Кип Торн - Черные дыры и складки времени. Дерзкое наследие Эйнштейна

Всего за шестнадцать лет, начиная с ракет Джиаккони и до телескопа Эйнштейн (с 1962 по 1978 гг.), было достигнуто 300000-кратное улучшение углового разрешения, и произошел переворот в нашем понимании Вселенной. Рентгеновские лучи обнаружили для нас нейтронные звезды и кандидатов в черные дыры, горячий диффузный газ, окружающий галактики в гигантских скоплениях, и горячий газ в

остатках сверхновых и в коронах (внешней атмосфере) некоторых типов звезд, частицы высокой энергии в ядрах галактики и квазары.

* * *

Из всех кандидатов в черные дыры, открытых с помощью рентгеновских детекторов и рентгеновских телескопов, Cygnus Х-1 [созвездие Лебедя] (для краткости Cyg Х-1) является одним из наиболее достоверных. В 1974 г., вскоре после того как Cyg Х-1 был признан хорошим кандидатом, Стивен Хокинг и я заключили пари; я ставил на то, что это черная дыра, а он — что нет.

Кароли Уинстайн, которая стала моей женой через десять лет после заключения пари, была недовольна, узнав о том, что стоит на кону (подписка на Пентхаус для меня, если выигрываю я, и на журнал Прайвэт Ай для Стивена, если выигрывает он). Недовольны были также моя мать и сестры. Им, однако, не стоило беспокоиться, что я действительно выиграю подписку на Пентхаус (так я думал в 1980 г.); наше знание о природе Cyg Х-1 хотя и улучшалось, но очень медленно. В 1990 г. мне казалось, что мы могли быть уверены только на 95%, что это действительно черная дыра, но все же недостаточно, чтобы считать, что Стивен проиграл спор. Очевидно, Стивен оценивал свидетельства иначе. Поздно вечером в июне 1990 г., пока я был в Москве, работая вместе с советскими коллегами, Стивен в окружении семьи, медсестер 76 76 Стивен Хокинг, один из величайших ученых современности, почти полностью парализован и передвигается в кресле-каталке. [Прим, пер.] и друзей вломился в мой кабинет в Калтехе, нашел наше пари и сделал приписку о своей сдаче, скрепив ее отпечатком пальца.

Свидетельство того, что Cyg Х-1 содержит черную дыру, было как раз таким, как предвидели Зельдович и Новиков, которые предложили метод поиска. Cyg Х-1 является двойной звездой, состоящей из яркой в оптическом и слабой в рентгеновском диапазоне звезды, обращающейся вокруг рентгеновски яркой, но оптически темной компоненты. Измерения массы последней показали, что она слишком велика, чтобы быть нейтронной звездой, и потому, вероятнее всего, является черной дырой.

Свидетельства того, что именно такова природа Cyg Х-1, дались нелегко. Потребовались совместные серьезные усилия, предпринятые в разных странах мира в 1960-х и 1970-х годах сотнями физиков-экспе-риментаторов, астрофизиков и астрономов.

Среди физиков-экспериментаторов надо отметить: Герберта Фридмана, Стюарта Бойера, Эдварда Байрама и Талботта Чубба, открыв-

8.7. Слева: негатив фотографии, сделанной с помощью 5-метрового оптического телескопа в Маунт Паломар Джеромом Кристианом в 1971 г. Черные линии обозначают границы, в которых согласно данным Ухуру лежит Cygnus Х-1. Белый крестик обозначает положение радиовсплесков, полученное с помощью радиотелескопов, которое коррелирует с резкими изменениями рентгеновского излучения от Cyg Х-1. Крестик совпадает с оптической звездой HDE 226868 и, таким образом, идентифицирует спутника Cyg Х-1 в двойной системе. В 1978 г. рентгеновский телескоп Эйнштейн подтвердил идентификацию (см. рис. 8.6ж). Справа: версия художника системы Cyg Х-1 и HDE 226868, основанная на оптических и рентгеновских данных. [С разрешения журнала National Geographic]

ших Cyg Х-1 при запуске ракеты в 1964 г.; Харлея Тененбаума, Эдвина Келлога, Герберта Гурски, Стивена Мюррея, Этана Шриера и Рик-кардо Джиаккони, которые в 1971 г. с помощью Ухуру определили положение Cyg Х-1 с погрешностью не более двух угловых минут (рис. 8.7), и многих других, открывших и исследовавших мощные хаотические флуктуации потоков и энергии рентгеновских лучей, которые можно было бы ожидать от раскаленного турбулентного газа вокруг черной дыры.

Среди астрономов можно выделить: Роберта Хеллминга, Кема Вэйда, Люка Брайса и Джорджа Мили, открывших в 1971 г. всплески радиоволн в границах области нахождения Cyg Х-1, происходящие одновременно с гигантскими изменениями рентгеновского излучения (обнаруженными с помощью Ухуру) и, таким образом, зафиксировавших положение Cyg Х-1 с точностью до 1 угловой секунды (рис. 8.6г и 8.7); Луиса Вебстера, Пола Мурдина и Чарльза Болтона, которые с помощью оптических телескопов обнаружили, что видимая звезда HDE226868, расположенная на месте радиовсплесков, обращается вокруг массивного, оптически темного, но испускающего в рентгеновском диапазоне спутника (Cyg Х-1); и сотен других астрономов, проведших кропотливые оптические измерения HDE226868 и других окрестных звезд, измерения, необходимые для того, чтобы обойти различные ловушки при оценке массы Cyg Х-1.

Среди астрофизиков-теоретиков наибольший вклад в общие усилия внесли: Зельдович и Новиков, предложившие метод поиска; Богдан Пачинский, Йорам Авни и Джон Бокалл, разработавшие сложные, но надежные способы избежать ошибки при определении массы; Джеффри Барбидж и Кевин Прендергаст, которые поняли, что горячий, испускающий рентгеновское излучение газ должен образовывать вокруг черной дыры диск; а также Рашид Сюняев, Джеймс Прингл, Мартин Рис, Джерри Острайкер и многие другие, разработавшие детальные теоретические модели излучающего рентген газа и образующегося диска, для последующего сравнения с данными рентгеновских наблюдений.

К 1974 г. эти масштабные усилия привели примерно с 80%-ной достоверностью к следующей картине для Cyg Х-1 и его спутника, звезды HDE226868, которая изображена художником в правой части рис. 8.7. В общем, это была картина, которую предсказали Зельдович и Новиков, но с гораздо большим числом деталей. Черная дыра в центре Cyg Х-1 имеет массу определенно большую, чем три солнечные, возможно, даже большую, чем 7 Солнц, скорее всего, около 16, ее яркий в оптическом диапазоне, но темный в рентгеновском диапазоне спутник HDE 226868 имеет массу, вероятно, больше, чем 20 солнечных масс, скорее всего, около 33, и примерно в 20 раз больший, чем у Солнца радиус; расстояние от поверхности звезды до черной дыры составляет около 20 солнечных радиусов (14 миллионов километров). Эта двойная звезда находится от Земли на расстоянии примерно в 6000 световых лет. Cyg Х-1 является вторым по яркости объектом на рентгеновском небе, a HDE 226868, хотя и достаточно яркая по сравнению со многими другими звездами, видимыми в большие телескопы, все же слишком слаба, чтобы ее можно было видеть простым глазом.

В следующие два десятилетия после 1974 г. наша уверенность в этой картине для Cyg Х-1 возросла примерно с 80% до, скажем, 95% (это мои личные оценки). Наша уверенность не равна 100% потому, что, несмотря на предпринятые огромные усилия, какой-либо однозначной своеобразной «подписи» черной дыры в Cyg Х-1 обнаружено не было. Никакого сигнала, рентгеновского или светового, который бы выкликивал, недвусмысленно заявляя астрономам: «Я пришел от черной