Мечта Эйнштейна. В поисках единой теории строения - Барри Паркер

Затем в 1967 году, когда Джослин Белл впервые зафиксировала пульсирующий сигнал, и уже через год астрономы точно знали, что обнаружена первая нейтронная звезда. Тогда они обратили внимание на чёрные дыры: об их существовании теоретически было известно давно, но неясно было, существуют ли они в действительности. Как только учёные занялись чёрными дырами, им удалось добиться больших успехов. В Соединённых Штатах над этой проблемой работали Джон Уилер, Кип Торн, Ремо Руффини и другие, в Советском Союзе – Я. Б. Зельдович и И. Д. Новиков, в Англии – Роджер Пенроуз, Брендон Картер и Стивен Хокинг. Через несколько лет теория чёрных дыр была разработана достаточно хорошо.

Основным инструментом в изучении чёрных дыр служит общая теория относительности, хотя следует заметить, что чёрные дыры не являются её «продуктом». Если когда-то в будущем выяснится, что общая теория относительности неверна, это не будет означать, что чёрных дыр не существует. Они существуют во всех серьёзных теориях гравитации. Например, теория Дикке и Бранса, которую сейчас считают основной соперницей общей теории относительности, также предсказывает их существование.

Издали нельзя сказать, что в чёрной дыре есть что-то необычное, разве что её странный вид. Гравитационное поле у неё такое же, как было до коллапса. Если вокруг массивной звезды вращается планета, а звезда внезапно сколлапсирует и превратится в чёрную дыру, планета останется на той же орбите. Там она может вращаться ещё миллиарды лет. Правда, в конце концов под действием определённых сил планета медленно приблизится к чёрной дыре и за критической точкой будет втянута внутрь и смята.

Но если гравитационное поле после коллапса остаётся таким же, как до него, откуда столько разговоров о какой-то невероятной силе гравитации? Действительно, поле вокруг звезды не меняется, но не следует забывать, что первоначально звезда имела, скажем, миллион километров в диаметре, а чёрная дыра – около десяти километров. Это означает, что можно ближе подойти к источнику поля, и по мере приближения к нему интенсивность поля возрастает.

Чёрная дыра не излучает света, и всё же, если приближаться к ней на ракете, станет ясно, что она где-то рядом. Мы почувствуем её притяжение и даже сможем увидеть её в телескоп. Она покажется нам чёрным кругом на фоне звёзд, из самой дыры свет не излучается. Вблизи неё следует соблюдать осторожность – стоит кораблю подойти слишком близко, как его затянет в чёрную дыру и спастись уже не удастся.

Чтобы понять, к каким последствиям приведёт появление чёрной дыры, для начала рассмотрим коллапс достаточно большой звезды, которая способна образовать такую дыру. Предположим, что эта звезда не вращается. По мере «старения» она расходует свою энергию и превращается в красного гиганта, но в конце концов её топливо кончается и звезда становится неустойчивой. Термоядерная «печь» обеспечивала направленное вовне давление, которое уравновешивало силу гравитационного сжатия, но теперь его нет. Гигантская сила сжатия скоро становится неодолимой. Если звезда невелика (меньше одной массы Солнца), коллапс растягивается на миллионы лет, но для массивных звёзд он происходит практически мгновенно. Ядро звезды начинает стремительно сжиматься, и меньше чем за тысячную долю секунды звезда превращается в чёрную дыру.

Представим себе, что нам удалось «растянуть» коллапс во времени и теперь мы наблюдаем результат замедленной съёмки. Вскоре после начала сжатия происходит всплеск рентгеновского и гамма-излучения. Коллапс продолжается, и фотонам становится всё труднее противостоять растущему притяжению. Фотоны, которые покидают поверхность под углом, имеют искривлённую траекторию (как следует из общей теории относительности). Те же, которые улетают по траекториям, параллельным поверхности, остаются на орбите вокруг звезды, и через долю секунды ни один фотон уже не может вырваться – звезда прошла то, что называется горизонтом событий. Мы уже не можем непосредственно наблюдать её; на том месте, где была звезда, видна только чёрная сфера. Однако вещество звезды продолжает коллапсировать и за горизонтом событий; более того, коллапс продолжается вечно, и в конце концов вещество сжимается до нулевого объёма в центре звезды. Этот центр называется сингулярностью.

Возможно, так выглядит чёрная дыра в космосе. Скопление звёзд около неё – оптическая иллюзия, вызванная сильным искривлением пространства в окрестности дыры

Наблюдал ли кто-нибудь коллапс звезды так, как мы его описали? Ответ однозначен – нет. Звезда сжимается слишком быстро. Мы могли бы видеть только в некой точке пространства огромную звезду, которая затем внезапно исчезнет (если нам повезёт и мы увидим коллапс). Но это очень маловероятно – за десятки лет лишь несколько звёзд по соседству с нами превратились в чёрные дыры.

Вернёмся к коллапсу и рассмотрим его повнимательней. Если бы мы смогли увидеть его в замедленном варианте, то заметили бы, как звезда сожмётся и покраснеет. Покраснение вызывается следующим из общей теории относительности замедлением времени. Фотоны похожи на крошечные очень точно идущие часы; если время замедляется, частота колебаний уменьшается, отчего фотоны «краснеют».

Чёрная дыра «в разрезе». Показаны горизонт событий и сингулярность в центре

По мере приближения звезды к горизонту событий испускаемый ею свет попадает в «ловушку», создавая красное гало, которое держится некоторое время. Но постепенно красное свечение угаснет, и перед нами окажется только тёмная сфера – чёрная дыра.

До сих пор мы описывали коллапс так, как видел бы его наблюдатель, находящийся далеко от звезды. Для него звезда уменьшалась бы в размере до тех пор, пока не стала бы чёрной дырой и не прекратила сжиматься, т.е. как бы замёрзла. Более пристальный взгляд позволяет заметить, что, подходя к критическому размеру, звезда становится всё меньше, но достичь его не может. А как коллапс выглядит для наблюдателя, который находится на поверхности сжимающейся звезды? Увидит ли он то же самое? Оказывается, нет. Для него всё будет по-другому. По его часам звезда сожмётся за конечное время, за долю секунды он проскочит через горизонт событий и будет раздавлен в центре звезды, где сосредоточится вся её масса. Но с точки зрения удалённого наблюдателя тот, кто находился на поверхности звезды, так и останется там на долгие годы после начала коллапса.

Такой необычный на первый взгляд результат является следствием странного поведения времени: оно идёт с разной скоростью, которая зависит от того, насколько близко от чёрной дыры находится наблюдатель. Предположим, что есть два наблюдателя, A и B, которые разместились на некотором расстоянии от чёрной дыры каждый со своими часами. После синхронизации часов один из наблюдателей, скажем B, помахав на прощанье рукой, устремляется к чёрной дыре. Тот, кто остался на месте (A), смотрит, как он постепенно приближается к чёрной дыре. С помощью телескопа он видит часы B и замечает, что по мере приближения к чёрной дыре они идут всё медленнее. Наконец они почти, но всё же не совсем, останавливаются. Самому B кажется, что он никак не может долететь до поверхности чёрной дыры.

Что же видит наблюдатель B, летящий к чёрной дыре? Для него звезда выглядит «замёрзшей»; он быстро приближается к чёрной дыре; глядя на часы, он видит, что они идут нормально. Если же он оглядывается, то видит, что часы A спешат, причём, чем ближе он подлетает к дыре, тем больше.

Приближаясь к чёрной дыре, он замечает ещё кое-что: его начинает растягивать и раздирать на части. Происходит это под действием так называемых приливных сил, которые действуют, когда на небольшом расстоянии происходит резкое изменение поля тяготения. Если ноги окажутся ближе к поверхности чёрной дыры, чем голова, их будет притягивать к ней с большей силой, и тело начнёт растягиваться. То же явление, только в меньшей степени, наблюдается по мере приближения к нейтронной звезде. Когда наш наблюдатель окажется у самой поверхности чёрной дыры, его тело будет походить на натянутую струну. Позднее мы увидим, что если чёрная дыра достаточно массивна, приливные силы малы. Предположим, что в данном случае это так, и закончим наш рассказ.

За конечное (весьма короткое) по его часам время падающий наблюдатель пройдёт через горизонт событий и попадёт в «отдалённую местность» внутри. Скрывшись за горизонтом, он исчезнет для внешнего мира. Он никогда не сможет вернуться, никогда не сможет дать о себе знать. Именно этим объясняется название «горизонт событий»: он является пределом (горизонтом) событий в нашей Вселенной.