Черные дыры пространства

Если внутри тела нет противодействующих сил, то тяготение сожмет его в маленький шарик. Окружающие нас тела устойчивы благодаря отталкиванию электронных оболочек атомов и молекул. Массивные звезды, внутри которых гравитационные силы чрезвычайно велики, противостоят сжатию лишь благодаря расталкивающему действию излучений и мощных потоков вещества, порожденных ядерными реакциями в их недрах. Когда эти реакции ослабевают, внутреннее давление уже не может помешать стягивающим силам гравитационного притяжения и звезда начнет сжиматься. Уравнения общей теории относительности говорят, что для тел, масса которых больше нескольких солнечных, такое сжатие, однажды начавшись, уже не может остановиться. Масса тела будет неограниченно уплотняться все в меньшем и меньшем объеме. Произойдет так называемый «гравитационный коллапс», полное схлопывание пространства: тело сожмется до размера геометрического кванта и почти полностью «выпадет» из нашего мира, как будто его там и не было.

Отсюда, казалось бы, следует, что с течением времени, по мере того как будет выгорать их ядерное «горючее», все массивные звезды одна за другой провалятся в «ямы» гравитационного коллапса, и наша Вселенная сильно «похудеет». В ней останутся лишь легкие тела, которые под действием тяготения постепенно сольются в более массивные объекты и тоже «вывалятся» из нашего пространства.

И вот тут теория относительности преподнесла неожиданный сюрприз. Из ее формул следует, что коллапс космического тела можно наблюдать, лишь падая на него. Например, из ракеты, которая притягивается его гравитационным полем. Если же смотреть со стороны, скажем, с нашей Земли, то никакого сжатия в точку не произойдет.

Как это может быть? Ведь если у космонавтов в ракете и у наблюдателя на космодроме достаточно точные приборы, они всегда видят на небе одно и то же!

На Земле, где слабое гравитационное поле, это действительно так. Если же поле тяготения сильное, оно искривляет не только пространство, но и время — замедляет его. Все процессы становятся вялыми, лениво текущими. В падающей ракете, подобно тому как это происходит в быстро спускающемся лифте или в пикирующем самолете, тяготение ослабевает — возникает невесомость. Поэтому и течение времени, его ритм, практически не изменяется. На него ничто не действует. Другое дело — земной наблюдатель. Он видит процессы, искаженные гравитационным полем. А у сжимающегося тела оно очень сильное — ведь, как следует уже из закона Ньютона, сила притяжения тела обратно пропорциональна квадрату расстояния до него. Поэтому уменьшение размеров тела сопровождается быстрым нарастанием сил тяготения. И вот наступает момент, когда притяжение становится настолько мощным, что уже даже свет не может его преодолеть. Он буксует, как автомобиль на скользкой дороге, его скорость снижается до нуля, и сжимающееся тело — звезда или целая Галактика — превращается в «черную дыру» — объект, который поглощает все, что на него падает, но сам ничего, абсолютно ничего не испускает. Такой объект становится невидимкой, черным пятном на небе!

Существование таких необычных космических объектов — черных дыр — предсказал вместе со своим ассистентом незадолго до второй мировой войны американский физик Роберт Оппенгеймер. Но еще раньше, в конце XVIII века, идею «всепоглощающих тел» высказал знаменитый французский ученый Пьер Симон Лаплас. Он первым подсчитал, что тело, имеющее плотность Земли и размеры с ее орбиту, будет удерживать световые лучи. Конечно, никаких эффектов, связанных с изменением ритма времени, Лаплас не знал.

Чтобы нагляднее представить себе черную дыру, стоит перечитать те страницы романа И. А. Ефремова «Туманность Андромеды», где описывается зловещая черная планета. Ее гравитационное поле — ловушка для неосторожного звездолета. Оказавшись в ее окрестностях, он уже не в силах разорвать мощные цепи притяжения, и поверхность планеты навеки становится его могилой. А если масса планеты или звезды так велика, что вообще ничто материальное не может от них оторваться, даже нейтрино и радиоволны, вот тогда это уже черная дыра!

Объекты с такими необычными свойствами предсказаны теоретиками, как говорят, открыты на кончике пера. Обнаружить в космосе эти не испускающие ни частиц, ни электромагнитных волн невидимки чрезвычайно трудно. Почувствовать их присутствие можно лишь по крепкой паутине тяготения, создаваемой ими в окружающем пространстве. Черная дыра поджидает свою добычу, как паук в темноте. Но иногда она может себя выдать. Например, когда в ее гравитационную паутину попадает облако межзвездного газа или пыли. Такое облако крайне разрежено, но зато объем его огромен — миллиарды тонн мельчайших частичек вещества. Ненасытная черная дыра будет собирать их, подобно мощному пылесосу. Облако закрутится в гигантскую воронку вокруг дыры и, постепенно уплотняясь, в результате бесчисленных столкновений частиц раскалится до сотен миллиардов градусов. (Масштабы космические!) При этом оно превратится в плазму и станет светиться, и не просто светом, а превратится в мощный источник рентгеновских лучей — в космическую рентгеновскую трубку. Если же черная дыра расположена вблизи звезды, она, как вампир, будет высасывать вещество соседки. И снова возникнут мощные рентгеновские импульсы.

У астрофизиков есть серьезные подозрения, что именно такой процесс происходит в созвездии Лебедя, на расстоянии нескольких десятков тысяч световых лет от Земли. Там обнаружен рентгеновский источник с большой массой и очень маленького размера. Есть еще несколько кандидатов в черные дыры, а некоторые ученые убеждены в том, что в центре нашей собственной Галактики также должна быть одна или даже несколько массивных черных дыр.

Однако все подозреваемые объекты очень далеки от нас, изучать их чрезвычайно трудно, и полной уверенности в том, что это действительно черные дыры, пока еще нет. Астрофизикам придется еще потрудиться, чтобы поставить все точки над i.