80 лет назад вышла первая статья о черных дырах. Рассказываем простым языком, почему это важно

1 сентября — это не только годовщина начала Второй мировой войны или День знаний. Восемьдесят лет назад, 1 сентября 1939 года, в 56-м номере журнала Physical Review появилась статья Роберта Оппенгеймера и Хартленда Снайдера «О безграничном гравитационном сжатии». Сегодня ее с известными допущениями принято считать началом современного понимания черных дыр. 42.TUT.BY вспоминает, о чем этот текст, и как он повлиял на современную науку.

Радиогалактика Живописец A, виден джет рентгеновского излучения (синий) длиной 300 тыс. световых лет, исходящий из сверхмассивной черной дыры. Изображение: wikipedia.org

В чем ирония

В том, что с началом Второй мировой Оппенгеймер практически перестал заниматься отвлеченными вещами вроде далеких звезд и переключился на создание невиданного ранее оружия. Конечно, атомного. А теоретическое обоснование ядерного распада, сделавшее возможным атомный проект, было опубликовано в том же номере Physical Review, что и статья Оппенгеймера-Снайдера. Написали работу Нильс Бор и Джон Уилер, называлась она «Механизм ядерного распада».

Но на этом ирония не заканчивается. После войны Уилер плотно занялся общей теорией относительности и стал одним из самых крупных сторонников черных дыр. Более того, он придумал и популяризовал сам термин «черная дыра».

О чем статья «О безграничном гравитационном сжатии»

Начало статьи о черных дырах в Physical Review

По мнению авторов, когда источники термоядерной энергии звезды иссякнут и при этом ее масса не достигнет величины, примерно соответствующей массе нашего Солнца (об этом ниже), то под воздействием собственной гравитации она будет сжиматься безгранично (во что не верил, например, Эйнштейн).

Также в тексте обосновывается, сколько времени занимает коллапс звезды для различных наблюдателей. По сути, весь процесс образования черных дыр (на тот момент их называли по-другому) был описан в ней.

Что такое черная дыра?

Столкновение черных дыр. Изображение: Rimas / youtube.com

Наверное, уже никого не удивишь фактом, что черная дыра — это звезда. А черная — потому что не дает свету покидать ее, и он лишается возможности достичь нас и дать эту звезду увидеть. Почему же она так нехорошо обходится со светом?

В принципе, это просто. Если мы подбросим в небо камень, то он улетит на несколько метров, а потом упадет — гравитацию не обманешь. Если мы выстрелим в небо из зенитной пушки, то снаряд улетит уже на несколько километров, но потом все равно упадет, весь или по частям. Если мы запустим в небо космическую ракету, она взлетит, а на землю может и вовсе не вернуться — потому что скорость ее несравнимо выше скоростей и мяча, и снаряда. Так мы подходим к первому термину — скорости убегания (называемой также второй космической). Собственно, это скорость, с которой тело может преодолеть силу гравитации и улететь от другого небесного тела.

В случае Земли скорость убегания равна 11,2 километра в секунду, но для других планет и тем более звезд она другая. Маленький Плутон смог бы покинуть и снаряд из зенитки — скорость убегания всего 1,2 км/с. А для того, чтобы покинуть орбиту Юпитера, нужна скорость в 61 км/с, и в десять раз быстрее надо двигаться, чтобы «сбежать» от Солнца. Нетрудно понять, что чем больше и тяжелее объект, тем большая требуется скорость убегания.

Но мы также знаем, что скорость света, хоть и очень велика, но вполне конечна. Она равна 300 000 км/с. И если у нас имеется достаточно массивное тело, чтобы скорость убегания превышала эту цифру, — что тогда будет со светом? Верно, покинуть такой объект лучи света не смогут, они будут притянуты обратно. Потому такие тела получили название «темных звезд» еще в 18 веке — это имя придумали, а сейчас их зовут «черными дырами». Правда, изначально теория всеобщего признания не получила. В своих рассуждениях Джон Мичелл, который и додумался первым, что звезда может «задерживать» свет, сделал немало ошибок. Однако с появлением общей теории относительности Эйнштейна интерес к теме вернулся с утроенной силой.

Сжимается или нет?

Второй важный момент — достаточно массивные звезды не только не пускают свет, но и под воздействием собственной сильнейшей гравитации постоянно стремятся сжаться. Но сделать это не особо просто: изнутри звезду как бы «распирает» давление, создающееся из-за постоянно проходящего термоядерного синтеза, когда водород превращается в гелий. Однако это «равновесие» сохраняется только пока внутри звезды есть «топливо». Когда его практически не остается, звезда сжимается. А что с ней происходит дальше — на этот счет мнения расходились.

К концу тридцатых уже было известно, что иногда сжатие звезды могло прекратиться, и она превращалась в так называемый белый карлик. Но такой фокус проходил только со звездами с массой, не больше чем в 1,4 раза превышающей массу Солнца. Доказал это американский ученый Субраманьян Чандрасекар, потому максимальная масса, при которой звезда может стать белым карликом, названа пределом Чандрасекара.

А что, если ядерное топливо закончится у звезды, масса которой в разы больше предела Чандросекара? Собственно, этот вопрос и изучал Оппенгеймер, выпустив в итоге статью от 1 сентября. По расчетам ученого, без «горючего» сохранять давление, позволяющее противостоять сжатию, звезда не сможет. И в результате сожмется в точку с бесконечной плотностью — это называется сингулярность. Так и появляется черная дыра.

Эйнштейну идея не понравилась — еще раньше, в том же 1939 году, он утверждал в статье, что коллапс звезды невозможен в принципе, так как радиус сжатия конечен, и сингулярность недостижима в принципе. При этом расчеты великого физика оказались верными, подкачала интерпретация результатов — он, если до предела упростить, банально не поверил, что звезда способна сжаться до сингулярности.

Вторая мировая, последовавшая за статьями Эйнштейна и Оппенгеймера, сделала вопрос о черных дырах неактуальным, а авторитет Эйнштейна был достаточно велик, чтобы большинство научного сообщества встало на его сторону — черных дыр нет, потому что их не может быть никогда. До 1950-х ничего нового по теме черных дыр не было ни написано, ни открыто.

Галактика NGC 4319 и квазар Маркарян 205. Изображение: wikipedia.org

Многолетнее молчание было прервано открытием в 1963 году квазаров — объектов на огромном удалении от нас, выдающих просто невероятное излучение. Объяснить его обычными термоядерными процессами внутри звезд не получалось. Зато коллапсирующая звезда с гигантской гравитацией, притягивающая к себе всю окружающую материю, вполне подходила на роль источника такого излучения. В последующих научных работах (например, в статье Роджера Пенроуза 1965 года) было обосновано, что Эйнштейн был неправ — его уравнения в сингулярности, в которую он не верил, не действуют.

Примерно тогда же реабилитированные черные дыры обрели имя — Джон Уилер предложил этот термин в 1967 году (правда, выдвигаются и другие кандидаты на авторство). По некоторым сведениям, «черной дырой» называлась жуткая тюрьма в Индии, где в 1756 году бенгальский правитель Сурадж-уд-Доуле за ночь уморил сразу 120 человек — с тех пор в английском языке black hole стало обозначением для места, откуда не возвращаются.

Вышедшая в 1972 году статья Яакова Бекенштейна из Принстонского университета стала следующей вехой: ученый доказал, что после коллапса с образованием черной дыры она переходит в стационарное состояние, определяемое несколькими параметрами.

Доказательная база существования черных дыр была к семидесятым в целом сформирована, оставалось увидеть их воочию. Не обошлось без смешного: в ожидании черной дыры один из самых больших сторонников их существования Стивен Хокинг заключил с оппонентом, астрофизиком Кипом Торном, пари. Если Cyg X-1 в созвездии Лебедя, источник мощного излучения и один из наиболее вероятных «кандидатов» на роль черной дыры окажется таковой, то Хокинг дарит Торну подписку на журнал Penthouse. А если нет, то Торн оплачивает Хокингу подписку на юмористический журнал Private Eye. Апологет черных дыр Стивен Хокинг не случайно поставил на то, что Cyg X-1 таковой не является. Если бы получилось так и ученый потерпел бы крах в своем деле жизни, он рассчитывал утешиться хотя бы юмористическим журналом. Впрочем, все прошло идеально — Хокинг проиграл, так как Cyg X-1 действительно оказался черной дырой.

Некоторые исследователи и мечтатели заходили даже слишком далеко: появилась «Космология черной дыры». Согласно этой теории, мы вообще все живем в огромной черной дыре. Чем не пещера Платона?

И все-таки она видна!

Первое изображение горизонта событий черной дыры, представленное 10 апреля 2019 года

К сожалению, великий ученый и популяризатор Стивен Хокинг не дожил до, вероятно, счастливейшего момента своей жизни — дня, когда запущенный в 2012 году проект Event Horizon Telescope позволил наконец получить горизонт событий самой настоящей черной дыры.

10 апреля 2019 года астрономы представили на шести конференциях в Вашингтоне, Брюсселе, Сантьяго, Шанхае, Тайбэе и Токио первое в истории изображение черной дыры в центре галактики Messier 87.

Теперь сомнений в их существовании нет — осталось только слетать, как в «Интерстелларе».

https://42.tut.by/651698