Майкл Уайт - Стивен Хокинг. Жизнь среди звезд

Однако искатели черных дыр сталкиваются с тем, что недостаточно просто определить источник рентгеновских лучей в бинарной системе. И белые карлики, и нейтронные звезды тоже достаточно компактны и обладают довольно сильной гравитацией, которой хватает на то, чтобы отрывать вещество компаньона и притягивать к себе, что создает раскаленные участки, излучающие в рентгеновском диапазоне.

Несколько первых двойных рентгеновских источников и в самом деле можно было отождествить как белые карлики, поскольку орбитальная переменность показала, что их масса значительно меньше полутора масс Солнца, так что волноваться не о чем. Однако первые исследования рентгеновского излучения в начале 1970-х выявили четыре весьма вероятных кандидата на роль черных дыр. Первое исследование показало, что все они были рентгеновскими источниками в бинарных системах – маленькими, энергичными, компактными объектами, которые вращаются вокруг нормальных звезд. Дальнейшие, более подробные исследования позволили исключить три кандидатуры. У одного объекта масса была в 2,5 раза больше солнечной, и он, скорее всего, должен был оказаться нейтронной звездой. У другого масса составляла три солнечных – многовато для нейтронной звезды, но все же мало для черной дыры. У третьего масса была всего две солнечных. Зато масса четвертого, по оценкам, составляла восемь-десять солнечных.

Называется этот источник Лебедь X-1. Нужно очень постараться, чтобы придумать, что это такое, если не черная дыра. Например, некоторые астрономы предположили, что невидимый компаньон в этой бинарной системе состоит из двух звезд – тусклой и потому невидимой обычной звезды массой в шесть солнечных, которая, в свою очередь, вращается вокруг нейтронной звезды массой в две солнечных. Однако все подобные надуманные объяснения рушатся под натиском очень симпатичного аргумента, что самое лучшее объяснение обычно самое простое. Мы окончательно доказали бы, что в системе Лебедь Х-1 есть черная дыра, только если бы прилетели туда и посмотрели, однако накопленные за двадцать лет данные убедили большинство астрономов, что наши предположения правильны, и сегодня все согласны, что Лебедь Х-1 с вероятностью 95 % представляет собой первую открытую человеком черную дыру. Известно и несколько других многообещающих кандидатур, что подкрепляет нашу точку зрения: едва ли в нашей галактике есть всего одна черная дыра, которую мы можем зарегистрировать.

Определение природы Лебедя Х-1 как черной дыры стало поводом для знаменитого пари, которое позволяет по-новому взглянуть на характер Хокинга. Хокинг, уже признанный специалист по черным дырам, поспорил с Кипом Торном из Калтеха, что в системе Лебедь Х-1 нет черной дыры. По условиям спора, если этот источник окажется черной дырой, Хокинг подарит Торну годовую подписку на «Penthouse», но, если будет доказано, что это не черная дыра, Торн подарит Хокингу четырехлетнюю подписку на сатирический журнал «Private Eye». В июне 1990 года Хокинг решил, что данные однозначно свидетельствуют, что он проиграл, и честно подарил Торну, что обещал, но не просто так: Хокинг есть Хокинг, поэтому он не упустил случая пошалить и попросил приятеля забраться в кабинет Торна в Калтехе и найти там документ с записью условий пари, после чего бумагу доставили Хокингу, и он официально «подписал» акт о своем поражении отпечатком пальца, а затем документ подбросили обратно Торну, и он впоследствии его нашел. В течение следующего года Торн регулярно получал обещанные выпуски «Penthouse».

То, что подписки были на разный срок, объясняется просто разной стоимостью журналов. Но почему Хокинг утверждал, что Лебедь Х-1 – не черная дыра? Сам он говорил, что это страховка. Если черных дыр не существует, значит, он большую часть своей научной карьеры занимался ерундой – так хоть спор выиграет, и то утешение. С другой стороны, проиграть в споре он мог лишь в том случае, если все, что он думал о черных дырах, правда, поэтому был бы рад хоть чем-то утешить Торна.

С точки зрения большинства астрономов, Хокинг чересчур осторожничал, когда так долго тянул с оплатой; по их мнению, он проиграл еще несколько лет назад, поскольку уже тогда не было никаких сомнений, что Лебедь Х-1 – черная дыра. А поскольку черные дыры существуют, исследования их свойств, которыми занимался Хокинг в начале 1970-х, следует причислять к важнейшим научным работам за всю историю. Залогом успеха его трудов стало не только частичное объединение общей теории относительности с квантовой теорией, но и привлечение к задаче величайшего достижения науки XIX века – термодинамики.

Подобно тому как Хокинг и Пенроуз продемонстрировали, что чем ближе к началу времен, тем проще – а не сложнее – становится физика Большого Взрыва, в конце 1960-х другие исследования показали, что процесс коллапса черной дыры гораздо проще, чем коллапс объектов, из которых они возникли. В принципе, черную дыру можно сделать из чего угодно: сжать Землю в горошину, наваливать металлолом в кучу, пока гравитация не возьмет верх, или смотреть, как звезда гораздо тяжелее Солнца проходит свой жизненный цикл, взрывается и погибает. Но как ни делай черную дыру, в результате все равно получится сингулярность, окруженная идеально сферическим горизонтом, размер которого (площадь поверхности) зависит исключительно от массы черной дыры, а не от вещества, из которого она изготовлена.

Этот принцип создания черных дыр сформулировал в 1967 году уроженец Канады Вернер Исраэль. Когда Исраэль вывел уравнения, то подумал, что поскольку черные дыры должны быть сферическими, из уравнений следует, что схлопнуться в черную дыру может лишь идеально сферический объект. Однако Роджер Пенроуз и Джон Уилер обнаружили, что объект, коллапсирующий в черную дыру, излучает энергию в виде гравитационных волн – ряби на самой ткани пространства-времени. И чем неправильнее форма объекта, тем стремительнее он испускает энергию, а в результате излучения все неправильности будут сглажены. Таким образом, Пенроуз и Уилер показали, что любой коллапсирующий объект к моменту превращения в черную дыру имеет идеально сферическую форму. Единственное, что может повлиять на вид горизонта, окружающего дыру, помимо количества вещества внутри него, – это вращение. Если черная дыра не вращается, она идеально сферична, а если вращается, то сплюснута с полюсов.

Поэтому к началу 1970-х годов было установлено, что черная дыра может вращаться, но не может пульсировать (Хокинг тоже внес небольшой вклад в эту работу). Размер и форма черной дыры зависят исключительно от ее массы и скорости вращения, а у ее горизонта – у всего, что мы видим из внешней Вселенной – нет никаких особенностей, которые указывали бы на то, из чего она состоит. Физики прозвали отсутствие характерных черт «теоремой об отсутствии волос». У черной дыры нет волос в том смысле, что у нее нет никаких характерных черт, а поскольку мы можем выяснить лишь два ее параметра – массу и скорость вращения – задача математического изучения черных дыр оказалась значительно проще, чем опасались ученые.