Теперь мы много знаем о чёрных дырах, но все выводы сделаны на основании теоретических положений. Однако чрезвычайно важно знать существуют ли такие объекты в природе. Подтверждение их существования было бы ещё одним основательным подтверждением общей теории относительности. Для тех типов чёрных дыр, о которых мы упомянули, основным параметром является масса Естественно классифицировать чёрные дыры именно по этому параметру Обычно в данном случае массу представляют в массах Солнца М_☉ = 2*10³⁰ кг, которая превышает массу Земли в 333 000 раз.

Начнём обсуждение с чёрных дыр звёздных масс, для которых М_чд ~ 10 М_☉, а гравитационный радиус может быть 20–30 км. Во–первых, поиск чёрных дыр именно этого класса ведётся очень давно. Во–вторых, на их примере легче понять, как чёрные дыры могут образовываться. Для этого необходимы некоторые знания из теории эволюции звёзд. Один из вариантов такой эволюции изображён на рисунках 8.3. На рис. 8.3 а показано, что где-то во Вселенной из-за флуктуации плотности и последующего наращивания массы из окружающего пространства образовался достаточно массивный, как правило, водородный шар. Под действием гравитации шар сжимается и в результате сильно разогревается. Когда температура доходит до необходимых значений, в центре «зажигается» термоядерная реакция синтеза гелия из ядер водорода и значительно возрастает внутреннее давление. Со временем оно становится настолько большим, что сжатие прекращается и шар (звезда) приходит в стационарное состояние, рис. 8.3 6. После выгорания водорода в центре начинается синтез более тяжёлых элементов, а синтез гелия смещается к периферии и т. д., образуется что-то вроде слоёного пирога, рис. 8.3 в. Термоядерные реакции заканчиваются, когда в центре образуется железное ядро. Внутреннее давление ослабевает и уже не может компенсировать внешнее давление гравитационного сжатия. Внешние слои обрушиваются на ядро в виде ударной волны, сталкиваются с ним и «резко» отражаются. В результате оболочка сбрасывается, рис. 8.3 г. Сброс может быть вызван не только отражённой волной, но и другими

Рис. 8.3. Эволюция звезды

факторами, например закручиванием быстро вращающимся ядром магнитных силовых линий. Так моделируются взрывы сверхновых. Эта эволюция имеет свои особенности и зависит от множества самых разнообразных параметров, но главным образом — от начальной массы и химического состава звезды,

Остаток звезды будет продолжать сжиматься под действием гравитационных сил. Коллапс может остановиться благодаря давлению вещества, пришедшего в особое экзотическое сверхплотное состояние. При этом возможны следующие конечные состояния, перечисленные в порядке возрастания массы остатка:

1) Белый карлик, дальнейшее сжатие которого предотвращено давлением вырожденного электронного газа. Масса этих объектов ограничена сверху пределом Чандрасекара, который равен примерно 1,4 М_☉. Это будущее нашего Солнца.

2) Нейтронная звезда, дальнейшее сжатие которой предотвращено давлением вырожденного нейтронного газа. Масса этих объектов ограничена сверху пределом Оппенгеймера–Волкова — около 3 М_☉.

3) Если масса остатка больше, чем 5 солнечных масс, то с определённой долей уверенности можно сказать, что согласно ядерной физике и физике элементарных частиц нет таких состояний, которые бы смогли противостоять дальнейшему сжатию. В результате вещество коллапсирует в чёрную дыру.

Модели компактных звёзд становятся все более разнообразными. Давление в центральной области нейтронной звезды может на порядок превышать давление в атомных ядрах. Это приводит к расслоению ядра и разнообразию уравнений состояния. Слои могут состоять из элементарных частиц: кварков, бар ионных резонансов, пионов и т. д. Возможны почти полностью кварковые звезды. Предельные массы такого семейства нейтронных звёзд меньше предела Оппенгеймера–Волкова и находятся в диапазоне 1,5–2,2 М_☉.

Конкретные условия, при которых конечным состоянием эволюции звезды могла бы быть чёрная дыра, изучены недостаточно. Главная причина в том, что поведение вещества при чрезвычайно высоких плотностях недоступно экспериментальному изучению. Моделирование звёзд на поздних этапах их эволюции также осложняется незнанием точного химического состава, резкого уменьшения характерного времени протекания процессов и многих других факторов, В одной из популярных программ телеканала «Дискавери» ведущий сравнил попытки смоделировать коллапс звезды с попытками дать правильный прогноз погоды. В обоих случаях чрезвычайно много неопределённостей. Тем не менее, различные модели дают нижнюю оценку массы чёрной дыры, возникшей в результате гравитационного коллапса: от 2,5 до 5,5 масс Солнца. Радиус чёрной дыры при этом очень мал — несколько десятков километров. Предсказаний для максимально возможной массы звёздной чёрной дыры не существует.

Как будет представляться картина коллапса для внешнего наблюдателя? С точки зрения удалённого наблюдателя, приближаясь к горизонту, все частицы вещества будут замедляться и никогда его не достигнут. То есть все внешние наблюдатели не доживут до времени, когда все вещество провалится под горизонт. Поэтому все сколлапсировавшие звезды, которые должны стать чёрными дырами, нами будут восприниматься как объекты, вещество которых сконцентрировалось в окрестности горизонта в очень тонком слое — астрофизические чёрные дыры. Но если мы «посадим» наблюдателей на частицы вещества такой звезды, то они очень быстро по собственному времени минуют горизонт и погибнут в сингулярности.

Как же обнаружить чёрные дыры во Вселенной, если они все поглощают и ничего не выпускают? Уже после образования чёрная дыра может разрастаться за счёт поглощения окружающего вещества. Процесс падения газа на любой компактный астрофизический объект, в том числе и на чёрную дыру, называется аккрецией. Вещество, например окружающий газ, падая в чёрную дыру, испытывает сильное ускорение, при этом газ интенсивно излучает в рентгеновском диапазоне. Регистрация такого излучения может быть признаком присутствия чёрной дыры или нейтронной звезды. Методы определения типа реального центрального тяготеющего тела не очень надёжны. Более перспективными для обнаружения чёрных дыр являются такие объекты, как двойные звезды, которых, кстати, много во Вселенной. Часто оказывается, что один из компаньонов — это релятивистский компактный объект, который даже не виден оптически, а другой компаньон — обычная звезда известного класса с известными параметрами. Тогда, изучая орбиту обычной звезды, можно определить массу невидимой. Если она больше, скажем, 5 солнечных, то с большой вероятностью можно предположить, что это чёрная дыра.

Очень важной для регистрации чёрных дыр может оказаться аккреция газа с соседней звезды в двойных звёздных системах. При этом из вращающегося газа формируется аккреционный диск. Вещество в нем ускоряется, разгоняется до релятивистских скоростей, нагревается и, как результат, сильно излучает. Излучение происходит и в рентгеновском диапазоне, что даёт принципиальную возможность обнаруживать такие аккреционные диски при помощи рентгеновских телескопов. На рис. 8.4 показана двойная система, состоящая из чёрной дыры и обычной звезды, Вещество звезды притягивается чёрной дырой и собирается вокруг неё в аккреционный диск, с образованием джетов (струй раскалённого газа, вырывающихся из полюсов). Основной проблемой для идентификации таких объектов, также как и при обычной аккреции, является то, что трудно различить аккреционные диски нейтронных звёзд и чёрных дыр. Основополагающая теоретическая разработка моделей таких дисков появилась в 1973 году в пионерской работе советских астрофизиков Николая Шакуры и Рашида Сюняева.

По разным оценкам кандидатов в чёрные дыры звёздных масс существует до нескольких десятков. Все они являются компонентами рентгеновских двойных систем, в которых компактный объект имеет аккреционный диск из вещества звезды–компаньона. И почти все такие кандидаты в чёрные дыры (20–30) обнаружены в нашей Галактике. Массы компактных объектов могут быть от трёх до двенадцати солнечных масс и даже более. Одна из наиболее удалённых рентгеновских двойных систем находится в галактике Треугольника. Компактный объект с массой около 10 солнечных масс, похожий по свойствам на чёрную дыру, был обнаружен в шаровом скоплении в галактике NGC4472, находящейся на расстоянии 55 миллионов световых лет.

Рис. 8.4. Перетекание вещества с обычной звезды на чёрную дыру

В наше время большинство астрофизиков и космологов убеждены в существовании сверхмассивных чёрных дыр, содержащих от сотен тысяч до миллиардов солнечных масс и расположенных в центрах большинства галактик, включая нашу — Млечный Путь. Их гравитационный радиус находится в пределах от сотен тысяч до миллиардов километров, т. е. от сотых долей астрономической единицы (а. е. = 150 млн км — среднее расстояние от Земли до Солнца) до 100 а. е. Причина этой убеждённости в том, что современная техника позволяет производить чрезвычайно точные наблюдения вблизи центра нашей и других галактик, различать и определять параметры орбит звёзд, движущихся вблизи центра. А эти наблюдения в рамках ОТО дают однозначный ответ. Мало того, на фоне орбит близких звёзд, буквально разрешается тёмный диск чёрной дыры в центре нашей галактики. Эти чёрные дыры представляют наиболее вероятную модель активных ядер галактик, которые образуются при слиянии малых чёрных дыр и (или) при аккреции газа и вещества окружающих звёзд. Сверхмассивные чёрные дыры являются и самыми подходящими кандидатами для центров квазаров, объектов чрезвычайно удалённых от нас, а следовательно, очень старых (ранних), из которых и могли позднее (ближе к современной эпохе) образоваться галактики.

На чем основан вывод, что в центрах галактик — чёрные дыры? Прежде всего, на анализе динамики близких звёзд — их класс, а соответственно, и масса известны. Параметры орбит известны благодаря современным телескопам. Чем ближе к центру, тем больше скорости звёзд, подобно тому как в Солнечной системе близкие планеты имеют большую скорость, чем дальние. Но там скорости звёзд достигают десятков тысяч км/с! Этих данных достаточно, чтобы вычислить массу центрального тела. В нашей Галактике центр расположен в созвездии Стрельца. В настоящее время в его окрестности изучается движение десятков звёзд. По современным оценкам масса центрально тела от 3 до 4 млн солнечных масс. Фиксируется излучающий источник, называемый Стрелец А*, причём по всем параметрам его излучение вызвано аккрецией газа на центральный объект, радиус которого (излучающей области) не более 45 а. е. Есть и непосредственные данные, подтверждающие компактность центрального объекта — это размеры орбиты одной из самых близких звёзд S2. А при массе в несколько миллионов солнечных масс и таких малых размерах этот центральный объект может быть только чёрной дырой.

Среди других галактик с объектами–кандидатами в сверхмассивные чёрные дыры наиболее тщательно изучены галактика Андромеды, галактика М32, эллиптические галактики М87, NGC3115, NGC3377, NGC4258 и галактика М104 (Сомбреро).

Сейчас с увеличением точности и надёжности наблюдений производят переоценки масс сверхмассивных чёрных дыр — как оказалось, они могут быть значительно недооценены. Например, для того, чтобы в галактике М87 (расположена на расстоянии 50 миллионов световых лет от Земли) звезды двигались так, как это наблюдается сейчас, масса центральной чёрной дыры должна быть как минимум 6,4 миллиарда солнечных масс, что значительно превышает предыдущие оценки.

Обсудим более детально вопрос о существовании чёрных дыр. Проблема во многом связана с тем, насколько верна теория гравитации, из которой существование таких объектов следует. В современной физике стандартной теорией гравитации, лучше всего подтверждённой наблюдениями, является ОТО. Но, строго говоря, эта теория не проверена для условий в непосредственной близости от чёрной дыры. С другой стороны, попытки описать сверхплотные и свехкомпактные объекты в центрах галактик не так, как это предлагает ОТО, приводят к экзотическим моделям, которые вызывают больше вопросов, чем дают ответов.

Чёрные дыры промежуточных масс определяются массами от сотен до тысяч солнечных масс, а их гравитационные радиусы могут быть от сотен до тысяч километров. Нижней границей считается масса порядка 200 М_☉, как предел для отдельной звезды, Они предлагаются как возможные источники энергии сверхъярких источников рентгеновского излучения. В качестве механизма формирования таких чёрных дыр рассматриваются, прежде всего, ассоциации молодых звёзд и, возможно, ядра шаровых скоплений В 2002 году космический телескоп «Хаббл» производил наблюдения, показавшие вероятность существования в шаровых скоплениях М15 (в созвездии Пегаса) и Mayаll II (в галактике Андромеды) именно среднемассивных чёрных дыр. Такая интерпретация точно так же основывается на размерах и периодах орбит звёзд в данных шаровых скоплениях. Однако в этом случае нет той уверенности, как в существовании сверхмассивных чёрных дыр. Оказывается, что вместо чёрных дыр в центрах шаровых скоплений вполне могут быть и группы нейтронных звёзд, давая тот же результат наблюдений. В нашей Галактике среднемассивная чёрная дыра с массой порядка 1300 солнечных масс, возможно, находится внутри группы из семи массивных звёзд на расстоянии 3 световых лет от Стрельца А*.

Наконец, кратко обсудим чёрные микродыры, их массы много меньше звёздных, а минимальная величина ограничивается только квантовыми принципами. Их часто и называют квантовыми чёрными дырами, поскольку они (возможно) должны подчиняться законам квантовой механики. Такие дыры, мы уже понимаем, не могут образоваться обычным образом в результате коллапса. Но тогда как? Одним из наиболее вероятных механизмов является генерация чёрных дыр на ранних стадиях эволюции Вселенной, когда плотность материи и её флуктуации были чрезвычайно велики. Такие чёрные дыры называют первичными. Некоторые варианты теории квантовой гравитации не исключают рождение микродыр при высокоэнергичных взаимодействиях в современную эпоху. Предполагается, что это могут быть взаимодействия космических лучей с атмосферой, либо взаимодействия частиц в ускорителях типа Большого адронного коллайдера. Но все эти предсказания пока остаются гипотетическими Упомянув о чёрных микродырах, нельзя не сказать несколько слов об излучении, теоретически предсказанном Стивеном Хокингом, известным английским теоретиком. Это излучение, правда, имеет больше отношения к квантовой теории поля и термодинамике, чем к чисто гравитационным явлениям, но прямо связано с чёрными дырами. Что же это такое? Квантовая теория поля утверждает, что, в согласии с принципом неопределённости, в физическом вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные частицы. Гравитационное поле рядом с горизонтом увеличивает энергию виртуальных (короткоживущих) пар в вакууме, превращая их в реальные (долгоживущие), Один из компонентов пары становится реальной частицей снаружи (и вблизи) горизонта событий и, имея положительную энергию, может уйти в бесконечность; другой появляется внутри (и вблизи) горизонта и падает с отрицательной энергией внутрь чёрной дыры (см. рис. 8.5). В итоге чёрная дыра становится источником непрерывного потока частиц, уходящего в бесконечность. При формировании такого излучения никакая частица не пересекает горизонта событий, который тем самым по- прежнему обладает свойствами клапана.

Этот эффект и называется излучением Хокинга или испарением чёрных дыр. Оказывается, что скорость испарения обратно пропорциональна массе чёрной дыры. То есть, чем дыра меньше, тем быстрее испаряется, а на конечной стадии, буквально, происходит вспышка. Большинство исследователей сходятся в том, что в современную эпоху уже нет первичных чёрных дыр — все они успели испариться. Большим же чёрным дырам такая участь не грозит, поскольку они испаряются медленно, а из окружающего пространства, так или иначе, получают дополнительную энергию. Одним из постоянных источников пополнения массы является реликтовое электромагнитное излучение. Оно является результатом ранних стадий эволюции Вселенной, имеет микроволновой диапазон и температуру 2,73 К, Исходя из этих данных, определяется граничная масса чёрной дыры, когда испарение Хокинга компенсируется притоком массы извне — она приблизительно равна массе Меркурия.

Сказавши «А», нельзя не сказать «Б». Одно цепляется за другое. Если уж мы упомянули об испарении Хокинга, нужно ненадолго вернуться к проблеме исчезновения информации в чёрных дырах. Обратимся к мнению по этому вопросу самого Хогинга. Он долгое время считал

Рис. 8.5. Рождение пар частиц у горизонта событий чёрной дыры

теорему об «отсутствии волос» у чёрных дыр неким абсолютом, как и большинство его коллег. При этом придерживался той позиции, что излучение чёрных дыр чисто тепловое и потому не содержит информации о падающей в чёрную дыру материи. Однако в 2004 году Хокинг изменил своё мнение. Поскольку испарение чёрных дыр уменьшает массу, то уменьшается площадь горизонта. А с площадью горизонта прямо связана энтропия. То есть излучение должно уносить энтропию, а с ней уже можно связать и информацию. В таком случае должна быть точная связь между начальной энтропией чёрной дыры и энтропией излучения, а значит, информация не может быть потеряна полностью.