Пять возрастов Вселенной

Определение черных дыр

Что такое черная дыра? Традиционное определение могло бы звучать так: черная дыра — это объект, искажающий пространственно-временной континуум настолько сильно, что даже свет не может покинуть поверхность этого объекта. В этой главе мы исследуем смысл данного определения подробно, хотя основную идею, лежащую в основе феноменальной гравитации черной дыры, понять совсем несложно.

Наверное, трудно найти человека, который не видел бы зернистые кадры высадки экипажа «Аполлона» на поверхность Луны. Астронавты легко прыгают в объемных космических скафандрах. В их прыжках на прямых ногах проявляется одно загадочное качество, которое легко объяснимо: сила притяжения на Луне в шесть раз меньше земной. Мяч, брошенный вверх с заданной скоростью, поднимется над поверхностью Луны выше, чем над поверхностью Земли. Аналогично, чтобы вырваться из гравитационных объятий Луны, потребуется меньшая энергия.

Скорость, которую нужно развить, чтобы преодолеть гравитационное притяжение некоторого тела, называют второй космической скоростью. Например, чтобы оторваться от поверхности Земли (в отсутствие трения воздуха), нужно развить скорость, равную 25 000 миль в час (11 километров в секунду). Огромные ракеты-носители «Сатурн V» обеспечили эту необходимую скорость, для того чтобы попасть на Луну. Вместе с тем, чтобы покинуть Луну и вернуться на Землю, оказалось достаточно сравнительно скромных ракет на лунных модулях. Вторая космическая скорость для Луны невелика, потому что Луна имеет меньшую плотность и меньшую массу, чем Земля. Если два объекта имеют одинаковый размер, но разные массы, вторая космическая скорость будет больше для более тяжелого объекта. Например, если представить объект, имеющий массу Солнца и диаметр Земли, вторая космическая скорость для этого плотного видоизмененного мира составила бы 6 500 километров в секунду — в 588 раз больше второй космической скорости для Земли. Если увеличивать массу, сохраняя неизменным диаметр, увеличивается и вторая космическая скорость, в силу чего оторваться от поверхности становится гораздо сложнее. В конце концов, после того как в сферу размером с Землю будет втиснуто две тысячи солнечных масс, вторая космическая скорость превысит скорость света (300000 километров в секунду). Если вторая космическая скорость превышает скорость света, то ничто, даже сам свет, не может оторваться от такой поверхности. Наша гипотетическая плотная сфера становится черной дырой. И название это исключительно уместно: объект, не излучающий света, кажется внешней Вселенной абсолютно черным.

Несмотря на то, что ничто не движется настолько быстро, чтобы покинуть поверхность черной дыры, черная дыра не есть космическая утроба, которой суждено поглощать все, что находится рядом. Гравитационное притяжение любого объекта, и черные дыры здесь не исключение, ослабевает по мере удаления от этого объекта. На достаточном расстоянии притяжение черной дыры неотличимо от притяжения обычной звезды сравнимой массы. Вдалеке от черной дыры локальная вторая космическая скорость всегда меньше скорости света, поэтому частицы или космические корабли могут свободно прилетать и улетать. По мере приближения к черной дыре вторая космическая скорость неуклонно растет. На расстоянии четко определенного радиуса вторая космическая скорость, наконец, превышает скорость света. Эта точка невозвращения отмечает место положения фактической поверхности черной дыры и называется радиусом Шварцшильда, в честь немецкого физика Карла Шварцшильда, который одним из первых принял общую теорию относительности Эйнштейна. Вскоре после выведения радиуса, который сейчас носит его имя, Шварцшильд скончался от болезни, которой заразился на русском фронте во время Первой мировой войны.

Радиус Шварцшильда для черной дыры, масса которой равна массе Солнца, составляет всего несколько километров. Невероятную плотность такого тела можно в какой-то степени постигнуть, если представить, что Солнце сжали до размеров небольшого студенческого городка. Радиус Шварцшильда увеличивается строго пропорционально массе черной дыры. Например, черная дыра, масса которой равна миллиону солнечных, имеет радиус в три миллиона километров, что примерно в четыре раза больше современного Солнца. Если бы Землю сжали до такого состояния, что она превратилась бы в черную дыру, такая дыра имела бы размер небольшого шарика. Представьте, что Сирз-тауэр, гора Эверест, огромное железное ядро Земли и все прочее, что известно человечеству, втискивается в сферу, которая без труда умещается в вашей ладони! Сколь бы удивительным это ни казалось, но такой странный объект действительно может существовать.

Сферическая поверхность, отмеченная радиусом Шварцшильда, окружает часть пространственно-временного континуума, настолько искаженную, что от нее не может оторваться ни одна частица. Поскольку эту локальную область не может покинуть никакая информация, она фактически отделена от остальной Вселенной. Таким образом, радиус Шварцшильда можно считать величиной, определяющей гипотетическую поверхность, служащую границей между этой внутренней областью, которую не может покинуть никакая информация, и всей остальной Вселенной.

Таким образом, черные дыры несколько напоминают банковский сейф. Информация, заключенная в пределах горизонта событий, скрыта от остальной Вселенной. Однако у банковского сейфа есть ключ, и его владелец может достать информацию или наличные, которые в нем хранятся. Ключа от черной дыры нет ни у кого. Информация заперта навечно… ну, или почти навечно.

Типы черных дыр

С одной стороны, черные дыры можно отнести к нескольким разным типам. С другой же, все они, в сущности, одинаковы. Столь различные точки зрения определяются историческими соображениями.

Рассматривая их прошлые истории — процессы, в результате которых образуются черные дыры, — мы узнаем, что черные дыры создаются несколькими различными механизмами, причем каждый из этих механизмов образует черные дыры в конкретном диапазоне масс. Черные дыры с массами звезд образуют массивные погибающие звезды, тогда как самые большие черные дыры создаются галактиками. Много меньшие черные дыры могут получиться в результате экзотических процессов, длившихся крошечные промежутки времени сразу после Большого взрыва. Когда, наконец, наступает эпоха черных дыр, главную роль начинают играть, по меньшей мере, две разновидности этих призрачных объектов.

Вне зависимости от механизма образования, как только появилась какая-то конкретная черная дыра, ее характеристики полностью описываются всего тремя величинами: массой, электрическим зарядом и скоростью вращения. Вся история черной дыры заключена в этих трех определяющих характеристиках. Поскольку их прошлое фактически поглощается, черные дыры являются очень однородными объектами, лишенными неподатливых индивидуальных сложностей. Эту предельную простоту часто выражают в утверждении, что «черная дыра не имеет волос».

Черная дыра самого распространенного типа образуется в ходе звездной эволюции. Когда достаточно массивные звезды завершают свой жизненный цикл во вспышке сверхновой, от них иногда остаются звездные остатки, имеющие слишком высокую массу, чтобы существовать за счет давления вырожденного газа. Эти плотные остатки гравитационно нестабильны и быстро коллапсируют, превращаясь в черную дыру. Эти звездные черные дыры имеют массы, сравнимые с массами обычных звезд, хотя их размер приблизительно в сто тысяч раз меньше.

Например, относительно близкий к нам кандидат в черные дыры — Лебедь Х _-1 — имеет массу, примерно в десять раз превышающую массу Солнца, и радиус где-то в тридцать километров.

Такие звездные черные дыры кажутся неважными по сравнению со сверхмассивной черной дырой, расположенной в центре Галактики. Черные дыры, относящиеся к категории сверхмассивных, могут содержать миллиарды солнечных масс и иметь радиус Шварцшильда, превышающий размер орбиты, по которой Юпитер движется вокруг Солнца. Сейчас астрономы полагают, что в центре практически каждой галактики имеется гигантская черная дыра. В центре нашей собственной Галактики, по-видимому, обитает достаточно скромный для категории сверхмассивных черных дыр образчик; судя по последним измерениям, эта дыра весит столько же, сколько и три миллиона Солнц.