого тогда еще просто не могли делать, так как не был создан соответствующий математический аппарат. Но вывод о результате процесса излучения был абсолютно надежен потому, что иной вел бы к абсурду. Это интересный пример того, как можно делать надежные заключения о последствиях явления, рассчитать которое не было возможности. Только шесть лет спустя американский теоретик Р. Прайс, а затем и многие другие провели расчеты самого процесса излучения полей. Они, естественно, полностью подтвердили правильность наших заключений.

Следствием расчетов Р. Прайса и других авторов было установление любопытного факта: все поля, которые в принципе могут быть излучены, излучаются действительно в ходе возникновения черной дыры. Только два вида их никогда не излучаются — это сферическое поле тяготения и сферическое поле электрического заряда (если таковой есть). Именно они остаются у возникшей черной дыры.

Еще об одном исключении сказано в следующем разделе.

Среди физиков известны «законы Чизхолма». Они в шуточной форме отражают далеко не шуточные трудности, возникающие при проведении физических экспериментов и при работе со сложными физическими приборами. Первый из «законов Чизхолма» читается так: «Все, что может испортиться, — портится». По аналогии с этим, Р. Прайс сформулировал свой вывод так: «Все, что может излучиться, — излучается».

В начале этого раздела мы специально оговаривали, что рассматриваем черные дыры, возникающие только из невращающихся тел. Эта оговорка не случайна. Дело в том, что вращающееся тело при коллапсе приводит к вращающейся черной дыре. Как мы увидим в следующем разделе, вращение приводит к определенным изменениям в поле тяготения и поэтому служит третьим (и последним) параметром (помимо массы и электрического заряда), который характеризует черную дыру.

Гравитационный вихрь вокруг черной дыры

По теории Ньютона, гравитационное поле никак не зависит от движения вещества. Так, поля тяготения неподвижного шара и вращающегося совершенно одинаковы, если только одинаковы их массы. По теории Эйнштейна, это не так: поля тяготения рассматриваемых шаров будут несколько отличаться. В чем же оно заключается?

Наиболее наглядно (но несколько упрощенно) можно себе представить это отличие, как если бы вокруг вращающегося тела возникало добавочное вихревое гравитационное поле, увлекающее за собой все тела в круговое движение. Дело происходит таким образом, как будто слои пространства медленно вращаются вокруг такого тела, причем угловая скорость их вращения зависит от расстояния: она мала вдали и нарастает с приближением к вращающемуся телу. Для обычных небесных тел эти эффекты ничтожно малы. Проще всего их обнаружить, помещая вблизи вращающегося тела гироскоп. Если тело не вращается, то гироскоп будет указывать неизменное направление в пространстве по отношению к далеким звездам. (Широко известно использование гироскопов, например, для ориентации космических кораблей.) Однако вблизи вращающегося тела гироскоп медленно поворачивается. Так, вблизи поверхности вращающейся Земли гироскоп поворачивается примерно на десятую долю угловой секунды в год. Конечно, такая ничтожная скорость поворота гироскопа не может помешать ориентации космических кораблей. Более того, экспериментально этот эффект пока и не обнаружен.

У поверхности нейтронных звезд, о которых мы уже говорили в главе 1, угловая скорость вращения гироскопа может быть весьма большой, всего лишь в несколько раз меньше скорости вращения самой нейтронной звезды. А сами нейтронные звезды могут вращаться со скоростью в несколько десятков и более оборотов в секунду. Таким образом, гироскоп вблизи такой быстро вращающейся звезды может совершать много оборотов в секунду! Что будет происходить с этой вихревой компонентой поля тяготения при релятивистском коллапсе звезды?

Оказывается, она не будет изменяться так же, как не меняется и сферическое поле тяготения.

Вихревое поле тяготения звезды полностью определяется величиной, которую физики называют моментом импульса тела. Для обычной звезды эта величина примерно равна произведению скорости вращения на экваторе, массы звезды и ее радиуса.

Таким образом, при коллапсе вращающегося тела возникает вращающаяся черная дыра. Что означает вращение черной дыры? Оно означает наличие вокруг черной дыры вихревого поля тяготения, оставшегося после коллапса, или, как его иногда называют, гравитационного вихря. Чем ближе к черной дыре, тем сильнее вихревое поле.

К чему это приводит?

Прежде всего вращение несколько сплющивает черную дыру у полюсов, подобно тому как вращение сплющивает Землю и звезды. Напомним, что без вращения форма дыры была бы точно сферической. Но не это главное. Без вращения гравитационная сила обращалась в бесконечность на сфере Шварцшильда. Эта сфера и была границей черной дыры, или, как говорят физики, горизонтом, из-под которого ничто вылетать не может. При наличии вращения это не так. Тяготение обращается в бесконечность вне горизонта, на поверхности, получившей название границы эргосферы. Положение этой границы показано на рисунке . Она отстоит тем дальше от границы черной дыры, чем быстрее вращение, но далеко от нее отойти не может.

На границе эргосферы и под ней уже никакая сила не может удержать проникшее туда постороннее тело в покое. Оно будет увлекаться вихревым полем в движение относительно черной дыры. Однако в отличие от тел, находящихся под сферой Шварцшильда (в отсутствие вращения), где они неудержимо падали к центру, здесь, под границей эргосферы, все тела вовлекаются во вращательное движение вокруг черной дыры. При этом они вовсе не обязательно двигаются к центру: могут и приближаться к черной дыре, и удаляться от нее, могут пересекать границу эргосферы, двигаясь и внутрь и наружу.

Спрашивается, как же гравитационная сила действует на них под границей эргосферы, если уже на границе величина ее равна бесконечности?

Здесь мы должны напомнить то, что уже говорили при обсуждении силы тяготения, действующей на поверхности Шварцшильда.

Сила тяготения бесконечна на границе только для неподвижного тела, а если тело движется ускоренно, то сила будет иная. При круговом движении вокруг черной дыры в том же направлении, что и направление вращения черной дыры, сила и на границе эргосферы, и внутри ее оказывается конечной. Поэтому тело может внутри границы эргосферы двигаться по окружности, не падая на центр. Таким образом, при наличии вращения предел статичности (то есть граница области, где возможен покой тела по отношению к черной дыре) резко отличается от сферы Шварцшильда в случае отсутствия вращения.

Мы видим, что граница эргосферы вовсе не является границей черной дыры, раз из-под этой поверхности можно выйти наружу. Посмотрим, что же будет при дальнейшем приближении к черной дыре.

Продвигаясь вглубь, мы достигаем наконец границы черной дыры — горизонта. На этой поверхности и под ней тело (и любые частицы, и свет) движется только внутрь черной дыры. Здесь движение наружу невозможно, и никакая информация не может выйти к внешнему наблюдателю из-под этого горизонта.

Именно пространство между горизонтом и пределом статичности и называют эргосферой. Там сила тяготения заставляет все тела кружить вокруг черной дыры.

Если медленно приближать гироскоп к поверхности эргосферы, его угловая скорость вращения будет все увеличиваться, стремясь на самой поверхности к бесконечности (для неподвижного гироскопа).

Как же для внешнего наблюдателя будут протекать события при падении какого-либо тела с большого расстояния к вращающейся черной дыре?

Падая на черную дыру, тело сначала отклонится в своем движении в сторону ее вращения, пересечет границу эргосферы и постепенно приблизится к горизонту. На горизонте все тела имеют одну и ту же угловую скорость обращения, в какое бы место поверхности горизонта ни попало падающее тело. Это очень важное свойство вращающейся черной дыры. В самой эргосфере угловая скорость движения тел может быть разной, но, попадая на поверхность черной дыры, они имеют уже одинаковую угловую скорость, вращаются вместе с поверхностью черной дыры, как бы прилепленные к поверхности вращающегося твердого тела.

#i_008.png

Для внешнего наблюдателя получаемый от них свет быстро становится все более красным и менее интенсивным, затем полностью затухнет, и они станут невидимыми для внешнего наблюдателя: что происходит под горизонтом, он не видит. Если же сам наблюдатель будет свободно падать во вращающуюся черную дыру, то он за конечное время достигнет горизонта, как и в случае невращающейся дыры, и будет продолжать падать внутрь. Оставим пока этого наблюдателя и вернемся во внешнее пространство — в окрестность черной дыры.

Вращение черной дыры не может быть сколь угодно большим. Дело в том, что она не сможет возникнуть, если тело вращалось слишком быстро. Действительно, при сжатии тела, достаточно быстро вращающегося, на экваторе возникают центробежные силы, которые препятствуют его сжатию в плоскости экватора. Тело может продолжать сжиматься только вдоль полюсов. Но тогда оно превратится в «блин» радиусом, много большим гравитационного радиуса, и, следовательно, никакой черной дыры не возникнет. Максимально возможным вращение черной дыры станет тогда, когда скорость вращения точек ее экватора будет равна скорости света.

У вращающейся черной дыры меняются и законы небесной механики. Так, вспомним явление гравитационного захвата тел черной дырой. Если дыра вращается, то легче всего ею будут захватываться частицы, которые вблизи черной дыры летят в сторону, противоположную вращению, и с гораздо большим трудом — частицы, летящие мимо черной дыры в сторону вращения. Наглядно можно себе представить это так, как если бы вихревая компонента гравитационного поля вокруг черной дыры действовала бы подобно праще — ускоряя и отбрасывая тем самым частицы, движущиеся мимо черной дыры в ту же сторону, что и закручивающийся вихрь этого поля, и, наоборот, тормозя и захватывая частицы, движущиеся против вихря.

Еще один пример изменения законов небесной механики. В случае обращения тела по круговой орбите вокруг максимально быстро вращающейся черной дыры в виде гравитационных волн может излучиться в семь раз больше энергии, чем при движении вокруг невращающейся черной дыры.

 

Глава 3. Энергия из гравитационной бездны

Бездонные черные дыры

Мы уже неоднократно говорили, что излучение гравитационных волн телом, кружащимся около черной дыры, является способом получения энергии. Но это не есть способ извлечения энергии из самой черной дыры, а только энергии, связанной с кружащимся телом. Ведь в конце концов само тело (и часть гравитационных волн) падает в черную дыру, не извлекая, а увеличивая ее массу, а значит, и энергию.

Возникает вопрос: а нельзя ли придумать какой-нибудь процесс, уменьшающий массу черной дыры и тем самым черпающий ее энергию?

На первый взгляд этого сделать нельзя, ибо из черной дыры ничто не выходит, значит, из-под горизонта нельзя извлечь энергию. Это верно. Но мы упустили в этом рассуждении, что часть энергии (а значит, и массы) вращающейся черной дыры, связанная именно с вращением, находится, образно говоря, вне черной дыры и заключена в вихревой компоненте ее поля. Вот эту «вращательную» часть энергии и можно, оказывается, отнять от черной дыры, уменьшив ее массу. Как это сделать?

Представим себе следующий эксперимент. В эргосферу большой вращающейся черной дыры попадает ракета с выключенными двигателями. Она движется вокруг черной дыры в сторону ее вращения. Вблизи черной дыры пилот включает реактивные двигатели, выбрасывающие струи газов. Можно так изменить движение ракеты, что газы упадут в черную дыру, а ракета, ускорившись, с огромной скоростью вылетит из эргосферы, как бы выброшенная «пращой» гравитационного вихря. Огромная скорость ракеты будет намного превышать ту скорость, с которой ракета подлетала к эргосфере, и будет намного больше, чем изменение скорости, вызванное кратковременной работой двигателя. Что же произошло?

Вспомним, что вокруг черной дыры существует вращательный гравитационный вихрь. Ракетный двигатель заставил перейти ракету на такую новую орбиту, где она, подхваченная этим вихрем, была вышвырнута с огромной скоростью из эргосферы. Энергия, унесенная ракетой, получена от вихря, то есть от «вращательной» энергии черной дыры. Вращение черной дыры при этом уменьшается. Соответственно становится меньше и полная масса черной дыры (на величину, унесенную ракетой). Этим-то способом и можно «черпать» энергию из вращающейся черной дыры.

Столь необычный процесс был открыт английским физиком-теоретиком Р. Пенроузом. Но черпаемая при этом только «вращательная» энергия находится, как подчеркивалось, в вихревом поле вне черной дыры.

Что же касается площади горизонта, а она и характеризует размеры самой черной дыры, то описанный процесс приводит к некоторому ее увеличению, так как газы из двигателя ракеты, упавшие в черную дыру, вносят в нее дополнительную массу и увеличивают тем самым ее размеры.

Наибольшее количество «вращательной» энергии черной дыры ракета может унести (при одинаковой продолжительности работы ее двигателей) в том случае, когда двигатели включаются у самого горизонта. В этом случае площадь горизонта не меняется (такие процессы получили название обратимых). Подобные включения двигателя на горизонте можно повторять многократно, и таким образом можно отнять у черной дыры «вращательную» энергию, не меняя ее собственного размера.

Что же касается вопроса о возможности уменьшения размеров горизонта в каких-либо процессах, то на него надо ответить отрицательно. Оказалось, что площадь горизонта черной дыры никогда не уменьшается ни в каких процессах. Если же взаимодействуют друг с другом несколько черных дыр, то сумма площадей их горизонтов не уменьшается.

Это очень важное свойство. Из него, например, следует, что ни при каких воздействиях черная дыра не может разделиться на две черные дыры. Если бы такое произошло, то при сохранении энергии сумма площадей горизонтов возникших дыр должна была бы быть меньше площади исходной черной дыры. Следовательно, как бы ни раздирали черную дыру приливные гравитационные силы, какими бы другими способами мы на нее ни воздействовали, «разодрать» ее на части нельзя.

Сливаться же черные дыры могут. Например, две движущиеся навстречу друг другу черные дыры сталкиваются «лоб в лоб» и сливаются в одну. При этом возникающая черная дыра будет иметь площадь горизонта больше суммы площадей горизонтов сталкивающихся дыр.

Итак, никакие процессы не уменьшают размеры черных дыр.

Черные дыры после своего возникновения являются как бы бездонными пропастями, которые нельзя никак уменьшить, нельзя ничем заполнить и нельзя ничем «заткнуть» — они являются вечными «дырами» в пространстве и времени, способными только увеличиваться за счет падающего в них вещества. Это все растущие гравитационные бездны…

На самом деле, как мы увидим в дальнейшем, все это не столь мрачно. Во-первых, черные дыры, находящиеся в реальных условиях, благодаря своему огромному полю тяготения способны вызвать весьма бурные процессы, а, во-вторых, квантовые процессы (которых мы до сих пор не касались) вносят коррективы в нарисованную здесь картину. Но об этом подробнее будет сказано дальше.

Гравитационная бомба

До сих пор, рассматривая процессы вокруг черной дыры и способы извлечения из нее энергии, мы убедились, что эту энергию можно извлечь либо в форме излучения гравитационных волн, либо в виде кинетической энергии тел, выбрасываемых из эргосферы. Но оказывается, существуют еще более удивительные и неожиданные способы использования черных дыр как генераторов энергии.

Представим себе, что вращающаяся черная дыра облучается электромагнитными волнами. Что при этом будет происходить? На первый взгляд ничего интересного. Часть волн будет гравитационно захватываться черной дырой и навсегда в ней исчезать. Остальные, проходящие вблизи черной дыры, искривят свои траектории и уйдут дальше. Изменение направления распространения волн называют рассеянием. Рассеянные электромагнитные волны, уйдя вдаль от черной дыры, будут иметь ту же частоту, какую они имели, когда приближались к ней. Конечно, частота волн при движении вблизи черной дыры в сильном гравитационном поле менялась. Когда волны двигались к черной дыре, их энергия увеличивалась, частота возрастала — волны испытывали фиолетовое смещение. Затем, при удалении от черной дыры, они испытывали красное смещение, и в итоге вдали от черной дыры их частота возвращалась к исходному значению.

Итак, общая картина получается следующей: при облучении черной дыры часть электромагнитных волн попадает в нее, а часть рассеивается с той же частотой, которая была до рассеивания. Из-за того, что часть их навсегда захватывается черной дырой, интенсивность рассеянных волн меньше, чем первоначальная интенсивность облучающего пучка.

Пока все выглядит тривиально. Но возможна, оказывается, ситуация, когда интенсивность рассеянных электромагнитных волн будет больше, чем облучающих. Для этого необходимо, во-первых, чтобы черная дыра вращалась, ибо только вращательная энергия может от нее отбираться. Во-вторых, необходимо, чтобы частота электромагнитных волн, облучающих черную дыру, была меньше частоты вращения черной дыры. В таком случае рассеянные электромагнитные волны будут более интенсивными, чем падающие. Этот процесс усиления получил название суперрадиации. Он был открыт академиком Я. Зельдовичем. Суперрадиация, по существу, аналогична ранее рассмотренному нами процессу увеличения энергии тела, выбрасываемого из эргосферы и отнимающего «вращательную» энергию черной дыры (при суперрадиации также отнимается «вращательная» энергия черной дыры). Следует отметить, что при облучении вращающейся дыры электромагнитными волнами усиление их не очень велико: максимум всего на 4,4 процента.

Явление суперрадиации проявляется при облучении черной дыры не только электромагнитными волнами, но и другими видами излучений. Так, будут усиливаться, например, низкочастотные гравитационные волны, падающие на вращающуюся черную дыру. Причем условие возникновения суперрадиации для всех видов излучений одно и то же — достаточно малой должна быть частота волн. Коэффициент усиления для различных видов излучений оказывается различным. Так, для гравитационных волн он составляет 138 процентов, то есть гораздо больше, чем для электромагнитного излучения.

Но вернемся к электромагнитным волнам.

Окружим вращающуюся черную дыру искусственной сферой, отражающей электромагнитные волны. Пусть внутри этой сферы имеется хотя бы ничтожное количество электромагнитных волн, для которых выполнено условие возникновения суперрадиации. Эти волны, падая на черную дыру, усиливаются и уходят вдаль от черной дыры. Здесь они встречают отражающую сферу, отражаются и снова устремляются к черной дыре, где вновь усиливаются. Процесс повторяется снова и снова, а энергия усиливающегося излучения лавинообразно нарастает.

Если в отражающей сфере сделать отверстие, то часть усиливающихся волн будет через него выходить наружу, и тем самым наша установка станет генератором электромагнитного излучения, в котором «вращательная» энергия черной дыры непосредственно трансформируется в электромагнитное излучение.

Допустим теперь, что никакого отверстия в отражающей сфере нет и вся сфера полностью отражает усиливающееся электромагнитное излучение. Тогда процесс роста электромагнитной энергии внутри такой установки будет катастрофически продолжаться, пока давление излучения не разорвет отражающую сферу, то есть произойдет взрыв. Подобная конструкция была названа гравитационной «бомбой».

Отметим, что создание подобных гравитационных конструкций, генерирующих электромагнитную энергию, сейчас совершенно немыслимо, так как мы не способны создавать искусственно черные дыры путем сверхсильного сжатия вещества, а естественные находятся, как увидим очень далеко в космосе.

За краем гравитационной бездны

До сих пор мы говорили о процессах вокруг черной дыры. Обратимся теперь к самому захватывающему и интригующему: попробуем подойти к границе черной дыры — к краю этой бездонной пропасти (ее нельзя ничем заполнить) и попытаемся заглянуть внутрь.

Впрочем, мы знаем, что слово «заглянуть» здесь неуместно. Увидеть, что происходит внутри черной дыры невозможно, даже достигнув ее границы. Для этого необходимо последовать внутрь черной дыры. В принципе это возможно, например, при простом свободном падении (находясь в космическом аппарате) в поле тяготения черной дыры. За конечное собственное время такого падающего наблюдателя он достигнет горизонта и будет продолжать падать дальше.

Но мы уже знаем, что такое путешествие будет иметь для космонавта самые серьезные последствия. Ведь из черной дыры ничто не возвращается, ничто не выходит во внешнее пространство. Никогда не сможет вернуться и космонавт, какой бы мощностью ни обладали ракетные двигатели его аппарата. Он не сможет также и послать нам какое-либо сообщение о своих наблюдениях (хотя и может продолжать получать сообщения от нас). И тем не менее в принципе такое путешествие возможно. Что же ждет его внутри черной дыры?

Прежде чем отправиться вместе с космонавтом, вспомним еще одно гравитационное явление, хорошо всем известное. Речь идет о приливных гравитационных силах. Эти силы проявляются потому, что все тела, находящиеся в поле тяготения, имеют некоторые размеры. А поля тяготения всегда неоднородны, и разные точки притягиваемых тел испытывают несколько различную силу тяготения.

Пусть тело находится в поле тяготения планеты. Точки тела, находящиеся ближе к планете, будут испытывать более сильное тяготение, чем точки, отстоящие дальше. Эта разность сил тяготения и называется приливной силой, стремящейся растянуть, разорвать тело. Приливная сила тем больше, чем резче меняется поле тяготения от точки к точке. Такая «разностная» сила проявляется и при свободном падении тела, и при покое. В этом отношении она резко отличается от действия самого тяготения, которое не проявляется в состоянии свободного падения.

Разумеется, в обычных условиях, скажем, в кабине космического корабля, летящего вокруг Земли, приливные силы ничтожны, незаметны. Незаметны они и для обычных тел на поверхности Земли. Но они пропорциональны размерам тел. Поэтому проявляются (и весьма заметно) для всей Земли, подвергающейся тяготению со стороны Луны. Рассматриваемые силы вызывают приливы в океанах, откуда и произошло их название.

Но вернемся к наблюдателю, падающему в черную дыру. Поместим сначала его на поверхность звезды, которая находится в состоянии релятивистского коллапса. Противоборствующие силы давления вещества звезды при этом практически уже не оказывают никакого сопротивления нарастающей гравитации, поверхность звезды пересекает гравитационный радиус и продолжает сжиматься дальше. Процесс остановиться не может, и за короткий промежуток времени (по часам наблюдателя на поверхности звезды) эта поверхность сожмется в точку, а плотность вещества станет бесконечной. Достигается, как говорят физики, сингулярное состояние. Чем оно характеризуется?

Не вдаваясь в тонкости, ответим на этот вопрос так: при приближении к сингулярности приливные гравитационные силы стремятся к бесконечности. Это означает, что любое тело (в том числе и наш воображаемый наблюдатель) будет разорвано. То же самое ожидает и любое тело, падающее в черную дыру уже после сжатия звезды, оно также достигает сингулярности. Можно ли как-нибудь избежать падения в сингулярность, если тело уже находится под горизонтом?

Оказывается, нет. Падение в сингулярность неизбежно. Как бы космонавт ни маневрировал на своей ракете, как бы ни были мощны двигатели, ракета быстро упадет в сингулярность.

Самое «долгое» время, которое ракета может просуществовать внутри черной дыры после пересечения горизонта, равно примерно времени, за которое свет проходит расстояние, равное размеру черной дыры. Это короткий миг. Для дыры с массой в десять масс Солнца максимально «долгое» время существования равняется всего одной стотысячной доле секунды.

Чтобы просуществовать это максимально «долгое» время, космический корабль должен осуществить следующий маневр. При падении в черную дыру нужно включить на полную мощность двигатель при подлете к горизонту так, чтобы почти остановиться у самого горизонта. После этого необходимо выключить двигатель и дать кораблю свободно падать вдоль радиуса (от горизонта до сингулярности). Время такого падения и будет максимальным временем существования. Любые попытки космонавтов как-то затормозить с помощью включения двигателя падение внутрь черной дыры или попытки направить корабль в орбитальное движение приведут только к тому, что корабль упадет в сингулярность за более короткий промежуток времени (по часам космонавта).

Как же так может быть? — спросит читатель. Ну, хорошо, согласимся, что работа двигателей не в состоянии побороть огромную силу тяготения внутри черной дыры и остановить ракету, но все же торможение должно хоть немного замедлить падение, сделать его более продолжительным? И уж тем более это торможение не ускорит падения!

И тем не менее внутри черной дыры это возможно. Дело в том, что, включая двигатели, космонавт разгоняет свою ракету (назовем ее А) по отношению к свободно падающей ракете (ракета Б). Но на разгоняющейся ракете, как мы напоминали, время течет медленнее. А внутри черной дыры этот фактор оказывается решающим. Ракета А все равно падает в сингулярность. Но из-за того, что часы на ней шли существенно медленнее с точки зрения ракеты Б, то и весь процесс падения занял по часам А меньше времени. Идя медленнее, часы А «натикают» меньше секунд (или долей секунды), то есть с точки зрения этих часов падение было менее продолжительным! Вот такой парадокс.

Вернемся теперь к проблеме приливных сил тяготения. Давайте сравним приливные силы, которые действуют на космонавтов в кабине космического корабля на орбите вокруг Земли и на космонавта, падающего в черную дыру.

В первом случае приливные силы растягивают тело космонавта совершенно незаметным образом, их действия соответствуют давлению одной десятимиллиардной доле атмосферы.

При падении же в черную дыру эти силы огромны даже еще на ее границе. Оказывается, чем меньше масса и размер дыры, тем больше приливные силы на горизонте. Для дыры с массой в тысячу масс Солнца приливные силы соответствуют давлению ста атмосфер. Такие нагрузки человеческое тело уже выдержать не может. Для меньших черных дыр приливные силы на границе еще больше…

Следовательно, если черная дыра имеет массу меньше тысячи солнечных, то человек, приблизившись к ней, не может остаться в живых.

Разумеется, при падении космического корабля даже в очень большую черную дыру, на границе которой человеку не угрожает опасность быть разорванным приливными силами, корабль в конце концов начнет неудержимо падать к сингулярности, а тогда неограниченно нарастающие приливные силы все равно рано или поздно разорвут любое тело. Таким образом, не желая кончать жизнь самоубийством, космонавт не станет по собственной инициативе проникать в черную дыру.

Мы рассмотрели столь ужасный мысленный эксперимент, чтобы показать суть основного явления, возникающего внутри черной дыры, — безудержный рост приливных сил, заканчивающихся сингулярностью. Почему это так важно?

Дело в том, что в окрестности самой сингулярности огромные приливные силы приводят к изменению физических законов, установленных в условиях, далеких от столь экстремальных. Мы познакомимся с некоторыми из них во второй части книги. Сейчас только скажем, что в сингулярности пространство и время не только «искривляются» сильнейшим образом, но и утрачивают, вероятно, свой непрерывный характер, распадаются на отдельные неделимые более промежутки — кванты. Мы не будем детальнее останавливаться на этом, во-первых, потому, что читатель и так, наверное, устал от попыток представить себе столь необычные вещи, а, во-вторых, потому, что теоретики еще сами толком не знают точно, что там происходит. Это самый передний край гравитационной науки.

Но уже то, что достоверно известно о «внутренности» черной дыры, крайне интересно.

Эти знания — плод большой и сложной работы многих теоретиков в разных странах мира.

Одна из самых больших трудностей состояла в том, чтобы выяснить, что происходит внутри черной дыры в реальном случае, а не в какой-то идеализированной ситуации. Чем отличается случай реальный от идеализированного? К идеализации теоретики прибегают для того, чтобы упростить уравнения, которые они решают. Например, предполагали, что сжимается идеально сферическая без малейший отклонений от шаровой формы звезда. Для такой идеализированной задачи уравнения неизмеримо проще, чем в общем случае. Их удалось решить и исследовать «внутренность» возникающей сферической черной дыры. Но даже после получения решения потребовались десятилетия, чтобы физики окончательно осознали структуру этой «внутренности».

А в действительности звезда никогда не может быть идеально сферической. В ходе сжатия отклонения от сферичности нарастают. Что будет в этом случае? Прямые методы решения уравнений здесь помочь не могли. Общих решений уравнений нет. Для получения ответа потребовалось настоящее математическое остроумие.

Когда знакомишься с подобного рода работами, всегда остается загадкой: как можно додуматься до столь необычного пути решения вопроса? Очень хорошо об этом сказал открыватель законов планетных движений И. Кеплер: «Пути, которыми люди проникают в суть небесных явлений, представляются мне почти столь же удивительными, как и сами эти явления».

Первый успех был достигнут английским теоретиком Р. Пенроузом. Он показал, что при сжатии реального несферического тела внутри образовавшейся черной дыры неизбежно возникает сингулярность, то есть область с бесконечными приливными силами тяготения.

Невозможность избежать возникновения сингулярности внутри черной дыры, как показал Р. Пенроуз, следует, по существу, из факта невозможности начертить на бумаге карту всей сферической Земли так, чтобы все точки, близкие на поверхности Земли, были близки и на карте. Мы знаем, что на единой карте мира мыс Дежнева, например, и Аляска часто изображаются на противоположных концах карты, а в действительности они рядом. Вот к этому хорошо знакомому факту Р. Пенроуз остроумно и свел доказательство.

Но обязательно ли все тела, упавшие в реальную черную дыру, упадут и в сингулярность? Много теоретиков пыталось разобраться в этом. Мы начинали решать эту проблему вместе с А. Дорошкевичем в середине 70-х годов, затем работали над ней с молодым физиком А. Старобинским и американскими теоретиками. Теперь этот вопрос в основном исчерпан — удалось доказать, что падение в сингулярность неизбежно.

Напомним еще раз, что о всех событиях, протекающих внутри черной дыры, наблюдатель, оставшийся вне ее, знает, так сказать, только теоретически. Он не может получить о них никаких сведений, никаких сигналов из-под горизонта черной дыры. Вот как поэтично говорит об этом знаменитый индийский физик, живущий в США, лауреат Нобелевской премии С. Чандрасекхар: «Исследуя явления, связанные с горизонтами событий и невозможностью передавать через них информацию, я часто повторял про себя сказку о природе, которую слышал в Индии лет пятьдесят назад. Сказка эта называлась „Не потерялась, а просто исчезла“ и повествовала о личинках стрекоз, живущих на дне пруда. Их постоянно мучила одна загадка: что происходит с ними, когда, став взрослыми, они поднимаются к поверхности пруда, проходят через нее и исчезают, чтобы больше никогда не вернуться? Каждая личинка, ставшая взрослой и готовящаяся подняться наверх, обязательно обещает вернуться и рассказать оставшимся внизу подругам о том, что же происходит наверху. Ведь только так удастся подтвердить или опровергнуть слухи, распространенные лягушкой: будто бы личинка, пересекающая поверхность пруда и оказавшаяся по другую сторону привычного мира, превращается в удивительное существо с длинным стройным телом и сверкающими крыльями. Но, выйдя из воды, личинка превращается в стрекозу, которая, увы, не может проникнуть под поверхность пруда, сколько бы она ни пыталась и как бы долго ни парила над его зеркальной поверхностью. И в летописи, которую ведут личинки, нет ни одной строки о личинке, которая возвратилась бы и рассказала, что же происходит с теми, которые пересекали границу их мира. И сказка оканчивается жалобой: „Неужели ни одна из нас, хотя бы из жалости к тем, кого мы бросили внизу, не вернется и не раскроет секрет?“»

Нет ничего проще и сложнее, чем черные дыры

Итак, мы познакомились с физикой черных дыр, с тем, что происходит в их окрестностях и что может происходить внутри самих дыр. Читатель, наверное, согласится с тем, что черные дыры — совершенно исключительные объекты, не похожие ни на что, известное до сих пор. Это не тела в обычном смысле слова и не излучение. Это дыры в пространстве и времени, возникающие из-за очень сильного искривления пространства и изменения характера течения времени в стремительно нарастающем гравитационном поле.

В предыдущих разделах мы в то же время показали, что черные дыры являются в некотором смысле и очень простыми объектами. Их свойства никак не зависят от свойств сколлапсировавшего вещества, от всех сложностей строения вещества, его атомной структуры, находящихся в нем физических полей, не зависят от того, было ли вещество водородом или железом и т. д. При образовании черной дыры для внешнего наблюдателя все свойства сколлапсировавшего тела как бы исчезают, они не влияют ни на границу черной дыры, ни на что другое во внешнем пространстве, остается только гравитационное поле, характеризуемое лишь двумя параметрами — массой и вращением (как мы уже говорили, присутствие глобального электрического заряда несвойственно небесным объектам). Этим определяются и форма черной дыры, и ее размеры, и все остальные ее свойства. Так что с полной определенностью можно сказать, что нет ничего проще черной дыры: человеческое тело, например, несравненно сложнее, — его двумя числами, как черную дыру, не охарактеризуешь.

По поводу такой удивительной простоты черных дыр американский физик Кип Торн как-то воскликнул: «Представьте себе, что мы могли бы судить о всех особенностях характера женщины только по ее весу и цвету волос!»

Но и нет ничего более сложного, чем черная дыра, — ведь человеческое воображение даже не в состоянии представить себе, до какой степени происходит искривление пространства и изменение течения времени, что в них возникает дыра. Изучение физики черных дыр позволяет расширить наши познания о фундаментальных свойствах пространства и времени. Как мы увидим в дальнейшем, в окрестности черных дыр возникают, например, квантовые процессы, обнаруживающие сложнейшую структуру так называемого физического вакуума. Еще более мощные (катастрофически мощные) квантовые процессы происходят внутри самой черной дыры (в окрестности сингулярности). Экспериментальное открытие черных дыр в природе было бы чрезвычайно важным для естествознания. Мы смогли бы изучать новые законы, управляющие свойствами пространства и времени в сильных гравитационных полях, новые законы, управляющие движением материи в необычных условиях. Образно говоря, черные дыры — это дверь в новую, широчайшую область нашего познания физического мира.

Но насколько реальны черные дыры? Как мы уже говорили, искусственно их изготовить пока нельзя. Однако возможно, как оказалось, возникновение их во Вселенной естественным путем.

 

Глава 4. Поиски черных дыр

Они должны существовать

То, что знают астрономы об эволюции звезд, приводит к неизбежному выводу: черные дыры должны возникать в конце жизни массивных небесных тел. Как же протекает их эволюция и почему следует столь определенный вывод?

Вещество обычной звезды, подобной нашему Солнцу, находится под действием двух противоположных сил — тяготения, стремящегося сжать звезду к центру, и давления раскаленных газов, стремящихся ее расширить. Их равенство обеспечивает устойчивое состояние звезды. Но горячая звезда непрерывно излучает энергию с поверхности и если бы эта потеря не компенсировалась, то звезда потеряла бы свою тепловую энергию и стала бы сжиматься. Однако этого не происходит, ибо вблизи центра звезды, где температура достаточно велика, идут термоядерные реакции, сопровождающиеся выделением огромной энергии. При этом ядерное «горение» претерпевают сначала водород, гелий, а затем и более тяжелые элементы — углерод, кислород и т. д. Термоядерные реакции и являются источником энергии звезд, которую они излучают в пространство.

С течением времени исчерпывается запас ядерного горючего в звезде. Продолжительность ядерного «горения» — этого активного периода жизни звезд — определяется скоростью потери энергии на излучение и запасами ядерного топлива. И то и другое зависит от массы звезды. Поэтому и продолжительность жизни звезды определяется ее массой. Звезды с массой, равной солнечной, живут около 10 миллиардов лет. Более массивные звезды живут меньше. Так, звезда массой 3 массы Солнца живет один миллиард лет, а звезда массой 10 масс Солнца всего 100 миллионов лет.

Когда исчерпается все ядерное топливо, звезда, продолжая терять энергию на излучение, постепенно сжимается. Если масса ее не превышает массу Солнца более чем в 1,2 раза, то сжатие закончится, когда радиус звезды составит несколько тысяч километров. Плотность вещества при этом может достигнуть 109 г/см3. Такие звезды получили название белых карликов. Они уже давно известны астрономам.

После превращения в белый карлик звезда остывает, практически не уменьшая своих размеров. Давление газа, препятствующее дальнейшему сжатию белого карлика, обеспечивается квантовыми силами, возникающими между достаточно тесно упакованными электронами плазмы, составляющей звезду. Это давление в условиях звезды никак не зависит от температуры ее вещества. Поэтому белый карлик может полностью остыть и превратиться в черный карлик, не изменив своего размера.

Если масса звезды более 1,2 массы Солнца, то в ходе ее сжатия плотность вещества превысит 109 г/см3. При такой плотности возникают ядерные реакции, поглощающие много энергии. Равенство сил тяготения и давления нарушается, и звезда начнет стремительно сжиматься.

В процессе этого сжатия может произойти ядерный взрыв, который мы наблюдаем как вспышку сверхновой. При этом звезда сбрасывает оболочку и превращается в так называемую нейтронную звезду. Силы тяготения сжимают ее настолько, что в центре звезды плотность становится сравнима с ядерной, 1014–1015 г/см3.

Нейтронная звезда — это своеобразное атомное ядро поперечником в десяток километров. В такой звезде ядерные частицы — нуклоны — очень тесно прижаты друг к другу. Если ее масса не превосходит две массы Солнца, то нуклонный газ способен квантовыми силами воспрепятствовать дальнейшему сжатию звезды. Таково конечное состояние этой остывшей звезды. Правда, понятие холода к нейтронной звезде совершенно неприемлемо с точки зрения земных представлений. Ведь в столь плотном газе тепло никак не должно сказываться на величине давления, даже если температура газа сотни миллионов градусов. Поэтому-то, хотя астрофизики часто называют нейтронную звезду холодной, в ее центре температура может достигать сотен миллионов градусов, а на поверхности миллиона.

Долго искали астрономы нейтронные звезды, но безуспешно. И это вполне закономерно. Звезду радиусом 10 километров и с температурой миллион градусов можно увидеть только в самые крупные телескопы, если она к тому же достаточно близка к нам. Дело в том, что излучающая поверхность нейтронных звезд очень мала и они, как правило, испускают видимого света в миллион раз меньше нашего Солнца. Но если мы даже видим нейтронную звезду, остается вопрос, как отличить ее от обычных слабых звезд.

Нейтронные звезды пытались обнаружить по воздействию их тяготения на близлежащие звезды. В тесной двойной системе заметить слабую нейтронную невозможно — она тонет в ярком свете своей соседки. Однако нейтронные звезды имеют такую же массу, как и большинство других звезд. Астрономы стали искать в двойных системах звезды с нормальной массой, но очень низкой светимостью. Однако эти попытки не увенчались успехом.

Открыли нейтронные звезды совершенно случайно в 1967 году английские радиоастрономы спустя 33 года после их теоретического предсказания. Оказалось, что вблизи поверхности нейтронных звезд, которые обладают сильным магнитным полем, есть активные области, излучающие направленные потоки радиоволн. Такая активная область вращается вместе с поверхностью звезды, излучает пучок направленных радиоволн, как вращающийся прожектор. Этот пучок бежит по небу, и, когда попадает на Землю, мы наблюдаем вспышки радиоизлучения, которые происходят через равные промежутки времени, соответствующие периоду вращения звезды. Эти вспышки и зарегистрировали английские радиоастрономы.

Вспышки радиоизлучения пульсаров — как назвали новые космические объекты — следовали с очень коротким периодом (около одной секунды и меньше). Такой период вращения может быть лишь у звезды, поперечник которой не больше нескольких десятков километров. Действительно, столь же быстро вращающаяся звезда с диаметром 1000 километров (например, белый карлик) будет просто разорвана центробежными силами, и только у маленькой нейтронной звезды столь быстрое вращение еще не превышает предела прочности. Так было доказано, что пульсары — это нейтронные звезды.

Пульсар — конечный этап активной жизни звезды не слишком большой массы, меньше примерно двух масс Солнца.

Но в реальной Вселенной звезду окружает межзвездный газ. Он попадает на звезду, разогревается при ударе о ее поверхность и испускает рентгеновские лучи. Если нейтронная звезда входит в двойную звездную систему и из атмосферы второй (нормальной) звезды истекает газ, то он может попадать в поле тяготения нейтронной звезды. В этом случае поток газа и интенсивность рентгеновского излучения становятся особенно велики. Такие «рентгеновские пульсары» также обнаружены в двойных системах.

Итак, существование нейтронных звезд убедительно доказано. Но расчеты показывают, что если звезда после исчерпания ядерного горючего, сжатия и возможных процессов сбрасывания внешних оболочек имеет массу, все еще превышающую критический предел, равный примерно двум солнечным массам, то даже действие огромных сил давления сверхплотного ядерного вещества все же не сможет остановить процесс сжатия, и превращение ее в черную дыру в конце эволюции становится неизбежным.

Правда, иногда высказывалась мысль, что, может быть, массивные звезды в конце эволюции выбрасывают в пространство большую часть своей массы, а остаток, обладающий массой меньше критической, превращается в белый карлик или нейтронную звезду. Но такой путь эволюции большинству ученых представляется крайне искусственным и маловероятным. Поэтому мы приходим к заключению, что черные дыры неизбежно должны возникать на поздних стадиях эволюции массивных звезд.

Могут ли во Вселенной существовать черные дыры другого, незвездного происхождения? Вероятнее всего, да. И мы в дальнейшем познакомимся с этими возможностями, часто весьма интересными и необычайными. Однако выводы о существовании незвездных черных дыр гораздо менее надежны, чем о неизбежности возникновения черных дыр в ходе эволюции массивных звезд. Более того, как мы увидим дальше, по крайней мере одна черная дыра звездного происхождения, вероятно, уже открыта астрономами. Вот почему мы пока отложим знакомство с другими незвездными черными дырами и обратимся к вопросу о поисках черных дыр звездного происхождения.

Как искать черные дыры?

До начала 60-х годов, по-видимому, никто из астрономов серьезно и не пытался искать ни нейтронные звезды, ни тем более черные дыры. Молчаливо предполагалось, что эти объекты слишком эксцентричны и скорее всего представляют собой лишь выдумку теоретиков. О них даже предпочитали не говорить. Иногда глухо упоминалось, что они, может быть, и могли образоваться, но, вероятнее всего, этого не происходит. И во всяком случае, если они есть, то их нельзя обнаружить.

Столь странные объекты нарушали привычную для астрономов картину Вселенной. По поводу черных дыр большинство астрономов вообще с сомнением покачивали головами. Даже общепринятого названия для этих объектов не было. Среди тех, кто не верил в возможность существования черных дыр, был астроном англичанин А. Эддингтон (1882–1944). Путь его в астрономию классический. Он начинал как астроном-наблюдатель в Гринвичской обсерватории, много занимался вопросами статистики звездных движений. В 1914 году стал директором обсерватории Кембриджского университета, и все его научные интересы сосредоточились на вопросах астрофизики, которая как раз в это время формировалась как самостоятельная наука.

Заслуги его в астрофизике трудно переоценить. Он первым понял основные процессы, которые определяют внутреннее строение звезд, выдвинул важнейшую идею о том, что энергия из глубоких недр звезды к поверхности переносится в основном путем медленного «просачивания» света сквозь непрозрачный газ, а не конвекцией, подобно кипящей воде в кастрюле на плитке. Еще в 1916 году, когда о ядерных реакциях не было и понятия, он показал, что источником энергии в звездах не может быть их постепенное сжатие с нагреванием, как тогда думали, а должны быть какие-то глубинные превращения материи, которые А. Эддингтон называл субатомными. Он занимался изучением пульсаций звезд, строением их атмосфер и многими другими проблемами астрофизики.

А. Эддингтон одним из первых понял глубину и новизну общей теории относительности. Он руководил экспедицией, которая в 1919 году во время полного солнечного затмения впервые измерила отклонение лучей света в поле тяготения Солнца в полном согласии с предсказанием теории Эйнштейна. Его научные заслуги были общепризнаны: он был президентом Лондонского королевского астрономического общества, президентом Лондонского физического общества, президентом Международного астрономического союза, членом многих академий, в том числе и иностранным членом-корреспондентом АН СССР.

И вот этот человек не мог свыкнуться с мыслью о том, что достаточно массивная звезда должна в конце концов потерять устойчивость и испытать катастрофическое сжатие. Как пишет С. Чандрасекхар, А. Эддингтон считал невозможным коллапс звезды, в ходе которого «гравитация станет такой сильной, что удушит излучение», то есть возникнет черная дыра.

По мнению С. Чандрасекхара, резко отрицательная позиция столь авторитетного астронома задержала развитие релятивистской астрофизики на десятки лет. В чем здесь дело? Почему передовой и чуткий ко всему новому ученый не понял и не оценил столь важной идеи?

Наверное, прав советский астрофизик И. Шкловский, сказавший, что А. Эддингтон слишком любил звезды, которым он отдал всю свою жизнь (жизнь одинокого человека, респектабельного старого холостяка). Он построил теорию равновесия и устойчивости звезд, а тут такая катастрофа — коллапс… Этого не может быть, утверждал А. Эддингтон. Природа должна была «изобрести» какое-нибудь средство, предохраняющее космическую материю от такого жалкого конца! И. Шкловский справедливо заключает: «Не зря говорится, что наши недостатки есть продолжение наших достоинств».

Даже в гораздо более позднее время, в конце 50-х годов, когда я учился в Московском университете на астрономическом отделении, никто из наших профессоров ни разу не сказал нам, во что превращаются массивные звезды после своей смерти. Может быть, какую-то роль здесь играло само понятие смерти, о которой не очень-то хочется и не принято обычно говорить. Вот и смерть звезд была своего рода «запретной темой для обсуждения в приличном обществе».

К тому же и экзотика черных дыр, и сложность понятий общей теории относительности, не бывшей в чести у старшего поколения астрономов, играли свою роль.

Однако в 60-е годы ряд открытий заставил астрономов изменить свой взгляд на многие процессы во Вселенной. Были открыты активные ядра галактик и квазары, излучавшие энергию более мощно, чем тысячи миллиардов звезд, было обнаружено реликтовое радиоизлучение, оставшееся во Вселенной от первых мгновений начала ее расширения. После всего этого нейтронные звезды и черные дыры перестали казаться столь уж экзотическими объектами. И наконец, в 1967 году, как мы уже писали выше, были открыты нейтронные звезды — пульсары. Наступила очередь черных дыр. Но как их обнаружить? Ведь они не светят и не отражают свет?!

У астрономов, однако, уже был накоплен опыт изучения неизлучающих объектов. Таковы, например, темные пылевые туманности. Они видны как черные пятна на фоне звезд или светящихся газовых туманностей. Но пылевые туманности являются гигантскими по своим размерам объектами, а черные дыры звездного происхождения имеют в поперечнике всего-навсего десяток километров. И так как они возникают из массивных звезд, то ближайшая черная дыра должна быть расположена от нас на расстоянии порядка нескольких десятков световых лет. Следовательно, видимые угловые размеры такой черной дыры должны составлять 0,00000001 угловой секунды, и увидеть ее как темное пятнышко абсолютно невозможно.

Черная дыра должна отклонять проходящие мимо нее лучи света. Но чтобы этот эффект был достаточно заметен, взаимное расположение источника света (какой-либо еще более далекой звезды), черной дыры и наблюдателя должно быть подобрано столь специальным образом, что о случайной реализации этого события нечего и думать.

Остается использовать тот факт, что черные дыры обладают массами, равными массам больших звезд, а сами совсем не светят. Именно так подошли к поискам черных дыр в 1964 году советские астрофизики О. Гусейнов и Я. Зельдович. Они предложили искать черные дыры в составе двойных звездных систем, предположив, что есть системы, где одна звезда нормальная и светится, а другая представляет собой черную дыру. Оба объекта должны обращаться вокруг общего центра масс. Но черная дыра невидима, так что видимая компонента будет обращаться как бы вокруг «ничего».

Конечно, увидеть непосредственное орбитальное движение звезды с большого расстояния нельзя ни в какой телескоп. Однако можно использовать специальный метод, широко распространенный в астрофизике. Когда звезда, двигаясь по орбите, приближается к нам, линии в ее спектре смещаются в фиолетовую сторону, а когда удаляется, — в красную сторону. Астрономам давно известны так называемые спектрально-двойные звезды, двойственность которых была открыта с помощью описанного метода. В спектрально-двойных системах, состоящих из обычных звезд, если одна звезда движется к нам, а другая — от нас, линии будут смещены в противоположные стороны. Часто наблюдаются и периодические смещения линий в спектре только одной звезды, а линий в спектре второй не видно вовсе. Казалось бы, тут надо заподозрить наличие черной дыры. Однако в большинстве случаев это тривиально объясняется тем, что другая звезда хоть и светит, но заметно слабее первой; свет ее тонет в свете яркой соседки, и только поэтому она не видна.

Советские астрофизики предложили искать потухшие звезды в таких спектрально-двойных системах, в которых масса невидимого спутника, вычисленная по наблюдаемому движению видимой звезды, оказалась больше массы видимой соседки. Это означало бы, что спутник-невидимка является не обычной, а потухшей звездой. Ибо если бы спутник был обычной звездой, то, превосходя по массе свою соседку, он и светил бы ярче ее, и не мог бы быть невидим.

Однако потухшая звезда может быть и белым карликом, и нейтронной звездой. Поэтому, чтобы из обнаруженных потухших звезд выделить именно черные дыры, надо было еще доказать, что масса невидимого спутника больше критической массы (две массы Солнца). Как мы уже знаем, масса белого карлика не может превышать 1,2 массы Солнца, а масса нейтронной звезды — 2 массы Солнца. Значит, если масса потухшей звезды больше критического значения и составляет, скажем, 5 солнечных масс, то это может быть только черная дыра.

Следуя этим указаниям, у нас в стране, а затем в США были предприняты поиски черных дыр в спектрально-двойных системах. Но эти попытки не привели к успеху. Во всех подозрительных спектрально-двойных системах удалось объяснить невидимость спутника естественным путем, не прибегая к черным дырам. Предложенный способ поиска оказался слишком трудным, так как «черноте», обнаруженной окольным путем, почти всегда можно придумать объяснение, почему она черна. Да и вообще, «невидимость» служит плохим доказательством существования чего-либо. Это звучит, подобно старой шутке о названии диссертации: «Отсутствие телеграфных столбов и проводов в археологических раскопках как доказательство наличия радиосвязи у древних народов».

Выяснилось к тому же, что указанный способ и в принципе вряд ли мог привести к успеху. Причина этого была связана с особым характером эволюции звезд в тесных двойных системах. Оказывается, в ходе эволюции газ должен перетекать с одной звезды на другую, и в результате первоначально более массивная звезда, заканчивая свою эволюцию и превращаясь в черную дыру, передает часть массы менее массивной. В конце концов оказывается, что видимая звезда обладает массой, большей, чем масса первоначально возникшей черной дыры. У такой двойной системы нельзя определить, почему спутник невидим, — то ли он нормальная звезда, но светится слабее соседки (так как его масса меньше), то ли он — потухшая звезда и может быть черной дырой.

Необходимо было найти такие физические явления, в которых черная дыра проявляла бы себя активно и однозначно. И такое явление было найдено — это падение газа в поле тяготения черной дыры.

В межзвездном пространстве имеются обширные газовые туманности. Если черная дыра находится в такой туманности, газ будет падать в ее поле тяготения. В падающем газе, кроме того, имеется магнитное поле, а в ходе падения развиваются турбулентные движения. Энергия магнитного поля газа в ходе падения должна переходить в тепло. «Нагретые» электроны, двигаясь в магнитных полях, излучают электромагнитные волны. Вблизи горизонта черной дыры вступают в игру эффекты общей теории относительности. Часть излучения захватывается черной дырой. Основная доля излучения, видимая далеким наблюдателем, уходит с расстояния в несколько гравитационных градусов. Так, еще на подлете к черной дыре, до того как провалиться в нее, нагретый газ излучает энергию в окружающее пространство. Может быть, это излучение достаточно для обнаружения черной дыры с большого расстояния?

Общее количество излучения (или, как говорят астрофизики, светимость) зависит от количества падающего газа. В типичных для межзвездной среды условиях светимость газа, падающего на черную дыру, того же порядка, что и светимость нормальных, не очень ярких звезд. Это значит, что найти таким способом черные дыры очень трудно. Они затеряны среди огромного количества слабых звезд Галактики. Правда, в падающем на черную дыру газе турбулентные движения приводят к быстрым колебаниям яркости с продолжительностью вспышек от сотых до десятитысячных долей секунды.

Советский астрофизик В. Шварцман именно таким способом предлагал в конце 60-х годов искать черные дыры. Он вместе со своими товарищами создал в специальной астрофизической обсерватории АН СССР целый комплекс приборов для этой цели под названием «Многоканальный анализатор наносекундных импульсов изменения яркости», или, сокращенно, МАНИЯ. Название оказалось символичным. Многие годы упорного труда по конструкции, созданию и отладке приборов, пробные наблюдения, наконец, поиски… В. Шварцман долго шел этим путем экспериментатора почти с маниакальным упорством. По ходу дела были выполнены интересные наблюдения разных небесных объектов. Но, увы, черные дыры так обнаружены и не были…

Черные дыры открыты?

В 1966 году был предложен еще один способ поиска черных дыр. Чтобы его разъяснить, ответим сначала на вопрос — почему светимость газа, падающего в черную дыру, относительно невелика?

Дело в том, что в межзвездном пространстве мала плотность газа, и, следовательно, его мало падает на черную дыру. А могут ли осуществляться в Галактике условия, когда газа падает гораздо больше?

Оказывается, да. Такие условия могут осуществляться, если, например, черная дыра входит в состав очень тесной двойной системы, где вторая компонента является нормальной звездой-гигантом. В этом случае газ из оболочки нормальной звезды под действием тяготения компаньона будет к нему перетекать мощным потоком. Мы уже говорили об этом процессе, когда обсуждали рентгеновские пульсары в двойных звездных системах.

Газ в такой двойной системе не сможет просто упасть на черную дыру: из-за наличия орбитального движения он закручивается, образуя вокруг черной дыры диск. Вследствие трения слоев газа происходит его разогрев до температуры 107 градусов (еще до того, как он провалится в черную дыру). При такой температуре газ испускает рентгеновские лучи.

Следовательно, черные дыры следует искать как рентгеновские источники в составе тесных двойных звездных систем, где они могут быть наряду с нейтронными звездами. Такое предсказание было сделано академиком Я. Зельдовичем и мной в 1966 году, вскоре после открытия первых рентгеновских источников. И. Шкловский, сделавший такое же предсказание в 1967 году, построил подробную астрофизическую картину процессов, которые должны происходить в источниках рентгеновских лучей в двойных звездных системах.

Для поиска рентгеновских источников на небе необходим вынос рентгеновских телескопов за пределы атмосферы, а для длительных наблюдений они должны быть установлены на искусственных спутниках (полет ракеты ведь очень непродолжителен). С помощью такого телескопа, установленного на спутнике «Ухуру», были открыты в 1972 году рентгеновские источники в составе нескольких двойных звездных систем. Они-то и были подвергнуты подробному изучению, в частности, с помощью аппаратуры, установленной на советских спутниках и пилотирующих космических кораблях.

Так началась эра рентгеновской астрономии. Эта увлекательная ветвь науки заслуживает написания отдельной книги, и не одной, но нас сейчас интересуют рентгеновские источники в двойных звездных системах. Среди них были такие, которые строго периодически меняли свою яркость с периодом около секунды. Они заведомо не могут быть черными дырами. Это вращающиеся нейтронные звезды, обладающие магнитным полем, магнитные полюса которых не совпадают с полюсами оси вращения звезды. Газ здесь падает на магнитные полюса вдоль магнитных силовых линий, и в результате возникает направленное рентгеновское излучение. Вращение же делает эти объекты как бы вращающимися рентгеновскими прожекторами. Но у черной дыры, как мы видели, нет каких-либо активных пятен на поверхности, и она не может приводить к явлению прожектора. Сгустки горячего газа в газовом диске вблизи черной дыры, вращаясь во внутренних областях, могли бы дать периодические вспышки. Однако довольно быстро этот период должен сильно измениться — ведь сгусток не жестко прикреплен к этому чему-то вращающемуся, — а из-за трения постепенно приблизиться к звезде (в результате период обращения уменьшается).

Таким образом, черные дыры должны находиться среди рентгеновских источников в двойных системах, не являющихся пульсарами. Отметим прежде всего, что эти источники не могут быть обычными звездами. Ведь для того чтобы газ нагрелся до температуры, достаточной для испускания рентгеновских лучей, гравитационное поле, в котором он движется, должно быть очень велико. Такими полями обладают только компактные (сжавшиеся) «умершие» звезды: белые карлики, нейтронные звезды или черные дыры. Но как выделить именно черные дыры среди «умерших» звезд?

Мы знаем, что надежным критерием этого является измерение массы. Если масса «умершей» звезды больше критического значения двух солнечных масс, то это черная дыра. Измерить же ее можно по орбитальному движению звезд в двойной системе. И вот оказалось, что из найденных двойных рентгеновских источников по крайней мере один обладает массой, значительно большей критического значения. Этот источник, расположенный в созвездии Лебедя, получил название Лебедь X-1.

Нормальная видимая звезда в этой двойной системе является массивной звездой с массой около 20 солнечных масс. «Умершая» звезда, из окрестностей которой идет рентгеновское излучение, имеет массу около 10 солнечных масс. Это намного больше критического значения. Многочисленные новые исследования делают этот результат все более надежным. Мы можем поэтому с большой степенью достоверности сказать, что в системе, в которую входит источник Лебедь X-1, вероятно, открыта первая черная дыра во Вселенной.

Рассмотрим несколько подробнее процессы, происходящие в этой системе. Компоненты двойной звезды обращаются вокруг центра масс с периодом 5,6 суток. Черная дыра массой около 10 солнечных масс притягивает к себе газ из атмосферы «нормальной» звезды-гиганта массой около 20 масс Солнца. Этот газ закручивается орбитальным движением, а центробежные и гравитационные силы сплющивают его в диск.

Струи газа из-за трения соседних слоев движутся вокруг черной дыры по сходящейся к центру спирали. Однако скорость движения к центру намного меньше, чем скорость движения по орбите. Только через месяц газ достигает внутреннего, ближайшего к черной дыре края диска. Здесь, как мы знаем, орбитальное движение становится неустойчивым, и газ сваливается в черную дыру.

За все время путешествия в диске газ нагревается трением: в наружных слоях диска его температура всего несколько десятков тысяч градусов, а во внутренних частях — больше 10 миллионов градусов. Общая рентгеновская светимость этого газа в тысячи раз превосходит полную (во всех областях спектра) светимость Солнца. Основная часть рентгеновского излучения, которая наблюдается на Земле, приходит из самых внутренних частей диска радиусом, не превышающим 200 километров. Размер самой черной дыры около 30 километров.

Еще одним важным доказательством того, что рентгеновское излучение в источнике Лебедь X-1 рождается в очень малой области вблизи черной дыры, являются чрезвычайно быстрые хаотические колебания рентгеновского излучения, происходящие за тысячные доли секунды. Если бы излучающий объект был больше, он бы не мог столь быстро изменять свою яркость.

Таков этот удивительный источник рентгеновских лучей, находящийся от нас на расстоянии около 6 тысяч световых лет.

Со времени открытия источника Лебедь X-1 прошло больше десяти лет. Он тщательно изучен. Почему же мы столь осторожно говорим о «вероятном» открытии черной дыры?

Предоставим слово американским специалистам Р. Блендфорду и К. Торну. «В обычной ситуации астрономы уверенно приняли бы этот результат, — говорят они, — но, поскольку в данном случае решается судьба первого открытия человеком черной дыры и поскольку твердые заключения иногда разрушаются своевременно не замеченными систематическими ошибками, астрономы проявляют осмотрительность. Пока не будет найдено дополнительное, независимое подтверждающее доказательство — доказательство скорее положительное, чем отрицательное, типа „чем же еще это может быть?“ — они не хотят делать вывод, что Лебедь X-1 — действительно черная дыра».

За прошедшие годы открыто еще два-три источника, подобных Лебедю X-1 и являющихся кандидатами в черные дыры. Но пока лишь кандидатами…

Сколько всего черных дыр в нашей Галактике? И есть ли опасность встречи с одной из них и падения в эту бездну?

Точно ответить на первый вопрос трудно, так как неизвестно, какая часть массивных звезд в конце жизни полностью разрушается в термоядерном взрыве в ходе коллапса, а в какой части их все же остается достаточно массивное ядро, сжимающееся в черную дыру. Большинство астрономов считают, что черных дыр в Галактике должно быть многие миллионы, если не миллиарды.

Что же касается второго вопроса, то читатель, наверное, сам уже ответил на него — опасности случайного столкновения с умершей массивной звездой нет никакой. Ведь звезды столь далеко находятся друг от друга в пространстве, что вероятность их столкновения совершенно пренебрежима. Тем более ничтожна вероятность столкновения с черной дырой, которая гораздо меньше по размеру звезды. К тому же в черные дыры превратилась только очень малая часть всех звезд в Галактике.

Гигантские черные дыры

До сих пор мы говорили о возникновении во Вселенной черных дыр звездного происхождения. Астрономы имеют все основания предполагать, что, помимо звездных черных дыр, есть еще другие дыры, имеющие совсем иную историю.

Как читатель уже знает, в начале 60-х годов нашего века были открыты необыкновенные небесные тела — квазары. Эти объекты находятся далеко за пределами нашей Галактики. Они необычайно мощно излучают энергию, их светимость иногда в сотни раз превышает светимость больших галактик. Уже само по себе это крайне интересно. Но астрономы были буквально поражены, когда им удалось установить, что основная энергия в квазаре излучается из области размером меньше одного светового года!

Для сравнения напомним, что поперечник Галактики — сто тысяч световых лет.

Как же удалось установить размеры квазаров? Ведь все они так далеки, что в любой телескоп выглядят как звездочки и непосредственно определить их размеры невозможно.

Советские астрономы Ю. Ефремов и А. Шаров решили эту задачу косвенным путем. Они обнаружили, что квазар может резко менять свою яркость за время меньшее, чем один год. Одновременно к таким же выводам пришли американские наблюдатели. Значит, и размер квазара должен быть меньше одного светового года. В самом деле, если бы он был больше, то свет, вышедший из дальней от нас его части, пришел бы к нам более чем на год позже, чем от ближних частей. Поэтому даже при резком увеличении светимости квазара мы бы видели одновременно свет разной яркости от разных его частей: от переднего края мы видели бы яркий свет, а от дальнего слабее, так как он вышел более чем на год раньше, когда интенсивность квазара еще была слаба. Этот слабый свет смешивается в наших приборах с ярким от переднего края (а порознь их увидеть нельзя!), изменение яркости всего квазара смазывается, оно не резкое, поскольку растягивается во времени.

Значит, несмотря на то, что квазар удивительно маленький — всего лишь в тысячу раз больше, чем Солнечная система, — светит он как десять тысяч миллиардов Солнц! Такого не может быть — единодушно заключили астрономы (я помню эту фразу, сказанную с трибуны семинара одним известным московским астрономом, когда все ломали голову над загадкой квазаров). Но как «не может быть», когда этот «диковинный зверь» был прямо перед глазами астрономов.

Последовал целый каскад гипотез, большей частью экзотических. Известные астрофизики Джефри и Маргарет Бербидж писали тогда: «Существует так много противоречивых идей относительно теории и интерпретации наблюдений (квазаров), что по крайней мере 95 процентов из них неверны».

Сегодня единственным кандидатом, имеющим основание претендовать на роль «основного двигателя» в квазарах, осталась гигантская черная дыра с массой в сотни миллионов солнечных масс. Размер такой дыры — миллиард километров.

В течение прошедших десятилетий выяснилось, что квазары — это необычно активные излучающие ядра больших галактик. Часто в них наблюдаются мощные движения газов. Сами звезды галактики вокруг таких ядер обычно не видны из-за огромного расстояния и сравнительно слабого их свечения по сравнению со свечением квазара. Выяснилось также, что ядра многих галактик напоминают своего рода маленькие квазарчики и проявляют иногда бурную активность — выброс газа, изменение яркости и т. д., — хотя и не такую мощную, как настоящие квазары. Даже в ядрах совсем обычных галактик, включая нашу собственную, наблюдаются процессы, свидетельствующие о том, что и здесь «работает» маленькое подобие квазара.

То, что в центре галактики может возникнуть гигантская черная дыра, теперь кажется естественным. В самом деле, газ, находящийся в галактиках между звездами, постепенно под действием тяготения должен оседать к центру, формируя огромное газовое облако. Сжатие этого облака или его части должно привести к возникновению черной дыры. Кроме того, в центральных частях галактик находятся компактные звездные скопления, содержащие миллионы звезд. Звезды здесь могут разрушаться приливными силами при близких прохождениях около уже возникшей черной дыры, а газ этих разрушенных звезд, двигаясь около черной дыры, затем падает в нее.

Падение газа в сверхмассивную черную дыру должно сопровождаться явлениями, подобными тем, о которых мы говорили в случае звездных черных дыр. Только процессы эти несравненно более мощные. Кроме того, здесь должно происходить ускорение заряженных частиц в переменных магнитных полях, которые приносятся к черной дыре вместе с падающим газом.

Все это вместе и приводит к явлению квазара и к активности галактических ядер.

Итак, крайне вероятно, что существуют сверхмассивные черные дыры. Французский писатель Ж. Ренар как-то сказал: «Ученый — это человек, который в чем-то почти уверен». Но я в силу специфики своей науки астрономии воздержался бы от таких заключений и подвел бы итог сказанному следующей фразой: только дальнейшие наблюдения внесут ясность в этот вопрос.

 

Глава 5. Черные дыры и кванты

Пустая ли пустота?

Бум, связанный с черными дырами, начался в астрономии в конце 50-х — начале 60-х годов. Проходили годы, многое прояснялось в этой загадке. Стала ясна неизбежность рождения черных дыр после смерти массивных звезд; открыли квазары, в центре которых, вероятно, находятся сверхмассивные черные дыры. Наконец, в рентгеновском источнике в созвездии Лебедя обнаружили первую черную дыру звездного происхождения. Физики-теоретики разобрались с диковинными свойствами самих черных дыр, постепенно привыкли к этим гравитационным пропастям, могущим только заглатывать вещество, увеличиваясь в размере, и, казалось бы, обреченным на вечное существование.

Ничто не предвещало нового грандиозного открытия. Но такое открытие, изумившее видавших виды знатоков, грянуло как гром среди ясного неба.

Оказалось, что черные дыры вовсе не вечны! Они могут исчезнуть в результате квантовых процессов, идущих в сильных гравитационных полях. Нам придется начать рассказ несколько издалека, чтобы сделать более понятным суть этого открытия.

Начнем с пустоты. Для физика пустота вовсе не является пустой. Это не каламбур. Уже давно установлено, что «абсолютной» пустоты, то есть «ничего, ничего», в принципе быть не может. Что же физики называют пустотой? Пустотой называют то, что остается, когда убирают все частицы, все кванты любых физических полей. Но тогда ничего не останется, скажет читатель (если он давно не интересовался физикой). Нет, оказывается, останется! Останется, как говорят физики, море нерожденных, так называемых виртуальных, частиц и античастиц. «Убрать» виртуальные частицы уже никак нельзя. В отсутствии внешних полей, то есть без сообщения энергии, они не могут превратиться в реальные частицы.

Лишь на короткий миг в каждой точке пустого пространства появляется пара — частица и античастица и тут же снова сливаются, исчезают, возвращаясь в свое «эмбриональное» состояние. Разумеется, наш упрощенный язык дает только некоторый образ тех квантовых процессов, которые происходят. Наличие моря виртуальных частиц-античастиц давно установлено прямыми физическими экспериментами. Не будем говорить здесь об этом, иначе мы бы неизбежно слишком отклонились от основной линии рассказа.

Чтобы избежать невольных каламбуров, физики называют пустоту вакуумом. Будем так делать и мы.

Достаточно сильное или переменное поле (например, электромагнитное) может вызвать превращение виртуальных частиц вакуума в реальные частицы и античастицы.

Интерес к подобным процессам теоретики и экспериментаторы проявляли давно. Рассмотрим процесс рождения реальных частиц переменным полем. Именно такой процесс важен в случае гравитационного поля. Известно, что квантовые процессы необычны, часто непривычны для рассуждений с точки зрения «здравого смысла». Поэтому, прежде чем говорить о рождении частиц переменным гравитационным полем, приведем простой пример из механики. Он сделает понятнее дальнейшее.

Представьте себе маятник. Его подвес перекинут через блок, подтягивая веревку или опуская ее, можно менять длину подвеса. Толкнем маятник. Он начнет колебаться. Период колебаний зависит только от длины подвеса: чем длиннее подвес, тем больше период колебаний. Теперь будем очень медленно подтягивать веревку. Длина маятника уменьшится, уменьшится и период, но увеличится размах (амплитуда) колебаний. Медленно вернем веревку в прежнее положение. Период вернется к прежнему значению, прежней станет и амплитуда колебаний. Если пренебречь затуханием колебаний вследствие трения, то энергия, заключенная в колебаниях, в конечном состоянии останется прежней — такой, как была до всего цикла изменения длины маятника. Но можно так изменять длину маятника, что после возвращения к исходной длине амплитуда его колебаний будет меняться. Для этого надо подергивать веревку с частотой вдвое больше частоты маятника. Так мы поступаем, раскачиваясь на качелях. Мы опускаем и поджимаем ноги в такт нашим качаниям, и размах качелей все увеличивается. Конечно, можно и остановить качели, если подгибать ноги не в такт колебаниям, а в «противотакт».

Подобным же образом можно «раскачивать» электромагнитные волны в резонаторе. Так называется полость с зеркальными стенками, отражающими электромагнитные волны. Если в такой полости с зеркальными стенками и с зеркальным поршнем имеется электромагнитная волна, то, двигая поршень вперед и назад с частотой, вдвое больше частоты электромагнитной волны, мы будем менять амплитуду волны. Двигая поршень в «такт» колебаниям волны, можно увеличить амплитуду, а значит, и интенсивность электромагнитной волны, а двигая поршень в «противотакт», можно гасить волну. Но если двигать поршень хаотически — и в такт и в «противотакт», — то в среднем всегда получится усиление волны, то есть в электромагнитные колебания энергия «накачивается».

Пусть теперь в нашей полости — резонаторе имеются волны всевозможных частот. Как бы мы ни двигали поршень, всегда найдется волна, для которой движение поршня происходит в такт. Амплитуда и интенсивность этой волны возрастут. Но чем больше интенсивность волны, тем больше она содержит фотонов-квантов электромагнитного поля. Итак, движение поршня, изменяя размер резонатора, ведет к рождению новых фотонов.

После знакомства с этими простыми примерами вернемся к вакууму, к этому морю всевозможных виртуальных частиц. Для простоты мы будем говорить пока только об одном сорте частиц — о виртуальных фотонах — частицах электромагнитного поля. Оказывается, процесс, подобный рассмотренному нами изменению размеров резонатора, который в классической физике ведет к усилению уже имеющихся колебаний (волн), в квантовой физике может приводить к «усилению» виртуальных колебаний, то есть к превращению виртуальных частиц в реальные. Так, изменение гравитационного поля со временем должно вызывать рождение фотонов с частотой, соответствующей времени изменения поля. Обычно эти эффекты ничтожны, так как слабы гравитационные поля. Однако в сильных полях ситуация меняется.

Еще один пример: очень сильное электрическое поле вызывает рождение из вакуума пар заряженных частиц — электронов и позитронов.

Вернемся из нашего краткого экскурса в физику пустоты к черным дырам. Могут ли рождаться частицы из вакуума в окрестностях черных дыр?

Да, могут. Это было известно давно, и в этом не было ничего сенсационного. Так, при сжатии электрически заряженного тела и превращении его в заряженную черную дыру электрическое поле возрастает настолько, что рождает электроны и позитроны. Подобные процессы изучали академик М. Марков и его ученики. Но такое рождение частиц возможно и без черной дыры, надо лишь любым способом увеличить электрическое поле до достаточной величины. Ничего специфического для черной дыры здесь нет.

Академик Я. Зельдович показал, что рождаются частицы и в эргосфере вращающейся черной дыры, отнимая от нее энергию вращения. Такое явление подобно процессу, открытому Р. Пенроузом, о котором мы говорили в главе 3.

Все эти процессы вызываются полями вокруг черной дыры и приводят к изменению этих полей, но они не уменьшают саму черную дыру, не уменьшают размеры области, откуда не выходит свет и любое другое излучение и частицы.

Открытие Хоукинга

Сенсационное открытие было сделано в 1974 году английским теоретиком С. Хоукингом. В учебнике по гравитации американских физиков Ч. Мизнера, К. Торна и Дж. Уилера, вышедшем еще до упомянутого открытия, о работах С. Хоукинга сказано, что в них «проявляется не только огромная интуиция, глубина и разносторонность, но также и дар необыкновенной решимости в преодолении тяжелейших физических трудностей, в стремлении найти и понять истину». С. Хоукинг показал, что существует квантовый процесс рождения частиц самой черной дырой, ее гравитационным полем, приводящий к уменьшению массы и размера черной дыры.

На первый взгляд это кажется удивительным. Ведь при образовании черной дыры все процессы на сжимающейся звезде быстро замедляются, «застывают» для внешнего наблюдателя, гравитационное поле везде становится неизменным во времени. А такое поле рождать частицы не может. Следовательно, если во время формирования черной дыры переменное поле произведет какое-то (очень малое) количество частиц, поток этих частиц от возникающей черной дыры, как и все процессы, будет очень быстро затухать по мере приближения поверхности звезды к гравитационному радиусу. С. Хоукинг же утверждает, что это не так, поток не затухнет совсем, а будет продолжаться и после образования черной дыры. В чем же здесь дело?

Дело в том, что внутри черной дыры поле вовсе не застыло. Там неизменность во времени невозможна, все внутри дыры обязано двигаться, падать к центру. С этим обстоятельством и связан удивительный процесс, открытый С. Хоукингом. Мы помним, что в обычных условиях в вакууме виртуальные частицы на миг образуют пару частица — античастица, которые тут же сливаются. В поле тяготения черной дыры одна из возникших таким образом частиц может оказаться под горизонтом и будет неудержимо падать к центру, а другая останется снаружи. Теперь уже эта пара не сможет слиться ни через миг, никогда вообще. Частица, оказавшаяся снаружи, улетит в космос, унося с собой часть энергии черной дыры, а значит, и часть ее массы.

Таким образом, возникает квантовое излучение частиц черной дырой. Правда, этот процесс обычно крайне ничтожен. Согласно расчетам С. Хоукинга черная дыра излучает как обычное нагретое тело, но нагретое до очень небольшой температуры. Так, излучение черной дыры с массой в одну солнечную массу соответствует температуре одна десятимиллионная градуса. Это, конечно, ничтожное излучение. Длина волны возникающих фотонов соответствует размерам черной дыры в 10 километров. Потеря энергии на такое излучение полностью пренебрежима.

В реальных условиях сегодняшней Вселенной падение в такую черную дыру даже отдельных атомов газа из межзвездного пространства и ничтожных потоков света, пронизывающих Вселенную, гораздо больше, чем потери на излучение. Значит, черные дыры не только не уменьшаются в размерах, но растут. Чем больше черная дыра, тем меньше температура ее излучения. Поэтому квантовое излучение гигантских черных дыр и вовсе пренебрежимо.

Черные дыры взрываются!

Прочитав предыдущие абзацы, читатель может удивленно пожать плечами: «Столь мизерное явление! Почему же оно вызвало такую бурю удивления и восторгов среди физиков?»

Прежде всего потому, что до открытия С. Хоукинга физики были уверены — статическое поле тяготения вне черной дыры никак не может рождать частицы. Переменное же поле за горизонтом внутри дыры «невидимо», «неосязаемо» для внешнего наблюдателя, и о нем, казалось, можно забыть. Но квантовые процессы как раз и характерны тем, что частица может оказаться там, где, с точки зрения классической физики, ее никак быть не должно. Например, частица может «просочиться» сквозь энергетический барьер, когда у нее не хватает энергии на его преодоление. С. Хоукинг показал, что такое свойство квантовых частиц в случае черных дыр ведет к качественно новому эффекту — квантовому испарению черных дыр. Предоставленные сами себе, без внешних воздействий, они медленно исчезают, превращаются в тепловое излучение, медленно затягиваются в пространстве и времени. Принципиальная важность открытия С. Хоукинга состоит именно в том, что опровергнуто представление о вечности черных дыр.

Но это еще не все. Чем меньше дыра, тем большей температуре соответствует ее излучение.

По мере уменьшения массы черной дыры в ходе испарения, ее температура нарастает, а значит, и процесс испарения ускоряется. Когда масса черной дыры уменьшится до тысячи тонн, температура ее излучения повысится до 1017 градусов! Процесс испарения превращается в фантастический взрыв. Эти последние тысячи тонн, сосредоточенные в микроскопическом размере, дыра излучает, а лучше сказать, взрывает за одну десятую долю секунды. Выделившаяся энергия эквивалентна взрыву одного миллиона мегатонных водородных бомб! В таком фантастическом фейерверке исчезает то, что раньше казалось вечной гравитационной бездной.

Конечно, произойти это может очень не скоро. Расчеты показывают, что если отсутствуют внешние воздействия, то черная дыра звездной массы испарится и взорвется в конце 1066-летнего периода. Столь большой срок не могут представить себе даже астрономы.

Но, вероятно, эти процессы могут играть важную роль в далеком будущем Вселенной. Об этом мы поговорим в следующей части книги.

Вернемся от последних мгновений жизни черной дыры несколько назад, к ее нормальному состоянию и посмотрим, какие частицы при этом излучаются.

Черная дыра рождает не только фотоны, но и другие частицы. Сравнительно большие черные дыры с массой в несколько солнечных обладают столь низкой температурой, что могут производить только безмассовые частицы. Эти частицы всегда летят со скоростью света и не имеют собственной массы покоя. К ним относятся фотоны, электронные и мюонные нейтрино, а также их античастицы и, наконец, еще не открытые гравитоны — кванты гравитационных волн. Черная дыра с массой, типичной для звезд, рождает особенно много нейтрино (81 процент всего потока) всех сортов, затем фотонов (17 процентов) и гравитонов (2 процента). Тот факт, что разные частицы излучаются в разных количествах, объясняется различием их свойств. Нейтрино испускается больше всего потому, что их квантовое вращение (на языке квантовой физики — спин) минимально (½), а гравитонов меньше всего, так как их спин максимален (2).

Черные дыры малой массы имеют большую температуру. Так, температура черных дыр с массой меньше 1017–1016 граммов, выше 109–1010 градусов. Эти черные дыры порождают, помимо перечисленных частиц, электронно-позитронные пары. Заметим, что размеры таких черных дыр составляют всего 10–11 сантиметра — в 1000 раз меньше размеров атома.

Еще меньшие черные дыры с массой меньше 5 · 1014 граммов способны излучать также мюоны и более тяжелые элементарные частицы.

Размер этих черных дыр уже меньше атомного ядра. Конечно, такие карликовые черные дыры не могут возникать в ходе эволюции звезд. Но их появление было возможным в далеком прошлом. Если в начале расширения Вселенной, когда вещество было плотным, образовались такие «первичные» черные дыры с массой меньше 1015 граммов (теоретически это возможно, как показали Я. Зельдович и автор этой книги), то все они должны к нашему времени испариться. По этой причине процесс, открытый С. Хоукингом, имеет очень важное значение для космологии.

Скорее в плане мечтаний (хотя и строго научных) можно представить себе в отдаленном будущем искусственное изготовление в космосе малых черных дыр. Они могли бы аккумулировать энергию, затраченную на их изготовление, и затем излучать ее в заданном темпе и с заданной энергией частиц, которая определяется массой черных дыр. Так, черная дыра с массой 1015 граммов (масса небольшой горы) будет испускать 1017 эрг в секунду на протяжении 10 миллиардов лет.

Много еще неясного в новом явлении. Например, неизвестно, испаряется ли черная дыра совсем без остатка или на ее месте остается частичка с так называемой планковской массой 10–5 грамма. Неясно, можно ли наблюдать процесс испарения черных дыр во Вселенной. И конечно, пока только фантастическими представляются какие-либо эксперименты с черными дырами в лаборатории физиков. Однако уже то, что известно, заставляет по-новому осмыслить многие аспекты эволюции материи во Вселенной.

Мы заканчиваем рассказ о дырах в пространстве и времени. Меньше столетия назад люди не только понятия не имели о том, что это такое, но даже не смогли бы вообразить их себе, если бы какой-нибудь фантастический путешественник во времени прибыл к ним из нашей эпохи и попытался рассказать о подобных чудесах природы.

Надеемся, что наш рассказ хоть отчасти объяснил необычную популярность темы о черных дырах. И эту часть дилогии мы заканчиваем стихами поэта, выражающими ощущение человека, столкнувшегося с одной из величайших загадок природы, с тем огромным новым миром, который возникает после смерти звезд: