Знание-сила, 1999 № 07-08 (865,866)

Черные дыры давно уже стали обычными обитателями космологических теорий, да и экспериментаторы все уверенней подступают к исследованию этих воистину космических монстров.

Но до сих пор в научном мире нет единодушия; к примеру, доктор физико- математических наук Михаил Герценштейн из московского Института ядерной физики полагает, что черных дыр нет, а все разговоры о них – это досужие вымыслы. По его мнению, существование черных дыр противоречит самим основам теории – принципу причинности, ограниченности скорости света и тому подобное. Но предмет спора столь сложен, что мы не рискуем вмешиваться в спор экспертов и лишь постараемся немного рассказать о положении дел в этом увлекать гьном вопросе.

А начнем с истории.

«Страсти по черным дырам»

Иногда сухая и малопонятная теоретическая физика становится драматичной и даже трагичной. В 1916 году Альберт Эйнштейн создал общую теорию относительности и гравитации, из нее следовало существование черных дыр. А в 1939 году он же опубликовал в журнале «Математические анналы» статью, где доказывал невозможность их существования. И всего через несколько месяцев после публикации Эйнштейна появилась статья Роберта Оппенгеймера и его студента Снайдера, в которой на основе теории Эйнштейна было показано, как черные дыры могут возникать.

Современные воззрения на черные дыры базируются на совсем ином фундаменте – квантово-статистической механике. Без эффектов, предсказанных именно квантовой статистикой, каждый астрономический объект мог бы случайно свалиться в черную дыру и мир был бы совсем не таким, каков он на самом деле.

Бозе, Эйнштейн и статистика

На создание квантовой статистики Эйнштейна натолкнуло письмо, которое он получил в июне 1924 года от совсем неизвестного тогда молодого индийского физика с труднопроизносимым именем – Сатьендра Нат Бозе. Вместе с письмом Эйнштейн получил и статью, которую уже отверг один из научных журналов. После знакомства с ней Эйнштейн сам перевел ее на немецкий язык и организовал публикацию в престижном журнале «Цайтшрифт фюр физик».

Почему же так вдохновился Эйнштейн? Его внимание привлек подход Бозе: рассматривать квантовые свойства фотонов статистически. Оказалось, что таким образом можно получить знаменитую формулу Планка для излучения абсолютно черного тела. Эйнштейн применил метод Бозе для газа массивных молекул и получил совсем неожиданный результат: выяснилось, что при охлаждении такие частицы конденсируются в некотором состоянии. Это явление сегодня описано во всех университетских учебниках физики и называется конденсацией Бозе – Эйнштейна (хотя, строго говоря, Бозе к этому результату никакого отношения не имел).

Явление конденсации частиц со спином единица (как у фотона) было обнаружено и в эксперименте. При температуре около двух градусов Кельвина газ гелий превращается в жидкость с совершенно необычным свойством – сверхтекучестью. Это проявление конденсации.

Однако далеко не все частицы могут конденсироваться, поведение их зависит от величины спина. В 1925 году не менее известный квантовый эксперт Вольфганг Паули осознал, что при спине, равном половине, частицы как раз не могут находиться в одном состоянии. Еще через год Энрико Ферми и Поль Дирак разработали статистику для этого класса частиц, называемую теперь статистикой Ферми – Дирака.

При сжатии газа таких частиц (электронов, к примеру) возникают мощные силы расталкивания, причем оно никак не зависит от заряда частиц: незаряженные нейтроны расталкиваются с той же силой.

Квантовая статистика и белые карлики

Но какое отношение имеет квантовая статистика к звездам?

В начале века астрономы познакомились с очень маленькими и плотными звездами – белыми карликами. Один из них расположен неподалеку от Сириуса. Светит он в четыреста раз слабее Солнца. Если же определить его массу, то окажется, что вешество карлика в шестьдесят тысяч раз плотнее воды. Что же представляют собой эти странные образования?

Фото в рентгеновских лучах

Как и в нашем с вами родном Млечном Пути, в ближайшей к нам большой галактике М31 много звездных систем. И все они испускают какое-либо излучение. Эту фотографию получил спутник ROSA Т, а сделана она в рентгеновских лучах. Источники рентгеновских лучей встречаются в галактике М31 в звездных скоплениях, спиральных рукавах и вблизи от галактического центра. Скорее всего, большинство этих источников представляет собой быстро вращающиеся аккреционные диски в двойных звездных системах. Среди них немало и черных дыр.

У галактики М31 существенно больше рентгеновских источников вблизи центра, чем в нашей галактике. Причина этого пока не ясна.