Наблюдения и озарения, или Как физики выявляют законы природы - [95]
Звезда S2 могла выжить только при условии, что скрытый объект не только массивный (3,7 млн масс Солнца), но и сверхкомпактный — то есть один-единственный. Поэтому большинство астрономов полагает, что наличие черной дыры является единственной возможностью объяснить эти и другие данные наблюдений объектов в центре Галактики.
«Наша» черная дыра невелика по сравнению с ядрами других галактик и при этом относительно неактивна — центры других звездных систем, как правило, содержат в себе массы миллиардов звезд, жадно заглатывают вещество близлежащих звезд и преобразуют его частично в рентгеновское и радиоизлучение, заполняющее всю Вселенную. Крайний их случай — квазары (сокращение от «квази-звезды» — как бы звезды), нестационарные ядра далеких галактик, — самые мощные по излучению космические объекты.
Однако этими объектами возможности появления черных дыр отнюдь не исчерпываются. В 1963 г. Рой П. Керр (р. 1934) обобщил работу Шварцшильда по решению уравнений ОТО и рассмотрел черные дыры, которые вращаются вокруг оси, так что их линейная скорость у горизонта событий может приближаться к скорости света. Такие дыры обладают рядом своеобразных свойств: перед горизонтом событий у них должна существовать некая промежуточная область, эргосфера, в которой все попавшие туда тела должны вращаться, а гравитационная энергия связи может достигать 42 % всей массы покоя и превращаться в излучение.
Возможность (вероятно, и необходимость) существования другого вида незвездных черных дыр была выявлена Стивеном Хокингом. Он сумел объединить в некоторой мере эффекты ОТО и квантовой теории: согласно его теории, за счет гравитационной энергиивозможно рождение электрон-позитронных и других пар вблизи горизонта событий. Если при этом одна из частиц пары уходит за горизонт и становится невидимой, то другая может остаться вовне, аннигилировать с какой-нибудь иной частицей, а порожденное таким образом излучение укажет на существование черной дыры — по расчетам Хокинга дыра должна светиться как нагретое тело, с температурой, определяемой ее массой.
Стивен Хокинг (р. 1942), английский астрофизик, а начала 1960-х гг. заболел редкой и неизлечимой болезнью, приводящей к постепенной атрофии всей мускульной системы. Вскоре он смог шевелить лишь двумя пальцами правой руки, но продолжает работать и читать лекции (занимает кафедру Ньютона в Кембридже), любит путешествовать, передвигается и разговаривает с помощью сконструированного для него кресла и компьютера с синтезатором речи, оставаясь веселым и остроумным собеседником. Его популярная книга «Краткая история времени» стала всемирным бестселлером.
Хокинг также показал возможность того, что в момент Большого взрыва должны были возникнуть многочисленные мини-черные дыры с массой, равной массе, скажем, среднего астероида или меньше, но с размерами протона. Правда, такие мини-дыры, созданные в состоянии чрезвычайно высоких температур и плотности, должны были, в основном, исчезнуть за счет электрослабых взаимодействий, превосходящих при такой плотности сильные взаимодействия.
Теория черных дыр никак не может считаться законченной — она продолжает активно развиваться. Так, очень интересен вопрос об энтропии черных дыр: они ведь упорядочивают вещество вокруг себя — следовательно, с их ростом должна расти и энтропия. Яков Д. Беккенштейн (р. 1947) предлагает считать ее мерой площадь горизонта событий, тогда Второй закон термодинамики должен формулироваться так: сумма энтропии и площади горизонтов событий черных дыр не может убывать.
Любой электрический заряд, движущийся ускоренно, излучает электромагнитные волны. По аналогии, следует ожидать, что любая масса должна излучать при ускорении гравитационные волны, а распространяться они должны со скоростью света (эти волновые решения соответствуют уравнениям ОТО).
Такое излучение должно иметь место в системах двойных звезд: они быстро вращаются вокруг общего центра тяжести, а значит, испытывают центростремительное ускорение. Оно, конечно, должно происходить при взрыве и столкновении звезд, например нейтронных звезд и черных дыр.
Для фиксации такого излучения в ряде лабораторий установлены гравитационные детекторы — это массивные тела, часто монокристаллы, весом в тонны, малейшие синхронные колебания которых в разных местах Земли должны сигнализировать о приходе такой волны. Так что оставалось наблюдать и ждать… какого-нибудь взрыва.
Решение проблемы пришло с несколько иной стороны. В 1974 г. Джозеф X. Тейлор (р. 1941) и тогда еще его студент Рассел А. Халс (р. 1950) обнаружили, что интенсивность излучения открытого ими пульсара (он назывался PBR 1913+16) регулярно меняется с периодом в восемь часов. Это означало, что пульсар представляет собой двойную звезду, точнее, что он вращается вокруг какой-то другой звезды, которая тоже должна быть весьма массивной и компактной, т. е., скорее всего, тоже нейтронной звездой.
Изменения огромных взаимодействующих гравитационных полей двойного пульсара должны проявляться в излучении гравитационных волн, т. е. в уменьшении энергии этого поля. Действительно, измерение периодов обращения пульсара в течение четырех лет показало, что он уменьшается со скоростью 75 миллионных секунды в год. Уменьшение периода соответствует сближению обоих партнеров этой пары, которое с точностью не хуже 0,5 % соответствует предсказаниям ОТО по потере энергии на излучение гравитационных волн (Нобелевская премия 1993 г.).
