3. Черная сердцевина

Черные дыры, представляющие собой наиболее массивные и компактные из всех известных астрономии объектов, дают обильную пищу для человеческой фантазии. В качестве примера мне хочется отметить серию японских рисунков манга Inuyasha, созданную художником Румико Такахаси: их герой по имени Мироку несет на руке полученный от предка знак проклятия, под воздействием которого все, к чему он прикасается, мгновенно и безжалостно затягивается в некий туннель пустоты. С течением времени эта черная дыра растет, угрожая затянуть и уничтожить самого Мироку. Такой зловещий образ таинственного объекта, поглощающего и уничтожающего все на своем пути, уже давно стал общепринятым литературным тропом и применяется практически ко всему. В 2008 г. все американские газеты после финансового краха писали о «черной дыре» на Уолл-стрит, а газета The New York Times практически постоянно использует этот образ при описании самых разных событий и ситуаций — от действий террористов и докладов разведки о ситуации в Северной Корее до состояния финансов при Митте Ромни. Во всех случаях понятие «черная дыра» подразумевает полное отсутствие информации о каких-либо объектах или обстоятельствах.

Как было показано выше, признание некоторых научных идей гелиоцентрической модели Солнечной системы или теории расширяющейся Вселенной протекало, как говорят физики, нелинейно. Такая же судьба ожидала концепцию черных дыр, которая из экзотического математического понятия превратилась в общепринятую научную теорию и затем в популярный объект современной культуры.

Стоит отметить, что первоначально термин «черная дыра» был создан вовсе не для описания особых свойств астрономических объектов, а ведет происхождение из истории одной тюрьмы. 20 июня 1756 г. наваб (правитель Бенгалии) Сирадж уд-Даула захватил Калькутту, которую до этого удерживали войска английской Ост-Индской компании под командованием Джона Холвелла (провозгласившего себя губернатором Бенгалии). Наваб отправил Холвелла и других европейцев в одиночную камеру тюрьмы, построенную самой компанией. Эта была совсем маленькая камера (6 м на 4 м и двумя крошечными окнами), известная в народе как «Черная дыра». Наваб держал в ней без воды и в ужасной духоте 146 заключенных, из которых выжили только 23 человека, после чего камера получила печальную известность. Несмотря на то что ученые, такие как Дж. Г. Литтл, подвергали сомнению точность этих сведений, название тюрьмы — «Черная дыра» — сохранилось, и можно предположить, что оно осталось в подсознании и языке мрачной метафорой безжалостного уничтожения. Например, когда 25 мая 1887 г. ужасный пожар стер с лица земли здание театра Опера-Комик в Париже, корреспондент The New York Times кратко описал пожарище словами «громадная черная дыра».

Задолго до использования в физике термин «черная дыра» стал в литературе устоявшимся символом мрачной темницы. В 1844 г. Эдгар По опубликовал в Philadelphia Dollar Newspaper ставший затем знаменитым рассказ в жанре хоррор «Погребенные заживо», описывающий страдания погребенных заживо людей. Во введении к рассказу вновь упоминается описанная выше трагедия в тюрьме Калькутты (По называет ее «Черной ямой Калькутты»). Даже в наши дни известный своим богатым воображением Томас Пинчон неоднократно упоминает «Черную яму Калькутты» в популярной музыкальной драме «Мейсон и Диксон» (Mason and Dixon) в качестве символа ужаса.

Удивительно, но некоторые из этих литературных примеров очень удачно описали природу еще не открытых в то время астрофизических объектов. В современной астрономии так стали обозначать объекты, откуда вещество не может вырваться. Пытаясь проследить истоки этого понятия и термина, историк науки Марция Бартусяк отмечает, что его предлагал и часто использовал знаменитый физик Джон Арчибальд Уиллер. По-видимому, впервые он использовал его в 1964 г. на съезде Американской ассоциации содействия развитию науки, после чего термин прижился в физике (и вообще в современной культуре), хотя сам Уиллер никогда не претендовал на авторство.

Сейчас нам известно, что черные дыры располагаются в центрах большинства (если не всех) известных галактик, включая нашу собственную Галактику Млечный Путь, в центре которой обнаружена гигантская черная дыра, масса которой превышает массу нашего Солнца примерно в 4 млн раз. В далеком космосе светящийся падающий газ затягивается внутрь активных, растущих черных дыр под воздействием мощнейшего гравитационного притяжения и постепенно превращается в видимые нам квазары, которые представляют собой самые яркие «маяки» ранней Вселенной. Квазары становятся видимыми, когда возраст Вселенной достигает примерно 1 % от времени ее существования. На основе достаточно подробного изучения соседних галактик мы уже знаем, что в их центрах часто скрываются чудовищные по размеру черные дыры, которые обнаруживают себя лишь гравитационным воздействием на звезды и внутренние области окружающих их галактик. К счастью, наша Солнечная система располагается настолько далеко от черной дыры в центре Млечного Пути, что мы можем пренебречь этим воздействием.

В настоящее время астрономы уверены, что черные дыры (несмотря на их необыкновенные свойства) возникают в результате обычных физических процессов, протекающих в ходе эволюции звезд. Теория звездной эволюции предполагает, что топливом для звезд с массой, в 15–20 раз превышающей массу нашего Солнца, служит водород. После выгорания водорода эти звезды заканчивают свою жизнь как черные дыры. Черные дыры могут иметь экзотические свойства, но они — важная составляющая Вселенной, играющая значительную роль в формировании и эволюции галактик.

Давайте теперь рассмотрим черные дыры начиная с того момента, когда этот термин перестал быть объектом воображения и превратился в объект, который можно обнаружить и описать. История термина связана с «башней из слоновой кости» — Кембриджским университетом в Англии XVIII в. Кембридж и Оксфорд были тесно связаны с англиканской церковью, и большинство студентов были выходцами из мелкопоместного дворянства и духовного сословия. По окончании университета все они подписывали официальный документ «символа веры» государственной англиканской церкви, состоящего из 39 статей (так называемые «39 статей англиканского вероисповедания», Thirty-Nine Articles of Anglican Faith), поэтому неудивительно, что многие из выпускников в дальнейшем связывали свою судьбу с церковью. Один из блестящих выпускников Оксфорда сумел представить и описать совершенно необычные небесные тела, а именно настолько массивные звезды, что их свет просто не может покинуть породившее его светило.

Когда в 1783 г. английский сельский священник Джон Мичелл первым предложил идею существования каких-то темных звезд, он, разумеется, даже не мог себе представить, что когда-нибудь мы сможем их наблюдать и регистрировать. Сам Мичелл был полиматом (этим словом тогда обозначали талантливых ученых, занимавшихся сразу несколькими областями науки). Он родился в 1724 г. и учился в Кембридже, где впоследствии преподавал языки (древнееврейский и греческий), а также математику и геологию. Портреты Мичелла не сохранились, но современники описывали его как «низенького, смуглого и толстого человека». Он принял духовный сан и получил приход в местечке Торнхилл вблизи города Лидса. Несмотря на свои религиозные обязанности, Мичелл активно занимался разнообразными и самыми передовыми научными исследованиями, а также встречался и регулярно переписывался со многими ведущими учеными своего времени (например, с Бенджамином Франклином и Генри Кавендишем) и регулярно обсуждал с ними разнообразные проблемы. Им было что обсудить. Научная деятельность Мичелла охватывала проблемы земного магнетизма, теории распространения волн от землетрясения по поверхности Земли и т. д. Именно за работы по сейсмологии в 1760 г. Мичелл был избран членом Королевского общества, однако, несмотря на все свои достижения в области натуральной философии, он прославился гораздо меньше многих своих современников, возможно вследствие неумения пропагандировать и распространять научные идеи.

Следуя постулатам Ньютона, Мичелл рассматривал свет в качестве потока крошечных частиц (корпускул) и поэтому полагал, что массивные звезды должны оказывать на эти частицы такое же гравитационное воздействие, как и на другие оказавшиеся вблизи астрономические объекты (например, кометы). Поскольку гравитационное воздействие прямо пропорционально массе звезды, Мичелл далее предположил, что могут существовать исключительно массивные звезды, способные полностью останавливать свет. В письме к Генри Кавендишу, датированном 27 ноября 1783 г., он верно догадался, что такие «темные звезды» должны обнаруживаться лишь по гравитационному воздействию, которое они могут оказывать на окружающие их тела. Эту идею (фактически, определение черных дыр в рамках ньютоновской механики своего времени) Мичелл опубликовал в журнале Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Он не был одинок в этих теоретических построениях. Всего через 13 лет похожую концепцию предложил в своей книге «Изложение системы мира» (Exposition du système du monde) французский математик Пьер-Симон Лаплас, который пришел к выводу: «…возможно, что по этой причине остаются невидимыми для нас самые большие светящиеся тела во Вселенной». Впрочем, когда позднее корпускулярная теория света Ньютона потеряла свою популярность (вследствие чего была забыта и идея о «темных звездах»), Лаплас полностью выбросил все упоминания об этой гипотезе из более поздних изданий своей книги.

Прошло еще 150 лет, и представление об этих астрономических объектах воскресло в рамках ОТО Эйнштейна. Эта теория выросла из более простой идеи. Еще в 1905 г. Эйнштейн опубликовал специальную теорию относительности (СТО), в которой постулировал, что ни один объект не может двигаться со скоростью, превышающей скорость света. Существование предельной скорости имело для науки очень глубокие последствия. Прежде всего, была установлена невозможность передачи вещества или информации со скоростью больше максимально возможной. Из этой теории возникла и знаменитая формула эквивалентности энергии и массы, выражаемая ставшей общеизвестной формулой E = mc². Однако в 1915 г. Эйнштейн предложил общую теорию относительности, глубоко изменившую наши представления о массе, гравитации и пространстве, что и позволило возродиться идее о черных дырах. Математика ОТО позволяет по-новому визуализировать окружающую нас реальность. Как описывалось в предыдущей главе, новая теория привела к возникновению новой модели Вселенной, ставшей первым крупным пересмотром картины мира со времен Ньютона. При этом, однако, к глубокому разочарованию самого Эйнштейна, эта теория допускала существование черных дыр.

Рискуя навлечь на себя обвинения в искажении светлого образа Эйнштейна, мы должны отметить, что он выступал против концепции расширяющейся Вселенной и ненавидел идею черных дыр. Это может быть объяснено, кстати, следующим обстоятельством: восхищение физиков работами Эйнштейна связано, хотя бы частично, с тем фактом, что ему удалось построить великую ОТО буквально из ничего (ex nihilo), то есть без объяснения каких-то наблюдаемых явлений. Это безупречно настолько, насколько может быть безупречна физическая теория. Поэтому ОТО вызывала особое уважение в качестве примера демонстрации могущества умозрительных рассуждений, позволяющих достичь чисто математического описания природы. Его теория предполагала глубокое понимание природы гравитации — таинственной силы, удерживающей в единстве не только Солнечную систему, но и Вселенную в целом. В течение всей своей научной деятельности Эйнштейн руководствовался стремлением постичь единство и простоту устройства мира. Именно эти философские убеждения иногда мешали ему воспринимать и признавать необычные результаты, даже если они вытекали из его собственных работ и теорий. Так было и в случае черных дыр.

Теория Эйнштейна была не только математически элегантной и независящей от наблюдений, но сделала несколько важных научных проверяемых предсказаний. При этом теория значительно обгоняла существующие потребности и возможности ее проверки или применения. В некотором смысле можно сказать, что в начале прошлого века ОТО представляла собой «стерильно чистую» область физики, далекую от мейнстрима научных изысканий эпохи. Она имела важное значение для астрономии, но и в астрономии не была связана с реально существующими физическими объектами, по крайней мере в самом начале прошлого века. ОТО стала использоваться для описания Вселенной (как единого целого) уже в первые десятилетия после своего создания. Поскольку предсказываемые теорией наблюдаемые эффекты были очень слабыми для астрономических объектов с небольшой массой, теория оставалась незадействованной в наблюдениях вплоть до обнаружения в космосе новых экзотических объектов (типа нейтронных звезд, пульсаров и квазаров), при описании которых и проявились ее богатые возможности. Таким образом, когда в начале 1960-х гг. астрономы обнаружили в космосе эти сверхтяжелые объекты, теория Эйнштейна уже была достаточно развита и разработана для их описания.

Сегодня наиболее убедительные доказательства существования черных дыр получены для спиральной галактики NGC4258, внутри которой располагается черная дыра, массивнее Солнца примерно в 40 млн раз. Чтобы почувствовать масштаб, представьте, что при картографировании внутренних областей этой галактики в радиодиапазоне астрономы обнаружили диск, который, по-видимому, является резервуаром газа, закручивающимся в черную дыру, настолько широким, что свету потребовался год, чтобы пересечь его (если газ не будет захвачен черной дырой). Именно эти объекты управляют движением звезд внутри галактик. Сейчас предполагается, что в центре самых ярких галактик также располагаются сверхмассивные черные дыры с массой, превышающей массу Солнца в миллиарды раз.

Для понимания природы и свойств черных дыр необходимо разобраться с гравитацией, предлагаемой в теории Эйнштейна. Гравитация является одной из известных нам фундаментальных сил природы (хотя и не самой мощной из этих сил), ничто не может ее избежать: ни звезды, ни планеты, ни галактики. Ньютон первым понял природу гравитации в качестве силы притяжения, обеспечивающей не только наш вес и притяжение тел к Земле, но и движение планет по их орбитам. Сила притяжения возрастает с ростом массы и плотности тел. В результате черные дыры с их огромной массой и плотностью являются источниками мощнейших сил притяжения во Вселенной. Из общего курса физики мы знаем о так называемой скорости убегания, то есть скорости, которую должно набрать какое-нибудь тело, чтобы оторваться от притягивающего его небесного тела. Например, для отрыва от гравитационного поля Земли ракета должна разогнаться до 40 000 км/ч, и именно такую скорость развивают двигатели ракетных систем при запуске спутников на всех космодромах Земли, от мыса Канаверал (США) и Байконура (Казахстан) до Шрихарикоты в Индии. Для сравнения можно отметить, что скорость убегания для Солнца (масса которого превышает массу Земли в 330 000 раз) равна примерно 4 млн км/час, что все еще в 250 раз меньше скорости света. А что произойдет, когда скорость убегания от какого-то космического тела сравняется или превысит скорость света? Именно этот вопрос поставил перед собой Мичелл, размышляя о распространении света звезд, и получил ответ: возникнет черная дыра. Даже отраженный свет не раскрывает присутствие черных дыр. И они не просто звезды, скрытые экстремальным искривлением лучей света. Их сильное гравитационное притяжение буквально деформирует пространство и нарушает течение времени в своем ближнем окружении. Вот почему, чтобы понять черные дыры, нам нужно мыслить, как Эйнштейн.

Еще самая первая и основополагающая статья Эйнштейна, опубликованная в Annalen der Physik в 1905 г., содержала в себе замечательные идеи.

Эйнштейн предложил глубокую и совершенно новую теорию, полностью меняющую общее понимание соответствий между массой, гравитацией и пространством. Ньютон рассматривал гравитацию в качестве сил притяжения, мгновенно действующих между любыми объектами, обладающими массой. СТО Эйнштейна постулирует конечность скорости света, что делает невозможным мгновенное взаимодействие. В отличие от идей Ньютона, в ОТО Эйнштейна обладающие массой объекты сами создают некое гравитационное поле, которое, в свою очередь, изменяет форму пространства. В этой картине гравитация соответствует не силам притяжения, а, скорее, некоторым искажениям пространства, которые вынуждают тела двигаться в ответ на присутствие массы. Центральным понятием в ОТО является единое четырехмерное пространство-время. Вся Вселенная и все ее содержимое — галактики, звезды и планеты — обитает в этом пространстве-времени. Это пространство-время можно представить себе в виде воронки, которая действует на движения объектов и поток времени. Визуально ее можно представить в виде некоторого рельефа (типа топографической карты), где впадины соответствуют присутствию массивных тел, как показано на рисунке выше.

Скачок, который совершил Эйнштейн, заменив ньютоновское представление о гравитации на предлагаемую им теоретическую модель, может служить редким примером так называемого индуктивного подхода в науке. Хотя чистая теория Эйнштейна и не основывалась на наблюдениях, она сделала конкретные проверяемые прогнозы, которые и помогли оценить ее действенность. Такой подход может показаться нетипичным для обычных отношений между теорией и наблюдениями в науке, где теории создаются для объяснения наблюдаемых фактов посредством дедуктивных выводов.

Например, ОТО предсказывает существование гравитационных линз, когда массивный объект настолько искажает пространство, что изгибаются пути прохождения световых лучей. Когда Земля и Солнце при солнечном затмении располагаются вдоль прямой определенным образом, гравитационный колодец может искажаться из-за взаимодействия масс и становиться глубже, вызывая искривление лучей света, которое можно проверить экспериментально. Идею такой проверки ОТО (по искривлению лучей света от звезд во время солнечных затмений) предложил астроном Эрвин Финлей-Фройндлих. Он сообщил Эйнштейну, что следующее удобное для таких астрономических измерений полное солнечное затмение будет наблюдаться летом 1914 г. на Крымском полуострове. Эйнштейн даже собрал фонд для организации экспедиции, но все его планы нарушило начало Первой мировой войны. Можно представить себе возмущение Эйнштейна, известного своими пацифистскими убеждениями, когда командование Русской армии в Одессе арестовало имущество экспедиции и самих ее участников. Наблюдения отложили до 1919 г., когда Артур Эддингтон возглавил одну из двух экспедиций, специально организованных британским правительством для измерения отклонений световых лучей при солнечном затмении.

Эддингтон сфотографировал и измерил положение нескольких звезд вблизи солнечного диска, свет от которых достигал Земли после прохождения участков пространства-времени, искаженных сильной гравитацией Солнца. Эти звезды должны казаться наблюдателю смещенными относительно своих обычных положений на небосклоне, зафиксированных за шесть месяцев до затмения, как показано на рисунке ниже. Измерения доказали, что Солнце действительно изгибает траектории световых лучей, причем на величину, точно соответствующую предсказаниям Эйнштейна. После доклада Эддингтона об этом событии, прочитанного им на совместном заседании Королевского общества и Королевского астрономического общества 6 ноября 1919 г., Эйнштейн мгновенно стал всемирно известным. Подтверждение теории относительности не только сделало образ Эйнштейна «иконой», но и открыло путь к дальнейшим исследованиям потенциальных возможностей приложения этой теории.

Стоит отметить еще раз, что ОТО была разработана задолго до предположений о ее возможных применениях, хотя сегодня и теоретическая, и практическая ценность теории представляется несомненной. Например, одним из ее новейших приложений стало создание глобальной системы навигации GPS (Global Positioning System), применяемой сейчас в мобильных телефонах и расчетах, которые помогли посадить ровер на поверхность Марса.

Хотя теория Ньютона предлагала также и описание падения тел на Землю, однако сейчас уже ясно, что оно не является ни полным, ни исчерпывающим. Например, законы Ньютона не описывают движение частиц на очень малых, субатомных расстояниях, а также на очень больших, космических масштабах. Для понимания этих закономерностей нам необходимо глубже ознакомиться с эйнштейновской интерпретацией гравитации. Конечно, следует помнить, что он не мог предвидеть будущих требований к его теории. Система GPS навигации полностью основана на принципах эйнштейновской теории гравитации. Требуемое для GPS точное определение местоположения аппарата и управление его движением осуществляются за счет функционирования на заданных орбитах Земли 24 спутников, на борту каждого из которых установлены точнейшие доступные атомные часы. Навигационное устройство в вашем автомобиле получает радиосигнал от ближайшего спутника и сравнивает его с сигналами от четырех других близких спутников. Именно это сравнение позволяет определить позицию автомобиля с точностью около 1 м. Эта исключительно сложная задача требует учета поправок в рамках обеих теорий относительности Эйнштейна (и специальной, и общей). В соответствии с СТО время на двигающихся часах (то есть на спутниках) течет медленнее, чем на Земле. С другой стороны, необходимо учитывать, что часы на спутниках, условно говоря, «погружены» в гравитационное поле Земли и поэтому должны идти быстрее, так как это поле «искривляет» пространство и меняет течение времени. В результате действия этих конкурирующих механизмов атомные часы на орбитальных спутниках идут чуть-чуть быстрее наземных (примерно на 40 мкс в день), однако именно эта ничтожная поправка учитывается и играет важную роль при определении координат вашего автомобиля (в противном случае вместо Манхэттена в Нью-Йорке вы рискуете оказаться где-то в штате Нью-Джерси — это действительно большая разница). Теория Эйнштейна вовсе не отменяет ньютоновскую концепцию тяготения. Каждая из теорий имеет собственную область применения — предлагает адекватное описание реальности в некоторых условиях. Эйнштейн как-то заметил, что «наилучшую судьбу имеет та физическая теория, для которой можно указать способ ее включения в рамки другой, более обширной теории в качестве предельного случая». Ньютон указал на универсальность гравитации, а Эйнштейн сумел объяснить эту универсальность в терминах искривления пространства-времени. Например, в пределах Солнечной системы отклонения от теории Ньютона, предсказываемые ОТО, исключительно малы и составляют лишь около одной миллионной доли от измеряемых величин.

При создании карты Солнечной системы важную роль вновь сыграли неравномерности в движении планет. Эйнштейн постулировал, что еще одним проверяемым наблюдательным следствием будет прецессия орбиты планеты Меркурий. Эта планета является ближайшей к Солнцу и поэтому испытывает более сильное гравитационное воздействие, чем планеты, более удаленные. Искажение пространства-времени в окрестностях Солнца вызывает незначительные, но доступные для измерения аномалии траектории Меркурия, которые тоже соответствуют предсказаниям Эйнштейна. Самые последние и точные эксперименты с использованием космических зондов подтвердили расчеты колебаний орбиты Меркурия на основе ОТО с очень высокой точностью.

Тем не менее сам Эйнштейн не верил, что для предложенных им полевых уравнений, описывающих гравитацию, может быть найдено хоть какое-то простое решение. Однако уже в 1915 г. немецкий физик Карл Шварцшильд получил точное решение для специального случая пространства-времени, создаваемого крошечным, но очень массивным объектом. Предложенное Шварцшильдом решение описывает искажение или модификацию формы пространства, гравитационный колодец в окрестности точечной массы — черной дыры. Другим физикам также удалось получить еще несколько точных решений системы полевых уравнений Эйнштейна. Например, как уже рассказывалось в предыдущей главе, Александр Фридман и Жорж Леметр получили решение, соответствующее пространству-времени в расширяющейся Вселенной, а ближе к нашим дням специалист по релятивистской физике Рой Керр нашел решение для поля, создаваемого вращающейся черной дырой. Решение Шварцшильда для черной дыры не приближенное, а математически точное, что было для физиков довольно необычно и интуитивно непонятно. Для них было странным в этом решении, что черная дыра содержит в себе сингулярность, точку, где законы физики ломаются и больше не работают. Кроме того, решение Шварцшильда имело другую весьма необычную особенность, так как подразумевало и включало в себя наличие еще одного параметра — границу между видимой и невидимой частями черной дыры. Она получила название горизонта событий, или радиуса Шварцшильда. Горизонт событий можно назвать точкой невозвращения. Любые физические объекты (включая лучи света), перешедшие эту границу, навсегда теряются для внешнего наблюдателя и перестают обнаруживать себя какими-либо проявлениями вообще. Более того, радиус горизонта событий оказался пропорциональным утроенной массе черной дыры, то есть он возрастает с увеличением ее массы. Поэтому физики воспринимали полученное Шварцшильдом решение (включая содержащееся в нем представление о горизонте событий и скрытую сингулярность) в качестве математического курьеза, поскольку оно явно не описывало реальные объекты. Одной из главных причин неприятия физиками понятия черных дыр стала именно проблема, тесно связанная с природой сингулярности. Сингулярности всегда представляли собой некий вызов, поскольку их существование подвергает испытанию пределы применимости наших теорий, а также указывают границы мира, где перестает работать интуиция. Физикам приходится терпеть наличие этих неприятных понятий, поскольку они понимают, что им неизбежно придется столкнуться с ними при рассмотрении искривления пространства-времени в окрестности черной дыры. При этом возникают сложности и ограничения, которые физики-теоретики давно мечтают преодолеть за счет создания новой объединяющей теории, которая позволила бы осуществить слияние физики мельчайших масштабов (квантовой механики) и теории гравитации. Несколько поколений физиков, включая Эйнштейна и Эддингтона, мечтали о такой финальной теории, так называемой теории всего, однако она оставалась неуловимой. Важным прорывом в данном направлении стало понимание того факта, что сингулярность лежит не на горизонте событий, а заключена внутри самой черной дыры, что позволяет понять, как реально формируются черные дыры, на примере конечной стадии коллапса обычной звезды.

Процесс превращения «умирающей» звезды в черную дыру требует более подробного описания. Представьте себе типичную среднюю звезду класса нашего Солнца (относящуюся к так называемым звездам главной последовательности). Температура ядра такой звезды очень высока (15 млн °С) и существенно превосходит температуру ее поверхности. При этом субатомные частицы (электроны и атомные ядра) внутри звезды непрерывно сталкиваются и отскакивают друг от друга в результате ядерных реакций. Такие столкновения создают внутри ядра очень высокое давление, которое, в свою очередь, компенсирует мощные силы гравитации и предотвращает естественный коллапс звезды.

Понятно, что такое равновесие, основанное на тонком балансе сил, не может сохраняться бесконечно долго. Наличие источника энергии в центре Солнца, термоядерного реактора, который превращает водород в гелий, сохраняет баланс сил с самого начала. Но по мере выгорания водорода в ядре звезды силы гравитации выигрывают гонку и сжимают ядро. В этот период может начаться синтез более тяжелых химических элементов, однако постепенно, по мере потери своего ядерного горючего, звезда начинает охлаждаться. Например, из расчетов известно, что наше Солнце примерно через 5 млрд лет, когда баланс сил сместится в сторону гравитации, начнет остывать и превратится в белого карлика. Более экзотичной оказывается судьба звезд, масса которых заметно превышает массу Солнца. Такие объекты могут сжиматься и дальше, превращаясь в конечном счете в нейтронные звезды либо в черные дыры.

Дополнительный интерес к черным дырам возник благодаря работам известного теоретика Субраманьяна Чандрасекара (Чандра), трудившегося над своей теорией в Кембридже (Англия). Он прибыл туда из Индии в 1930 г. во время первого выезда из Мадраса в Кембридж в Англию и поступил в Тринити-колледж. Чандра сумел показать, что при некоторых специальных условиях в конце своей эволюции (то есть к моменту, когда все ядерное топливо выгорит) звезда может превратиться в исключительно плотный объект. Расчеты Чандры убедительно свидетельствовали о том, что некоторые из звезд могут заканчивать свое существование именно таким необычным образом, формируя бесконечно малые и бесконечно плотные объекты (сингулярности), которые мы сейчас называем черными дырами. Чандра сумел объединить две фундаментальные физические теории (ОТО и квантовую механику) и вычислить ту критическую массу звезды, при которой она взрывается и схлопывается, превращаясь в черную дыру. Предложенная Чандрой модель гибели звезды вызвала сильное сопротивление научного сообщества, причем не только из-за удивительного механизма формирования черных дыр. Дальнейшие расчеты расширили модель и показали, что звезды, масса которых превышает массу Солнца в 1,4–3 раза, превращаются в нейтронные звезды, в то время как более тяжелые звезды (чья масса в 10–25 раз больше массы Солнца) после гибели формируют черные дыры.

По иронии судьбы одним из самых яростных и интеллектуальных противников Чандры стал его коллега Эддингтон, который ранее активно способствовал продвижению ОТО Эйнштейна. На первый взгляд, именно он — тот, кто был так открыт радикальным идеям ОТО и ее экспериментальному доказательству, должен был проявить интерес к выводам Чандры, однако в данном случае между ними возник очень серьезный конфликт интересов. Дело в том, что Эддингтон уже давно разрабатывал собственную теорию (и тоже синтеза ОТО и квантовой механики), описывающую процесс коллапса звезд под воздействием собственных сил тяготения. Эддингтон считал свою теорию не только новой и смелой, но и полагал, что она наилучшим образом объединяет законы Вселенной как на самых малых масштабах — в субатомном мире, так и на самых больших масштабах космоса. Его концепция не включала черные дыры. Эддингтон не думал, что подобные очень маленькие и очень плотные тела могут искажать ткань окружающего пространства-времени настолько сильно, что свет не будет их покидать, однако он предполагал, что такие странные объекты должны исчезать, по его словам, «в никуда». Представление о сингулярности казалось физикам настолько диким, что даже сам Эйнштейн ошибочно считал, что черные дыры не могут формироваться, и полагал, что должен существовать некий физический механизм, стабилизирующий состояние звезды в процессе коллапса еще до прохождения точки невозврата. Эйнштейн и Эддингтон были уверены, что природа не может допустить столь «извращенную» форму гибели звезд. Они считали модель черной дыры несовершенством, которое необходимо удалить из теории, а не неизбежным и проверяемым следствием.

На заседании Королевского астрономического общества в 1935 г. произошел знаменитый конфликт, когда Эддингтон в очень резкой и грубой форме обрушился на Чандру, хотя был осведомлен о характере расчетов последнего, поскольку они вместе работали в Тринити-колледже Кембриджа и много беседовали. Эддингтон даже не потрудился обосновать свои возражения. Он использовал интеллектуальное превосходство как директор обсерватории в Кембридже для публичной ссоры, в которую позднее оказались втянуты все выдающиеся астрономы Англии. В этот судьбоносный день, 11 января 1935 г., Чандра собирался докладывать на ежемесячном собрании Общества о своих результатах расчета судьбы звезд, которые, по его мнению, после некоторых необычных изменений должны были превратиться в черные дыры. После доклада Чандра ожидал, что Эддингтон поддержит и разовьет его выводы, поскольку они обсуждали эту теорию до заседания. Кроме того, Эддингтон был одним из двух профессоров в комиссии (вторым был Фаулер) на защите докторской диссертации Чандры и у них были хорошие отношения. К удивлению Чандры, Эддингтон (с присущими ему убедительностью и авторитарностью) буквально обрушился с критикой его выступления, заявив, что доклад содержит весьма сомнительную и скользкую математику и не имеет никакого отношения к реальности. Хотя все доводы Эддингтона были необоснованными, Чандра не мог ответить на критику по формальным правилам проведения данного собрания. Хотя его поддерживали многие присутствовавшие на описываемом заседании Королевского общества выдающиеся физики Англии (среди них руководитель его докторантуры Ральф Говард Фаулер, Вольфганг Паули, Поль Дирак и Билл Маккри), но никто из них не рискнул или не захотел противоречить весьма влиятельному и авторитетному Эддингтону на таком публичном мероприятии. Для Чандры это стало моментом предательства (особенно со стороны Фаулера и большинства физического сообщества Англии), он был шокирован и чувствовал себя униженным и беззащитным. Позднее, в 1942 г., трое из самых выдающихся физиков этого времени (Дирак, Рудольф Пайерлс и Морис Прайс) написали важную статью в поддержку позиции и идей Чандры.

Артур Миллер изложил эту драматическую историю (включая эпизод на собрании, ссору и борьбу Чандры против научного английского истеблишмента) в своей книге «Империя звезд» (Empire of the Stars). Он привел ее в качестве примера того, как столкновение мнений может повлиять на судьбу науки. В подробной биографии Чандрасекара (охватывающей всю его жизнь с раннего детства и научную карьеру), написанной Камешваром Вали, этому эпизоду и его влиянию на личность Чандры также уделено большое внимание. Для нас этот случай может служить важным примером роли сложных личных отношений (а не интеллектуальной борьбы точек зрения) в истории науки. Возражения Эддингтона вытекали из его неприязненного отношения к сингулярностям вообще, а также из опасения, что теория Чандры создаст проблемы для его собственной модели, которую Эддингтон считал своим «завещанием» и главным научным достижением жизни. Несмотря на сложные и длительные последствия этого столкновения для Чандры, его личные отношения с Эддингтоном оставались в дальнейшем внешне вполне добросердечными (разумеется, со всеми оговорками).

Миллер в своей книге откровенно характеризует поведение Эддингтона как подлое и двуличное. Из писем Чандры он узнал, что и тому приходилось прибегать к ухищрениям, чтобы печатать статьи, противоречащие теории Эддингтона. Чандра просил одного из главных соперников Эддингтона, известного физика сэра Джеймса Джинса, о положительной рецензии на свои работы. Эддингтон оставался непреклонным и не изменял своего отношения. Можно сказать, что оба ученых были ослеплены личными привязанностями к соответствующим идеям.

Как часто бывало в истории науки, новые данные и доказательства все расставили по местам. Эту ситуацию хорошо описывает известная фраза знаменитого физика Макса Планка, который сетовал на то, что «…научные истины никогда не побеждают убеждением противников в своих доводах и правильности. Скорее, истина торжествует просто из-за того, что оппоненты умирают и вырастает новое поколение, для которого новое знание уже является привычным».

В конечном счете важность и ценность идей Чандры была установлена в результате странных сочетаний последующих событий и открытий. После Второй мировой войны началась гонка вооружений, в которой стали применять и вычислительные машины. При расчетах, проводимых для создания водородной бомбы, ученые заметили, что изучаемые процессы очень похожи на те, которые должны происходить внутри взрывающихся звезд, что стало окончательным доказательством правильности расчетов Чандры. Он получил широкое признание, а в 1983 г. — Нобелевскую премию после того, как астрономы обнаружили сначала нейтронные звезды, а затем — в 1967 г. — и пульсары, ставшие для астрофизиков звездными маяками. Через два года после их обнаружения выяснилось, что пульсары представляют собой быстро вращающиеся нейтронные звезды, соизмеримые по массе с нашим Солнцем, но вещество в них «упаковано» до плотности материи в атомных ядрах. Такая плотность близка к тому критическому значению, при котором (в описанном выше равновесии сил тяготения и внутреннего давления) начнут преобладать силы гравитации, приводящие звезду к гравитационному коллапсу и превращающие в черную дыру. Это открытие обострило внимание астрономического сообщества к поиску в космосе особо плотных объектов, возникающих при гравитационном коллапсе вообще. Очень интересными в этом смысле оказались нейтронные звезды, которые можно образно назвать двоюродными сестрами черных дыр.

Как уже отмечалось, черные дыры не испускают свет и поэтому не могут наблюдаться непосредственно. Однако, как отмечал еще Мичелл, они могут обнаруживать себя по воздействию на окружающие их объекты. Поэтому, когда орбита движения черной дыры приближается к какой-либо другой звезде, она начинает вытягивать газ из последней своим чудовищным гравитационным воздействием. При этом газ, захваченный черной дырой, очень быстро нагревается и начинает светиться в диапазоне рентгеновского излучения. Астрономы часто наблюдают такие комбинации из черной дыры и звезды-компаньона, и поведение этих систем позволило перевести черные дыры в реальный мир наблюдаемых объектов.

Когда астрономы обнаружили квазары, им стало ясно, что это гигантские, сверхмассивные черные дыры, которые светятся, поглощая газ из своего окружения. Квазары оказались самыми яркими объектами во Вселенной. Мы уже обнаружили большое число таких сверхмассивных черных дыр, и сейчас считается, что каждая галактика, по-видимому, однажды проходит в своем развитии фазу существования в виде такого сияющего объекта, что означает период, когда черная дыра активно поглощает газ, черпая его из доступных источников.

Еще один непрямой (косвенный) метод исследования поведения черных дыр в центрах нашей и соседних галактик основан на количественной оценке их гравитационного воздействия на орбиты близко расположенных к центрам звезд, что позволяет оценивать массу этих черных дыр. Астрономы уже составили карты орбит некоторых звезд, находящихся близко к черной дыре в центре Млечного Пути, и эти орбиты действительно свидетельствуют о присутствии «чудовища» в центре нашей собственной Галактики. К сожалению, из-за огромных расстояний даже до ближайших галактик мы не можем проследить за поведением звезд в их внутренних областях.

Каждый год приносит новые открытия в этой области исследований. В начале 2014 г. мы наблюдали прохождение газового облака вблизи черной дыры в центре нашей Галактики и ожидали увидеть, как черная дыра рассеет и «проглотит» облако, что должно было, по расчетам, привести к драматической, яркой и очень заметной вспышке, сопровождающей процесс «пожирания», однако вопреки ожиданиям облако просто ускользнуло от дыры. Ученые ожидали, что эта уникальная ситуация даст им редкий шанс прямого наблюдения очень сильного гравитационного воздействия черной дыры, однако неожиданно оно оказалось слабее, чем предполагали теоретики, так что сейчас полученные данные используются для уточнения характеристик самого облака. Хотя эта попытка прямого наблюдения оказалась безуспешной, астрономы продолжают изыскивать и другие варианты сбора информации и непосредственного наблюдения за черными дырами. Например, изучаются возможности реализации перспективного и очень интересного проекта изучения черной дыры в центре нашей Галактики с использованием нового инструмента радиоастрономии, получившего название «Телескоп горизонта событий» (Event Horizon Telescope, EHT). Проект основан на следующей научной идее: черные дыры настолько сильно искажают окружающее их пространство-время, что меняют течение времени и процессы распространения света в прилегающей к ним зоне. Из-за этой сильнейшей деформации ткани пространства-времени свет, проходящий мимо дыры, рассеивается случайным образом, создавая уникальные так называемые «тени» на границе горизонта событий. Инструмент проекта представляет собой сочетание нескольких радиотелескопов, расположенных в разных странах (в Мексике, Чили и Германии), которые должны зарегистрировать в радиочастотном диапазоне упомянутые «тени», соответствующие черной дыре в центре нашей Галактики. Такие далеко разнесенные, но объединенные в единую сеть телескопы, по замыслу проектировщиков, будут работать вместе подобно единому радиотелескопу с площадью принимающей антенны, близкой к площади поверхности Земли. Это остроумное инженерное решение обещает получить самые четкие изображения «теней» черных дыр с включением так называемых элементов асимметрии и удлиненности, а также выяснить, в частности, вращаются дыры или нет, что имеет большое значение, поскольку скорость вращения (спин) черных дыр является (наряду с массой) одной из их важнейших характеристик. Проект EHT является новейшим и самым продвинутым методом косвенного наблюдения и картографирования черных дыр, однако стоит отметить, что такие непрямые методы наблюдения имеют очень длительную историю.

К настоящему времени наиболее достоверные и убедительные данные относительно черных дыр получают и описывают с использованием рентгеновского излучения. История его применений начинается в 1895 г., когда весьма известный и авторитетный физик-экспериментатор Вильгельм Рентген, возглавлявший Институт физики в Университете Вюрцбурга (Бавария), обнаружил существование рентгеновских лучей. Рентген занимался исследованием катодных лучей (пучков электронов) и, в частности, пытался выяснить, являются они волнами или частицами. Сейчас из квантовой механики нам известно, что электроны могут обладать свойствами и частиц, и волн, но Рентген жил в доквантовом мире. Как-то поздно вечером в пятницу, работая в своей лаборатории, Рентген изучал свечение флуоресцентного экрана под воздействием катодных лучей и обнаружил, что на экране, располагавшемся недалеко от источника лучей, появляется светящееся пятно даже в полностью затемненной комнате и при полной изоляции трубки с экраном. Он тщательно проверил изоляцию установки от внешних источников света. Поместив свинцовый лист на пути пучка электронов, он вдруг увидел четкое изображение костей своей руки рядом с тенью листа. В этот вечер, 8 ноября 1895 г., Рентген начал экспериментировать с обнаруженным им источником излучения. Он назвал новый тип излучения Х-лучами (сейчас мы называем их рентгеновскими), и они возникают при бомбардировке катодными лучами (электронами) стеклянной поверхности электронных трубок. Рентген сразу обнаружил, что излучение является очень мощным и легко проникает через кожу и ткани человеческого организма, создавая изображение костей скелета. Возбужденный этим открытием, он сделал первую в истории рентгенограмму и получил снимок левой руки своей супруги Анны Берты Рентген (урожденной Людвиг), где хорошо видна структура костей кисти руки и тень от обручального кольца.

Проведя тщательное изучение открытого им явления, Рентген опубликовал в начале 1896 г. работу, сразу ставшую мировой сенсацией. Один из ведущих физиков этой эпохи, Вильям Томсон (лорд Кельвин), даже посчитал статью Рентгена шуткой или розыгрышем и поменял свое мнение лишь после ее многократной проверки в разных лабораториях. В 1901 г. за открытие Х-лучей Рентген стал первым лауреатом по физике только что утвержденной Нобелевской премии. Со временем именно это открытие стало ключом к разгадке тайн черных дыр во Вселенной.

Рентгеновские лучи представляют собой высокоэнергетическое электромагнитное излучение с очень малыми длинами волн, лежащими в диапазоне от 0,1 до 1 нм (для сравнения можно указать, что область видимого света простирается от 390 до 700 нм). Область радиоволн характеризуется самыми большими длинами волн (от 1 мм до 100 км). Человек никак не воспринимает рентгеновское излучение (сетчатка нашего глаза просто не имеет соответствующих рецепторов), и поэтому мы можем видеть его, только пользуясь специальными детекторами.

Открытие нейтронных звезд и пульсаров показало, что предсказанная теорией звездной эволюции смерть звезд была верной и что черные дыры — неизбежный результат эволюции звезд при определенных условиях. В конечном итоге это стимулировало охоту за черными дырами. Оказалось, что природа дала нам критический ключ к разгадке ранней стадии: огненный, смертельный вздох звезды в 1054 г., когда в средневековом Китае наблюдался взрыв сверхновой и это было записано усердными китайцами. Событие описал придворный астроном Янг Вэй-Тэ, который даже докладывал императору о рождении новой и яркой звезды-гостьи в созвездии Тельца. Послесвечение этого взрыва до сих пор можно наблюдать в Крабовидной туманности, где взорвавшаяся звезда существует в виде пульсара, окруженного светящимися и разлетающимися остатками ее оболочки.

Звезды с массой меньше Солнца сразу после выгорания внутреннего ядерного топлива превращаются в белых карликов — звездный труп. Звезды, весящие больше Солнца, слишком массивны, чтобы стать белыми карликами после выгорания всего их ядерного топлива. Это и выглядит для внешнего наблюдателя эффектным взрывом сверхновой. При этом звездные «осколки» взрывов (то есть оболочки звезд, бывших изначально массивнее нашего Солнца) содержат все химические элементы, из которых состоим мы сами. Например, весь кальций в наших организмах был когда-то синтезирован внутри звезд упомянутого типа, а затем развеян в пространстве космоса после чудовищных взрывов сверхновых. Описанная выше теоретическая цепочка процессов рождения, развития и гибели звезд предполагает, что более массивные звезды после взрыва превращаются либо в нейтронные звезды, либо в черные дыры. Переход от этих теоретических построений к практическим астрономическим наблюдениям осуществили в 1968 г. студентка-выпускница Кембриджа Джоселин Белл и ее научный руководитель Энтони Хьюиш, которым удалось первыми обнаружить пульсары. Во время наблюдений за звездами при помощи нового радиотелескопа, предоставленного Маллардовской радиоастрономической обсерваторией (Mullard Radio Astronomy Observatory), в окрестностях Кембриджа им посчастливилось зарегистрировать источник, излучающий импульсы с частотой 1,3 с, а позднее и много других высокоточных источников, которые можно назвать условно таймерами. Они напоминают космические часы, «тикающие» с высокой точностью. Франко Пачини и Томас Голд (один из известных сторонников теории стационарного состояния Вселенной) предположили, что обнаруженные объекты представляют собой вращающиеся черные дыры, однако в этом случае они должны были иметь исключительно высокую плотность. К настоящему времени уже известно, что пульсары действительно быстро вращаются и «тикают», причем не только в радиочастотном диапазоне, но и в рентгеновском. Вскоре после обнаружения Беллом пульсаров астрономы выяснили, что звезда в центре Крабовидной туманности тоже пульсирует (с частотой около 30 раз в секунду), а затем был зарегистрирован еще один, новый тип таких объектов, которые можно назвать «трупами» звезд.

Потребовалось еще некоторое время, прежде чем астрономы обнаружили наиболее экзотические виды звездных «осколков». Особую остроту поиски черных дыр приобрели только после того, как астрономы в конце 1960-х гг. окончательно объединили свои усилия с физиками-теоретиками, занятыми разработкой идей в области ОТО. И вновь сочетание наблюдений и теории помогло катализировать ход исследований. Расчеты двух известных теоретиков (Якова Зельдовича и Эдвина Салпетера) показали, что черные дыры при своем движении должны поглощать газовые и пылевые облака, заполняющие межзвездное пространство. Основываясь на этом предположении, они предсказали существование некоторой новой и необычной формы «света» с длиной волны ниже границы видимого диапазона, который и должны излучать нагретые газы и пыль, засасываемые внутрь черной дыры сильнейшим гравитационным полем. Процесс захвата газа и пыли из окружающего пространства черной дыры был назван аккрецией. Вскоре астрономы поняли, что оптимальное сочетание для наблюдения процесса аккреции представляет собой двойную звездную систему из массивной черной дыры, которая медленно «отрывает» вещество от своего партнера в виде нейтронной звезды. Вытягиваемый черной дырой газ при этом разогревается до исключительно высоких температур, порядка 100 млн °С. Теоретически уже было известно, что при таких температурах газ должен излучать в рентгеновском диапазоне, а быстрое и случайное «мерцание» регистрируемых сигналов служит явным свидетельством наличия активно поглощающего этот газ очень плотного объекта типа нейтронной звезды или черной дыры.

Рентгеновское излучение от вихревых потоков газа, ускоряемых гравитационным воздействием черной дыры почти до скорости света, является специфическим признаком наличия черных дыр. Поэтому для регистрации таких высокоэнергетических явлений возникла необходимость разработки новых детекторов и телескопов с рентгеновскими «глазами», открывающими экстремально энергичные явления, невидимые человеку. Создание таких приборов само по себе представляет непростую техническую задачу, поскольку мощность космического рентгеновского излучения мала, хотя само по себе оно и является достаточно мощным, чтобы проникать сквозь кожу и ткани человека. Этой мощности недостаточно для того, чтобы космическое излучение рентгеновского диапазона пробило атмосферу Земли и достигло ее поверхности, вследствие чего мы просто не можем устанавливать такие детекторы на наземные телескопы. Когда-то Хаббл, например, использовал фотопластинки для регистрации видимого света от далеких звезд, но этот прием по указанной причине нельзя было использовать для рентгеновских лучей. Детекторы было необходимо «поднять» выше, то есть вынести за пределы атмосферы, и для этой цели подходили ракеты, которые к этому моменту уже были сконструированы и созданы в результате гонки вооружений, связанной со Второй мировой войной.

После войны некоторое количество немецких ракет типа «Фау-2» попало в распоряжении отдела по развитию науки и техники (American Science and Engineering Group). Поместив рентгеновские детекторы в носовую часть ракеты и осуществив запуск, ученые смогли впервые взглянуть на картину неба в рентгеновском диапазоне. Первым объектом исследования была выбрана двойная звездная система Скорпион X-1 c нейтронной звездой, обращающейся вокруг звезды обычного типа. Интенсивность рентгеновского излучения этого источника превышает соответствующую интенсивность излучения нашего Солнца в 100 млн раз. Новое окно во Вселенную было полностью открыто. В 1970 г. НАСА осуществило запуск первого спутника, специально сконструированного для проведения измерений рентгеновского излучения. Запуск бы проведен недалеко от кенийского города Момбаса, и в благодарность за помощь со стороны правительства Кении спутник получил название «Ухуру» (в переводе с суахили означает «Свобода»). Спутник позволил получить важную информацию о высокоэнергетическом излучении Вселенной и обнаружить более 300 источников излучения, включающих множество рентгеновских двойных, состоящих из потенциальной черной дыры и нейтронной звезды-партнера, так же как и рентгеновских пульсаров, которые располагались достаточно близко к нам, а некоторые — на достаточно больших расстояниях.

Исследования черных дыр с использованием рентгеновского излучения позволили ученым окончательно убедиться в правильности предлагаемой теории жизненного цикла звезд. За свои пионерские работы, приведшие к обнаружению космических источников рентгеновского излучения, Риккардо Джаккони (США) получил Нобелевскую премию по физике в 2002 г. Большое число космических миссий с аппаратурой разнообразного типа — оптическими камерами (космический телескоп «Хаббл»); инфракрасной техникой (инфракрасная орбитальная обсерватория IRAS; космический телескоп «Спитцер»; телескоп «Гершель»); детекторами рентгеновского излучения (германская космическая рентгеновская обсерватория ROSAT; телескоп Эйнштейна; спутник ASCA; рентгеновская многозеркальная миссия XMM-Newton) — позволяют нам глубже понять процессы роста и развития черных дыр, а также расширить познания о Вселенной, совершенствуя и повышая чувствительность используемых приборов.

Открытие и изучение нейтронных звезд, пульсаров и квазаров привело к полному признанию научной общественностью идеи реального существования черных дыр. Еще совсем недавно она казалась излишне радикальной, однако в наши дни множество представителей астрономического сообщества активно участвуют в изучении этих объектов и той роли, которую они играют в формировании галактик. Некоторые из моих исследований направлены на понимание образования черных дыр и их роста во Вселенной. В частности, меня лично очень интересует проблема возникновения самых первых черных дыр, а также механизмы, благодаря которым они позднее превращаются в «бегемотов», которых мы вдруг обнаруживаем «прячущимися» в центрах ближайших галактик. Идея, которую Чандрасекар когда-то предложил научному сообществу, сейчас стала общеизвестной научной парадигмой: самые первые черные дыры представляли собой подобие «трупов» самых первых звезд, которые сформировались во Вселенной. Эти черные дыры, образовавшиеся из остатков звезд (размеры некоторых из них в 10–50 раз превосходили наше Солнце), не должны были становиться столь огромными. Вопреки расчетам сейчас, через миллиарды лет после Большого взрыва, мы обнаруживаем множество квазаров, активно питающихся черных дыр, которые по массе превышают наше Солнце в миллиарды раз.

Каким образом эти крошечные образования, «зародыши» черных дыр за очень короткое время смогли превратиться в чудовищные, сверхмассивные объекты? Компьютерное моделирование показывало, что для наращивания массы им требовалось (при условиях, существовавших в ранней Вселенной) непрерывно поглощать пыль и газ в течение первых 2 млрд лет своей жизни.

Можем ли мы создать каким-либо образом очень массивные первоначальные возмущения, из которых выросли черные дыры? Многие исследователи задумывались над этими вопросами, пытаясь угадать возможный ход процессов раннего периода эволюции Вселенной. В этих поисках принимала участие и я. Вместе с коллегой Джузеппе Лодато мы разработали модель роста черной дыры и смогли показать, что сверхмассивные черные дыры на самом деле могли образоваться в процессе «получил-побежал» (get-go). Драматический процесс быстрой аккреции газа может приводить к образованию гораздо более крупных черных дыр в центрах ранних галактик, чем предполагалось в модели гибели обычной звезды. Астрономы назвали такие объекты черными дырами прямого коллапса. Обнаружилось, что условия ранней Вселенной действительно допускают формирование таких объектов, и я продолжала заниматься этой проблемой совместно с Мартой Волонтери в Парижском астрофизическом институте. Мы изучали процессы развития таких, условно говоря, «беззвездно» рожденных черных дыр. Нам удалось предсказать некоторые уникальные особенности сигнатуры ранних черных дыр, позволяющие проследить процессы их формирования на основании данных, получаемых с наземных телескопов и ожидающихся с предстоящей миссии НАСА космического телескопа имени Джеймса Уэбба, который планируется к запуску в 2018 г. Моя группа занимается также историей роста представителей еще одного, лишь недавно обнаруженного класса самых больших (недавно открытых так называемых ультра- или сверхмассивных черных дыр), чья масса превышает массу Солнца в десятки миллиардов раз, в близкой Вселенной. Обдумывая вопрос, могут ли черные дыры расти беспрепятственно и бесконечно, мы (совместно с Эзекилем Трейстером) теоретически предсказали существование верхнего предела массы, то есть значения, после которого черная дыра начинает ограничивать собственный дальнейший рост. Нам удалось предсказать существование в космосе таких «бегемотов» еще до их обнаружения астрономами. В нашей работе показано, что физические процессы, соответствующие процессам аккреции, могут ограничивать возрастание черных дыр и поэтому существует максимальный предел их роста во Вселенной.

Определение механизмов возникновения черных дыр является ключевым для понимания их роли в росте и светимости родительских галактик. Дело в том, что поглощаемый черными дырами газ одновременно служит исходным материалом для формирования звезд. Охлаждение газа является критическим условием процесса формирования звезд, поэтому рентгеновское излучение, возникающее при описанном поглощении в двойной системе, может иногда способствовать и нарушениям поступления газа в черную дыру, в результате чего (при некоторых условиях) нагрев газа может даже задерживать рост и формирование звезд. Интересно, что в последнее время наблюдения действительно подтвердили подавления роста звезд в галактиках. Детали взаимодействия черных дыр со своим окружением еще нуждаются в дополнительном исследовании, однако уже сейчас черные дыры можно рассматривать в качестве «силовых станций» Вселенной, которые способны существенно изменять состояние галактик, прекращая формирование новых звезд. Таким образом, эти невидимые агенты, само существование которых представлялось невероятным вызовом для астрономии всего 80 лет назад, вдруг оказались важнейшими участниками процессов формирования галактик. Черные дыры находятся буквально в центре всего, что нас окружает, и они создают новую «карту» нашего понимания процесса собирания галактик. Галактики в процессе роста сталкиваются друг с другом, и при этом неизбежно происходит столкновение их центральных областей, в результате чего черные дыры в конечном итоге сливаются. Астрономы следят за этими процессами, продолжая изучать отдельные особенности и характеристики процесса слияния черных дыр. При этих «предсмертных судорогах» сливающихся черных дыр должен возникать еще один тип нигде и никогда ранее не зарегистрированного излучения, а именно должны излучаться так называемые гравитационные волны. Такие волны — еще одно следствие ОТО Эйнштейна. Гравитационные волны являются, по существу, треморами в пространстве-времени, смещениями, которые генерируются, например, при объединении двух черных дыр. Возможность регистрации гравитационных волн зависит от длительности процессов слияния черных дыр, а также от условий соответствующего окружения области слияния (например, от того, окружена ли эта область газовым облаком или нет).

Многие астрофизики заняты расчетом дополнительных признаков, которые соответствуют процессам слияния черных дыр. Такие сигналы дополняют данные, получаемые при измерениях в других диапазонах спектра (рентгеновском, радиочастотном, видимом). Многое зависит от условий в районе столкновения. Сейчас в этой области работают многие исследователи, причем одновременно в двух направлениях. С одной стороны, ученые проводят теоретические расчеты протекающих процессов, а с другой — начинают реализовывать целевые программы по связанным с ними астрономическим наблюдениям для регистрации получаемых сигналов. Меня эта проблема интересовала лично, поскольку в таких исследованиях прекрасно и удивительно сочетаются теория и наблюдения. В одном из первых таких расчетов, проведенном еще в 2002 г., мне и Филипу Армитажу (из Колорадского университета в Боулдере) удалось показать, что слияние пары черных дыр, погруженных в облако газа, происходит быстро и может быть обнаружено с помощью гравитационных волн, которые они производят. Они могут быть зарегистрированы либо непосредственно, либо по изменениям в других областях спектра излучения. Тем самым открывается новый фронт исследований в физике черных дыр вообще. Ученые уже начали получать новые данные экспериментов в рамках проекта LIGO (Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория), а позднее данные его модернизированного варианта Advanced LIGO. Исследования в рамках этих проектов нацелены на регистрацию гравитационных волн в любой момент их возникновения при слиянии черных дыр. Гравитационное окно, которое, как ожидается, скоро откроется, предоставит еще один способ исследовать черные дыры в дополнение к уже существующим методам зондирования черных дыр в оптическом, рентгеновском и радиочастотном диапазонах.

История того, как черные дыры, возникшие где-то на границе карты научного познания, постепенно перебрались в центр этой карты, очень символична и поучительна, поскольку наглядно демонстрирует, каким образом новые инструменты позволяют реализовываться новым теоретическим представлениям. Однако черные дыры остаются лишь крошечной частью окружающего нас невидимого мира. Две другие его таинственные и невидимые сущности, управляющие Вселенной и определяющие ее судьбу, — темная материя и темная энергия — также остаются неуловимыми.