Тот поразительный факт, что черные дыры действительно существуют, открывался ученым на протяжении столетия, а окончательно широкую публику смогла убедить лишь Нобелевская премия, присужденная полгода назад за их открытие. Разобраться в деталях этого удивительного научного квеста нам помог выдающийся российский космолог академик Алексей Старобинский.

Фото №1 - Наука: познание тьмы

Британский физик и математик, нобелевский лауреат прошлого года Роджер Пенроуз изобрел способ, как получить пользу от черной дыры. Если черная дыра вращается, и если бросить камень особым образом, по касательной, и если он развалится вблизи дыры на два куска, то одна из частей вернется к вам с большей энергией, чем весь камень обладал до этого. Если черная дыра удачная, таким способом некая смекалистая сверхцивилизация смогла бы извлечь в виде энергии больше четверти ее массы. Когда человечество доберется до центральной черной дыры нашей Галактики, оно сможет таким способом обеспечить себя энергией на квадриллион квадриллионов лет (если, конечно, его энергетические потребности останутся на нынешнем скромном уровне).

Почему мы начали рассказ с этого странного факта? Потому что это один из немногих ответов на вопрос «Какая нам польза от этих дыр?!». До ближайшей к нам дыры не меньше тысячи световых лет, и в ближайшее время человечество вряд ли сможет ставить над ними подобные опыты.

Однако при этом черные дыры завораживают воображение, как, наверное, ни один объект на Земле или в космосе. Область пространства, откуда нет возврата. Место, где пространственные координаты превращаются во временные (причем после этого времени остается не так уж много: внутри дыры солнечной массы от пересечения горизонта событий до встречи с сингулярностью у вас будет в запасе одна миллионная секунды, и любые ваши телодвижения лишь ускорят эту встречу). Сгустки энтропии. Дыры в реальности.

Впрочем, из современной физики следует немало подобных завораживающих воображение конструкций. Кротовые норы в пространстве-времени, белые дыры, машины времени на основе космических струн, телепортация макрообъектов — все это, судя по всему, не противоречит уравнениям, выведенным теоретиками. Однако тут есть тонкость: одно дело не противоречить уравнениям, совсем другое — быть реальной частью истории Вселенной. На рубеже ХХ-XXI веков черные дыры прошли этот главный экзамен: дыры в мироздании не просто «могут быть» — они реальны.

Нет возврата

Термин «черная дыра» появился только в 1969 году с легкой руки физика Джона Уилера. Но о телах, притяжение которых не может преодолеть свет, еще в XVIII веке задумались Джон Мичелл и Пьер Симон Лаплас.

К тому времени физики уже измерили скорость света, массу Земли и Солнца. Знакомо им было и понятие второй космической скорости — с такой скоростью надо стартовать, чтобы улететь от небесного тела и не стать его спутником. Чем небесное тело массивнее и компактнее, тем сложнее от него улететь и тем больше вторая космическая.

Фото №2 - Наука: познание тьмы
Карл Шварцшильд получил решение уравнений Эйнштейна, когда служил артиллерийским офицером на Восточном фронте в годы Первой мировой войны

Мичелл и Лаплас решили занимательную задачу: каким должен быть радиус Земли или Солнца (при их настоящей массе), чтобы скорость освобождения для них превысила скорость света. Тогда, резонно считали классики, частицы света смогут лишь летать по замкнутым орбитам, не покидая их. Для удаленного наблюдателя такая звезда будет невидимой, почему Мичелл и назвал ее темной звездой.

Вряд ли теоретикам XVIII века могло присниться в страшном сне, что скорость света нельзя складывать со скоростью его источника или что тяготение влияет на геометрию пространства и на течение времени. Но даже не зная всего этого, они получили верную формулу. Чтобы Солнце стало гравитационной могилой, не отпускающей от себя свет, его требуется сжать до радиуса в три километра, а Землю — до сантиметра.

Это казалось шуткой. Какая сила может сжать планету до размеров коробка спичек? Ученые мужи с достоинством поправили парики и забыли о своих темных звездах более чем на столетие.

Вторым рождением черные дыры обязаны общей теории относительности (ОТО) Альберта Эйнштейна, которая, в сущности, упразднила те предпосылки, на которых строили свои рассуждения Лаплас и Мичелл. Однако в 1915 году Карл Шварцшильд, решая уравнения ОТО, выяснил любопытную вещь: массивное и компактное тело сворачивает вокруг себя пространство-время в компактный кокон. Шварцшильд вычислил радиус этого кокона (сейчас его называют гравитационным радиусом): по удивительному совпадению он оказался равным предельному радиусу темной звезды.

Поясняет Алексей Старобинский: «По существу, Шварцшильд нашел центрально-симметричное решение уравнений ОТО, и оказалось, что оно протягивается от бесконечности не до нуля, а до гравитационного радиуса. Из-за случайного совпадения коэффициентов этот радиус оказался таким, на котором вторая космическая скорость равна скорости света. Ничего фундаментального в этом совпадении нет, но оно соответствует наивной точке зрения, что свет не может уйти из-под горизонта событий черной дыры просто потому, что его скорости для этого недостаточно. Настоящий смысл решения Шварцшильда оставался неясным еще лет 50, и никто над ним серьезно не думал».

На самом деле, отличие черной дыры от темной звезды, да и любого другого классического объекта, огромно. Чтобы забросить с Земли камень в открытый космос, ему действительно надо придать вторую космическую скорость, но вам лично никто не запретит удаляться в космос — от Земли или от темной звезды Мичелла — с любой скоростью, хоть бы и 5 километров в час. Был бы двигатель да запас топлива. Не таково решение Шварцшильда: пересечь горизонт можно только снаружи внутрь. И не потому, что выбраться силенок не хватит, а просто потому, что после этого момента никакой «наружи» для вас больше нет — она так же недостижима, как прошлое.

Мы не знаем, как Шварцшильд представлял себе место во Вселенной, откуда нет возврата. Зато мы знаем, что свою статью он писал зимой 1915–1916 годов во фронтовом госпитале в России, смертельно больной неизлечимой болезнью. По нашему мнению, не многим дано испытать в жизни опыт, более близкий к погружению в черную дыру.

Даже на Эйнштейна статья Шварцшильда поначалу не произвела впечатления. Позже он отдавал должное автору за его математический дар, но ставил под сомнение приложимость выводов к практике: «Побудительной причиной его неиссякаемого творчества, по-видимому, в гораздо большей степени можно считать радость художника, открывающего тонкую связь математических понятий, чем стремление к познанию скрытых зависимостей в природе». Черные дыры всем казались лишь игрой ума. Ну в самом деле, откуда возьмется в мире объект такой чудовищной плотности?

Загробная жизнь звезд

Первый разумный ответ на этот вопрос предложили в 1939 году Роберт Оппенгеймер, Джордж Волков и Хартланд Снайдер. По мысли ученых, черные дыры — это своего рода посмертная стадия существования самых массивных звезд.

Поясним. Гравитация стремится как можно сильнее сжать вещество, превратить небесное тело в точку. Этого не происходит лишь потому, что сжатию противостоит давление, а главный источник давления в звезде — это ее излучение. Но когда в звезде заканчивается термоядерное топливо, заканчивается и излучение. Тогда «огрызок», который к тому времени остается от звезды, уже ничто не может удержать от сжатия.

Дальнейшая судьба небесного тела зависит от его массы: самые легкие звезды вроде Солнца превращаются в белые карлики, более тяжелые — в нейтронные звезды, но начиная с некоторого предела массы в природе просто не остается таких сил, которые могли бы противостоять гравитационному сжатию. Именно последний сценарий с некоторыми оговорками и рассмотрели Оппенгеймер, Волков и Снайдер.

Впрочем, это работа содержала множество допущений: например, остаток звезды непременно будет вращаться, а может ли вращаться черная дыра, в то время было непонятно. Вносить уточнения было некогда: двое из трех авторов занялись разработкой ядерной бомбы в рамках «Манхэттенского проекта». Так уж получилось, что познанием в ХХ веке человечество могло заниматься лишь в перерывах между мировыми войнами. Интерес к проблеме вернулся только в 1960-х.

Комментарий Алексея Старобинского: «Чтобы понять происхождение черных дыр звездной массы, надо было сперва построить теорию эволюции звезд, а это и сейчас до конца не сделано. Однако в 1960-х появились работы Чандрасекара о звездной эволюции, и из них следовало, что у нейтронных звезд есть предельная масса, около двух масс Солнца, а более массивные звезды должны коллапсировать. С другой стороны, были сделаны важные шаги в релятивистской теории: в 1963 году Рой Керр нашел решение для вращающихся черных дыр, и оно оказалось самым общим. Позже Роджер Пенроуз доказал, что внутри непременно возникает сингулярность. Одним словом, к 1970 году стало ясно, что решения, описывающие черные дыры, есть, и они общие. Это не значит, что эти дыры возникают повсюду — слава богу, как потом выяснилось, ближайшая к нам черная дыра находится на расстоянии нескольких килопарсек, — но, если их поискать, мы их найдем.

В 1976 году Яков Зельдович, Игорь Новиков и я написали популярную статью для журнала „Природа“, и там были такие слова: „Черные дыры переданы астрофизикам“».

Фото №3 - Наука: познание тьмы
Стивен Хокинг считал полученную им формулу температуры черной дыры своим высшим научным достижением и завещал начертать ее на своем надгробии

Свет из бездны

Что ж, раз так, астрофизики взялись за дело. Поскольку единственным возможным механизмом образования черных дыр в середине ХХ века виделся гравитационный коллапс потухших звезд, то именно такие дыры — звездной массы — имело смысл искать. Однако нашли нечто совершенно другое и неожиданное. Парадоксально, но «дыры мироздания», не отпускающие от себя свет, оказались самыми мощными источниками света во Вселенной.

В 1963 году Мартин Шмидт открыл квазары, которые в телескоп выглядят как очень слабые звездочки. Вскоре оказалось, что эти скромные огоньки отстоят от нас на расстояния, сравнимые с масштабами видимой Вселенной. А значит, их реальная светимость — десятки и сотни триллионов солнц. И вся эта мощь генерируется в радиусе всего нескольких световых дней. Для сравнения: в нашей Галактике всего несколько сотен миллиардов звезд, а ее диаметр составляет сто тысяч световых лет.

Что же представляют собой эти чудовищные светильники? Почти сразу после открытия квазаров Игорь Новиков, Яков Зельдович и Эдвин Солпитер предложили гипотезу, которая сегодня считается установленным фактом: квазары — это сверхмассивные черные дыры, на которые падает плотный поток вещества.

Фото №4 - Наука: познание тьмы
Сегодня астрономы уверены, что черная дыра есть в центре практически каждой галактики

Что значит «сверхмассивные»? Так можно называть черные дыры с массой больше миллиона солнечных. Разумеется, такие гиганты не образуются из звездных остатков по тому единственному механизму, который к этому моменту предложили астрофизики, — настолько больших звезд не бывает. Механизм их образования неизвестен до сих пор.

Как черная дыра, космическая невидимка, превращается в пылающий маяк, видимый через всю наблюдаемую Вселенную? Все дело в падающей на нее материи. Гравитация закручивает это вещество в диск, вращающийся вокруг своего сверхмассивного хозяина с огромной скоростью (вблизи горизонта событий она сравнима со световой). Трение разогревает его до сотен миллионов градусов. Каждый килограмм вещества, попавший в эту адскую топку, дает огромную энергию — порядка десяти процентов от сакраментального «эм цэ квадрат», теоретического предела, который вообще можно выжать из материи. При этом материя раскаляется задолго до того, как пересечет горизонт событий, потому испущенные ею лучи и достигают земных телескопов. Далеко не каждая черная дыра настолько плотно наедается веществом, чтобы стать квазаром, однако именно наблюдение за квазарами заставило задуматься о существовании таких дыр.

Говорит Алексей Старобинский: «Откуда берутся сверхмассивные черные дыры? Они могут, к примеру, возникать из начальных неоднородностей вещества на ранних стадиях эволюции Вселенной, в том числе и на инфляционной стадии. Я сам над этим работал, можно предложить механизмы, но проблема одна: доказать, что черная дыра, которую мы видим, действительно первичная, а не вторичная. Это было бы легко сделать, если бы мы открыли черные дыры с массой меньше солнечной, потому что звездная эволюция ничего такого дать не может. Но этого пока нет, а потому такую гипотезу нельзя считать доказанной, хотя и нельзя отвергнуть».

Сейчас астрономы считают, что сверхмассивная черная дыра есть в центре каждой крупной галактики. Именно такой объект и стал первой официально признанной черной дырой. Находится он в нашей собственной галактике Млечный Путь и называется Стрелец, А* (по названию зодиакального созвездия, где его можно было бы увидеть, не закрывай его от нас облака космической пыли). Этот компактный и очень яркий источник разных излучений, от радиоволн до рентгеновских лучей, был открыт Брюсом Баликом и Робертом Брауном в 1974 году.

Доказать, что Стрелец, А* — сверхмассивная черная дыра, было не так уж просто: этого удалось достичь лишь в начале 2000-х.

Рассказывает Алексей Старобинский: «Увидели это дедовским способом, так же, как за 300 лет до этого измерили массу Солнца: путем наблюдения за орбитами небесных тел. Существует звезда S2, орбита которой проходит очень близко к объекту Стрелец, А*. За ее движением наблюдали две группы астрономов, которые возглавляли Райнхард Генцель и Андреа Гез. Генцель смотрел 27 лет, Гез — 22 года. За это время звезда совершила почти полтора оборота по орбите. Два года назад она прошла перицентр, то есть приблизилась к объекту Стрелец, А* ближе чем на 120 астрономических единиц (это всего в четыре раза дальше, чем радиус орбиты Плутона). При этом радиус горизонта для объекта такой массы очень должен быть очень велик и составлять 0,1 астрономической единицы».

Фото №5 - Наука: познание тьмы
Нобелевские лауреаты 2020 года Райнхард Генцель и Андреа Гез доказали, что в центре Млечного Пути есть черная дыра. За четыре десятилетия до этого третий нобелиат, Роджер Пенроуз, показал, что дыры могут существовать в реальности

Собственно, это наблюдение и развеяло последние сомнения. Объект таких размеров и такой массы, 4 миллиона солнечных, не может быть ничем иным, как черной дырой. В 2008 году обе группы астрономов сообщили об этом в статьях, а в 2020-м Генцель и Гез удостоились за свою работу Нобелевской премии, которую они и разделили с Пенроузом.

Наши ближние

Существование черных дыр в миллионы и миллиарды звездных масс ниоткуда не следовало, однако они, как оказалось, есть в каждой галактике. Но как же быть с «обычными» дырами, про которые астрофизики, по крайней мере, знали, откуда они могли бы взяться? Их открытие принесла, едва зародившись в середине 1960-х, рентгеновская астрономия.

Объясняет Алексей Старобинский: «Рентгеновские источники стали первыми кандидатами в черные дыры. Откуда берется это рентгеновское излучение? Это объекты в составе двойных звездных систем — массивная звезда и черная дыра, вращающиеся вокруг друг друга. Звездное вещество захватывается черной дырой, падает на нее, разогревается и светится в рентгеновском диапазоне. Сейчас запущен российско-германский телескоп „Спектр-Рентген-Гамма“, и число зарегистрированных им источников приближается к миллиону, причем существенная их часть — черные дыры в составе двойных систем. Мы больше не сомневаемся, что такие объекты есть».

Удивительно, что первый же детально исследованный космический источник рентгеновских лучей Лебедь X-1, расположенный в созвездии Лебедя и открытый еще в 1964-м, стал первым кандидатом в черные дыры звездной массы, и сейчас его «чернодырный» статус практически не вызывает сомнений. Лебедь Х-1 — двойная система из черной дыры массой примерно в 15 солнечных и звезды, голубого гиганта, в 20 солнечных масс, расположенных друг от друга ближе, чем Меркурий от Солнца. Этот завораживающий космический аттракцион находится от нас на расстоянии 6000 световых лет. Для сравнения: до черной дыры в центре Галактики от нас 25 800 световых лет.

Точки над «I»

В науке между фактом и почти фактом — огромная дистанция. На рубеже тысячелетий большинство астрономов были практически уверены, что черные дыры существуют, но лишь наступившее столетие стало временем решающих доказательств.

После открытия в 2008 году черной дыры в центре Галактики следующий успех пришел в 2015-м, когда были зарегистрированы гравитационные волны от слияния черных дыр.

Алексей Старобинский: «В XXI веке возник новый способ изучения черных дыр — с помощью гравитационно-волновой астрономии. Прибор состоит из двух зеркал, расстояние между которыми с большой точностью измеряется с помощью лазера. Гравитационные волны, испускаемые при слиянии черных дыр, изменяют геометрию пространства, а значит, и расстояние между зеркалами. То, что наблюдали исследователи, отлично описывается теорией: большинство событий — это слияние черных дыр в составе двойных систем. Мы видим, как две черные дыры вращаются вокруг друг друга по почти кеплеровской орбите, за исключением самой последней стадии перед слиянием, постепенно теряют энергию в виде гравитационных волн и в конце концов сливаются. Новым для астрономов оказалось только то, что типичная масса таких черных дыр — около 30–50 солнечных, а не 10, как ожидалось. Предстоит еще подумать о том, откуда взялись такие массивные звезды.

Все, что мы видим, происходит очень-очень далеко. Ни в нашей Галактике, ни даже в Туманности Андромеды ни одного такого события наблюдать не удалось. Речь идет о расстояниях от 100 до 1000 мегапарсек, тогда как до ближайшего сверхскопления галактик в созвездии Девы от нашей „местной группы“ всего 10 мегапарсек».

Регистрация гравитационных волн была отмечена особой нобелевской премией в 2017-м. Наконец, в 2019 году достигнут последний потрясающий успех. Астрономы объединили в единую сеть восемь радиотелескопов, разбросанных по разным континентам. Будь эта система оптическим телескопом, она позволила бы из Москвы читать газету, раскрытую во Владивостоке.

С помощью такого инструмента исследователи заглянули в сердцевину галактики М87 . Изображение было настолько подробным, что впервые позволило разглядеть не только яркий диск вещества, падающего на черную дыру, но и саму виновницу торжества в его центре. Говоря точнее, астрономы увидели так называемую тень черной дыры, которая образуется из-за воздействия ее гравитации на фотоны.

Фото №6 - Наука: познание тьмы
Изображение черной дыры в центре галактики М87: видна «тень» горизонта событий, образующаяся из-за действия гравитации на фотоны

Кстати, черная дыра в М87 в тысячу раз тяжелее (и больше), чем наш Стрелец, А*. Если смотреть с Земли, их угловые размеры примерно одинаковы, и астрономы пытались разглядеть и запечатлеть оба эти объекта. Увы, наша родная черная дыра оказалось застенчивой, и получить ее изображение помешали облака пыли. А вот фото ее «сестры» из соседней галактики облетело научно-популярные СМИ.

Парадоксы и перспективы

Даже далекие от физики люди слышали, что существование черных дыр порождает парадоксы. При этом сам факт, что из-под гравитационного радиуса нет пути назад, не более парадоксален, чем банальные утверждения «человек смертен» или «прошлого не изменишь». На самом деле, парадоксы возникают не в самой теории Эйнштейна, а на стыке этой теории и квантовой механики. Например, куда-то девается информация об угодивших в черную дыру материи и излучении, а квантовая механика такой потери не допускает.

Алексей Старобинский реагирует на упоминание о парадоксах сдержанным смешком: «Если буквально, можно сказать, наивно применять аксиомы квантовой механики, то возможно прийти к выводу, что информация вроде бы должна сохраняться, а потому вокруг горизонта событий возникнет огненная стена — слой частиц с планковской (то есть очень высокой) энергией. Однако ничего подобного при слиянии черных дыр мы не наблюдаем. Мы не видим ни высокоэнергетичных частиц, ни незатухающего сигнала гравитационных волн после момента слияния. Я специально спрашивал об этом тех, кто участвует в экспериментах. А вот некоторые теоретики все это видят, поскольку берут чужие экспериментальные данные, но не чувствуют, какой колоссальной работы над погрешностями измерений требует правильная обработка этих данных. Я бы сказал, что парадоксы возникают, только если квантовую механику применять к тому, что происходит вокруг черной дыры, мягко говоря, немножко тупо».

Может ли изучение черных дыр принести физике что-то еще, кроме очередного — с огромной точностью — подтверждения правоты Эйнштейна? Старобинский надеется, что да: «Сейчас астрономия большей частью работает на себя, но кое-что от нее может перепасть и фундаментальной физике. Открытие черных дыр разнообразной массы — это похоже на описание все новых видов животных в биологии: все это остается в рамках фундаментальных представлений. Мы лишь подтверждаем ОТО в том, что касается гравитации, и Стандартную модель с точки зрения физики элементарных частиц. Однако при этом астрономия четко говорит нам, что существует темная материя. Мы не знаем, из чего она составлена. Хотя наиболее популярная гипотеза — наличие новых частиц вне Стандартной модели; существует теоретическое предсказание, что частично она может состоять из первичных черных дыр. Предсказан даже диапазон их масс — порядка массы астероида. Такие черные дыры можно искать, но пока их не нашли.

Сухой остаток таков: на сегодняшний день новые астрономические открытия лишь подтверждают фундаментальную физическую картину мира. Хотелось бы, конечно, сказать: „Ага! Наши представления оказались неправильными!“ Но пока этого не произошло».

Фото №7 - Наука: познание тьмы
Изображение черной дыры Гаргантюа из фильма «Интерстеллар» создано на основе расчетов нобелевского лауреата Кипа Торна

Нельзя исключать, что именно будущие исследования черных дыр принесут ученым это самое долгожданное «Ага!», открывающее неведомые горизонты новой физики, и те практические возможности, которые она даст человечеству. Если это произойдет, никто уже не сможет назвать черные дыры бесполезной игрушкой для ума. Нам остается лишь дождаться новых сюрпризов от этого удивительного природного объекта. А пока этого не произошло — с восхищением оглянуться на тот путь познания, который уже остался позади.

ФОТО: CXC / M. WEISS, ESO / EHT COLLABORATION, ESO, MATTHIAS BALK (1) / DPA, DANNY LAWSON (1) / PA WIRE / ТАСС; ELENA ZHUKOVA (1) / UCLA

Материал опубликован в журнале «Вокруг света» № 1, февраль 2021