Глава 8. Черные дыры — монстры вселенной

В последние десятилетия двадцатого столетия астрономы обнаружили в бескрайних просторах Вселенной немало удивительных объектов. Это — и пульсары, и квазары, и нейтронные звезды. Но, наверное, самым поразительными и загадочными являются черные дыры — области пространства-времени, в которых гравитационное поле настолько сильное, что ни один объект (даже излучение) не может его покинуть.

А появился термин «черная дыра» в 1968 году с легкой руки американского физика Джона Уилера. Новое название быстро вошло в научный обиход и вскоре полностью заменило использовавшийся до того термины «коллапсар» и «застывшая звезда».

Первым же еще в 1795 году гипотезу о существовании невидимых звезд выдвинул выдающийся французский математик, физик и астроном Пьер Симон Лаплас (1749–1827), который, в частности, создал теорию образования планет Солнечной системы из разреженной материи.

Основываясь на законе всемирного тяготения, открытого Исааком Ньютоном, Лаплас пришел к выводу, что звезда, которая имеет такую же плотность, что и Земля, а диаметр — в 250 раз больше солнечного, не позволит ни одному световому лучу достичь нашей планеты из-за своего тяготения. Возможно, именно поэтому самые яркие звезды оказываются невидимыми.

Действительно, чем больше космическое тело, тем большая скорость нужна для того, чтобы это тело покинуть. Эта скорость называется второй космической, и для Земли она равна 11 километрам в секунду. А вот на Солнце 2-я космическая скорость уже 620 километров в секунду. При этом вторая космическая скорость тем больше, чем больше масса и чем меньше радиус небесного тела, так как с увеличением массы тяготение увеличивается, а с ростом расстояния от центра оно ослабевает.

Поэтому если бы радиус Солнца стал 10 километров, а масса осталась прежней, то 2-я космическая скорость увеличилась бы до половины скорости света, то есть до 150 тысяч километров в секунду. Если бы радиус нашего светила продолжал уменьшаться, то при неизменной массе вторая космическая скорость достигла бы 300 000 километров в секунду, или скорости света!

Казалось бы, гипотеза Лапласа вполне убедительно доказывала существование во Вселенной объектов, которых из-за мощной их гравитации невозможно увидеть с Земли. Но во времена Лапласа еще не знали, что скорости выше скорости света в природе просто не существует, поэтому и представление о черных дырах было неполным.

И только общая теория относительности, разработанная Эйнштейном, позволила придать более современное понимание черным дырам.

Согласно законам Ньютона при сжатии тела вдвое его притяжение возрастает вчетверо. Если же тело сжать до такого состояния, что его радиус уменьшится до нуля, то гравитация соответственно, возрастет до бесконечности.

Однако Эйнштейн доказал, что гравитация будет расти быстрее, и скорость ее роста при дальнейшем сжатии будет увеличиваться. Тяготение же примет бесконечную величину при так называемом гравитационном радиусе небесного тела. Иначе говоря, хотя тело и не превратится в точку, то есть оно будет иметь определенные размеры, однако его гравитация будет стремиться к бесконечности.

Из всего вышесказанного вытекает, что гравитационный радиус напрямую зависит от массы небесного тела. Например, гравитационный радиус Земли равен 10 миллиметрам, в то время как реальный — 6400 километрам. Для Солнца этот радиус равняется 3000 метрам, тогда как существующий — 700000 километров.

Итак, любое небесное тело, которое сжалось до гравитационного радиуса, перестает быть источником излучения, поскольку свет или любое другое излучение не может его покинуть из-за того, что 2-я космическая скорость в этих условиях будет выше скорости света.

Вот только непонятно: какие силы в состоянии сжать звезду до гравитационного радиуса? На этот вопрос астрофизики, особо не задумываясь, отвечают: сама звезда! Дело в том, что пока она «живет», внутри нее протекают термоядерные реакции, которые и создают потоки излучения, устремляющиеся к поверхности газового шара. Но количество вещества, необходимого для реакций (например, водорода), не безгранично, поэтому за некоторое время — от нескольких десятков миллионов до миллиардов лет — оно иссякает.

После этого внутреннее давление, которое поддерживало термоядерные реакции, исчезает, и звезда начнет сжиматься под действием собственной гравитации. Причем некоторые звезды сжимаются очень быстро — катастрофически. В результате происходит так называемый гравитационный коллапс.

Доказав теоретически существование черных дыр, астрономы стали искать способы, чтобы увидеть их воочию. Эта работа началась с поиска источников с рентгеновским излучением, поскольку оно появляется только при нагревании окружающего газа до сверхвысоких температур. Но чтобы такое нагревание произошло, необходимо, чтобы было очень сильным поле тяготения. А такие поля имеют сжавшиеся звезды: белые карлики, нейтронные звезды и…. черные дыры! Но если белые карлики можно наблюдать непосредственно, то с черными дырами проблема усложняется. Однако астрономы разрешили и эту задачу.

Выяснив, что если тело имеет массу, в два раза превышающую солнечную, то оно вполне может претендовать на роль черной дыры. Измерить же массу небесного объекта относительно легко, если оно имеет пару в виде другого небесного тела.

В конце концов такую двойную систему, которая к тому же излучает в рентгене, астрономы нашли в созвездии Лебедя. Объект назвали Лебедь Х-1, и он стал первым кандидатом в черные дыры.

Находится он на расстоянии 6000 световых лет от Земли и состоит из двух тел: нормальной звезды-гиганта массой около 2 °Cолнц и невидимого объекта массой 1 °Cолнц, который излучает в рентгеновском диапазоне.

Но если из черной дыры ничто не может вырваться, то в таком случае как же она может излучать? Получается парадоксальная ситуация. Но, оказывается, излучает не сама черная дыра, а лишь то вещество, которое на нее падает. Именно по его излучению и определяется наличие черной дыры.

Обладая мощным тяготением, черная дыра забирает у своего компаньона часть вещества, которое устремляется к ней по спирали. И чем это вещество ближе к черной дыре, тем сильнее оно разогревается. В конце концов в какой-то момент оно начинает излучать в рентгеновском диапазоне, что и фиксируют земные наблюдатели.