Искривленное пространство-время
Зимой 1915–1916 года физик Карл Шварцшильд (1873–1916) служил в рядах немецкой армии и оказался на русском фронте. Оттуда он направил несколько своих работ Альберту Эйнштейну. Шварцшильд предложил первое решение уравнений общей теории относительности Эйнштейна и показал, что происходит с пространством-временем внутри и вне массивного объекта. В данном случае он рассмотрел полностью сферическую невращающуюся звезду. Это открытие потрясло Эйнштейна.
Он не был бы так восторжен, если бы знал, какое предсказание последует в конце концов из работы Шварцшильда. Сделайте звезду очень массивной или плотной, и она создаст такое сильное гравитационное поле и так искривит пространство-время, что даже свет не сможет вырваться из ее объятий.
Спустя всего несколько месяцев после переписки с Эйнштейном Шварцшильд скончался. И разбираться с деталями курьезных объектов, известных как сингулярности Шварцшильда, пришлось другим ученым. Главным из них был молодой индийский физик по имени Субраманьян Чандрасекар (1910–1995). В 1930 году он сел на корабль, направлявшийся в Соединенное Королевство, где получил стипендию для обучения в Кембриджском университете. Коротая время в 18-дневном путешествии, он изучал свойства звезд, называемых белыми карликами. Он обнаружил, что, если бы эти звезды имели массу, превосходящую солнечную более чем в 1,4 раза, они бы схлопнулись под действием собственной гравитации и образовали бы сингулярность Шварцшильда.
Поначалу молодому ученому не удалось доказать свою правоту. На совещании Королевского астрономического общества в 1935 году именитый астрофизик Артур Эддингтон заявил, что «должен существовать закон природы, предохраняющий звезды от такого безрассудного поведения». В 1939 году Эйнштейн сам опубликовал статью, в которой объяснил, почему сингулярности Шварцшильда могут существовать лишь как плод умствований теоретиков.
Коллапсирующие звезды
Ситуация оставалась безнадежной вплоть до 1960-х годов, когда физик Роджер Пенроуз (род. 1931) доказал, что черные дыры – этот термин появился примерно в это же время и был введен в обиход астрофизиком Джоном Уилером (1911–2008) – являются неизбежным следствием коллапса массивных звезд. В центре черной дыры различные физические величины, а вместе с ними и кривизна пространства-времени, становятся бесконечными, нарушая условия, при которых соблюдаются уравнения общей теории относительности. Кроме того, внутренности черной дыры будут постоянно скрыты за горизонтом событий поверхностью, откуда не возвращается свет. Это также означает, что ничто из того, что происходит внутри, не может влиять на события вне звезды, поскольку ни материя, ни энергия не могут вырваться наружу.
Хотя мы не можем непосредственно наблюдать черную дыру, в 1970 году астрономы при изучении компактного объекта в созвездии Лебедя увидели рентгеновские струи. Это согласовывалось с теоретическими предсказаниями о возникновении излучения от горячего вещества, падающего по спирали по направлению к горизонту событий. С тех пор наша уверенность в существовании черных дыр только окрепла.
Однако характеристики черных дыр по-прежнему являются объектом горячих дискуссий, в том числе из-за того, что попытки объединить общую теорию относительности с квантовой теорией, которая объясняет поведение вещества на атомном и внутриатомном уровне, по-прежнему безуспешны. Градус дискуссии повысился в 1970-е годы, когда физики Яаков Бекенштейн (1947–2015) и Стивен Хокинг (1942–2018) показали, что черные дыры должны иметь некоторую температуру. Тела с температурой обязательно обладают энтропией, а в квантовой механике энтропия – мера беспорядка – предполагает существование микроструктуры. Между тем уравнения Эйнштейна описывают черные дыры как гладкие, безликие искажения пространства-времени. Хокинг также показал, что квантовые эффекты внутри и вокруг горизонта событий предполагают, что черная дыра должна непрерывно испаряться, испуская поток фотонов и элементарных частиц, называемый сейчас излучением Хокинга.
Парадокс «огненной стены»
Если черная дыра в конце концов истончается и превращается в ничто, что тогда происходит с веществом, которое падает на нее? На фундаментальном уровне материя и энергия несут информацию, а квантовая механика утверждает, что информация не может быть уничтожена. Возможно, закодированная информация ускользает наружу вместе с излучением Хокинга, но эта идея упирается в другую проблему: это приводит к тому, что черную дыру должна окружать «огненная стена» из пылающих частиц с большой энергией, что опять-таки противоречит общей теории относительности.
Парадокс «огненной стены» (файервол) до сих пор является предметом жарких споров. Одним из перспективных и заманчивых предположений по поводу того, как можно разрешить парадокс, является следующее: гладкая ткань эйнштейновского пространства-времени возникает из частиц внутри и вне горизонта событий, квантово-механически связанных друг с другом через структуры, известные как кротовые норы. В августе 2015 года Хокинг выдвинул еще одну идею, согласно которой информация никогда на самом деле не поглощается черной дырой. Она продолжает упрямо присутствовать на горизонте событий черной дыры в искаженной форме, трудно поддающейся расшифровке. Через месяц после этого Нобелевский лауреат Герард’т Хоофт (род. 1946) из Утрехтского университета в Нидерландах предположил, что при падении материи и энергии внутрь горизонта событий содержащаяся в них информация просто отскакивает назад.
Исследуя невидимое
Измерение параметров черных дыр вызывает большие затруднения. По определению черная дыра не может излучать свет, поэтому мы не можем просто наблюдать ее в телескоп. Но мы можем видеть ее гравитационные эффекты.
В 1971 году было объявлено, что объект под названием Лебедь X-1 является черной дырой звездной массы (возникшей в результате гравитационного коллапса массивной звезды), так как этот объект оказывал сильное гравитационное влияние на соседнюю звезду. Три года спустя последовало открытие Стрельца A*, сверхмассивной черной дыры в центре нашей галактики. Орбиты окружающих ее звезд свидетельствуют о том, что там находится нечто очень массивное, что-то, чья масса в четыре миллиона раз превосходит массу Солнца.
Существуют и другие способы обнаружения черных дыр. Хотя горизонт событий не может излучать свет, многие черные дыры окружены аккреционными дисками из газа, падающего по спирали на черную дыру. Эти горячие диски излучают в широком диапазоне частот, от радиоволн до видимого и рентгеновского диапазона. А если черная дыра вращается вокруг своей оси, она может испускать огромные струи вещества.
Вскоре мы сумеем подобраться гораздо ближе к тому, чтобы реально увидеть черную дыру. Проект под названием «Телескоп горизонта событий» имеет своей целью сделать снимки Стрельца A* и других сверхмассивных черных дыр (см. интервью о фотографировании черных дыр ниже). И мы собираемся многое узнать о черных дырах с помощью гравитационных волн (см. главу 4). Возможно, этого окажется достаточно, чтобы узнать, что реально происходит на горизонте событий.
Некоторые ученые вообще избегали исследования этих проблем, по-прежнему считая, вслед за Эддингтоном и Эйнштейном, что черных дыр не существует. В 2014 году Лаура Мерсини-Хоутон из Университета Северной Каролины (Чапел Хилл) выступила с заявлением, что массивные звезды не могут коллапсировать в черные дыры, – излучение Хокинга во время коллапса просто не дает звезде превратиться в черную дыру. Следовательно, горизонта событий и сингулярностей не существует.
Но мало кто согласен с этим мнением. Напротив, парадокс «огненной стены» открыл новые возможности тем, кто пытается объединить общую теорию относительности с квантовой механикой. В этой схватке между квантовой механикой и общей теорией относительности чаша весов, по-видимому, склоняется в сторону первой, так как, за исключением гравитации, она вполне успешно описывает все остальные силы природы. Наверное, это не порадовало бы Эйнштейна, который считал и черные дыры, и квантовую механику излишним мудрствованием. Не исключено, что черные дыры окажутся тем самым предсказанием, которое уничтожит его теорию.
