«Если», 1999 № 01-02 - Рауль Кабеза Де Вака

В 1783 г. профессор Кембриджского университета Джон Митчелл представил Лондонскому Королевскому обществу — английской Академии наук — работу, в которой доказывал, что если существуют достаточно массивные и компактные звезды, то испускаемые ими лучи света не смогут преодолеть их гравитационного поля и будут втянуты обратно к звездной поверхности. Митчелл исходил из теории Ньютона, который считал, что свет состоит из корпускул (по современной терминологии — фотонов) и, следовательно, должен испытывать отклонение от прямолинейного направления в поле силы тяжести.

Для своих расчетов Митчелл использовал те же самые формулы классической механики Ньютона, с помощью которых сегодня рассчитывают первую и вторую скорости космических кораблей. Корабль, которому сообщена первая из этих скоростей (8 километров в секунду), превращается в искусственный спутник Земли, а получивший вторую космическую скорость (11 километров в секунду), навсегда покинет сферу притяжения нашей планеты.

Очевидно, такую звезду, которая оказывается не в состоянии испускать свет, не сможет увидеть ни один внешний наблюдатель. Очень удачное название для такого невидимого объекта — черная дыра — предложил в 1969 г. американский астрофизик Джон Уилер.

Через несколько лет после Митчелла аналогичные расчеты выполнил французский ученый Пьер Лаплас, включивший их в свою знаменитую книгу «Система мира». Однако из последующих изданий своей книги упоминание об этой идее он исключил. Понять Лапласа можно: к тому времени принадлежащая Ньютону корпускулярная теория света утратила популярность. Верх одержала теория Гюйгенса, согласно которой световые лучи имеют волновую природу. А то, что гравитационные силы должны действовать на волны, из теории Гюйгенса не следовало. В результате идея Митчелла была позабыта почти на двести лет.

Положение мало изменилось, даже когда была создана теория относительности Эйнштейна. Согласно этой теории, скорость света при любых условиях остается постоянной — 300 тысяч километров в секунду. Ракета, взлетевшая с поверхности Земли и не набравшая первой космической скорости, будет замедляться до тех пор, пока снова не упадет обратно. Иное дело кванты света — фотоны, их скорость измениться не может. Как же тогда гравитация способна воздействовать на свет?

Чтобы понять механизм возникновения черных дыр, надо вспомнить, как рождаются и живут звезды. Образуются они внутри космических газовых облаков. Если масса вещества в этом облаке превышает критическую величину, которая определяется теорией гравитации Ньютона, то все атомы в этом облаке начинают падать к его центру. Так возникает протозвезда.

При сжатии облака потенциальная энергия его атомов в поле сил гравитации переходит в кинетическую, и температура газа быстро возрастает. Начиная с некоторого порога, величина температуры и плотности газа возрастают настолько, что в нем вспыхивает термоядерная реакция — происходит синтез гелия из ядер водорода. Но согласно формуле Эйнштейна Е = mс2, часть вещества при этой реакции превращается в энергию. В недрах нашего Солнца, например, за одну секунду в энергию превращается около 4 миллионов тонн водорода. Солнцу этой энергии хватит еще на миллиарды лет спокойного существования.

У других звезд иная судьба. Если масса звезды в десять раз превышает солнечную, то ее светимость будет в тысячи раз больше, и, следовательно, она намного быстрее израсходует свой запас водорода. Что ждет ее дальше?

Если масса звезды, в недрах которой закончилось ядерное топливо, превышает массу Солнца на 25 %, то она будет сжиматься до тех пор, пока ее плотность не достигнет 108 — 109 кг/м3. Это очень высокая плотность — наперсток с таким веществом весил бы на Земле несколько тонн. Такие звезды имеют небольшой размер и называются белыми карликами. У самой яркой звезды нашего неба Сириуса есть такой спутник. Судьба более массивных звезд, в недрах которых прекратилась термоядерная реакция и обусловленные ею высокие температуры и давление не могут больше противостоять гравитационным силам сжатия, еще более драматична. Сила сжатия достигает такой величины, что протоны сливаются с электронами, превращаясь в нейтроны, лишенные электрического заряда. Возникает нейтронная звезда. Ее средний радиус всего 10 км, а плотность 1018 кг/м3 — наперсток с такой плотностью потянул бы в земных условиях на несколько миллиардов тонн!

Продолжая вращаться вокруг своей оси, такая звезда испускает электромагнитное излучение в радио-, оптическом и рентгеновском диапазонах. А поскольку поверхность ее не вполне однородна, ее излучение пульсирует — в некоторых случаях с периодом порядка сотых долей секунды.

Когда в 1967 г. первая из таких звезд была обнаружена английской обсерваторией Джодрел-бэнк в Кембридже, то наблюдавшие ее Д. Белл и Э. Хьюиш первоначально подумали, что им удалось принять сигналы от внеземной цивилизации. Удостоверившись в естественном происхождении импульсов излучения, они назвали их источник пульсаром. И лишь потом теоретики отождествили пульсар с предсказанным ранее объектом — нейтронной звездой.

В 1916 г. немецкий физик-теоретик Карл Шварцшильд исследовал решения общей теории относительности, незадолго до этого опубликованной Эйнштейном. Ему удалось показать, что если тело массой М сжать в сферу, радиус которой меньше некоторой критической величины, то пространство-время вблизи этого радиуса искажается настолько сильно, что свет не может покинуть эту сферу. Позднее эту критическую величину назвали радиусом Шварцшильда. Четырехмерное пространство-время, замкнутое в сфере с таким радиусом, удерживает внутри себя материальные объекты и сигналы любой природы, ничего не выпуская наружу. Область пространства, ограниченную радиусом Шварцшильда, вторично открытую на кончике пера, ученые и назвали черной дырой.

Как только степень сжатия угасающей звезды достигает шварцшильдовского радиуса, она должна исчезнуть для внешнего наблюдателя. Эту границу черной дыры назвали горизонтом событий — никакие сведения о том, что происходит за этой чертой, не могут поступить к внешнему наблюдателю.

Любой внешний объект, достигнувший этой границы, никогда уже не сможет вернуться назад. Его ожидает вечное падение к центру черной дыры. Горизонт событий — граница, которая имеет всего одну сторону.

Теоретически в черную дыру может превратиться любой объект. Например, для звезды с массой нашего Солнца радиус Шварцшильда равен 3 км, а для гипотетического астрофизического объекта с массой Земли — всего 1 см. Плотность вещества такого «землеподобного» объекта оказалась бы чудовищно большой — Ю30 кг/м3! И неудивительно: чтобы уравновесить наперсток с таким веществом, на весы пришлось бы положить саму Землю.