Планетарий: Триумф гравитации

XX век принес с собой множество удивительных открытий в самых разнообразных областях человеческих знаний, причем большинство из них с трудом укладываются в наши обыденные представления об окружающем мире. К числу явлений, оказавшихся в центре внимания современной науки, относятся и черные дыры — объекты-невидимки, полностью поглощающие любые излучения и ничего не излучающие сами. Прежде чем обратиться к астрофизическим свойствам черных дыр, приглядимся внимательно к той природной силе, которая рождает загадочные объекты, — гравитации. Ведь черная дыра — это своеобразный триумф тяготения.

Гравитация — это сила, которая управляет всей Вселенной. Она держит нас на Земле, определяет орбиты планет, обеспечивает устойчивость Солнечной системы. Именно она играет главную роль при взаимодействии звезд и галактик, определяя, очевидно, прошлое, настоящее и будущее Вселенной. Она всегда притягивает и никогда не отталкивает, действуя на все, что видимо, и на многое из того, что невидимо. И хотя гравитация была первой из четырех фундаментальных сил природы, законы которых были открыты и сформулированы в математической форме, она все еще остается неразгаданной загадкой.

Ньютон открыл закон всемирного тяготения, в котором гравитация была описана как сила притяжения между всеми телами без исключения. Величина ее прямо пропорциональна массам взаимодействующих тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Закон всемирного тяготения наглядно иллюстрирует различные явления природы, в которых гравитация играет важную роль. С помощью этого закона можно не только объяснить движение небесных тел, но и разобраться в сложной проблеме строения и эволюции Солнца и звезд. Ученые пользуются этим законом для расчета траекторий космических аппаратов, времени стыковок на космических орбитах, запусков ракет.

Как действует этот закон, в принципе ясно, но вот причина, вызывающая притяжение масс, требует более глубокого понимания. Трудно себе представить, как ничем не связанные между собой планеты и звезды, удаленные друг от друга на гигантские расстояния, «узнают» о существовании друг друга. И сегодня, три столетия спустя после открытия гравитации, все еще не существует четкого понимания этого явления.

Процесс сжатия, при котором силы тяготения неудержимо возрастают, называется гравитационным коллапсом. Наше Солнце — шар, и если бы его внутреннее газовое давление не сопротивлялось действию тяготения, оно сжалось бы в точку всего за 29 минут! Вот насколько быстро гравитация расправляется со своими «жертвами», налагая при этом запрет на любые сигналы о состоянии коллапсирующего объекта, идущие наружу и несущие информацию. Посмотрим, почему это происходит.

Чтобы преодолеть силу притяжения небесного объекта и отправиться в космос, необходимо развить вторую космическую скорость, которая иначе называется скоростью убегания. Скорость убегания с поверхности объекта, имеющего достаточно большой радиус, невелика. Но если его радиус будет сокращаться под действием силы тяжести, величина скорости убегания будет расти и может достичь значения, равного скорости света, когда объект сожмется внутри некоторого критического радиуса, зависящего от начальной массы объекта. Объект исчезнет из видимой Вселенной для внешнего наблюдателя, так как его мощное поле тяготения не позволит излучению уйти с его поверхности.

Уже, исходя из теории тяготения Ньютона, можно предсказать возможность появления такого объекта, как черная дыра. В 1916 году Эйнштейн предложил принципиально новую теорию тяготения, названную Общей теорией относительности. Один из главных выводов этой теории — тесная связь между временем, пространством и распределением массы. Согласно Эйнштейну, пространство и время — это формы существования материи.

Исчезнет материя — исчезнут пространство и время. Масса изменяет геометрию пространства своей гравитацией. Геометрия пространства, ее изменение со временем, а также скорость течения самого времени зависят от распределения и движения материи в пространстве, которые в свою очередь зависят от его геометрии. Таким образом, геометрия пространства указывает материи, какие свойства она должна иметь, а материя указывает пространству-времени, как оно должно быть искривлено.

Любые массы искривляют пространство-время тем сильнее, чем больше эти массы. Когда большая масса вещества оказывается в сравнительно небольшом объеме, то под действием собственного тяготения это вещество будет неудержимо сжиматься и наступит катастрофа — гравитационный коллапс. В процессе коллапса растут концентрация массы и кривизна пространства-времени, и, наконец, в результате сжатия наступает момент, когда пространство-время свернется так, что ни один физический сигнал не сможет выйти из коллапсирующего объекта наружу и для внешнего наблюдателя объект перестанет существовать. Такой объект и называется черной дырой. Немало усилий было затрачено теоретиками, чтобы разобраться в особенностях геометрии пространства-времени, связанного с черными дырами.

Согласно современной теории эволюции звезд, «умирая», каждая звезда становится или белым карликом, или нейтронной звездой, или черной дырой. Белые карлики известны уже много десятилетий и долгое время считались последней стадией любой звезды, но затем были открыты пульсары, и астрономы признали реальное существование нейтронных звезд. Теперь же ученые задумались о возможности реального существования самого удивительного класса умирающих звезд — черных дыр. К середине 60-х годов астрофизикам удалось рассчитать подробно структуру звезд и ход их эволюции, и они поняли, что существование устойчивых «мертвых» звезд, масса которых больше трех солнечных, невозможно. А так как во Вселенной достаточно много звезд с очень большими массами, астрофизики стали всерьез обсуждать возможность существования черных дыр, рассеянных повсюду во Вселенной. Массивные звезды стареют очень быстро. В процессе всей своей жизни они теряют массу, то есть выбрасывают вещество в пространство. Как правило, эволюция таких звезд заканчивается  мощным взрывом — «вспышкой Сверхновой», в результате которой огромные облака звездного вещества выбрасываются в межзвездную среду. «Остаток» звезды сжимается под действием силы тяготения и может стать нейтронной звездой, то есть звездой, состоящей из вырожденного нейтронного газа. Именно внутреннее давление вырожденного газа противодействует силе гравитации и останавливает сжатие звезды. Однако если масса сжимающейся звезды превышает солнечную массу в 3 и более раз, никакая сила не может остановить процесс сжатия.

По мере сжатия напряженность гравитационного поля вокруг звезды все более нарастает. Теория Ньютона уже не может правильно описывать происходящие явления, и приходится обращаться к теории относительности Эйнштейна. В ходе нарастающего сжатия нарастает и искривление пространства-времени. Наконец, когда звезда сожмется до радиуса в несколько километров, пространство-время «свернется» и звезда исчезнет из видимой Вселенной, от нее останется только гравитационное поле — следовательно, произойдет рождение черной дыры.

Задача поиска и открытия черных дыр в космосе представляется на первый взгляд совершенно безнадежной, так как никакая информация, даже свет, не может вырваться с поверхности подобных объектов. Основной инструмент астрономов — телескоп бессилен в решении этой задачи. Но во Вселенной продолжает «жить» и действовать гравитационное поле черной дыры. Черная дыра поглощает световые лучи, проходящие вблизи нее, и отклоняет лучи, идущие на значительном расстоянии. Она может вступать в гравитационное взаимодействие с другими телами: удерживать возле себя планеты или образовывать двойные системы с другими звездами. Вещество, которое падает на черную дыру, разогревается до очень высоких температур и, прежде чем окончательно исчезнуть в черной дыре, выбрасывает во Вселенную интенсивное рентгеновское излучение.

Для поиска рентгеновских источников по всему небу в 1970 году на околоземную орбиту был запущен американский спутник «Ухуру», и с тех пор рентгеновские источники были открыты во многих двойных системах. В большинстве двойных систем, являющихся источниками рентгеновского излучения, масса невидимого компонента не превышает двух солнечных масс, а значит, это нейтронная звезда. Но некоторые объекты такого типа слишком массивны для нейтронных звезд. А потому предполагается, что в этом случае невидимым компонентом является черная дыра.

Первым кандидатом в черные дыры стал невидимый источник рентгеновского излучения Лебедь-X1, находящийся на расстоянии 8 000 световых лет от Земли. Видимый компонент этой двойной звездной системы — нормальная звезда с массой около 30 масс Солнца, а невидимый — с массой более чем 6 солнечных масс. А так как никакая нейтронная звезда не может содержать больше 3 масс Солнца, то отождествление Лебедя-Х1 с черной дырой представляется вполне вероятным. Но чтобы доказать, что это действительно черная дыра, в соответствии с теорией Эйнштейна, нужны детальные исследования процессов, происходящих в непосредственной близости от «горизонта событий».

Факт существования черных дыр очень важен для космологии, ведь он непосредственно свидетельствует о том, как Вселенная может скрывать большую часть своей материи.

Будущие космические миссии сосредоточат свое внимание главным образом на исследовании мощных супермассивных черных дыр в центрах галактик. Планируются также наблюдения и исследования так называемых джетов, выбрасываемых из окрестностей черных дыр в противоположных направлениях со скоростью, близкой к скорости света, и растягивающихся на миллиарды километров от черной дыры. Обсерватории, регистрирующие гамма-излучение, занимаются их исследованиями для того, чтобы понять механизм их образования. Предусматривается также спектроскопия очень высокого разрешения, которая, как надеются ученые, позволит измерить две основные характеристики черных дыр: массу и момент вращения. Еще планируется получение изображения в основаниях джетов в радиодиапазоне с очень высоким разрешением, что поможет выяснить, как «питаются» черные дыры и как создаются джеты.

Предполагается также создание новой рентгеновской космической обсерватории, более мощной, чем запущенная НАСА в 1999 году «Чандра», которая позволит разрешить «горизонт событий» супермассивных черных дыр в ядрах как близких галактик, так и Млечного Пути.

Людмила Князева, кандидат физико-математических наук