Во всей науке нет объекта более таинственного, чем черные дыры. Все вопросы, связанные с ними, это вопросы, затрагивающие Вселенную в целом. Научным фактом является то, что 0,1% массы нашей Галактики сосредоточена именно в черных дырах.
Дать определение черным дырам очень непросто. Если верить физикам, данное явление представляет собой некое порождение тяготения, достигшего колоссальных величин. В результате в пространстве возникают области настолько плотные, что даже свет не может преодолеть их гравитационного притяжения. Поглощаемое черной дырой вещество раскаляется и, погружаясь в «бездну», начинает излучать очень высокую энергию. В состав этого излучения входит и рентгеновское, которое способны обнаруживать телескопы на околоземной орбите.
Известно, что черная дыра «проглатывает» не только находящиеся поблизости физические предметы, но и свет. По этой причине она невидима; обнаружить нахождение в пространстве таких явлений можно, лишь основываясь на косвенных признаках.
Естественно, наука просто не могла пройти мимо данного объекта, возникающего после смерти больших звезд (в основном, их наблюдают в далеких квазарах, во взрывающихся ядрах галактик). Ведь черные дыры обладают целым рядом совершенно фантастических свойств: внутри них изменяются свойства пространства, замедляется время. Эти две основополагающих составляющих нашего бытия в уникальной зоне закручиваются в воронку; теоретики считают, что в ее глубине пространство и время распадаются на кванты.
Фактически, мы имеем дело с гравитационной ловушкой, откуда нет выхода. При этом у этой бездны попросту отсутствует… наблюдаемая поверхность. Если у нейтронных звезд зарегистрированы сильные магнитные поля и строго периодичные пульсации рентгеновских лучей, то черная дыра характеризуется неподдающимися расчетам флуктуациями излучения. Кстати, еще одна особенность: данное явление уникально по количеству накопленной в нем энергии. Во Вселенной не существует объектов, которые содержали бы ее больше, чем черные дыры. Фактически, перед нами неиссякаемый источник!
Черная дыра первоначально появилась на бумаге, когда в XVIII веке ученые Митчел и Лаплас обратили внимание на «предсказание», содержавшееся в ньютоновской теории. Математическое решение данной проблемы увидело свет позднее. В начале XIX века Пьер Лаплас впервые заговорил о теоретической возможности существования черных дыр. В знаменитом «Курсе теоретической физики» Лев Ландау и Евгений Лифшиц называли эту загадку Вселенной самой красивой из всех существующих теорий, а Макс Борн восхищался ею, «как творением искусства». Подобное отношение данный объект вызывает практически у всей научной общественности. Но, по всей видимости, наиболее поэтично высказался американский физик К. Торн: «Из всех измышлений человеческого ума, от единорогов и химер до водородной бомбы, самое фантастичное это образ черной дыры, границу которой ничто не может пересечь, и даже свет задерживается ее мертвой хваткой».
В наши дни, задействовав для наблюдения орбитальные телескопы, ученые установили любопытные факты. Оказалось, что черные дыры делятся на два вида. К первому из них относятся массивные объекты, размеры которых составляют порядка трех масс нашего светила. Ко второму же так называемые сверхмассивные (размером от миллиона до миллиарда масс Солнца). На данный момент специалистами зафиксировано местоположение около 20 массивных и около 200 сверхмассивных черных дыр. Кроме того, было установлено еще около 220 мест, в которых, вероятно, находятся эти объекты.
«Главная загадка Вселенной» не устает подкидывать исследователям информацию к размышлению. Так, немало вопросов возникает в связи с открытием маленьких, но сверхмассивных черных дыр. Например, объект, находящийся в центре галактики NGC 4395 в созвездии Гончих Псов, интересен тем, что, вопреки математическим расчетам, излучает в рентгене на удивление интенсивно. Эта черная дыра является столь же мощной, как и ее особо крупные «родственники» в центрах других галактик. А ведь данная «невидимка» тяжелее нашего светила «всего» в 50 000 раз, тогда как обычные сверхмассивные черные дыры, как правило, в миллионы и миллиарды раз массивнее Солнца.
Наличие небольших по размерам, но особо мощных «загадок Вселенной» может объяснить свойства одного из типов активных галактик. Считается, что в их центре есть «невидимки»; такие галактики менее ярки, чем квазары, но испускают большое количество рентгеновских лучей.
Сверхмассивные черные дыры излучают во Вселенную гораздо больше энергии, чем все звезды вместе взятые. При этом многие из подобных объектов предположительно сформировались относительно недавно; исследователи считают, что по крайней мере 15 % всех сверхмассивных черных дыр возникло, когда возраст Вселенной был вполовину меньше. В настоящее время «невидимки» также продолжают расти. В последние два-три года стало ясно, что Вселенная не только расширяется, но и делает это с приличным ускорением. Его обеспечивают огромные невидимые массы материи. Загадочные «белые пятна» мироздания производят 30% энергии, за счет которой происходит расширение. А вот откуда берутся еще 70% пока неизвестно (ученые называют эту часть «темной энергией Вселенной»).
Массы загадочных объектов, образующихся в результате коллапса газовых облаков, от миллионов до миллиардов раз превышают массы звезд. Размеры таких «островов мрака» сравнимы с размерами нашей Солнечной системы. При этом, по мнению астрономов, сверхмассивные черные дыры содержатся в центре большинства галактик. Наша с вами тоже не является исключением из общего правила. Причем недавние наблюдения супермассивных «невидимок», вращающихся друг вокруг друга в центре NGC 6240 (в созвездии Змееносца), позволили предположить: в случае слияния галактик их черные дыры также подвергаются объединению. На завершение этого процесса уходит несколько сотен миллиардов лет.
По существу, черная дыра является неизученным элементом нашей Вселенной, своеобразным «белым пятном». Но тем не менее, современная физика фактически требует, чтобы это явление существовало. Причем в достаточном количестве. И таких активных галактических источников в самом деле на удивление много. В рентгеновском диапазоне мы видим в десять раз больше галактик, чем при самых детальных оптических обзорах!
Итак, оказалось, что данное явление во Вселенной достаточно распространено. Поэтому в последнее десятилетие возникло новое перспективное научное направление демография черных дыр. Оно изучает распределение этих загадочных объектов в пространстве и взаимодействие их с другими материальными объектами.
Особое внимание изучению черных дыр уделяет Стивен Хокинг человек, которого называют «самым загадочным ученым современности». Он, кстати, возглавляет в Кембридже ту кафедру, которую когда-то занимал Исаак Ньютон. Тут следует упомянуть, что этот блестящий британский физик, имеющий 12 ученых степеней, лауреат Нобелевской премии (1998) и Ордена почета, член Королевского научного общества Великобритании и Национальной академии наук США, уже почти четверть века страдает редкой формой атрофического склероза, превратившей его в калеку. Передвигается Хокинг только благодаря инвалидной коляске с электромотором, лекции в университете читает при помощи электронного синтезатора голоса (его собственную невнятную речь понимают лишь близкие профессора его жена и трое детей). Контакт ученого с внешней средой обеспечивает уникальный компьютер, которым — этот человек-уникум управляет единственным действующим пальцем левой руки…
На основании многолетней работы Хокинг сделал вывод: квантовое испарение черных дыр неизбежно. А это значит, что данные объекты умирают. Интересна попытка соотнести размеры и массу удивительных «белых пятен» мироздания. В частности, расчеты британского ученого показывают: черная дыра весом в 1 миллиард тонн (масса горы) имела бы… размер нейтрона или протона. Кстати, профессор убежден, что время формирования загадочных «невидимок» превосходит время жизни самой Вселенной! Правда, квантовой теории черных дыр покуда не существует, а это значит, что процессы, на которые указал Стивен Хокинг, в настоящее время понять в полной мере невозможно.
Пристальное внимание специалистов к проблеме существования «невидимок» объясняется весьма вескими причинами. Относительно недавно американский телескоп «Хаббл» зафиксировал интересный, но не слишком приятный факт: черная дыра GROJ 1655-40 из созвездия Скорпиона прямиком движется к нашему Солнцу. Неведомый монстр находится, безусловно, далековато от нас на расстоянии в 6000 световых лет. Однако повод для беспокойства есть. Скорость данного объекта внушает уважение: она составляет 40 000 километров в час! По ходу своего движения черная дыра «съедает» звезды. Видимо, это же произойдет в далеко не светлом будущем и с нашим собственным Солнцем. А покуда ученые пытаются разобраться, что же представляет собой данная напасть.
Летом 2004 года Стивен Хокинг заявил, что полностью раскрыл тайну черных дыр главную загадку космоса. Для этого астрофизик объединил теорию относительности и квантовую механику в единую теорию. Хокинг утверждает, что черные дыры отнюдь не являются огромными «братскими могилами» звезд, некой «всепоглощающей» субстанцией. Еще в 1970-х годах ученый доказал, что обмен энергией между данным объектом и внешним пространством вполне возможен. Черные дыры «место, где разрушается классическая концепция пространства и времени так же, как и все известные законы физики» вовсе не конец мироздания. Они исторгают лучевые потоки и являются рядовыми эволюционирующими объектами.
Однако данное открытие вызвало парадокс: британский профессор утверждал, что энергия, поступающая из черной дыры, не содержит никакой «информации» о поглощенной материи. Тогда после испарения «невидимки» от нее не остается и следа, следовательно, не остается и никакой информации. А это противоречит всем законами квантовой механики. Разрешить этот парадокс Стивен Хокинг пытался на протяжении 30 лет. Теперь профессор полагает, что загадочные «белые пятна» все же позволяют информации выходить наружу; в таком случае падение в черную дыру «это не путешествие с билетом в один конец». По теории Хокинга, «невидимки» не имеют ясно очерченного горизонта событий, который скрывает все в них от внешнего мира, и не уничтожают падающие тела полностью и без следа. Вместо этого жертвы гравитационной ловушки продолжают излучать энергию в течение длительных периодов времени, пока «черная дыра только формируется». «Но позже горизонт открывается и выпускает информацию относительно того, что упало внутрь, так что мы можем проверить прошлое и можем предсказывать будущее», утверждает ученый. Правда, следующее его заявление сразу же разочаровало любителей научной фантастики: «Если вы попадаете в черную дыру, ваша масса-энергия будет возвращена в нашу Вселенную, но в изуродованном виде».
Кстати, загадочные «невидимки», оказывается, способны «петь»! То есть от них исходят звуковые волны. Например, подобный объект из созвездия Персея (около 250 миллионов световых лет от Земли) постоянно «мурлычет» ноту, соответствующую си-бемоль, причем на 57 октав ниже первой октавы. Что это? Свидетельство процесса, благодаря которому пылевое облако, окружающее черную дыру, раскаляется? Видимо, так. Но все же воображение рисует, картину, весьма далекую от науки: прослушав очередную порцию предположений и догадок относительно собственной персоны, грандиозный «невидимка» продолжает иронично подсмеиваться над учеными, напевая себе под нос нехитрую песенку Времени..
В.Сядро, Т.Иовлева, О.Очкурова 100 знаменитых загадок природы