Черные дыры: как люди обнаружили эти «темные звезды»? (часть 1)

Москва, 20:39, 29 Ноя 2019, редакция FTimes.ru, автор Сергей Кузнецов.

Черные дыры родились из теории, а не наблюдения. Мы узнали об обычных звездах, глядя на ясное ночное небо. Но никто никогда раньше не видел черную дыру. Вместо этого они, как и предсказывали, существовали в то время, когда не было никакого способа проверить, есть ли они на самом деле? И это предсказание черных дыр произошло не один раз, а дважды.

Первое вдохновенное размышление по этому вопросу было еще в 18 веке. Человеком, который придумал «темные звезды», был Джон Мичелл, ученый из Кембриджа, который позже стал священнослужителем. Именно в сане священника он обдумал концепцию, объединяющую две ключевые идеи новейшей науки того времени.

Одним из них была скорость движения. Мичелл знал, что когда пуля попадает вертикально в воздух, на нее воздействуют только две силы, когда она покидает ствол оружия — сопротивление воздуха и гравитация. По мере того, как она поднимается выше, обе эти силы ослабевают. Воздух становится тоньше, и, как показал Ньютон, притяжение гравитации уменьшается с квадратом расстояния между центрами задействованных тел — в данном случае пули и Земли.

Типичная пуля из ружей, стреляющих черным порохом времен Мичелла, могла лететь со скоростью 300 метров в секунду. Но, несмотря на эту впечатляющую скорость, силы, замедляющие ее, возвращали пулю обратно на Землю. Ученый, тем не менее, знал, что пуля, летящая примерно в 37 раз быстрее, сможет преодолеть притяжение Земли и улететь в космос. Он бы достиг скорости убегания (второй космической скорости). Мичелл объединил эту идею с открытием 1670-х годов, когда датский астроном Уле Рёмер понял, что видимое изменение во времени лун Юпитера было вызвано изменяющимся временем, в течение которого свет достигал нас с далекой планеты.

Размышления о «черных звездах» и скорости света

Уле Рёмер

Еще с древних времен были споры о том, путешествовал ли свет мгновенно или просто очень быстро. Рёмер нашел доказательства измеримой скорости, так как меняющиеся относительные положения Юпитера и Земли на их орбитах изменяли время, необходимое свету, чтобы достичь нас. Он рассчитал скорость света около 220 000 км/с. В последующие 100 лет эта цифра была измерена более точно, так что Мичелл работал с чем-то ближе к нашим текущим 300 000 км/с. Но конкретное значение не имело значения — дело в том, что у света была скорость.

Сочетая две концепции — скорости убегания и света, имеющего конечную скорость, Мичелл задавался вопросом, что произойдет, если бы у массивной звезды скорость убегания была выше скорости света. Чем больше масса тела, тем выше его скорость убегания. Поэтому, в принципе, могла бы быть звезда настолько огромная, что даже свет не мог бы уйти от нее. Даже если скорость убегания с поверхности Солнца, например, превышает 600 км/с, она все же намного ниже скорости света. Теория Мичелла была основана на неверном предположении — что свет состоит из обычных частиц, которые могут замедляться, как любой другой снаряд под действием силы тяжести. Но идея этих таинственных «темных звезд» исчезла в истории.

Размышления о черных дырах на фронтах Первой Мировой

Карл Шварцшильд

Перенесемся в 20-й век, и Карл Шварцшильд возродил забытые теории в пылу и ужасе Первой мировой войны. Это был 1915 год, и 41-летний физик вызвался служить в немецкой армии. Каким-то образом, возможно, в качестве отвлечения от разрушений и жертв вокруг него, он нашел время подумать об элегантных уравнениях Эйнштейна и его совершенно новой теории — Общей теории относительности. Уравнения Эйнштейна слишком сложны, чтобы обеспечить универсальное решение, но Шварцшильд решил их для частного случая сферического тела, которое не вращалось.

Из математики выяснилось, что если бы вся масса этого тела была втиснута в сферу такого размера, которая теперь называется «радиусом Шварцшильда», искажение в пространстве-времени было бы настолько велико, что свет от такого объекта никогда не убежит. Радиус Швацшильда создавал поверхность, откуда нет возврата — горизонт событий черной дыры.

Наиболее очевидным источником для такого тела была бы коллапсирующая звезда. При нормальной работе ядерные реакции звезды сбивают ее от сжатия гравитацией. Но как только эти реакции начинают исчезать, вещество в звезде может разрушиться.

Ожидается, что этот коллапс будет остановлен квантовым эффектом, называемым принципом исключения Паули, который образует очень плотную нейтронную звезду. Но если бы звезда была достаточно массивной, превышая массу Солнца примерно в три раза, принцип исключения должен быть преодолен, и коллапс было бы не остановить.

Pan-STARRS

В 2012 году лучшее доказательство того, что звезда была разорвана на части сверхмассивной черной дырой, обнаружено телескопом Pan-STARRS на Гавайях и проанализировано группой из Университета Джона Хопкинса.

В принципе, материя в черной дыре будет продолжать разрушаться вплоть до безразмерной точки — «сингулярности» с бесконечной плотностью и силой тяжести, которая стремится в бесконечность по мере приближения. На самом деле, мы не знаем, что в этом случае произойдет, потому что сингулярность — это признание того, что наша физика не работает. Какое-то время после Шварцшильда черные дыры были чисто теоретическими. Или, по крайней мере, развалившиеся звезды были, поскольку они еще не получили своего более интригующего прозвища.