Артур Миллер - Империя звезд, или Белые карлики и черные дыры

В 1969 году английский астрофизик из Королевской Гринвичской обсерватории в Сассексе Дональд Линден-Белл использовал модель Солпитера и Зельдовича для изучения центра галактики. Он предположил, что массивная звезда, полностью сколлапсировавшая за горизонт событий, станет таким сильным источником гравитации, что втянет в себя все вокруг с образованием вращающегося диска. Это натолкнуло на мысль, что черные дыры тоже могут вращаться. Массивные звезды выбрасывают в пространство часть своей массы, становятся все меньше и вращаются все быстрее и быстрее. То есть черные дыры — это не просто место для умирающих звезд, но нечто, что имеет структуру, определенные физические свойства. В 1963 году 29-летний математик из Новой Зеландии Рой Керр предложил математическое описание вращающихся черных дыр. Защитив диссертацию в Кембридже, он работал в Техасском университете в Остине.

Керр применил общую теорию относительности к пространству и времени вокруг вращающегося сферического объекта, например звезды. Разработанная им методика измерения расстояния и времени в пространстве, искривленном этим объектом, называется метрикой Керра.

В повседневной жизни мы используем евклидову геометрию — ту, что изучали в школе. В ней пространство имеет три измерения [84]. В общей теории относительности используется метрика Керра, которая отражает структуру геометрии искривленного четырехмерного пространства-времени. Шварцшильд при решении уравнений общей теории относительности Эйнштейна использовал метрику, названную его именем, для описания свойств этого пространства-времени вокруг покоящегося (невращающегося) сферического объекта. В 1939 году Оппенгеймер и Снайдер пришли к выводу, что на самом деле это метрика для области вокруг покоящейся черной дыры. Таким образом, вращающиеся черные дыры называются черными дырами Керра, а невращающиеся — черными дырами Шварцшильда. Метрика Керра переходит в метрику Шварцшильда, если черная дыра не вращается.

Преимуществом решения Керра является то, что оно применимо ко всем возможным черным дырам. Оно просто, а потому красиво — в нем для описания каждой черной дыры требуется только два параметра, а именно ее масса и спин. Массу черной дыры (она равна массе звезды и захваченного ею вещества) несложно определить, когда черная дыра находится в двойной системе, а ее спин (количество оборотов в секунду) составляет тысячи оборотов, если дыра возникла в результате коллапса огромной звезды.

Но возможна ли такая простая классификация? Каждая вращающаяся и коллапсирующая звезда имеет разные характеристики поверхности. Однако после коллапса звезды за горизонт событий его поверхность всегда оказывается идеально гладкой — как речная поверхность после того, как камешек, брошенный вами, достигнет дна. Каждая физическая характеристика сколлапсировавшей звезды, вследствие мгновенной деформации пространства-времени, исчезает — за исключением ее массы и спина, — как улыбка Чеширского кота. Это поразительное открытие было сделано в 1960-х годах Я. Б. Зельдовичем и его группой. И снова Уилер нашел эффектный образ: «черные дыры не имеют волос». Независимо от того, как звезда прошла свой горизонт событий, она не оставляет никаких следов своей прежней индивидуальности.

Гипотеза космической цензуры Пенроуза вводит ограничения на массу черной дыры и скорость ее вращения. Если черная дыра вращается слишком быстро, то горизонт событий отдаляется от дыры, делая сколлапсировавшую звезду видимой, — но этого быть не может. Так что черные дыры, одни из самых массивных объектов во Вселенной, описываются элегантно и просто.

Осенью 1971 года Чандра взял творческий отпуск на три месяца, чтобы поработать в группе ученых, которую возглавлял ученик Уилера, профессор теоретической физики Калифорнийского технологического института Кип Торн. Торну был 31 год. Он уже несколько лет занимался черными дырами, и его группа была одной из ведущих в этой области астрофизики. Высокий, худощавый и жилистый, с длинными волосами и большой бородой, Торн излучал уверенность в своих силах. Он блестяще разбирался как в сложной математической теории черных дыр, так и в сугубо технических вопросах. Торн внушал своим ученикам, что «мы одна команда», и они обожали своего руководителя.

Торн тепло вспоминал Чандру. Всегда безукоризненно одетый, в строгом деловом костюме, Чандра с удовольствием ходил обедать вместе с Торном и его неряшливыми аспирантами в студенческую столовую «Жирная», предпочитая ее гораздо более престижному и знаменитому калтеховскому клубу «Атенеум», где бывал даже Эйнштейн. Чандра всегда приходил в свой офис ни свет ни заря, его двери всегда были открыты, и ученый был готов побеседовать с любым проходившим мимо астрономом.

Два аспиранта Торна, Уильям Пресс и Саул Тьюколски, однажды обратили внимание Чандры на работу Керра. Чандра был поражен ее математической красотой: «Самым большим впечатлением за все годы моей жизни в науке — а это более сорока пяти лет — было осознание того, что решение уравнений эйнштейновской общей теории относительности, полученное Керром, дает точное представление об огромном числе массивных черных дыр, разбросанных во Вселенной. Невероятное открытие, сделанное с помощью изящных математических операций, оказалось полностью соответствующим реальности, и это убеждает меня, что в красоте заключена высшая целесообразность природы, а человеческий разум способен откликаться на эту красоту, на ее самые глубинные и наиболее скрытые стороны».

Тьюколски продолжал поиски методов расчета взаимодействия вращающихся черных дыр с электромагнитными и гравитационными волнами. Гравитационные волны, возникающие при движении материальных объектов в пространстве, были предсказаны общей теорией относительности, но до сих пор в прямом эксперименте не наблюдались [85]. Разбираясь с проблемами Тьюколски, Чандра почувствовал возможность связи между структурой черных дыр, электромагнетизмом и гравитационными волнами. Тьюколски вспоминал, что Чандра настаивал на интенсификации поиска этой связи. Это побудило Чандру заняться одним из самых сложных вычислений за всю его научную карьеру. К тому времени отношение к черным дырам в научном сообществе полностью изменилось. Они уже не отвергались как уродливые, неуклюжие объекты, портящие гармонию Вселенной, а считались, как говорил Чандра, «самыми совершенными макроскопическими объектами».

5 августа 1971 года космический корабль «Аполлон-15» готовился стартовать с поверхности Луны. Астронавты уже прогуливались по Луне и выходили из космического корабля в открытый космос для проведения ремонтных работ. Во время полета они провели множество научных экспериментов. В тот день полковник Дэвид Скотт и его экипаж отслеживали источники рентгеновских лучей из космоса. Они определили быстрые нерегулярные вспышки рентгеновских лучей, идущих от звезды Лебедь X-1, удаленной от Земли на 32 тысячи триллионов километров и являющейся спутником голубого сверхгиганта HDE 226868 в созвездии Лебедя [86]. Их результаты дополнили наблюдения, сделанные в предыдущем году с американских спутников.