Чорні дірки

1. Чорні дірки

Термін "чорна діра" з'явився зовсім недавно. Його ввів у обіг в 1969 р. американський учений Джон Уїлер як мета-форіческое вираз подання, виникла принаймні 200 років тому, коли існували дві теорії світла: в першому, кото-рій дотримувався Ньютон, вважалося, що світло складається з частинок; згідно ж друга теорії, світло - це хвилі. Зараз ми знаємо, що насправді обидві вони правильні. У силу принципу частково-хвильового дуалізму квантової механіки світло може розглядати-ся і як частки, і як хвилі. У теорії, в якої світло - хвилі, було незрозуміло, як буде діяти на нього гравітація. Якщо ж світло - потік часток, то можна вважати, що гравітація діє на них так само, як на гарматні ядра, ракети і планети. Спочатку вчені думали, що частинки світла переміщуються з нескінченною швидкістю і тому гравітація НЕ може їх сповільнити, але коли Ремер встановив, що швидкість світла кінцева, стало ясно, що вплив гравітації може виявитися істотним.

Виходячи з цього Джон Мічел, викладач із Кембриджу, у 1783 р. подав до журналу "Філософські праці Лондонського Королівського товариства" свою роботу, в якої він вказував на те, що досить масивна і компактна зірка повинна мати настільки сильне гравітаційне поле, що світ не зможе вийти за його межі: будь-який промінь світла, іспущенний поверхнею такої зірки, не встигнувши відійти від неї, буде втягнутий назад її гравітаційним тяжінням. Мічел вважав, що таких зірок може бути дуже багато. Незважаючи на те що їх не можна побачити, так як їх світло не може до нас дійти, ми тим не менше повинні відчувати їх Граве-таціонное тяжіння. Подібні об'єкти називають зараз чорні-ми дірками, і цей термін відображає їх суть: темні безодні в космічному просторі. Через кілька років після Мічел та Французький вчений Лаплас висловив, мабуть, незалежно від нього аналогічне припущення. Цікаво, що Лаплас включив його лише в першому і другому видання своєї книги "Система миру ", але виключив з пізніших видань, вважаючи, напевно, чер-ні діри божевільною ідеєю. (До того ж в XIX ст. Корпускулярна теорія світла втратила популярність. Стало здаватися, що всі явища можна пояснити за допомогою хвильової теорії, а в ній вплив гравітаційних сил на світ зовсім не було очевидним.)

Насправді світло не можна розглядати як гарматні ядра в теорії тяжіння Ньютона, тому що швидкість світла фіксовано-вана. (Гарматне ядро, що вилетіла вгору з поверхні Землі через гравітації буде сповільнюватися і врешті-решт зупиниться, а потім почне падати. Фотон ж повинен продовжувати дви-ються вгору з постійною швидкістю. Як же тоді ньютонівська гравітація може впливати на світ?) Послідовна тео-рія взаємодії світла і гравітації була відсутня до 1915 коли Ейнштейн запропонував загальну теорію відносності. Але навіть після цього пройшло чимало часу, поки нарешті стало зрозуміло, які висновки випливають з теорії Ейнштейна щодо мас-пасивного зірок.

Щоб зрозуміти, як виникає чорна діра, треба згадати про те, який життєвий цикл зірки. Зірка утворюється, коли велика кількість газу (в основному водню) починає стискатися сила-ми власного гравітаційного тяжіння. У процесі стиснення атоми газу все частіше і частіше стикаються один з одним, двига-Ясь з усе великими і великими швидкостями. У результаті газ розігрівається і врешті-решт стає таким гарячим, що ато-ми водню, замість того щоб відскакувати один від одного, будуть зливатися, утворюючи гелій. Тепло, що виділяється в цій реакції, яка нагадує керований вибух водневої бомби, і ви-викликають світіння зірки. З-за додаткового тепла тиск газу зростає до тих пір, поки не врівноважить гравітаційне прити-ються, після чого газ перестає стискуватися. Це трохи напомі-нает надутий гумовий кульку, в якому встановлюється одно-весіе між тиском повітря всередині, який змушує кульку разд-тися, і натягом гуми, під дією якого кулька спалюван-мается. Подібно кульці, зірки будуть довго залишатися в стабільність-ному стані, в якому виділяється в ядерних реакціях теп-лом врівноважується гравітаційне тяжіння. Але врешті-кон-цов у зірки скінчиться водень і інші види ядерного палива. Як не парадоксально, але чим більше початковий запас палива у зірки, тим швидше воно виснажується, тому що для компенсації гравітаційного тяжіння зірку треба тим сильніше розігрітися, чим більше її маса. А чим гаряче зірка, тим швидше витрачає-ся її паливо. Запасу палива на Сонце вистачить приблизно на п'ять тисяч мільйонів років, але більш важкі зірки витратять своє паливо всього за сто мільйонів років, тобто за час, набагато меньш ^ віку Всесвіту. Витративши паливо, зірка починає охлаж-датися і стискатися, а от що з нею відбувається потім, стало зрозуміло лише в кінці двадцятих років нашого століття.

У 1928 р. Субраманьян Чандрасекар, аспірант з Індії, вирушив по морю до Англії, в Кембрідж, щоб там пройти курс навчання у найбільшого спеціаліста в області загальної теорії від-носітельності Артура Еддінгтона. (Кажуть, на початку двадцятого років один журналіст сказав Еддінгтона, що він чув, ніби світі всього три людини розуміють загальну теорію щодо відповідності-ності. Еддінгтон, помовчавши, сказав: "Я думаю - хто ж третій?"). під час своєї подорожі з Індії Чандрасекар обчислив, якого розміру повинна бути зірка, щоб, витративши цілі-ком своє паливо, вона все ж таки могла б протистояти від дії власних гравітаційних сил. Чандрасекар міркував так. Коли зірка зменшується, частинки речовини дуже сильно зближаються один з одним і в силу принципу заборони (виключення) Паулі їх швидкості повинні все більше відрізнятися. Отже, частки прагнуть розійтися і зірка розширюється. Таким чином, радіус зірки може утримуватися постійним завдяки одно-весію між гравітаційним тяжінням і виникають в силу принципу Паулі відштовхуванням, точь-в-точь як на більш ранній стадії розвитку зірки гравітаційні сили врівноважувалося її тепловим розширенням.

Однак Чандрасекар розумів, що відштовхування, обумовлене принципом Паулі, не безмежно. Відповідно до теорії щодо відповідності-ності, максимальна різниця швидкостей частинок речовини в зірку дорівнює швидкості світла. Це означає, що, коли зірка стає досить щільним, відштовхування, обумовлене принципом Пау-ли, повинно стати менше, ніж гравітаційне тяжіння. Чандрасекар розрахував, що якщо маса холодної зірки більш ніж у півтора рази перевищує масу Сонця, то ця зірка не зможе протистояти власної гравітації. (Це значення маси зараз називають межею Чандрасекара.) Приблизно в той же час аналогічне відкриття зробив радянський фізик Л. Д. Ландау.

Висновки Чандрасекара і Ландау мали важливі наслідки від-носітельно долі зірок з великою масою. Якщо маса зірки менше межі Чандрасекара, то вона в кінці -решт може пере-стати скорочуватися, перетворившись на "білого карлика" - Одне з можливих кінцевих станів зірки. "Білий карлик" має в радіусі кілька тисяч кілометрів, щільність - сотні тонн на кубічний сантиметр і утримується в рівновазі завдяки відштовхуванню електронів в його речовині, відштовхуванню, яке виникає через принципу Паулі. На небі видно чимало білих Орликів. Одним з перших був відкритий білий карлик, який обертається навколо Сіріуса, - найяскравішої зірки на нічному небі.

Ландау показав, що зірка може виявитися і в іншому кінцевому стані, гранична маса якого дорівнює одній-двох мас Сонця, а розміри навіть менше, ніж у білого карлика. Ці зірки також повинні існувати завдяки виникає через принципу Паулі відштовхуванню, але не між електронами, а між протонами та нейтронами. Тому такі зірки отримали назву нейтронних зірок. Їх радіус не більше кількох десятків кілометрів, а щільність - сотні мільйонів тонн на ку-біческій сантиметр. Коли Ландау передбачив нейтронні зірки спостерігати їх ніхто не вмів, а реальна можливість їх спостереження з'явилася значно пізніше.

Якщо маса зірки перевищує межу Чандрасекара, то коли її паливо закінчується, виникають великі складності. Щоб уникнути катастрофічного гравітаційного колапсу, зірка може зір-тися або якимось чином викинути з себе частину речовини щоб маса стала менше граничної. Важко, однак, повірити що так відбувається з усіма зірками незалежно від їх розмірів. Як зірка дізнається, що їй час втрачати вагу? А навіть якщо б кожній зірці вдалося втратити у вазі настільки, щоб уникнути коллап-са, те що сталося б, якби ми збільшили масу білого карли-ка або нейтронної зірки так, що вона перевищила б межа? Може бути, тоді відбувся б колапс і щільність зірки стала нескінченною? Еддінгтон був так цим вражений, що відмовився ве-вірить результату Чандрасекара. Він вважав просто неможливим, щоб зірка сколлапсіровала в точку. Такий позиції притримуючи-лось більшість вчених: сам Ейнштейн заявив у своїй статті, що зірки не можуть стискатися до нульових розмірів. Ворожий-ве ставлення вчених, особливо Еддінгтона, який був першим вчителем Чандрасекара і головним авторитетом в досліджуваних дослідженні будови зірок, змусили Чандрасекара залишити роботу в попередньому напрямку і переключитися на інші завдання астро-номіі, такі, як рух зоряних скупчень. Однак Нобеля-ська премія 1983 була, принаймні частково, присуджено Чандрасекара за ранні роботи, пов'язані з граничною масою хо-лодних зірок.

Він показав, що якщо маса зірки перевищує межу Чанд-расекара, то принцип виключення не може зупинити її колапс, а завдання про те, що має відбутися з такою зіркою відповідно до загальної теорії відносності, першим вирішив в 1939 р. молодий американський фізик Роберт Оппенгеймер. Але з результатів Оппенгеймера випливало, що за допомогою існуючих на той час теле-скопом не можна спостерігати ні один з передбачених ефектів. Потім почалася друга світова війна, і сам Оппенгеймер аж-у зайнявся розробкою атомної бомби. Після війни про гравіта-Ціон колапсі зовсім забули, тому що більшість вчених було захоплена вивченням явищ атомних і ядерних масш-табів. Але в шістдесятих роках завдяки новітній техніці число астрономічних спостережень сильно зросла, а їх область значи-тельно розширилася, що викликало відродження інтересу до астроном-ми Академії і космології. Результати Оппенгеймера були заново відкриті і розвинені далі багатьма фізиками.

У підсумку завдяки Оппенгеймеру ми маємо зараз таку картину. Через гравітаційного поля зірки промені світла в простору стве-часу відхиляються від тих траєкторій, по яких вони пе-ремещалісь б у відсутність зірки. Світлові конуси, уздовж поверх-ності яких поширюються іспущенние з їх вершин світло-ші промені, близько поверхні зірки трохи нахиляються всередину. Це проявляється в спостерігається під час сонячного затемнення ис-крівленіі світлових променів, що йдуть від віддалених зірок. У міру стиску зірки збільшується гравітаційне поле на її поверхневого сті і світлові конуси нахиляються ще сильніше. Тому світло-вим променів, іспущенним зіркою, стає все важче вийти за межі гравітаційного поля зірки, і віддаленою спостерігачеві її світіння буде здаватися тьмяним і більше червоним. У Зрештою, коли в ході стиснення радіус зірки досягне деякого критичного значення, гравітаційне поле у її поверхні ста-ні дуже сильним, і тоді світлові конуси настільки повернуться всередину, що світ не зможе більше вийти назовні. За теорією відносності ніщо не може рухатися швидше за світло, а раз світ не може вийти назовні, то і ніякий інший об'єкт не зможе вийти, тобто все буде втягуватися тому гравітаційно-ним полем. Це означає, що існує деяке безліч подію-тий, тобто якась область простору-часу, з якої невозмож-але вийти назовні і досягти вилученого спостерігача. Така область називається зараз чорною дірою. Кордон чорної дірки називають горизонтом подій. Вона збігається зі шляхами тих світлових променів, які першими з усіх втрачають можливість вийти за межі чорної діри.

Щоб зрозуміти, що ви побачили б, якщо б спостерігали за обра-тання чорної діри при колапсі зірки, треба згадати, що в теорії відносності відсутній абсолютна час і у кожного спостерігача своя міра часу. Через те, що зірка має гра-вітаціонное поле, для спостерігача на зірку час буде не таким, як для віддаленого спостерігача. Припустимо, що який-небудь відважний астронавт знаходиться на поверхні коллапсірующая зірки і колапсує всередину разом з ній. Нехай він кожну секунду за своїми години посилає сигнали на космічний корабель, що обертається по орбіті навколо зірки. У якийсь момент време-ні по його годиннику, скажімо в 11:00, зірка стиснеться до радіусу нижче критичного, при якому гравітаційне поле стає на-скільки сильним, що ніщо не може вийти назовні, і тоді сиг-нали цього сміливця більше не потраплять на космічний корабель. При наближенні часу до 11:00 інтервали між черговими сигналами, які астронавт посилає своїм супутникам на космічний корабель, будуть подовжуватися, але до 10:59:59 цей ефект буде невеликий. Тим сигналами, які астронавт за своїми годинах пошле в 10:59:58 і 10:59:59, на космічному кораблі пройде трохи більше секунди, але сигналу, посланого астронавтом в 11:00, їм доведеться чекати вічно. Світлові хвилі, іспущенние з поверхні зірки між 10:59:59 і 11:00 по годинах астронавта, будуть, з точки зору пасажира космічного корабля, розмазані по нескінченний-ному періоду часу. Тимчасової інтервал між двома хвилями, що приходять один за одним на корабель, буде все час збільшується тися, і тому що випромінюється зіркою світло буде безперервно осла-Беван і здаватися все більш корисним. Врешті-решт зірка стане такою тьмяною, що її більше не побачать з борту космічного корабля: від неї залишиться лише чорна діра в просторі. При цьому на корабель буде як і раніше діяти гравітаційно-ве притягання зірки, так що він продовжить своє рух по орбіті навколо чорної діри.

Але цей сценарій не зовсім реалістичний з наступних причин. При відстані від зірки її гравітаційне тяжіння слабшає, а тому ноги нашого відважного астронавта завжди будуть випробувань вать більш сильний гравітаційний вплив, ніж голова. Разні-ца у величині сил призведе до того, що астронавт або виявиться витягнутим, як спагетті, або розіб'ється ще до того, як розміри зірки скоротяться до критичного радіусу, коли виникає горизонт подій! Але ми вважаємо, що у Всесвіті існують набагато більші об'єкти, наприклад центральні об-ласті галактик, які теж можуть перетворюватися в чорні діри через гравітаційного колапсу. Тоді, знаходячись на одному з та-ких об'єктів, астронавт не був би розірваний на частини ще до образо-вання чорної дірки. Насправді він би не відчув нічого особливого, коли радіус зірки досяг би критичного значення, і цілком міг би пройти, не помітивши, точку, за якою починається область, звідки не можна повернути назад. Але всього через кілька годин, коли ця область почала б коллапсіровать, різниця гравіта-ційних сил, що діють на ноги і на голову, зросла б так сильно, що його знову розірвало б на частини.

У роботі, яку ми з Роджером Пенроуз виконали в пе-од з 1965 по 1970 р., було показано, що, відповідно до загальної теорії відносності, в чорній дірі повинна бути сингулярність, в якій щільність і кривизна простору-часу нескінченні. Ситуація нагадує великий вибух в момент початку відліку часу з тією лише різницею, що це означало б кінець часу для астронавта і для коллапсірующая тіла. У цій сингулярної точці порушувалися б закони науки, а ми втратили б здатність передбачати майбутнє. Але ця втрата не торкнулася б жодного спостерігача, що знаходиться поза чорної дірки, тому що до нього не дійшов би ні світловий, ні який-небудь інший сигнал, який вийшов з сингулярності. Під впливом цього дивного факту Роджер Пенроуз висунув "гіпотезу космічної цензури ", яку можна сформулювати так:" Бог не терпить голою сингулярності ". Други-ми словами, сингулярності, що виникли в результаті гравітаційно-ного колапсу, з'являються лише в місцях на зразок чорних дірок, де горизонт подій надійно вкриває їх від поглядів ззовні. Строго кажучи, це гіпотеза слабкою кісмічного цензури (як її і називаються вають зараз): завдяки їй спостерігачі, що знаходяться за межі-ми чорної діри, захищені від наслідків того, що в сінгуляр-ності втрачається здатність передбачати майбутнє, але ця гіпотеза нічого не дає для порятунку нещасного астронавта, що впав у чорну діру.

Існують деякі рішення рівнянь загальної теорії відно-сітельності, які дозволяють астронавтові побачити голу син-лярного; він може ухилитися від сингулярності і, пролетівши через "Кротова нору", вийти в іншій області Всесвіту. Такий варіант надав би широкі можливості для подорожі в просторі і часу, але, на жаль, всі ці рішення, по-ві-дімому, сильно нестабільні. Найменше обурення, наприклад присутність астронавта, що могло б так змінити рішення, що астро-навть не побачив би сингулярність до самого зіткнення із нею, коли його існуванню прийшов би кінець. Іншими словами, син-лярного перебувала б завжди в його майбутньому і ніколи в бавовняні-лом. Сильна формулювання гіпотези космічної цензури така: сингулярності реалістичного рішення повинні бути завжди або цілком у майбутньому (як у випадку гравітаційного колапсу), або цілком у минулому (як у випадку великого вибуху). Дуже хочеться сподіватися, що гіпотеза космічної цензури виконується в тій чи іншій формулюванні, тому що інакше поблизу голих сингулярностей була б можливість потрапляти в минуле. Це було б чудово для письменників-фантастів, але означало б, що ніколи не можна бути впевненим у своїй безпеці: хтось може увійти в минуле і позбавити життя кого-небудь з ваших батьків ще до того, як вони встигли дати життя вам!

Горизонт подій, що обмежує ту область простору-часу, з якої неможливо вибратися назовні, подібний до не-кой напівпроникною мембрані, що оточує чорну дірку: об'єктах-ти начебто необережного астронавта можуть впасти в чорну дірку че-рез горизонт подій, але ніякі об'єкти не можуть вибратися з неї через горизонт подій назад. (Згадайте, що гори-зонт подій - це шлях, по якому в просторі-часу поширюється світло, коли він прагне вийти з чорної діри, а швидше за світло не може рухатися ніщо.) Про горизонті подій можна сказати так, як сказано у поета Данте про вхід в Пекло: "Залиш надію всяк, сюди входящий ". Все і вся, провалилося за го-різонт подій, невдовзі потрапить в область нескінченної щільності, де час кінчається.

Загальна теорія відносності пророкує, що при дви-жении важких об'єктів повинні випромінюватися гравітаційні віл-ни, які являють собою пульсації кривизни простору, що поширюються зі швидкістю світла. Випромінюються при будь-якому русі гравітаційні хвилі будуть відносити енергію системи. (Це нагадує поведінка кинутого у воду поплавка, який спочатку то йде під воду, то виринає на поверхню, але, оскільки хвилі виносять його енергію, наприкінці решт застигає у нерухомому стаціонарному стані.) Наприклад, при звертання-ванні Землі навколо Сонця виникають гравітаційні хвилі і Земля втрачає свою енергію. Втрата енергії буде впливати на орбіту Зем-лі, і Земля почне поступово наближатися до Сонця. Врешті-решт вони увійдуть в контакт, і Земля, перестав рухатися відно-сітельно Сонця, опиниться в стаціонарному стані. При вращ-ванні Землі навколо Сонця втрачає потужність дуже мала - при-мірно така, яку споживає невеликий електрокіпятіль-ник. Це означає, що Земля впаде на Сонце приблизно через тисячу мільйонів мільйонів мільйонів мільйонів років, а тому прямо зараз турбуватися немає про що! Зміни орбіти Землі відбуваються занадто повільно для спостереження, але за останні кілька років в точності такий же ефект спостерігався в системі PSR 1913 +16. (PSR означає "пульсар" -- особливий різновид нейтронної зірки, яка випромінює періодичні імпульси радіохвиль.) Це система двох нейтронних зірок, що обертаються одна навколо іншої; втрати енергії на гравітаційне випромінювання призводять до їх зближення по спіралі.

Коли під час гравітаційного колапсу зірки утворюється чорна діра, всі рухи зірки повинні сильно прискоритися, і тому втрати енергії теж повинні сильно зрости. Слідів-вательно, коллапсірующая зірка має невдовзі опинитися в якомусь стаціонарному стані. Яким же буде це кінцеве перебуваючи-гом?

Можна припустити, що воно буде залежати від всіх складних властивостей вихідної зірки, тобто не тільки від її маси і швидкості обертання, але і від різних щільностей різних частин зірки і від складного руху газів всередині неї. Але якщо б чорні дірки були настільки ж різноманітними, як і коллапсірующая об'єкти, з яких вони виникають, то робити які б то не було загальні пророкування про чорні діри виявилося б дуже важко.

Однак у 1967 р. канадський учений Вернер Ізраель (він ро-ділся в Берліні, виховувався в Південній Африці, а докторську дисертацію захищав в Ірландії) зробив революцію в науці про чорні діри. Ізраель показав, що, відповідно до загальної теорії відносності, невращающіеся чорні дірки повинні мати дуже прості властивості: вони повинні бути правильної сферичної фор-ми, розміри чорної діри повинні залежати тільки від її маси, а дві чорні дірки з однаковими масами повинні бути ідентичні один одному. Фактично виходило, що чорні діри можна описати приватним рішенням рівнянь Ейнштейна, відомим ще з 1917 р. і знайденим Карлом Шварцшильда незабаром після опублікування загальної теорії відносності. Спочатку багато хто, в тому числі й сам Ізраель, вважали, що, оскільки чорні діри мають бути вдосконалення-шенно круглими, вони можуть утворюватися тільки в результаті колапсу абсолютно круглого об'єкта. Таким чином, будь-яка реальна зірка - а реальні зірки не бувають ідеально сферичної форми - може сколлапсіровать, породжуючи тільки голу сингулярність.

Правда, була можлива й інша інтерпретація отриманого Ізраель результату, яку, Зокрема "підтримували Роджер Пенроуз і Джон Уйлер. Швидкі рухи, що виникають під час колапсу зірки, означають, вказували ці вчені, що випромінює зіркою гравітаційні хвилі можуть ще сильніше скруглили її, і до того моменту, коли зірка опиниться в стаціонарному перебуваючи-ванні, вона буде в точності сферичної форми. При такому поглядом-де на речі будь-яка невращающаяся зірка, як б не була складна її форма і внутрішня структура, після гравітаційного колапсу повинна перетворитися на чорну дірку правильної сферичної фор-ми, розміри якої будуть залежати тільки від її маси. У по-дальшої такий висновок був підтверджений розрахунками і незабаром став загальноприйнятим.

Результат Ізраеля стосувався тільки чорних дір, що утворили-ся з невращающіхся об'єктів. У 1963 Рой Керр з Нової Зеландії знайшов сімейство рішень рівнянь загальної теорії відно-сітельності, які описували обертаються чорні дірки. "Керровскіе" чорні дірки обертаються з постійною швидкістю, а їх форма і розмір залежать тільки від маси і швидкості обертання. Якщо обертання відсутній, то чорна діра має ідеальну Шаро-подібну форму, а відповідає їй рішення ідентичне шварцшільдовскому рішенням. Якщо ж чорна дірка обертається, то її діаметр збільшується по екватору (точно так само, як деформуються внаслідок обертання Земля і Сонце) і тим сильніше, чим швидше обертання. Щоб можна було перенести результат Ізраеля і на обертові тіла, було зроблено припущення, що будь-яке вра-щающееся тіло, яке в результаті колапсу утворює чорну діру, має врешті-решт опинитися в стаціонарному перебуваючи-панії, описуваному рішенням Керра.

У 1970 р. мій аспірант і колега по Кембриджу Брендон Кар-тер зробив перший крок до доведення цього припущення. Картер показав, що якщо стаціонарна обертається чорна дірка володіє віссю симетрії, як дзига, то її розміри і форма будуть залежати тільки від її маси і швидкості обертання. Потім в 1971 р. я довів, що будь-яка стаціонарна чорна діра завжди буде мати таку вісь симетрії. Нарешті в 1973 р. Девід Робінсон з Кінгс-коледжу в Лондоні, спираючись на наші з Картером результати, показав, що вищенаведене припущення правильно, тобто що стаціонарна чорна діра завжди буде рішенням Керра. Отже, пос-ле гравітаційного колапсу чорна діра повинна опинитися в такому стані, щоб вона могла обертатися, але не могла пульс-ровать. Крім того, розміри чорної діри будуть залежати тільки від її маси і швидкості обертання і жодним чином не пов'язані з свій-ствами того тіла, яке сколлапсіровало в цю чорну діру. Цей висновок став відомим у формулюванні: "У чорної діри немає волосся". Теорема про відсутності волосся у чорної діри має величезне практичне значення, тому що вона накладає сильні ограни-чення на можливі типи чорних дір, а тим самим дає можли-ність будувати детальні моделі об'єктів, які могли б з-тримати чорні дірки, і порівнювати їх передбачення з результату-ми спостережень. Крім того, з неї випливає, що при утворенні чорної дірки повинна губитися величезна частина інформації про сколлапсіровавшем тілі, тому що після колапсу все, що нам вдасться виміряти, - це, можливо, лише маса тіла та швидкість його вра-вання.

Чорні дірки -- одна з дуже небагатьох прикладів в історії науки, коли теорія розвивалася у всіх деталях як ма-тематична модель, не маючи ніяких експериментальних під-твержденій своєї справедливості. І це, звичайно, було головним запереченням супротивників чорних дір: як можна вірити в реаль-ність об'єктів, існування яких витікає лише з обчислений-ний, заснованих на такої сумнівної теорії, як загальна теорія відносності. Але в 1963 р. Маартен Шмідт, астроном з Паламарской обсерваторії в Каліфорнії, виміряв червоний зсув тьмяного, схожого на зірку об'єкта в напрямку джерела радіохвиль ЗС273 (джерело під номером 273 в третьому Кембридж-ському каталозі радіоджерела). Виявлена Шмідтом червоний зсув виявилося занадто велике, щоб його можна було об'єк-яснити дією гравітаційного поля: якби воно було грав-таціонного походження, то пов'язаний з ним об'єкт повинен був мати таку велику масу і розташовуватися так близько до нас, що його присутність змінило б орбіти всіх планет Сонячної систе-ми. Але, може бути, тоді червоне зсув виникло через роз-ренію Всесвіту і з цього випливає, що даний об'єкт знаходиться, навпаки, дуже далеко? Відомий на такому великій відстані об'єкт повинен бути дуже яскравим, тобто повинен випромінювати величезну енергію. Єдиний механізм, за допомогою якого могло б випромінюватися така велика кількість енергії, - це гравітаційний колапс, але не який-небудь однієї зірки, а кол-лапс всієї центральної області Галактики. З тих пір були відкриті й інші аналогічні "квазізвездние об'єкти", або квазари, що володіють червоним зміщенням. Але їх велика віддаленість сильно утрудняє спостереження і не дає можливості зробити остаточні висновки щодо чорних дірок.

У 1967 р. з'явився новий аргумент на користь існування чер-них дірок. Кембриджський аспірант Джослін Белл виявив на небі об'єкти, які випромінюють регулярні імпульси радіохвиль. Спочатку Белл і його керівник Ентоні Хьюіш вирішили, що вони встановили контакт з позаземними цивілізаціями нашої Галактики. Я пам'ятаю, що, доповідаючи про своє відкриття на семінарі, чотири джерела вони дійсно назвали скорочено LGM 1-4, де LGM означає "зелені чоловічки" (Little Green Men). Але потім і автори, і всі інші прийшли до менш романтичному заклю-ню, що виявлені об'єкти, які були названі пульсарами, являють собою обертаються нейтронні зірки, ко-торые випромінюють імпульси радіохвиль через складний характер взаємодії їх магнітного поля з навколишнім речовиною. Ця новина засмутила авторів бойовиків про космічні прибульців, але дуже надихнула наш нечисленний загін прихильників чер-них дір, тому що ми вперше отримали підтвердження того, що нейтронні зірки існують. Радіус нейтронної зірки дорівнює приблизно п'ятнадцяти кілометрів, т. тобто всього в кілька разів біль-ше критичного радіуса, після досягнення якого зірка перетворюється-тається в чорну дірку. Якщо зірка може сколлапсіровать до таких невеликих розмірів, то цілком припустимо припустити, що інші зірки в Внаслідок колапсу стануть ще менше і обра-зуются чорні дірки.

Так, але як можна розраховувати знайти чорну дірку, якщо по самому її визначенням вона взагалі не випромінює світло? Це все одно, що ловити чорного кота у темній кімнаті. І все-таки один спосіб є. Ще Джон Мічелл у своїй піонерської роботи, написаної в 1783 р., вказував, що чорні дірки все-таки надають гравітаційно-ве вплив на близькі до них об'єкти. Астрономи спостерігали багато систем, в яких дві зірки обертаються одна навколо дру-гой під дією гравітаційного тяжіння. Спостерігаються і та-кі системи, в яких видима лише одна зірка, що обертається навколо свого невидимого партнера. Зрозуміло, ми не можемо відразу укласти, що партнер і є чорна діра, тому що це може бути просто надто тьмяна зірка. Однак деякі з таких систем, наприклад Лебідь Х-1, є ще й потужними джерелами рентгенівського випромінювання. Це явище найкраще пояснюється припущенням, що з поверхні видимої зірки "здуває" речовина, яка падає на другий, невидиму зірку, обертаючись по спіралі (як випливає з ванни вода), і, сильно розігріву, випромінює рентгенівське випромінювання. Для існування такого механізму невидимий об'єкт повинен бути дуже малим - білим карликом, нейтронної зіркою або чорною дірою. Результати спостереження орбіти видимої зірки дозволяють вирахувати, яку найменшу масу може мати невидимий об'єк-ект. У разі Лебедя Х-1 ця маса становить приблизно шість сонячних мас, тобто, згідно з Чандрасекара, занадто велика, щоб володіє нею невидимий об'єкт виявився білим карли-кім. А так як ця маса велика і для нейтронної зірки, об'єкт, мабуть, має бути чорною дірою.

Існують і інші моделі, які пояснюють результати спостеріга-деній Лебедя Х-1 без залучення чорних дір, але всі вони досить штучні. Чорна діра представляється єдиним вдосконалення-шенно природним поясненням спостережень. Незважаючи на це, Хокінг уклав парі з Кіпом Торно з Каліфорнійського технологи-чеського інституту, що насправді в Лебедя Х-1 немає чорної діри! Для нього це пари - якась страховка. Він дуже багато займався чорними дірками, і вся його робота піде нанівець, якщо раптом виявиться, що чорні діри не існують. Але в цьому випадку розважить-ням йому буде виграна пари. Якщо ж чорні дірки все-таки існують, то Кіп буде цілий рік отримувати журнал "Penthouse". Укладаючи пари в 1975 р., вони були на 80% уве-рени в тому, що Лебідь Х-1 є чорною дірою. Зараз їх впевненість зросла до 95%, але пари залишається в силі.

Дослідники маємо дані про ще кілька чорні діри в системах типу Лебедя Х-1 в нашій Галактиці і двох сусідніх Галака-тіках, які називаються Великим і Малим Магеллановій Хмарі. Але чорних дір майже напевно набагато більше: на про-тяженіі довгої історії Всесвіту багато зірок мали витратити до кінця своє ядерне паливо і сколлапсіровать. Число чорних дір цілком може навіть перевищувати кількості видимих зірок, яка тільки в нашій Галактиці складає близько ста ти-сяч мільйонів. Додаткове гравітаційне тяжіння настільки великої кількості чорних дір могло б бути причиною того, чому наша Галактика обертається саме з такою швидкістю, а не з якоюсь іншою: маси Існують і деякі дані на користь того, що в центрі нашої Галактики є чорна діра набагато біль-дової розміру з масою приблизно в сто тисяч мас Сонця. Звез-ди, що опинилися в Галактиці дуже близько до цієї чорної дірки, розлітаються на частини з-за різниці гравітаційних сил на ближ-ній і далекої сторони зірки. Залишки розлітаються зірок і газ, викинутий іншими зірками, будуть падати по напрямку до "чорної діри". Як і у випадку Лебедя Х-1, газ буде закручуватися по спіралі всередину і розігріватися, правда не так сильно. Розігрів буде недостатнім для випускання рентгенівського випромінювання, але нею можна пояснити той крихітний джерело радіохвиль і інфра-червоних променів, що спостерігається в центрі Галактики.

Не виключено, що в центрах квазарів є такі ж чорні дірки, але ще більших розмірів, з масами близько ста мілі-нов мас Сонця. Тільки падінням речовини в таку сверхмассів-у чорну дірку можна було бпояснити, звідки береться енер-гія найпотужнішого випромінювання, що виходить із чорної діри. Речовина падає, обертаючись, по спіралі всередину чорної діри і за-ставлять її обертатися в тому ж напрямку, в результаті чого виникає магнітне поле, схоже на магнітне поле Землі. Падаюче всередину речовина буде народжувати близько чорної діри частинки дуже високої енергії. Магнітне поле буде настільки сильним, що зможе сфокусувати ці частки в струмені, які будуть вилітати назовні уздовж осі обертання чорної діри, тобто в напрямку її північного і південного полюсів. У деяких Галака-тик і квазарів такі струменя дійсно спостерігаються.

Можна розглянути і можливість існування чорних дірок з масами, меншими маси Сонця. Такі чорні дірки не могли б утворитися в результаті гравітаційного колапсу, пото-му що їх маси лежать нижче межі Чандрасекара: зірки з невеликих шой масою можуть протистояти гравітації навіть у тому випадку, якщо всі їх ядерне паливо вже витрачено. Чорні дірки ма-лій маси можуть утворитися лише за умови, що речовина стисло до величезних густин надзвичайно високими зовнішніми тисками. Такі умови можуть виконуватися в дуже великий водневої бомби: фізик Джон Уїлер як-то вирахував, що якщо взяти всю важку воду з усіх океанів світу, то можна зробити водневу бомбу, в якій речовина так сильно стиснеться, що в її центрі виникне чорна дірка. (Зрозуміло, навколо не оста-нется нікого, хто міг би це побачити!) Більш реальна можли-ність - це утворення не дуже масивних чорних дір з невеликих шой масою при високих значеннях температури і тиску на досить ранній стадії розвитку Всесвіту. Чорні діри могли об-утворили лише в тому випадку, якщо початковий Всесвіт не була ідеально гладкою і однорідною, бо лише яку-небудь невелику область із щільністю, що перевищує середню пліт-ність, можна так стиснути, щоб вона перетворилася на чорну діру. Але ми знаємо, що під Всесвіті повинні були бути присутніми неоднорідності, інакше все речовина не збилося б у грудки, обра-чаплі зірки і галактики, а рівномірно розподілилася б по всьому Всесвіті.

Чи могли ці неоднорідності, існуванням яких об'єк-ясняется виникнення зірок і галактик, привести до утворення "первинних" чорних дір, залежить від того, якою була рання Все-ленна. Отже, визначивши, яка кількість "первинних" чорних дір зараз існує, ми змогли б багато чого довідатися про самих ранніх стадіях розвитку Всесвіту. Первинні чорні діри, мас-са яких перевищує тисячу мільйонів тонн (маса великий го-ри), можна було б зареєструвати тільки за впливом їх гра-вітаціонного поля на видиму матерію або ж на процес роз-ренію Всесвіту. Але в наступному розділі ми дізнаємося, що на насправді чорні дірки зовсім не чорні: вони світяться, як розпечене тіло, і чим менше чорна діра, тим сильніше вона світиться. Як не парадоксально, але може виявитися, що маленькі чорні дірки простіше реєструвати, ніж великі!

2. Так чи чорні чорні дірки

До 1970 Стівен Хокін