Черные дыры и складки времени. Дерзкое наследие Эйнштейна - Кип Торн

К 1974 г. эти масштабные усилия привели примерно с 80 %-ной достоверностью к следующей картине для Cyg Х-1 и его спутника, звезды HDE226868, которая изображена художником в правой части рис. 8.7. В общем, это была картина, которую предсказали Зельдович и Новиков, но с гораздо большим числом деталей. Черная дыра в центре Cyg Х-1 имеет массу определенно большую, чем три солнечные, возможно, даже большую, чем 7 Солнц, скорее всего, около 16, ее яркий в оптическом диапазоне, но темный в рентгеновском диапазоне спутник HDE 226868 имеет массу, вероятно, больше, чем 20 солнечных масс, скорее всего, около 33, и примерно в 20 раз больший, чем у Солнца радиус; расстояние от поверхности звезды до черной дыры составляет около 20 солнечных радиусов (14 миллионов километров). Эта двойная звезда находится от Земли на расстоянии примерно в 6000 световых лет. Cyg Х-1 является вторым по яркости объектом на рентгеновском небе, a HDE 226868, хотя и достаточно яркая по сравнению со многими другими звездами, видимыми в большие телескопы, все же слишком слаба, чтобы ее можно было видеть простым глазом.

В следующие два десятилетия после 1974 г. наша уверенность в этой картине для Cyg Х-1 возросла примерно с 80 % до, скажем, 95 % (это мои личные оценки). Наша уверенность не равна 100 % потому, что, несмотря на предпринятые огромные усилия, какой-либо однозначной своеобразной «подписи» черной дыры в Cyg Х-1 обнаружено не было. Никакого сигнала, рентгеновского или светового, который бы выкликивал, недвусмысленно заявляя астрономам: «Я пришел от черной дыры». Все еще можно придумать другие, без черной дыры, объяснения для всех наблюдений, но такие объяснения представляются настолько вычурными, что мало кто из астрономов принимает их всерьез.

Напротив, некоторые нейтронные звезды, называемые пульсарами, однозначно выкликают: «Я нейтронная звезда». Их рентгеновское излучение или, в некоторых случаях, радиоволны приходят к нам в виде коротких очень точно повторяющихся импульсов. В некоторых случаях точность воспроизведения периода между этими импульсами настолько высока, что становится сравнимой с ходом лучших атомных часов. Эти импульсы могут быть объяснены только как пучки излучения, испускаемые с поверхности нейтронной звезды и пробегающие мимо Земли при вращении звезды, подобно сигнальному маяку. Почему возможно только такое объяснение? Такие точные временные интервалы могут получиться лишь при вращении массивного объекта, у которого большая инерция и, соответственно, сильное сопротивление случайным силам, приводящим к случайным промежуткам времени между импульсами. Из всех массивных объектов когда-либо рассматривавшихся астрономами лишь нейтронные звезды и черные дыры могут вращаться, как некоторые пульсары, с такой чудовищной скоростью (сотни оборотов в секунду), и лишь нейтронные звезды, а не черные дыры, могут порождать вращающиеся пучки, поскольку черные дыры не могут иметь «волос». (Любой источник подобного пучка, закрепленный на горизонте черной дыры, был бы примером такого типа «волос», которые не могут на нем удержаться[90].)

Астрономы безуспешно искали однозначную подпись черной дыры в Cyg Х-1 на протяжении двадцати лет. Примером такой подписи (предложенной в 1972 г. Рашидом Сюняевым, членом команды Зельдовича) могли бы быть импульсы излучения, подобные импульсам пульсаров, образующиеся пробегающим пучком, исходящим из плотного газового сгустка, вращающегося вокруг черной дыры. Если бы такой сгусток находился достаточно близко к горизонту черной дыры и сохранялся в течение многих оборотов пока, наконец, не погрузился бы под поверхностью горизонта, детали постоянного изменения интервалов между импульсами могли бы дать ясную и недвусмысленную подпись: «Я черная дыра». К сожалению, такую подпись никто никогда не наблюдал. На это, как кажется, есть несколько причин:

1. Раскаленный, испускающий рентгеновское излучение газ движется вокруг черной дыры настолько турбулентно и хаотично, что плотные сгустки могут сохраняться лишь на протяжении одного или малого числа оборотов, но не дольше.

2. Если даже несколько сгустков и сохраняются достаточно долгое время и выдают подписи черной дыры, турбулентное рентгеновское излучение остального турбулентного газа, очевидно, хоронит эти свидетельства.

3. Если Cyg Х-1 в действительности черная дыра, то, как показывают математические расчеты, большая часть рентгеновского излучения должна излучаться достаточно далеко от ее горизонта — с окружностей примерно в 10 и более раз больше критической, где просто излучающий рентген объем гораздо больше. На таких больших расстояниях от черной дыры предсказания общей теории относительности и ньютоновской теории тяготения приблизительно одинаковы, и поэтому, если бы и были импульсы от вращающихся сгустков, они бы не несли в себе отчетливой подписи черной дыры.

По причинам, аналогичным изложенным, астрономы, возможно, никогда не смогут обнаружить подписи, удостоверяющей черную дыру в электромагнитных волнах любого типа, исходящих из ее окрестностей. К счастью, существуют блестящие перспективы для подписи совершенно другого типа: подписи, переносимой гравитационными волнами. Мы к этому еще вернемся в главе 10.

* * *

Золотой век теоретических исследований черных дыр (глава 7) совпал с поиском черных дыр, а также с открытием и расшифровкой природы Cyg Х-1. Поэтому, казалось, можно было ожидать, что молодежь, доминировавшая в Золотом веке (Пенроуз, Хокинг, Новиков, Картер, Израэль, Прайс, Тьюкольски, Пресс и другие), будет играть ключевую роль в поисках черных дыр. За исключением Новикова, это оказалось не так. Приобретенные этими молодыми людьми таланты и знания, так же как и сделанные ими замечательные открытия, касающиеся вращения, пульсации и безволосости черной дыры, имели отношения к поиску и расшифровке Cyg Х-1. Все могло бы быть по-другому, если бы Cyg Х-1 имел однозначную подпись, удостоверяющую его как черную дыру. Но ее не было.

Этих молодых, как и других подобных им физиков-теоретиков, иногда называют релятивистами, поскольку они проводят так много времени, работая с законами общей теории относительности. Теоретики, действительно внесшие вклад в поиски (Зельдович, Пашинский, Сюняев, Рис и другие), были другой породы, их называли астрофизиками. Для поиска этим астрофизикам требовалось владеть лишь малой частью общей теории относительности — вполне достаточной, чтобы понять, что кривизна пространства-времени ко всему этому, практически, отношения не имеет, и что ньютоновского описания гравитации вполне достаточно для моделирования объектов подобных Cyg Х-1. Однако им требовался чудовищный объем других знаний, являющихся частью стандартного инструментария астрофизика. Они должны были мастерски владеть пространными астрономическими учениями о двойных звездах и спектрах звезд-спутников кандидатов в черные дыры, о поглощении звездного света в межзвездной пыли — ключевой инструмент для определения расстояния до Cyg Х-1. Им также требовалось быть экспертами в вопросах течения раскаленного газа, ударных волнах, формирующихся при столкновении раскаленного газа, турбулентности газа, трения в газе, обусловленного турбулентностью и хаотическим магнитным полем, вынужденного разрыва и соединения линий магнитного поля, образования рентгеновского излучения в раскаленном газе, распространения в газе рентгеновского излучения и во многих других. Мало кто может быть профессионалом во всех этих вопросах и одновременно владеть сложной математикой искривленного пространства-времени. Человеческие ограничения обусловливают разделение в сообществе исследователей. Либо вы специализируетесь в теоретической физике черных дыр, в выведении из общей теории относительности свойств, которыми должна обладать черная дыра, либо вы специализируетесь в астрофизике двойных систем, раскаленном газе, падающем на черную дыру, и излучении, производимом газом. Вы были либо релятивистом, либо астрофизиком.

Некоторые из нас пытались быть и теми и другими, но со скромным успехом. Превосходному астрофизику Зельдовичу иногда удавалось проникнуть в самую суть черных дыр. Я, в общем-то, одаренный релятивист, пытался построить модели потока газа вблизи черной дыры в Cyg Х-1, основываясь на общей теории относительности. Но Зельдович не понимал глубоко общую теорию относительности, а я не достаточно хорошо знал астрономическую науку. Барьер, который нужно преодолеть, слишком велик. Из всех исследователей, работавших в Золотой век, которых я знал, лишь Новиков и Чандрасекар твердо стояли одной ногой в астрофизике, а другой в релятивизме.

Физики-экспериментаторы подобные Джиаккони, которые разрабатывали и запускали рентгеновские детекторы и спутники, наталкивались на тот же самой барьер. Но существовала и разница. Релятивисты не требовались для поиска черных дыр, тогда как без физиков-экспериментаторов было не обойтись. Астрономы и астрофизики со всем их мастерством и пониманием двойных звезд, течения газов, распространения рентгеновских лучей ничего не могли сделать, пока экспериментаторы не предоставили в их распоряжение подробные рентгеновские данные. Физики-экспериментаторы часто сами пытались расшифровать то, что говорили их собственные данные о потоках газа и о порождающей их возможной черной дыре, но успехи были не велики. Астрономы и астрофизики брали их данные, благодарили и затем интерпретировали их по-своему, более изощренным и надежным образом.