Математика космоса. Как современная наука расшифровывает Вселенную - Йен Стюарт

Но это только начало. Теперь составим из таких ромбов бесконечную стопку. Эта конструкция «разворачивает» спин черной дыры и порождает бесконечную последовательность червоточин, связывающую бесконечное число разных вселенных.

Геометрически сингулярность черной дыры Керра представляет собой не точку, а круглое кольцо. Проходя в это кольцо, можно путешествовать между вселенной и антивселенной. Хотя это, возможно, было бы неразумно, если учесть, что антивещество делает с веществом.

Диаграмма Пенроуза для заряженной черной дыры (Рейсснера — Нордстрёма) выглядит столь же хитроумно, но интерпретируется немного иначе. Вообще из математики не следует, что все эти странные явления действительно существуют или происходят в реальном мире. Она подразумевает, что все они — естественные следствия математической структуры вращающейся черной дыры, что это структуры пространства-времени, которые логически не противоречат известной физике, а значит, разумно проистекают из нее.

* * *

Итак, мы посмотрели, на что похожи черные дыры геометрически, но как они могут возникать в реальности?

Массивная звезда начинает схлопываться под собственной тяжестью, когда у ядерных реакций, обеспечивавших ее свечение, заканчивается топливо. Если такое происходит, то как ведет себя вещество звезды? Сегодня этот вопрос представляется куда более сложным, чем он был для Мичелла и Лапласа. Звезды за это время не изменились, изменились наши представления о них. Дело не только в том, что мы должны думать о гравитации (и использовать при этом теорию относительности, а не законы Ньютона); помимо этого, мы должны рассматривать квантовую механику ядерных реакций.

Если большое количество атомов все сильнее сближается под действием силы тяжести, их внешние области, занятые электронами, пытаются смешаться. Один из квантово-теоретических законов — принцип Паули — гласит, что никакие два электрона не могут занимать одно и то же квантовое состояние. Так что по мере роста давления электроны ищут для себя любые незанятые состояния и вскоре укладываются максимально плотно, как апельсины в пирамиде на фруктовом прилавке. Когда же место заканчивается и все квантовые состояния оказываются заняты, электроны превращаются в электронное вырожденное вещество. Именно это происходит в ядрах звезд.

В 1931 году Субраманьян Чандрасекар, воспользовавшись релятивистскими расчетами, предсказал, что достаточно массивное тело, состоящее из электронного вырожденного вещества, должно схлопнуться под действием собственного гравитационного поля и образовать нейтронную звезду, почти целиком состоящую из нейтронов. Типичная нейтронная звезда умудряется втиснуть две массы Солнца в шар радиусом 12 километров. Если масса звезды меньше, чем 1,44 массы Солнца, — это число называют пределом Чандрасекара, из нее получается не нейтронная звезда, а белый карлик. Если ее масса превосходит эту величину, но не достигает предела Толмана — Оппенгеймера — Волкова, равного трем массам Солнца, она коллапсирует и превращается в нейтронную звезду. На этой стадии дальнейшему превращению в черную дыру отчасти мешает давление нейтронного вырождения, и астрофизики нечетко представляют себе, что будет дальше. Однако тело, масса которого превосходит десятикратную массу Солнца, это давление преодолеет точно и станет черной дырой. Минимальная когда-либо наблюдавшаяся масса черной дыры составляет примерно пять масс Солнца.

Чисто релятивистская модель показывает, что черная дыра сама по себе не может излучать — это может делать только засасываемое внутрь вещество, пока оно находится вне горизонта событий. Но Хокинг догадался, что из-за квантовых эффектов черная дыра может излучать непосредственно с горизонта событий. Квантовая механика допускает спонтанное возникновение виртуальной пары частица — античастица при условии, что они сразу же уничтожат друг друга, то есть аннигилируют. Или должны, по идее, уничтожить, но если это происходит над самым горизонтом событий, то гравитация черной дыры затягивает одну из частиц под горизонт событий и (по закону сохранения импульса) оставляет вторую снаружи, откуда она может вообще уйти от дыры. Это излучение Хокинга, и благодаря ему небольшие черные дыры очень быстро испаряются. Большие испаряются тоже, но процесс занимает очень длительное время.

* * *

Эйнштейновы уравнения поля имеют решения, соответствующие черным дырам, но это не гарантия того, что они существуют в природе. Может быть, неизвестные нам законы физики не допускают существования черных дыр. Так что прежде чем очень уж увлекаться математикой и астрофизикой, неплохо бы найти хоть какие-то наблюдательные свидетельства того, что черные дыры существуют в реальности. Было бы чертовски интересно пойти дальше и заняться поисками белых дыр, червоточин и альтернативных вселенных, но прямо сейчас даже поиск черных дыр — достаточно амбициозная задача.

Первоначально черные дыры оставались чисто теоретической спекуляцией; считалось, что их невозможно наблюдать непосредственно, поскольку излучают они только слабое хокинговское излучение. Об их присутствии узнают по косвенным данным, в основном по гравитационному взаимодействию с другими близлежащими телами. В 1964 году прибор, запущенный на ракете, зарегистрировал исключительно сильный рентгеновский источник в созвездии Лебедя, получивший название Лебедь X-1. Лебедь, по-латыни Cygnus, летит вдоль Млечного Пути, и это существенно, поскольку Лебедь X-1 лежит в самой гуще нашей Галактики и потому виден нам именно на Млечном Пути.

В 1972 году Чарльз Болтон, Луиза Вебстер и Пол Мердин свели воедино наблюдения оптических и радиотелескопов, чтобы показать, что Лебедь X-1 представляет собой двойной объект. Один компонент (тот, что излучает видимый свет) — это голубой сверхгигант HDE 226868. Второй, регистрируемый только по радиоизлучению, примерно в 15 раз массивнее Солнца, но настолько компактен, что не может быть звездой ни одного из обычных типов. По оценкам, его масса превосходит предел Толмана — Оппенгеймера — Волкова, так что нейтронной звездой он тоже не может быть. Приведенные данные сделали этот объект первым серьезным кандидатом на роль черной дыры. Однако голубой сверхгигант в паре так массивен, что сложно точно оценить массу второго компонента. В 1975 году Торн и Хокинг заключили по этому поводу пари: Торн утверждал, что это черная дыра, а Хокинг считал, что нет. После дополнительных наблюдений в 1990 году Хокинг признал поражение и выплатил проигрыш, хотя статус объекта окончательно не подтвержден до сих пор.

Имеются и более многообещающие рентгеновские двойные объекты с менее массивной обычной составляющей. Лучший из них — V404 Лебедя, открытый в 1989 году; сегодня известно, что находится он в 7800 световых годах от нас. Здесь обычный компонент — звезда чуть меньше Солнца, а компактный компонент имеет массу около 12 солнечных, то есть выше предела Толмана — Оппенгеймера — Волкова. В этом случае есть и другие свидетельства, так что сегодня считается общепризнанным, что второй компонент здесь — черная дыра. Два тела обращаются вокруг общего центра масс каждые 6,5 суток. Гравитация черной дыры деформирует звезду и придает ей яйцевидную форму, поглощая одновременно ее вещество, перетекающее в черную дыру устойчивым потоком. В 2015 году V404 начала испускать короткие вспышки света и интенсивного рентгеновского излучения; известно, что такие же явления наблюдались в 1938, 1956 и 1989 годах. Считается, что причиной их является вещество обычной звезды, которое накапливается вокруг черной дыры и всасывается внутрь, когда его масса превышает некую критическую величину.