Что мы знаем о черных дырах
Как мы понимаем черные дыры сегодня
Черные дыры в массовой культуре
Сейчас каждый школьник знает о существовании черных дыр — космических объектов с уникальными физическими свойствами. Но еще сравнительно недавно даже в ученом мире многие считали их выдумкой, несмотря на то что первые попытки рационально объяснить физические процессы, порождающие это явление, датированы XVIII веком. Однако современная наука все исправила.
В 1783 году профессор Кембриджского университета Джон Мичелл (John Michell) решился на смелый по меркам своего времени шаг. Будучи ярым приверженцем идей Исаака Ньютона (Isaac Newton), он попытался объединить две разные науки — механику и оптику. Решив, что раз свет представляет собой скопление мелких частиц (согласно Ньютону), то на них действуют законы механики, а, следовательно, в космосе существуют ловушки для света, которые невозможно наблюдать в телескоп.
Применив аналогию с пушечным ядром, Мичелл предположил, что при определенной скорости можно преодолеть тяготение и покинуть пределы планеты (сейчас мы называем это второй космической скоростью или скоростью убегания). Соответственно, если гравитация небесного тела столь сильна, что скорость убегания больше скорости света, то ни одна световая частица (ни излученная, ни отраженная) не сможет покинуть ее пределы, а значит, никогда не достигнет глаз наблюдателя. Ученый даже вывел формулу, оценивающую радиус такой планеты, и сопоставил с массой Солнца.
Впоследствии к аналогичным выводам пришел французский математик и астроном Пьер-Симон Лаплас (Pierre-Simon de Laplace), не постеснявшийся включить их в свой труд «Изложение системы мира», опубликованный в 1796, а затем в 1799 и 1808 годах. Что забавно, в последнем издании нет ни слова о черных дырах. Почему же автор открестился от собственных убеждений? Все просто: в ту пору появилась теория о волновой природе света, которую поддержали все физики, и Лаплас побоялся, что коллеги его заклюют (ведь волновая теория не могла объяснить существования черных дыр). В итоге тему закрыли, объявив объект обсуждения курьезом.
Более века спустя, в 1915 году, Альберт Эйнштейн (Albert Einstein) сформулировал общую теорию относительности, которой незамедлительно воспользовался его коллега по Берлинской академии наук Карл Шварцшильд (Karl Schwarzschild). Он предложил рабочую теорию расчета метрики пространства-времени вне и внутри невращающихся космических объектов (звезд) и вывел уравнения, описывающие размеры таких объектов с высокой точностью. Его же заслуга — расчет так называемого гравитационного радиуса (радиус Шварцшильда). Казалось бы, наконец-то наука восторжествовала. Однако ученый мир продолжал отрицать существование злосчастных дыр и даже Эйнштейн заявлял, что готов доказать сей факт математически.
И только во второй половине ХХ века (1960–1970 гг.) усилиями ученых многих стран удалось построить точную математическую модель гравитационных коллапсаров, впоследствии названных «черными дырами». Появлением термина наука обязана американскому физику Джону Арчибальду Уилеру (John Archibald Wheeler): именно он, выступая в 1967 году с докладом, назвал завершение процесса формирования «ненормальной звезды» переходом коллапса в «состояние черной дыры».
Как мы понимаем черные дыры сегодня
В недрах любой звезды происходят термоядерные реакции, и запас этого топлива не бесконечен. Как только резерв иссякнет, светило начнет терять внешнюю оболочку и сжиматься – коллапсировать. На определенном этапе вещество полностью разрушится и преобразуется в гравиконцентрат – огромное количество поля, замкнутое в бесконечно малом объеме. Подобная сингулярность у вращающейся звезды образует кольцо, а у неподвижной — сферу. Радиус последней и есть тот самый радиус Шварцшильда, а внешнюю поверхность принято называть «горизонтом событий». Горизонт событий — это воображаемая граница, отделяющая область, способную испускать видимое стороннему наблюдателю излучение, от внутреннего всепоглощающего континуума, который не может покинуть ни один атом.
Впрочем, известный физик-теоретик Стивен Хокинг (Stephen William Hawking) подверг сомнению существование горизонта событий как непроницаемой границы. Согласно его теории (названной эффектом Хокинга), рождение пары частиц может сопровождаться их случайным разделением, при котором одна окажется снаружи, а вторая внутри коллапсара. Именно так звезда теряет в массе и температуре и в итоге взрывается, превращаясь в так называемый максимон (идея принадлежит российскому ученому, академику Моисею Маркову, 1965 г.). Насколько прав Хокинг, выяснить невозможно. Впрочем, благодаря методике суперструн все эти процессы подвергаются моделированию.
Черные дыры в массовой культуре
То, что многие годы ученые не верили в существование черных дыр, сказалось на популяризации этого явления в массмедиа. Ситуация начала исправляться с 1960 годов: в комиксах и научной фантастике черные дыры появлялись сплошняком. Правда, называли их по-разному, но описание вполне узнаваемо. Возьмите того же Ларри Нивена («Дырявый»), Станислава Лема («Фиаско»), Дэна Симмонса («Гиперион», «Эндимион»). Вокруг черной дыры развивается сюжет «500 лет до Катастрофы» Владимира Ильина. А в книгах Роджера Аллена («Кольцо Харона», «Разбитая Сфера») и Ивана Ефремова («Час Быка») астронавты используют для перемещений в пространстве «червоточины» – по сути те самые дыры. Не упустили своего шанса и кинематографисты. Так, в аниме “Gunbuster” черную дыру создают из планеты Юпитер, а в “Treasure Planet” экипаж корабля чудом избегает гибели в недрах образующейся гравитационной аномалии.
Выводы
Определять приблизительное положение черных дыр по косвенным признакам ученые научились. Правда, практическая польза от таких исследований пока что сомнительна, но для развития науки и упражнения ума тема более чем благодатная.
Опубликовано 11.02.2015