Математика космоса. Как современная наука расшифровывает Вселенную

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.

Рентгеновское излучение помогает находить и другие черные дыры. Выпадающий на черную дыру газ образует тонкий диск, называемый аккреционным диском; затем этот газ нагревается трением по мере того, как момент импульса передается по диску наружу. Газ может разогреться настолько, что начинает излучать рентгеновские лучи высоких энергий, и до 40 % его может превратиться в излучение. Нередко энергия уносится прочь в виде громадных струй, направленных под прямым углом к аккреционному диску.

Недавно сделано поразительное открытие: у большинства достаточно крупных галактик в центре располагается гигантская черная дыра массой от 100 000 до миллиардов солнечных. Не исключено, что именно эти сверхмассивные черные дыры организуют вещество в галактики. В нашей Галактике такая дыра имеется — с ней связан радиоисточник Стрелец A*. В 1971 году Дональд Линден-Белл и Мартин Рис прозорливо предположили, что этот объект может оказаться сверхмассивной черной дырой. В 2005-м выяснилось, что M31 — галактика Андромеды — имеет центральную черную дыру с массой 110–230 миллионов солнечных. В другой близлежащей галактике, M87, тоже имеется черная дыра, масса которой составляет 6,4 миллиарда солнечных. А в отдаленной эллиптической радиогалактике 0402+379 имеются две сверхмассивные черные дыры, которые обращаются вокруг друг друга, подобно звездам в гигантской двойной системе, на расстоянии 24 световых лет. Один оборот у них занимает 150 000 лет.

* * *

Большинство астрономов признают, что подобные наблюдения свидетельствуют о существовании черных дыр в традиционном релятивистском смысле; тем не менее убедительных доказательств того, что принятая интерпретация верна, у нас нет. Все наши доказательства — в лучшем случае косвенные и основаны на современных теориях фундаментальной физики, хотя мы и знаем, что теория относительности и квантовая механика плохо уживаются между собой, особенно когда, как в данном случае, нам необходимо привлекать одновременно то и другое. Отдельные вольнодумцы-космологи начинают сомневаться, действительно

ли то, что мы видим, — это черные дыры; может быть, это что-то другое, что выглядит примерно так же. Они задумываются также о том, не пора ли нам заново обдумать теоретические представления о черных дырах.

По мнению Самира Матура, вариант «Интерстеллар» не работает. Невозможно упасть в черную дыру. Мы уже видели, что, вопреки первоначальным представлениям, черные дыры способны излучать по квантовым причинам. Это хокинговское излучение, в котором одна частица из неустойчивой виртуальной пары частица/античастица падает в черную дыру, а другая улетает прочь. Это приводит нас к информационному парадоксу черной дыры: информация, как и энергия, сохраняется и потому не может навсегда уйти из Вселенной. Матур разрешает этот парадокс, предлагая другой взгляд на черную дыру: «пушистый шар», к которому можно прилипнуть, но в который невозможно проникнуть.