Говерт Шиллинг - Складки на ткани пространства-времени [Эйнштейн, гравитационные волны и будущее астрономии] [litres]

Неудивительно, что большинство физиков, включая самого Эйнштейна, сочли «метрику Шварцшильда» не более чем занятным математическим вывертом ОТО. Подобные курьезы не могут быть частью нашей физической реальности, не так ли? В конце концов, «допускается общей теорией относительности» далеко не равнозначно «существует в природе».

В 1934 г. Вальтер Бааде и Фриц Цвики предсказали существование нейтронных звезд (см. главу 6). Нейтронная звезда – это коллапсировавшее ядро массивной звезды, жизнь которой завершилась катастрофическим взрывом сверхновой. Как вы помните, она состоит из плотно упакованных нейтронов (незаряженных ядерных частиц). Фактически нейтронную звезду можно охарактеризовать как атомное ядро размером с мегаполис, и она, бесспорно, имеет ту же невероятную плотность, что и ядро атома.

Через пять лет после предсказания Бааде и Цвики физик-теоретик Роберт Оппенгеймер – впоследствии отец атомной бомбы – заявил, что слишком массивные нейтронные звезды не смогут противостоять гравитации. Нейтронная звезда массой около трех солнечных должна коллапсировать еще глубже – просто потому, что никакой известный закон физики этому не воспрепятствует. Фактически, по мнению теоретика, гравитационный коллапс никогда бы не прекратился. Согласно расчетам Оппенгеймера и его коллеги Харлана Снайдера, материя спрессовывалась все плотнее, в конечном счете образовав в пространстве область настолько мощной гравитации, что ее ничто не могло бы преодолеть.

Именно это и описывали Шварцшильд и Дрост в 1916 г.: бесконечные плотности, экстремальное искривление пространственно-временного континуума, попавший в ловушку свет и «поверхность» невозврата, где время для наблюдателя останавливается. Оппенгеймер и Снайдер назвали такие объекты «застывшие звезды». Термин «черная дыра» не использовался до 1960-х гг. Он впервые появился в репортаже американской журналистки Энн Эвинг в 1964 г. и был вновь введен в обиход Джоном Арчибальдом Уилером в 1967 г., через полстолетия после публикаций Шварцшильда и Дроста.

К этому времени астрофизики уже не могли игнорировать идею ЧД. Если ядро массивной звезды коллапсирует в нейтронную звезду (после прохождения стадии сверхновой), то ядро очень массивной звезды должно коллапсировать в ЧД. Тем не менее многие считали фантастикой существование этих таинственных объектов. Кроме того, если свет не может покинуть ЧД, значит, ее присутствие невозможно доказать путем наблюдений.

Прошло еще полвека, и все изменилось. За минувшие десятилетия астрономы обнаружили множество косвенных свидетельств существования ЧД. Сама ЧД невидима по определению. Но есть нечто, что мы можем наблюдать, – это влияние ЧД на ее окружение. Нельзя увидеть человека-невидимку, но он оставляет следы во дворе, а если сядет на вашу кровать, то сомнет простыни.

Вот как ЧД может выдать свое присутствие. Представьте двойную систему массивных звезд. Более тяжелая звезда эволюционирует быстрее, как объяснялось в главе 5. Она становится сверхновой; ее ядро коллапсирует в ЧД. На следующей стадии вторая звезда начинает раздуваться, превращаясь в гигант. ЧД, вращающаяся вместе с ней, засасывает внешние слои газа расширяющейся звезды. Прежде чем кануть в ЧД, газ собирается в тонкий вращающийся диск вокруг ЧД – так называемый аккреционный диск. Чрезвычайно горячий, он излучает рентгеновские лучи.

Именно это ученые обнаружили в 1971 г. Мощный источник рентгеновского излучения в созвездии Лебедя – Лебедь Х-1 – совпадал со звездой-сверхгигантом. Измерения доплеровского сдвига частоты показали, что звезда обращается с периодом 5,6 дня вокруг объекта более чем в 10 раз массивнее Солнца. Такой тяжелый второй объект двойной системы не может быть нормальной звездой, поскольку тогда он был бы виден в телескоп. Это не могла быть и нейтронная звезда, так как нейтронные звезды не могут быть массивнее Солнца более чем в три (примерно) раза. Наблюдаемое рентгеновское излучение свидетельствует, что массивный объект каким-то образом разогревает газ до температур во многие миллионы градусов. Единственное возможное объяснение – ЧД, окруженная раскаленным аккреционным диском.

Многие двойные системы, излучающие в рентгеновском диапазоне, в настоящее время считаются содержащими ЧД. Поскольку это остатки взорвавшихся звезд, они называются черными дырами звездной массы. Кроме того, астрономы открыли намного более крупные ЧД в ядрах галактик. Сверхмассивные ЧД могут иметь от нескольких миллионов до многих миллиардов солнечных масс. В большинстве случаев они выдают свое присутствие интенсивным высокоэнергетическим излучением, а также выбрасывают в пространство мощные джеты [91] Джеты или релятивистские струи – струи плазмы, вырывающиеся из активных ядер галактик. – Прим. ред. заряженных частиц. Такие активные ядра галактик называются квазарами. Источником излучения высоких энергий служит аккреционный диск ЧД. Джеты, по всей видимости, образуются мощными магнитными полями, хотя их происхождение пока остается туманным.

Сверхмассивные ЧД выдают себя еще и тем, что влияют на движение звезд вблизи ядра галактики. Распределение скоростей звезд в самой внутренней области галактики может свидетельствовать о наличии в центре очень массивного, очень компактного объекта. В 1984 г. измерения скоростей в ядре М32 (маленькой спутницы ближайшей к нам галактики Андромеды) привело к первому в истории открытию сверхмассивной ЧД. В нашей галактике Млечный Путь астрономы даже наблюдали, как отдельные звезды вращаются вокруг невидимого объекта массой около 4 млн солнечных. Это может быть только сверхмассивная ЧД – разумная альтернатива этому объяснению отсутствует.

Благодаря растущему комплексу косвенных свидетельств ЧД постепенно покинули темные закоулки спекуляций и научной фантастики и обосновались в чертогах общепринятой астрофизической реальности. Тем не менее регистрация гравитационных волн, образованных столкновением двух ЧД, была воспринята как долгожданное подтверждение их существования. Впервые было получено ясное сообщение природы, что черные дыры – они же черные звезды, метрики Шварцшильда, застывшие звезды, как ни называй, – являются неотъемлемой частью нашей Вселенной.

Это было весомое послание. При слиянии, породившем GW150914, энергия, эквивалентная не менее чем трем солнечным массам, высвободилась в форме волн Эйнштейна за крохотную долю секунды. Фактически столкновение ЧД стало одним из самых высокоэнергетических событий во Вселенной.

Прежде чем потрясти вас очередной серией астрономических больших чисел, отвечу на вопрос, возможно уже беспокоящий вас. Если ЧД являются областями пространственно-временного континуума, откуда ничто не способно вырваться, как они могут терять массу? Изначально две ЧД были в 36 и в 29 раз массивнее Солнца, но после слияния осталась ЧД массой в 62 солнечных. Как три массы Солнца могли освободиться от гравитационного захвата двух ЧД?