Действительно ли ученые обнаружили черные дыры?

ПОХОЖЕ на научную фантастику — некогда яркие, ныне невидимые звезды, сокрушенные собственной гравитацией, пленяющие все, даже собственный свет. Многие астрономы считают, что такие черные дыры во Вселенной — обычное явление. Хотите познакомиться с ними поближе? Все началось в красивом северном созвездии, называемом созвездием Лебедя.

Неужели Лебедь X-1 — черная дыра?

Начиная с 1960-х годов внимание астрономов привлекает одна область в созвездии Лебедя. Орбитальные обсерватории, выведенные за пределы земной атмосферы, зафиксировали мощный источник рентгеновских лучей, исходящих из этой области; ее назвали Лебедь X-1.

Уже много лет ученым известно, что чем горячее объект, тем больше энергии он излучает в диапазоне коротких электромагнитных волн, обладающих большой энергией. Если в раскаленной печи разогревать железный образец, то вначале он тускло засветиться красным светом, затем пожелтеет и, по мере нарастания температуры, начнет белеть. В этом смысле звезды похожи на железные образчики. Относительно холодные звезды, с температурой порядка 3 000 K, имеют красноватый оттенок, а у желтых звезд, подобных нашему Солнцу, температура на поверхности близка к 6 000 Ka. А чтобы получить рентгеновское излучение, подобное испускаемому Лебедем X-1, газ, из которого состоят звезды, придется разогреть до миллионов кельвинов. Ни одна звезда не имеет такой температуры на поверхности.

В районе Лебедя X-1 ученые обнаружили звезду, температуру поверхности которой оценили в 30 000 K — что и говорить, горячо; но для рентгеновского излучения все же мало. Эта звезда, обозначенная HDE 226868, по приблизительным подсчетам в 30 раз массивнее Солнца и удалена от нас на 6 000 световых лет. У этого сверхгиганта есть спутник, с которым она в своего рода небесном вальсе вращается вокруг общего центра масс каждые 5,6 дня. Ученые подсчитали, что HDE 226868 отделяют от спутника всего несколько миллионов километров. По некоторым источникам, этот спутник примерно в десять раз тяжелее Солнца. Однако странно то, что спутник невидим. Обладай такими размерами обычная звезда, вряд ли бы мы ее не заметили. По мнению ученых, такой массивный объект, излучающий не в видимом, а в рентгеновском диапазоне, вполне может оказаться черной дырой.

Путешествие к черной дыре

Представьте себе, что у вас появилась возможность отправиться к Лебедю X-1. Если это и в самом деле черная дыра, то вполне вероятно, что вы увидите там нечто похожее на рисунок на странице 17. Большая звезда — это HDE 226868. Ее диаметр равен нескольким миллионам километров, а диаметр черной дыры — примерно 60 километрам. Крошечная черная точка в центре светящегося газового диска называется горизонтом событий или границей черной дыры. Однако эта граница не представляет собой твердую поверхность, она скорее похожа на тень. На ней заканчивается область пространства, из которой сила гравитации не выпускает ничего, даже свет. Многие ученые считают, что внутри горизонта событий, в самом центре черной дыры, находится некая область нулевого объема и бесконечной плотности, называемая сингулярностью; именно в ней и исчезло все, что было в черной дыре.

Черная дыра стягивает со своего спутника внешние слои газа. Этот газ, закручиваясь вокруг черной дыры спиралью и разгоняясь все быстрее и быстрее, из-за внутреннего трения начинает светиться — образуется сияющий газовый диск. Мощная гравитация разгоняет газ до невероятных скоростей, и тогда сильно разогретый газ, находящийся вне черной дыры, начинает испускать рентгеновские лучи. Но стоит газу попасть в черную дыру, как рентгеновские лучи, да и все остальное, становятся ее вечными пленниками.

Лебедь X-1 — захватывающее зрелище, но лучше держаться от него подальше! Смертоносны не только рентгеновские лучи — смертоносна и сама гравитация. Когда мы стоим на Земле, между силой тяготения, действующей на нашу голову, и силой тяготения, действующей на наши ноги, существует небольшая разница в величине. Нас едва-едва растягивает, хотя мы этого вовсе не замечаем. На Лебеде X-1 эта мизерная разница возрастает в 150 миллиардов раз, так что возникает сила, растягивающая наше тело будто невидимыми руками, тянущими голову в одну сторону, а ноги — в другую.

Лебедь A — сверхмассивная черная дыра?

В созвездии Лебедя есть и другая таинственная область. В оптическом диапазоне мы видим на ней лишь тусклое пятнышко — далекую галактику, в то время как в радиодиапазоне это самый мощный источник радиоволн в небе. Назвали его Лебедь A, и со времени его открытия (произошедшего больше 50 лет назад), ученые продолжают тщательно его исследовать.

Размеры Лебедя A просто потрясают воображение. Лебедь X-1 находится в нашей галактике, на расстоянии нескольких тысяч световых лет, а Лебедь A, как предполагается, удален от нас на сотни миллионов световых лет. Если расстояние между Лебедем X-1 и его видимым спутником составляет всего лишь световую минуту, то в Лебеде A два излучающих радиоволны выброса отстоят друг от друга на сотни тысяч световых летb. Из центра Лебедя A, на протяжении сотен тысяч или даже миллионов лет, в противоположных направлениях вылетают полные энергии выбросы — будто кто-то стреляет из космического лучевого ружья. Подробные радиокарты центральной части Лебедя A показывают, что в сравнении с выбросами само «лучевое ружье» невелико, меньше светового месяца. Если бы оно колебалось, лучи были бы изогнутыми. Но таинственные выбросы на редкость прямы — такое впечатление, что выстреливающее их «ружье» управляется гигантскими гироскопами.

Что же там такое происходит? «Из множества предположений, выдвинутых в начале 1980-х годов для объяснения центрального источника энергии,— пишет профессор Кип Торн,— только одно содержало идею долгоживущего гироскопа размером менее одного светового месяца, способного вызвать такие мощные выбросы. Это своеобразное предположение сводилось к гигантской вращающейся черной дыре».

О других предполагаемых черных дырах

В 1994 году только что отремонтированный космический телескоп Хаббла получше «присмотрелся» к «близкой» галактике M87, находящейся приблизительно в 50 миллионах световых лет от Земли. Благодаря своей усовершенствованной оптике телескоп Хаббла обнаружил в центре M87 газовый диск, обращающийся вокруг некоторого объекта с невообразимо огромной скоростью — 2 миллиона километров в час. Что же могло разогнать газ до такой скорости? Расчеты показали, что масса объекта, расположенного в центре диска, должна быть, по крайней мере, не меньше двух миллиардов солнечных масс. Однако объект этот втиснут в «крошечную» область пространства размером с нашу Солнечную систему. Единственное, что, по мнению ученых, может соответствовать такому описанию,— это сверхмассивная черная дыра.

Претенденты на роль черных дыр обнаружены теперь и в ядрах ряда галактик, в том числе и в нашей соседке — в галактике Андромеда,— удаленной от нас всего на 2 миллиона световых лет. Однако гигантская черная дыра может быть гораздо ближе, чем Андромеда! Недавние наблюдения показывают, что и в центре нашей галактики Млечный Путь может находиться огромная черная дыра. Какой-то объект, заключенный в небольшой области пространства, с ориентировочной массой в 2,4 миллиона масс Солнца заставляет близлежащие звезды обращаться вокруг него с чудовищными скоростями. Физик Торн пишет: «Доказательства, постепенно накопленные нами в 1980-е годы, показывают, что такие дыры существуют не только в ядрах большинства квазаров и радиогалактик, но и в ядрах большинства обычных (не радио-) крупных галактик, подобных Млечному Пути и Андромеде».

Действительно ли ученые обнаружили черные дыры? Возможно. В настоящее время легче всего предположить, что удивительные объекты, открытые ими в созвездии Лебедя,— это именно черные дыры. Однако новые данные могут поставить под вопрос верность общепринятых теорий.

Около 3 500 лет назад Бог спросил Иова: «Знаешь ли ты уставы неба?» (Иов 38:33). Несмотря на впечатляющий научный прогресс, этот вопрос по-прежнему современен. Ведь стоит только человеку начать думать, что он постиг Вселенную, как появляется новое, совершенно неожиданное открытие, которое разрушает его стройные теории. А нам остается, затаив дыхание, взирать на созвездия и любоваться их красотой!

[Сноски]

[Рамка, страницы 16, 17]

Как образуются черные дыры?

СОГЛАСНО современным научным представлениям звезды излучают свет благодаря непрекращающейся борьбе между ядерными силами и силой гравитации. Сила гравитации сжимает газ в направлении к центру звезды — без этого ядерный синтез был бы невозможен. А ядерный синтез в свою очередь помогает противостоять сжатию звезды, вызываемому силой гравитации; без этого синтеза со звездой могло бы произойти нечто весьма удивительное.

Ученые считают, что, израсходовав ядерное топливо, состоящее из водорода и гелия, звезда размером с наше Солнце под действием силы гравитации сожмется примерно до размеров Земли, превратившись в белый карлик — своего рода тлеющий уголек. Белый карлик по своей массе может сравниться с Солнцем, однако масса эта сосредоточена в гораздо меньшем объеме — примерно в миллион раз меньшем, чем объем Солнца.

Материю можно представить себе в виде почти пустого пространства, ведь в каждом атоме основная масса сосредоточена в крошечном ядре, окруженном гораздо более обширным электронным облаком. А внутри белого карлика гравитация сдавливает электронное облако до размеров в невообразимое число раз меньше прежних, сжимая звезду до размеров планеты. У звезд размером с наше Солнце при этом устанавливается равновесие между силой гравитации и силами, которыми обладают электроны, так что дальнейшее сжатие становится невозможным.

Но что произойдет, если звезда имеет бо́льшую массу и обладает большей гравитацией, чем наше Солнце? При массе звезды, превышающей 1,4 массы Солнца, гравитация становится настолько большой, что электронное облако, сжимаясь, вообще прекращает свое существование. При этом протоны и электроны объединяются, образуя нейтроны. Нейтроны противостоят дальнейшему сжатию, если, конечно, гравитация не слишком велика. Вместо белого карлика размером с планету получается нейтронная звезда размером с небольшой астероид. Ничто из изученного нами во Вселенной не обладает большей плотностью, чем вещество, из которого состоят нейтронные звезды.

А что, если гравитация продолжает нарастать? Ученые считают, что у звезд в три раза более массивных, чем наше Солнце, гравитация настолько велика, что нейтроны не могут ей противостать. Ни одна известная форма материи не может противодействовать нарастающему нажиму такой гравитации. Получается, что нейтронный шар размером с астероид, сжимаясь, превратится не в меньший шар, а либо просто в ничто, называемое сингулярностью, либо во что-нибудь другое, теоретически пока еще не описанное. Звезда как бы совсем исчезнет, оставив за собой только гравитацию и черную дыру, на месте которой она находилась. На месте бывшей звезды черная дыра образует гравитационную тень. Гравитация в этом районе будет настолько велика, что покинуть его не сможет ничто — даже свет.

[Иллюстрации, страница 16]

В созвездии Лебедя, помимо других туманностей, находится туманность Северная Америка (1) и туманность Рыбачья сеть (2). Лебедь X-1 (3) расположен в шее Лебедя.

Лебедь

[Сведения об источнике]

Tony and Daphne Hallas/Astro Photo

Tony and Daphne Hallas/Astro Photo

[Иллюстрации, страница 17]

Теоретический Лебедь X-1

Черные дыры обнаруживаются по действию, которое они оказывают на другие тела. На иллюстрации видно, как черная дыра стягивает со звезды газы.

Черная дыра в представлении художника (в красном прямоугольнике), увеличенное изображение (снизу).

[Сведения об иллюстрации, страница 14]

Эйнштейн: U.S. National Archives photo