Хотя Эйнштейн скептически относился к существованию черных дыр, его собственная теория предполагала иное. Что нас приблизило к открытию черных дыр так это наблюдение за поведением коллапсирующих звезд. И объект под названием Cygnus X-1 предоставил доказательства.
Доказательство существования черных дыр
Во времена Эйнштейна мало кто из физиков думал, что черные дыры действительно существуют — если они вообще задумывались об этом. Но в 1965 году Пенроуз сделал открытие, которое перевернуло эту точку зрения.
Используя математику, которая сильно отличалась от всего, что когда-либо использовал Эйнштейн, Пенроуз смог строго доказать, что при определенных обстоятельствах коллапсирующая звезда гарантированно сформирует черную дыру. В частности, если коллапсирующая звезда достаточно массивна, то образование черной дыры совершенно неизбежно.
В январе 1965 года Пенроуз опубликовал короткую трехстраничную статью, озаглавленную “Гравитационный коллапс и пространственно-временные сингулярности”. В то время аргументы Пенроуза сильно противоречили общепринятому мнению физического сообщества.
Многие утверждали, как это делал Эйнштейн, что сложности реальных коллапсирующих звезд помешают им образовать черные дыры.
Но математический аргумент Пенроуза был убедительным. В течение следующих нескольких лет мнения многих физиков были изменены. К концу 1960-х годов стало господствующим мнением, что черные дыры, вероятно — если не гарантировано — существуют в природе.
Как черные дыры влияют на окружающие звезды
По мере того, как все больше физиков убеждались в существовании черных дыр, начал расти интерес к способам обнаружения или наблюдения этих объектов. Одним из первых ученых, активно работавших над этим вопросом, был советский физик Яков Зельдович.
В начале 1960-х годов Зельдович предположил, что наличие черных дыр может быть косвенно выведено путем изучения движения других близлежащих звезд. Он утверждал, что невидимая черная дыра заставила бы другую звезду в пределах ее собственной солнечной системы раскачиваться взад и вперед с регулярным периодом.
Если бы ученые могли каким-то образом наблюдать за такой колеблющейся звездой, они могли бы идентифицировать черную дыру и даже измерить ее массу.
С другой стороны, Зельдович утверждал, что при определенных обстоятельствах черная дыра может оказывать значительное влияние на окружающий ее материал. Все астрофизические тела притягивают и накапливают материю силой своего притяжения.
Но в отличие от обычных звезд или планет, материя, падающая к черной дыре, будет ускоряться почти до скорости света по мере ее приближения. Более того, этот падающий материал будет вращаться вокруг черной дыры по спирали, подобно жидкости, стекающей в канализацию.
Поскольку это вещество движется со скоростью, близкой к скорости света, его температура достигает миллионов градусов. Зельдович утверждал, что такие системы будут выделять огромное количество энергии и могут наблюдаться астрономами даже на очень больших расстояниях.
Тайна Лебедя X-1
Загадка странного астрономического объекта, известного как Лебедь X-1, поставила астрономов в тупик. Впервые обнаруженный астрономами в 1964 году, наблюдения этого объекта в 1970 году, однако, выявили некоторые из его более причудливых характеристик.
Наблюдалось, что Лебедь X-1 испускал очень яркие вспышки рентгеновского излучения несколько раз в секунду. Короткая продолжительность этого рентгеновского излучения указывала на то, что то, что их излучало, было не очень большим по астрономическим стандартам — не более доли световой секунды в поперечнике.
Другими словами, объект будет иметь длину не более 100 000 километров или около того. Рентгеновские лучи образуются только в очень горячих средах с температурой в миллионы градусов.
В следующем году радионаблюдения в направлении Лебедя X-1 обнаружили голубую сверхгигантскую звезду. Однако эта звезда слишком велика, чтобы генерировать быстрое рентгеновское мерцание, которое наблюдалось ранее.
Чтобы объяснить производство наблюдаемых рентгеновских лучей, астрономы пришли к выводу, что часть газа этой звезды каким-то образом отрывалась, а затем нагревалась до очень высоких температур. Позже в том же году другие наблюдения начали обнаруживать колебание голубого сверхгиганта — точно так же, как Зельдович предположил десятилетием ранее.
Из наблюдаемого колебания астрономам стало ясно, что близлежащий объект был массивным — слишком массивным, чтобы даже быть нейтронной звездой.
Поскольку качество наблюдений продолжало улучшаться в последующие годы, стало яснее, что Лебедь X-1 был черной дырой. К концу 1970-х годов большинство астрофизиков пришли к согласию с этим выводом, а также с выводом о том, что черные дыры действительно существуют в нашей Вселенной.
Теперь известно, что Лебедь X-1 – это черная дыра, удаленная от нас примерно на 6000 световых лет и примерно в 15 раз массивнее Солнца. При такой массе радиус Шварцшильда этой черной дыры составляет около 44 километров.
Все, что находится в пределах этого радиуса, навсегда потеряно из нашего поля зрения. И, в некотором смысле, утрачено из самой нашей Вселенной.
Черные дыры вокруг нас
В течение десятилетий после определения того, что Лебедь X-1 является черной дырой, астрономы и астрофизики обнаружили множество других черных дыр в нашей Вселенной. Сюда входят десятки черных дыр, которые когда-то считались массивными звездами, подобными Лебедю X-1.
Кроме того, было обнаружено много больших и массивных черных дыр. Например, в центре галактики Млечный Путь находится огромная черная дыра, масса которой примерно в четыре миллиона раз превышает массу Солнца.
В настоящее время принято считать, что большинство спиральных и эллиптических галактик содержат в своих центрах сверхмассивные черные дыры.
Хотя большинство из этих сверхмассивных черных дыр сходны по массе с той, что находится в центре Млечного Пути, в некоторых галактиках находятся черные дыры еще большего размера, массы которых измеряются миллиардами, а не просто миллионами солнечных масс.
Черные дыры являются следствием общей теории относительности Эйнштейна. И все же Эйнштейн так и не пришел к признанию того, что черные дыры действительно — или даже могли — существовать в нашей Вселенной.
