Опубликовано в Российской газете 15 декабря 2000 г.
Созвездие Стрельца, в зодиакальном календаре символизирущее декабрь, скрывает за многочисленными пылевыми облаками самую интересную область нашей Галактики - ее ядро. Астрономы прошлого были бессильны перед мощной пылевой завесой, но современные телескопы, чувствительные к всепроникающим рентгеновским и инфракрасным лучам, позволили наконец заглянуть в самое сердце Млечного Пути и приступить к исследованиям расположенного в нем загадочного объекта - сверхмассивной черной дыры. В сентябре группа американских ученых сообщила о том, что с помощью телескопа "Кек" с диаметром объектива 10 метров им удалось наблюдать звезды в непосредственной близости от черной дыры и по особенностям их движения определить, что ее масса превосходит массу Солнца почти в 3 млн. раз.
Вселенная полна чудес. Некоторые из них привычны, другие поражают воображение. Черным же дырам суждена особая судьба - удачное броское название оторвалось от них и живет собственной жизнью. К сожалению, знакомство с термином, не сопровождаемое желанием или способностью понять его физическую суть, рождает искушение самостоятельно наполнить своим простеньким смыслом пусть непонятное, но такое звучное словосочетание. И начинаются бесконечные писания о том, что черная дыра в центре нашей Галактики засасывает Солнце, что в секретных научных лабораториях идут работы по созданию искусственных черных дыр, что многочисленные черные дыры витают в атмосфере Земли...
Но черная дыра - не метафора и не поэтический образ. Это вполне конкретное физическое явление, изучением которого, как теоретическим, так и практическим, занимаются многочисленные группы физиков и астрономов в России и за ее пределами. Идея о существовании черных дыр имеет долгую историю. Еще в 1783 году английский ученый Джон Мичел описал "темную звезду", тяготение которой столь сильно, что не дает оторваться от ее поверхности даже свету. В 1796 году подобные мысли высказал и французский математик Пьер Симон Лаплас.
Мичел и Лаплас основывали свои выводы на понятии скорости убегания (она же вторая космическая), то есть скорости, которую необходимо набрать, чтобы преодолеть притяжение космического тела. Например, чтобы оторваться от Земли и улететь в пространство, необходимо двигаться со скоростью, превышающей 11,2 км/сек. Чем компактнее тело (при той же массе), тем выше скорость убегания. Если бы Землю удалось каким-то чудом сжать вдвое (по радиусу), скорость убегания выросла бы в 1,4 раза. Сожмем Землю шестнадцатикратно - увеличим скорость убегания вчетверо, и так далее. Если сжать всю Землю в шарик радиусом меньше 1 см, скорость убегания на его поверхности превысит 300000 км/с, то есть скорость света. Для внешнего наблюдателя такой сверхсжатый объект просто пропадет, ибо все, что мы сейчас знаем о Вселенной, известно только благодаря свету, точнее электромагнитному излучению. Как только космическое тело перестает отпускать от себя фотоны, мы по определению теряем возможность узнать о происходящих на нем событиях.
В XVIII веке "темные звезды" никого особо не интересовали. Новую жизнь вдохнул в эту идею в 1915 г. немецкий астроном Карл Шварцшильд, доказавший, что существование темных звезд автоматически следует из только что появившейся тогда теории относительности Эйнштейна. Он вывел и формулу для вычисления радиуса, при котором скорость убегания на поверхности тела заданной массы равна скорости света. Этот радиус теперь в его честь называется радиусом Шварцшильда.
Интересно, что один из самых ярых приверженцев теории относительности Эйнштейна - Артур Эддингтон - воспринял идею Щварцшильда скептически, поскольку сжатие тела в точку и его полное выпадение из "информационной зоны Вселенной" казалось ему невероятным. Эддингтон начал с того, что предложил возможный сценарий образования черной дыры. Сжать твердое тело - например, Землю - до сантиметрового размера невозможно. Иначе обстоит дело с телами газообразными - со звездами. Собственная гравитация стремится сжать их, но в сердце каждой звезды горит термоядерная топка, и давление раскаленного газа препятствует сжатию. Когда же запасы термоядерного топлива в звезде иссякают, она остывает и "съеживается". У Солнца это сжатие остановится лишь тогда, когда его радиус станет равен 10000 км, у звезд с большей начальной массой оно будет более значительным. Гравитация звезд с массой в несколько десятков солнечных масс столь сильна, что в процессе сжатия (коллапса) такая звезда уходит под шварцшильдовский радиус и сжимается в точку. Однако, описав этот процесс, Эддингтон заключил, что такое "поведение" звезды абсурдно, и его должны запрещать какие-то неизвестные пока законы природы. Позже Эддингтона упрекали в том, что он своим высочайшим научным авторитетом задержал развитие теории черных дыр на 30 лет.
Ученые снова вернулись к этой идее лишь в 60-е годы (сам термин был предложен в 1968 г. американским ученым Джоном Уилером), когда стало ясно, что несмотря на природную "скрытность" черные дыры все-таки можно обнаружить. Неспособность узнать, что происходит внутри черной дыры, не означает неспособности установить сам факт ее существования. Ведь есть нечто, чего дыра спрятать не в состоянии ≈ это ее гравитация.
С "поисковой" точки зрения черная дыра - это объект, который обладает сильным гравитационным полем, очень небольшими размерами и не виден. И такие объекты действительно обнаружены! Правда, пока более или менее надежные доказательства существования получены лишь для двух видов черных дыр - "звездных" (с массой в несколько масс Солнца) и сверхмассивных (миллионы и миллиарды масс Солнца). Первые, как и предполагал Эддингтон, образуются в результате коллапса массивных звезд. Их удается обнаружить, когда бывшая звезда, а ныне черная дыра входит в тесную звездную пару. Пока второй компаньон в этой паре живет обычной звездной жизнью, ничего интересного в системе не происходит. Но вот и в недрах второй звезды начинает постепенно иссякать топливо. Особенности звездной эволюции таковы, что звезда при этом начинает увеличиваться в размерах (нечто подобное в далеком будущем ожидает и Солнце).
Если она расширится достаточно сильно, ее внешние слои попадут в сферу притяжения черной дыры. Когда это происходит, вещество срывается с поверхности раздувшейся звезды и с высокой скоростью падает на черную дыру, но не по прямой, а по спирали - газ закручивается вокруг дыры, образуя плоский диск, похожий на кольца Сатурна. Процесс выпадения вещества называется аккрецией, а диск - аккреционным. При падении газа на диск энергия его движения превращается в тепловую, диск разогревается до миллионов градусов и становится мощным источником жесткого электромагнитного излучения, которое вполне доступно наблюдениям на современных астрономических телескопах. Вот этот-то горячий диск и выдает присутствие черной дыры. Правда, аккреционные диски могут образовываться и у менее экзотических компактных объектов - белых карликов и нейтронных звезд, но от черных дыр их можно отличить по массе. Двойных систем с черными дырами в нашей Галактике обнаружено сейчас около десятка, хотя на самом деле их, конечно, больше. И к черным дырам эти объекты позволяет отнести как раз то, что при значительной массе они не видны даже в самый мощный телескоп.
Черные дыры, оставшиеся от массивных звезд, в жизни Галактики не играют существенной роли. Иное дело - сверхмассивная черная дыра. В некоторых системах - активных галактиках и квазарах - она иногда становится самым заметным объектом. Квазары - это невероятно сильные источники энергии, которые с самого момента своего обнаружения поразили ученых тем, что излучение, по мощности превосходящее излучение всей нашей огромной Галактики, исходит из "крохотной" области, по размерам сравнимой с Солнечной системой. Сейчас считается, что излучение квазара - это излучение аккреционного диска вокруг сверхмассивной черной дыры, масса которой превышает солнечную в миллионы и миллиарды раз. Конечно, для возникновения аккреционного диска черной дыры мало, нужно еще и "топливный бак" - некий резервуар материи, который регулярно подпитывал бы диск, возмещая вещество, упавшее на черную дыру. Выпадение больших масс газа на центр галактики может происходит при ее столкновении с другой звездной системой. Получив неожиданное подкрепление, черная дыра, до того спокойно "дремавшая" в центре галактики, "оживает" и на некоторое время (пока не кончится "топливо") превращается в квазар.
Если такого резервуара нет, аккреционный диск не образуется, и тогда заметить сверхмассивную черную дыру становится труднее. В близких галактиках ее можно обнаружить, наблюдая за движением звезд. Если бы центр, скажем, нашей Галактики был пуст, звезды вблизи него двигались бы очень медленно, фактически почти неподвижно паря в пустом пространстве. Но на самом деле это не так. Солнце вращается вокруг центра Галактики со скоростью около 220 км/сек и совершает полный оборот за 200 млн. лет. С приближением к ядру Млечного Пути скорости звезд возрастают. В сентябре 2000 г. американские астрономы сообщили о наблюдениях звезд на расстоянии всего лишь на 180 астрономических единиц от центра Галактики (астрономической единицей называют среднее расстояние от Земли до Солнца; от Солнца до центра Галактики почти 2 млрд. астрономических единиц). Эти звезды летят со скоростью почти полторы тысячи км/сек и соверщают оборот вокруг центра Галактики всего за 15 лет.
Законы небесной механики говорят, что движение с такой скоростью и с таким периодом вызывается гравитацией объекта с массой около 3 млн. солнечных масс. Вместе с тем, этот объект по космическим меркам невелик, раз звезды движутся вокруг него по таким тесным орбитам, и не виден. По современным представлениям, никакой объект кроме черной дыры таким сочетанием признаков обладать не может.
Кстати, заметим мимоходом, что звезды, обнаруженные американскими астрономами, движутся чуть ли не вплотную к дыре, но не обнаруживают стремления на нее упасть. Это подчеркивает нелепость утверждений о том, что черная дыра "засасывает" Солнце. Черная дыра - не пылесос. Она наравне с прочими космическими объектами подчиняется закону всемирного тяготения (точнее, общей теории относительности!), и ее гравитационное воздействие на Солнце теряется в сравнении с совокупным притяжением миллиардов звезд Галактики.
Признаки сверхмассивных черных дыр обнаружены и в других галактиках. Иногда масса их сопоставима с массой "нашей" черной дыры, в других случаях, как например в гигантских эллиптических галактиках, она достигает миллиардов солнечных масс. Сейчас многие астрономы уверены, что сверхмассивные черные дыры есть в центрах всех галактик, за исключением разве что самых маленьких. О том, откуда взялись сверхмассивные дыры, пока идут споры.
Пока все доказательства существования черных дыр являются косвенными. Несмотря на то, что разрешающая сила рентгеновских телескопов постоянно повышается, ее все еще не хватает для того, чтобы в центре аккреционного диска увидеть крохотное черное пятнышко. В ближашие 20 лет американское космическое агентство NASA планирует запустить в космос сверхточный космический рентгеновский интерферометр, который, вероятно, позволит это сделать.
Самым надежным доказательством существования черных дыр стало бы обнаружение излучаемых ими гравитационных волн. То, что гравитация способна распространяться подобно свету, известно с начала XX века, но до сих пор все попытки зафиксировать гравитационные волны оканчивались неудачей - слишком уж они слабы. Но техника постоянно совершенствуется, и сейчас в процессе создания находятся несколько гравитационных телескопов, как наземных, так и космических. Не исключено, что уже в первые годы работы они обнаружат вспышки гравитационного излучения, сопровождающие рождение одиночной дыры или слияние двух черных дыр.
Возможен ли полет к черной дыре и что ожидает отважных исследователей, которые осмелятся к ней приблизиться? Начнем с того, что в близких окрестностях Солнца черные дыры не обнаружены, а значит, о полете к ним говорить можно только гипотетически, ибо даже полет к ближайшей звезде представляется (пока) технически совершенно не осуществимым. Но допустим, что такой полет все-таки состоялся. Будем надеяться, что это автоматический зонд, ибо для человека приближение к черной дыре закончится плачевно. Предположим, что пилотируемый корабль находится на безопасном расстоянии и ловит сигналы с беспилотного аппарата, падающего в дыру. Сначала этот зонд будет хорошо виден, но чем ближе он будет приближаться к горизонту событий (так называют границу черной дыры), тем труднее будет покидать окрестность дыры посылаемым с него сигналам. Космонавтам на борту корабля будет казаться, что зонд краснеет и темнеет. Наконец, он станет совершенно черным и пропадет с экранов. Произойдет это еще до пересечения зондом горизонта событий, поэтому, как и требуется по определению, никакой информации о внутренностях черной дыры космонавты не получат.
Да ее и некому будет отправлять! Мощное гравитационное поле черной дыры разрушит зонд, вытянув его в тончайшую струну, разорвет молекулы на атомы, сорвет с атомов электроны, разрушит ядра, ядра распадутся на протоны и нейтроны, протоны и нейтроны - на кварки... Вещество будет размолото на мельчайшие фрагменты и стянуто в сингулярность - точку с бесконечной плотностью, в которой перестают существовать пространство и время. Иногда говорят, что пространство внутри черной дыры приобретает свойства времени - двигаться по нему, как и по времени, можно только в одну сторону.
Описанная картина, конечно, неполна, а может быть, и неверна. В ней появляется бесконечность, а в физике, как правило, бесконечное решение означает, что в формулировке задачи пропущено что-то важное. Причины этого уже просматриваются. Теория гравитации Эйнштейна не учитывает результатов другой великой физической теории XX века - квантовой механики. Не исключено, что вблизи центра черной дыры законы общей теории относительности уступают место законам объединенной теории - квантовой гравитации или попросту Теории Всего. И черная дыра - не символ отчаяния и невозвратимости, а объект, раскрытие тайн которого будет означать крупный, может быть, даже решающий шаг к этому Великому Объединению и полному постижению сути пространства и времени.