Еще 220 лет назад французский ученый Пьер Симон Лаплас, оперируя законом притяжения, обнаружил, что если большую массу упаковать в маленьком объеме, такой объект будет темным. Он не отпустит даже собственное излучение, поскольку вторая космическая скорость, необходимая, чтобы его покинуть, будет больше скорости света.
Так, в формулах были «открыты» объекты, которые в 1968 году назовут черными дырами. Насколько большую массу и в насколько маленьком объеме надо упаковать? Так называемый гравитационный радиус черной дыры Rg = 2GМ/сx2, где G — гравитационная постоянная, М — масса черной дыры, с — скорость света. В принципе, любое тело из любого вещества можно сжать и так превратить в черную дыру, но расчеты показывают, что Солнце надо сжать до размера 6 км, Землю — 2 см.
Теоретически черная дыра может быть микроскопической и по размеру, и по массе. Такие дыры ученые надеются создать и изучить с помощью знаменитого Большого адронного коллайдера. А их разрушительной мощи не боятся потому, что теория предсказывает довольно быстрое испарение, разрушение таких дыр. Впрочем, пока они не найдены. Видимо, черные дыры меньше некоторой массы не существуют из-за неких, пока не известных нам законов. Вообще в противовес теоретикам наблюдатели и экспериментаторы до 1960-х годов не находили в природе ни самих черных дыр, ни процессов, которые могли бы так сильно сжать вещество.
Теоретики со времен Лапласа написали столько формул для свойств черных дыр разных масс в пространствах с разной геометрией, что они не поместятся даже на миллионе страниц! Например, с близкого расстояния на фоне звездного неба черная дыра должна выглядеть, как рис 1.
Любое вещество, оказавшееся рядом с черной дырой, будет бесконечно долго падать в нее и излучать энергию, образуя светящий аккреционный диск. А если черная дыра вращается и на нее падает слишком много вещества, она сбрасывает излишек с полюсов вращения в виде узких потоков-выбросов. Аккреционные диски и выбросы в центрах активных галактик и квазаров, возникающие, видимо, из-за сверхмассивных черных дыр.
Правда, падающее в черную дыру вещество ей еще не принадлежит. А с учетом бесконечного (или очень большого) времени падения совершенно не ясно, как и из чего возникла сама черная дыра. Если Вселенной всего 14 миллиардов лет, ни одна настоящая черная дыра в ней возникнуть еще не успела. Вот если бы Вселенная была вечной...
Что же ученые называют «обнаруженными черными дырами»? Не удивляйтесь! Как и должно быть в науке, теории противоречат друг другу, а наблюдения вообще-то не соответствуют ни одной теории. Поэтому исследования продолжаются! Под наблюдаемыми черными дырами ученые подразумевают большие массы вещества в малых объемах. А насколько эти массы по своим свойствам соответствуют теоретическим черным дырам — пока не ясно.
Интересное теоретическое исследование черных дыр выполнили в 1970-х годах советские ученые В. Грибов, Я. Зельдович и А. Старобинский совместно со знаменитым англичанином Стивеном Хокингом. Оказалось, что черную дыру ничто не покидает только в рамках классической физики. А если считать свет не частицей, а волной, то уже очевидно, что черные дыры не являются абсолютными ловушками: если длина волны излучения больше гравитационного радиуса черной дыры, то такое излучение свободно покинет черную дыру. Это все равно как пытаться удержать слона внутри литровой банки! Кстати, сначала надо упаковать слона в эту банку. А похоже, черные дыры не поглощают самое длинноволновое излучение.
Кроме того, квантовая физика предсказывает так называемое испарение черной дыры, т. е. уменьшение ее массы вплоть до полного исчезновения. Вблизи черной дыры тяготение столь сильно, что из вакуума постоянно рождаются и сравнительно долго существуют пары частица-античастица. В обычных условиях они бы мгновенно взаимоуничтожились. А здесь одна из таких частиц успевает улететь из сферы притяжения черной дыры, пока другая падает в дыру. В основном из дыры должны испаряться фотоны и нейтрино, но могут и электроны с протонами.
Правда, в реальности испарение черных дыр еще не наблюдалось. Это очень медленный процесс. За десятки миллиардов лет должна испариться черная дыра с массой Солнца, а при массе 10 миллиардов масс Солнца испарение дыры займет примерно 10 млрд. лет. Если Вселенной всего 14 миллиардов лет, в ней не успела испариться ни одна черная дыра. Но испарение, если оно существует, делает черные дыры очень важными во Вселенной объектами.
Допустим, сейчас Вселенная расширяется. Если это продолжится, распадутся все тела, атомы, частицы. Будут исчерпаны все запасы энергии. Наступит тепловая смерть мира. Или Большое замерзание. Если Вселенная расширяется еще и с ускорением, то мы успеем увидеть исчезновение объектов в темноте из-за распада атомов — сначала на краю Вселенной, а через несколько миллиардов лет это цунами полной темноты нагрянет к нам. Это называется Большой разрыв. Если расширение Вселенной сменится сжатием, она вернется в точку, с которой началась. Получим Большое сжатие. В любом случае — конец света. Причина: физические процессы не уравновешивают друг друга, и поэтому мир меняется необратимо. Например, железо у нас на глазах никогда не превращается в более легкие элементы, в конечном счете в водород.
В ядерном синтезе внутри звезд легкие элементы превращаются в тяжелые, в конечном счете водород превращается в железо. Во взрывах массивных звезд железо превращается в еще более тяжелые элементы, например свинец, уран, серебро и золото. Третий процесс, ядерный распад, медленно идет везде и всегда и превращает тяжелые элементы обратно в железо. Без превращения железа в водород эти три процесса, очевидно, не уравновешивают друг друга. Но если черные дыры испаряются, Вселенная не превратится в один большой кусок железа. Поглощает черная дыра всякое вещество, в том числе железо, а испаряет частицы без массы или маломассивные, в том числе протоны и электроны, которые складываются в атомы водорода. Кстати, даже безо всякого испарения черная дыра, формируя узкие выбросы из падающего на нее вещества, фактически превращает тяжелые элементы в водород.
Вообще при возрасте Вселенной более 10 млрд. лет все процессы в ней уравновешиваются противоположными, и наступает Великое равновесие. Кстати, впервые такую Вселенную предложил Эйнштейн в 1915 году. Она бесконечна в пространстве и существует вечно. Однако наиболее популярна среди современных ученых Стандартная космология, т. е. гипотеза рождения Вселенной в Большом взрыве не совместима с бессмертием Вселенной в будущем. Либо Вселенная родилась и обречена погибнуть, либо она вечна, без начала и конца. Третьего не дано. Выбирать вам. И этот вопрос обсуждается не только наукой, но и религиями тысячи лет. В наше время значительная часть людей (не ученых!) считает Вселенную вечной и не менее значительная часть — родившейся когда-то. Видимо, это вопрос не астрономический, а психологический: мозг одного человека не допускает вечности Вселенной, а мозг другого — ее рождения.
Наблюдения черных дыр
Хотя теоретически может существовать черная дыра любой массы, наблюдаются два типа черных дыр (т. е. два типа массивных объектов малого объема, в остальных свойствах их соответствие теоретическим черным дырам еще изучается): звездной массы (примерно от 3 до 100 масс Солнца) и сверх-массивные (примерно от 100000 до 10 миллиардов масс Солнца). И только для таких черных дыр ясны механизмы образования. Черные дыры других масс, видимо, никогда не образуются. Помните, что некоторые «космические объекты» существуют только в виде теоретических формул. Поэтому стоит разделять две науки: наблюдения черных дыр относятся к астрономии, а теория черных дыр, скорее, к чистой абстрактной математике. Пожалуйста, не доверяйте телевизионным страшилкам, созданным на основе голых формул! Конечно, черная дыра проглатывает зазевавшиеся звезды и вообще все, что рядом. Но, зная, как и из чего получаются звездные и сверхмассивные черные дыры, мы уверены, что ни одна из них в ближайшую тысячу лет не окажется на опасном для нас расстоянии.
Черная дыра — теоретически обязательный конечный этап эволюции массивных звезд. Правда, обычно звезда в процессе эволюции интенсивно теряет вещество. Поэтому трудно сопоставить ее начальную массу (на Главной последовательности) и финальную (в момент прекращения ядерных реакций). Кроме того, играет роль вращение звезды и другие факторы. Приближенно можно сказать, что звезда с финальной массой больше 5 масс Солнца должна стать черной дырой, а с массой 1,4-5 масс Солнца — нейтронной звездой (другой конечный этап эволюции звезд).
В звездной паре (двойной звезде) взрывной процесс превращения одной из звезд в черную дыру может иметь удивительные последствия. Если взрывная волна распространялась хотя бы чуть-чуть не симметрично, и черная дыра, и звезда-соседка будут отброшены от места взрыва с огромной скоростью.
Другой тип — сверхмассивные черные дыры. Если в Солнечную систему упаковать миллиард обычных звезд, будет так тесно, что рано или поздно они соединятся в черную дыру. В центре многих, а может быть, и всех галактик находятся сверхмассивные черные дыры (т. е. большие массы в малых объемах). Здесь — все так же, как около звездной черной дыры, только масштаб другой. Такие выбросы распространяются иногда на миллионы световых лет и меняют облик целых галактик. Они ионизируют и нагревают уже существующую межгалактическую среду и добавляют в нее вещества. Наблюдаемая современными космическими телескопами довольно высокая средняя плотность межгалактической среды, видимо, вызвана как раз активностью сверхмассивных черных дыр.