ПЛАН

1. Чорні дірки
2. Так чи чорні чорні дірки
3. Нові відкриття щодо чорних дір
4. Список літератури

1. Чорні дірки

Термін «чорна діра» з'явився зовсім недавно. Його ввів у обіг в 1969 р.американський учений Джон Уїлер як метафоричне вираження уявлення,виникла принаймні 200 років тому, коли існували дві теоріїсвіту: в першій, якої дотримувався Ньютон, вважалося, що світло складаєтьсяз частинок; згідно з же другої теорії, світло - це хвилі. Зараз ми знаємо,що насправді обидві вони правильні. У силу принципу частково-хвильовогодуалізму квантової механіки світло може розглядатися і як частинки, і якхвилі. У теорії, в якій світло - хвилі, було незрозуміло, як будедіяти на нього гравітація. Якщо ж світло - потік часток, то можнавважати, що гравітація діє на них так само, як на гарматні ядра,ракети і планети. Спочатку вчені думали, що частинки світла переміщуються знескінченною швидкістю і тому гравітація не може їх сповільнити, але коли
Ремер встановив, що швидкість світла кінцева, стало ясно, що впливгравітації може виявитися істотним.
Виходячи з цього Джон Мічел, викладач із Кембриджу, у 1783 р.представив в журнал «Філософські праці Лондонського Королівського товариства»свою роботу, в якій він вказував на те, що досить масивна ікомпактна зірка повинна мати таке сильне гравітаційне поле, що світлоне зможе вийти за його межі: будь-який промінь світла, іспущенний поверхнеютакої зірки, не встигши відійти від неї, буде втягнутий назад їїгравітаційним тяжінням. Мічел вважав, що таких зірок може бути дужебагато. Незважаючи на те що їх не можна побачити, оскільки їх світло не може донас дійти, ми тим не менше повинні відчувати їх гравітаційне тяжіння.
Подібні об'єкти називають зараз чорними дірками, і цей термін відображає їхсуть: темні безодні в космічному просторі. Через кілька років після
Мічел та Французький вчений Лаплас висловив, мабуть, незалежно віднього аналогічне припущення. Цікаво, що Лаплас включив його лишев перше і друге видання своєї книги «Система світу», але виключив з більшпізніх видань, вважаючи, напевно, чорні діри божевільною ідеєю. (До того ж у
XIX ст. корпускулярна теорія світла втратила популярність. Стало здаватися,що всі явища можна пояснити за допомогою хвильової теорії, а в нійвплив гравітаційних сил на світ зовсім не було очевидним.)

Насправді світло не можна розглядати як гарматні ядра в теоріїтяжіння Ньютона, тому що швидкість світла фіксована. (Гарматне ядро,вилетіли вгору з поверхні Землі через гравітації буде сповільнюватися і вВрешті-решт зупиниться, а потім почне падати. Фотон ж повинен продовжуватирух вгору з постійною швидкістю. Як же тоді ньютонівська гравітаціяможе впливати на світ?) Послідовна теорія взаємодії світлаі гравітації була відсутня до 1915 р. коли Ейнштейн запропонував загальну теоріювідносності. Але навіть після цього пройшло чимало часу, поки сталонарешті зрозуміло, які висновки випливають з теорії Ейнштейна щодомасивних зірок.

Щоб зрозуміти, як виникає чорна діра, треба згадати про те, якийжиттєвий цикл зірки. Зірка утворюється, коли велика кількість газу (уосновному водню) починає стискатися силами власного гравітаційноготяжіння. У процесі стиснення атоми газу все частіше і частіше стикаються одинз одним, рухаючись зі все більшими й більшими швидкостями. У результаті газрозігрівається і врешті-решт стає таким гарячим, що атомиводню, замість того щоб відскакувати один від одного, будуть зливатися,утворюючи гелій. Тепло, що виділяється в цій реакції, яка нагадуєкерований вибух водневої бомби, і викликає свічення зірки. Черездодаткового тепла тиск газу зростає до тих пір, поки неврівноважить гравітаційне тяжіння, після чого газ перестає стискуватися.
Це трохи нагадує надутий гумовий кульку, в якому встановлюєтьсярівновага між тиском повітря всередині, який змушує кульку роздуватися,і натягом гуми, під дією якого кулька стискається. Подібнокульці, зірки будуть довго залишатися в стабільному стані, в якомувиділяється в ядерних реакціях теплом врівноважується гравітаційнетяжіння. Але врешті-решт у зірки скінчиться водень і інші видиядерного палива. Як не парадоксально, але чим більше початковий запаспалива у зірки, тим швидше воно виснажується, тому що для компенсаціїгравітаційного тяжіння зірку треба тим сильніше розігрітися, чим більшеїї маса. А чим гаряче зірка, тим швидше витрачається її паливо. Запасупалива на Сонце вистачить приблизно на п'ять тисяч мільйонів років, але більшважкі зірки витратять своє паливо всього за сто мільйонів років, тобтоза час, набагато меньш ^ віку Всесвіту. Витративши паливо, зіркапочинає охолоджуватися і стискуватися, а от що з нею відбувається потім, сталозрозуміло лише в кінці двадцятих років нашого століття.

У 1928 р. Субраманьян Чандрасекар, аспірант з Індії, вирушив по морюдо Англії, в Кембридж, щоб там пройти курс навчання у найбільшогофахівця в галузі загальної теорії відносності Артура Еддінгтона.
(Кажуть, на початку двадцятих років один журналіст сказав Еддінгтона, що вінчув, ніби світі всього три людини розуміють загальну теоріювідносності. Еддінгтон, помовчавши, сказав: «Я думаю - хто ж третій?).під час своєї подорожі з Індії Чандрасекар обчислив, якої величиниповинна бути зірка, щоб, витративши цілком своє паливо, вона все ж такимогла б протистояти впливу власних гравітаційних сил.
Чандрасекар міркував так. Коли зірка зменшується, частинки речовини дужесильно зближаються один з одним і в силу принципу заборони (виключення)
Паулі їх швидкості повинні все більше відрізнятися. Отже, часткипрагнуть розійтися і зірка розширюється. Таким чином, радіус зіркиможе утримуватися постійним завдяки рівновазі між гравітаційнимтяжінням і виникають в силу принципу Паулі відштовхуванням, точь-в-точьяк на більш ранній стадії розвитку зірки гравітаційні силиврівноважувалося її тепловим розширенням.
Однак Чандрасекар розумів, що відштовхування, обумовлене принципом
Паулі, не безмежно. Відповідно до теорії відносності, максимальнарізниця швидкостей частинок речовини в зірку дорівнює швидкості світла. Цеозначає, що, коли зірка стає досить щільним, відштовхування,обумовлене принципом Паулі, має стати менше, ніж гравітаційнетяжіння. Чандрасекар розрахував, що якщо маса холодної зірки більш ніжв півтора рази перевищує масу Сонця, то ця зірка не зможепротистояти власної гравітації. (Це значення маси заразназивають межею Чандрасекара.) Приблизно в той же час аналогічневідкриття зробив радянський фізик Л. Д. Ландау.
Висновки Чандрасекара і Ландау мали важливі слідства щодо долізірок з великою масою. Якщо маса зірки менше межі Чандрасекара, товона врешті-решт може перестати скорочуватися, перетворившись на «білогокарлика »- одне з можливих кінцевих станів зірки. «Білий карлик»має в радіусі кілька тисяч кілометрів, щільність - сотні тонн накубічний сантиметр і утримується в рівновазі завдяки відштовхуваннюелектронів в його речовині, відштовхуванню, яке виникає через принципу
Паулі. На небі видно чимало білих Орликів. Одним з перших був відкритий білийкарлик, що обертається навколо Сіріуса, - найяскравішої зірки на нічному небі.
Ландау показав, що зірка може виявитися і в іншому кінцевому стані,гранична маса якого дорівнює одній-двох мас Сонця, а розміри навітьменше, ніж у білого карлика. Ці зірки також повинні існувати завдякивиникає через принципу Паулі відштовхуванню, але не між електронами, аміж протонами та нейтронами. Тому такі зірки отримали назвунейтронних зірок. Їх радіус не більше кількох десятків кілометрів, ащільність - сотні мільйонів тонн на кубічний сантиметр. Коли Ландаупередбачив нейтронні зірки спостерігати їх ніхто не вмів, а реальнаможливість їх спостереження з'явилася значно пізніше.

Якщо маса зірки перевищує межу Чандрасекара, то коли її паливокінчається, виникають великі складності. Щоб уникнути катастрофічногогравітаційного колапсу, зірка може вибухнути або якимось чиномвикинути з себе частину речовини щоб маса стала менше граничної.
Важко, однак, повірити що так відбувається з усіма зірками незалежно відїх розмірів. Як зірка дізнається, що їй пора втрачати вагу? А навіть якщо бкожній зірці вдалося втратити у вазі настільки, щоб уникнути колапсу,те що сталося б, якби ми збільшили масу білого карлика абонейтронної зірки так, що вона перевищила б межа? Може бути, тодістався б колапс і щільність зірки стала нескінченною? Еддінгтон бувтак цим вражений, що відмовився вірити результату Чандрасекара. Він вважавпросто неможливим, щоб зірка сколлапсіровала в точку. Такої позиціїдотримувалося більшість вчених: сам Ейнштейн заявив у своїй статті, щозірки не можуть стискатися до нульових розмірів. Вороже ставлення вчених,особливо Еддінгтона, який був першим вчителем Чандрасекара іголовним авторитетом у дослідженні будови зірок, змусили Чандрасекаразалишити роботу в попередньому напрямку і переключитися на інші завданняастрономії, такі, як рух зоряних скупчень. Однак Нобелівськапремія 1983 була, принаймні частково, присуджено Чандрасекара заранні роботи, пов'язані з граничною масою холодних зірок.

Він показав, що якщо маса зірки перевищує межу Чандрасекара, топринцип заборони не може зупинити її колапс, а завдання про те, що повинностатися з такою зіркою відповідно до загальної теорії відносності, першийвирішив в 1939 р. молодий американський фізик Роберт Оппенгеймер. Але зрезультатів Оппенгеймера випливало, що за допомогою існуючих на той частелескопів можна спостерігати ні одна з передбачених ефектів. Потімпочалася друга світова війна, і сам Оппенгеймер впритул зайнявсярозробкою атомної бомби. Після війни про гравітаційному колапсі зовсімзабули, тому що більшість вчених було захоплена вивченням явищатомних і ядерних масштабів. Але в шістдесятих роках завдяки новітнійтехніці число астрономічних спостережень сильно зросла, а їх областьзначно розширилася, що викликало відродження інтересу до астрономії ікосмології. Результати Оппенгеймера були заново відкриті і розвинені далібагатьма фізиками.

У підсумку завдяки Оппенгеймеру ми маємо зараз таку картину. Черезгравітаційного поля зірки промені світла в просторі-часу відхиляютьсявід тих траєкторій, за якими вони переміщувалися б у відсутність зірки.
Світлові конуси, уздовж поверхні яких поширюються іспущенние зїх вершин світлові промені, близько поверхні зірки трохи нахиляютьсявсередину. Це проявляється в який спостерігається під час сонячного затемненнявикривленні світлових променів, що йдуть від віддалених зірок. У міру стисненнязірки збільшується гравітаційне поле на її поверхні і світловіконуси нахиляються ще сильніше. Тому світлових променів, іспущенним зіркою,стає все важче вийти за межі гравітаційного поля зірки, івіддаленою спостерігачеві її світіння буде здаватися тьмяним і більше червоним.
Врешті-решт, коли в ході стиснення радіус зірки досягне деякогокритичного значення, гравітаційне поле у її поверхні стане дужесильним, і тоді світлові конуси настільки повернуться всередину, що світ незможе більше вийти назовні. За теорією відносності ніщо не можерухатися швидше за світло, а раз світ не може вийти назовні, то і ніякоїінший об'єкт не зможе вийти, тобто все буде втягуватися назадгравітаційне поле. Це означає, що існує деяке безліч подій,тобто якась область простору-часу, з якої неможливо вийтиназовні і досягти вилученого спостерігача. Така область називається заразчорною дірою. Кордон чорної дірки називають горизонтом подій. Воназбігається зі шляхами тих світлових променів, які першими з усіх втрачаютьможливість вийти за межі чорної діри.
Щоб зрозуміти, що ви побачили б, якщо б спостерігали за освітою чорноїдірки при колапсі зірки, треба згадати, що в теорії відносностівідсутня абсолютна час і у кожного спостерігача своя міра часу. Черезчерез те, що зірка має гравітаційне поле, для спостерігача на зіркучас буде не таким, як для віддаленого спостерігача. Припустимо, щоякий-небудь відважний астронавт знаходиться на поверхні коллапсірующаязірки і колапсує всередину разом з нею. Нехай він кожну секунду за своїмигодини посилає сигнали на космічний корабель, який звертається по орбітінавколо зірки. У якийсь момент часу на його годиннику, скажімо в 11:00,зірка стиснеться до радіусу нижче критичного, при якому гравітаційнеполе стає наскільки сильним, що ніщо не може вийти назовні, і тодісигнали цього сміливця більше не потраплять на космічний корабель. Принаближенні часу до 11:00 інтервали між черговими сигналами, якіастронавт посилає своїм супутникам на космічний корабель, будутьподовжуватися, але до 10:59:59 цей ефект буде невеликий. Тим сигналами,які астронавт за своїми годинах пошле в 10:59:58 і 10:59:59, накосмічному кораблі пройде трохи більше секунди, але сигналу, посланогоастронавтом в 11:00, їм доведеться чекати вічно. Світлові хвилі, іспущенние зповерхні зірки між 10:59:59 і 11:00 по годинах астронавта, будуть, зточки зору пасажира космічного корабля, розмазані по нескінченногоперіоду часу. Часовий інтервал між двома хвилями, що приходять одинза одним на корабель, буде постійно збільшуватися, і тому що випромінюєтьсязіркою світло буде безперервно слабшати і здаватися все більш корисним. УВрешті-решт зірка стане такою тьмяною, що її більше не побачать з бортукосмічного корабля: від неї залишиться лише чорна діра в просторі. Прице на корабель буде як і раніше, діяти гравітаційне тяжіннязірки, так що він продовжить свій рух по орбіті навколо чорної діри.
Але цей сценарій не зовсім реалістичний з наступних причин. При видаленнівід зірки її гравітаційне тяжіння слабшає, а тому ноги нашоговідважного астронавта завжди будуть відчувати більш сильне гравітаційневплив, ніж голова. Різниця в величині сил призведе до того, щоастронавт небудь виявиться витягнутим, як спагетті, або розіб'єтьсяще до того, як розміри зірки скоротяться до критичного радіусу, коливиникає горизонт подій! Але ми вважаємо, що у Всесвіті існуютьнабагато великі об'єкти, наприклад центральні області галактик, якітеж можуть перетворюватися на чорні діри через гравітаційного колапсу.
Тоді, знаходячись на одному з таких об'єктів, астронавт не був би розірваний начастини ще до утворення чорної діри. Насправді він би не відчувнічого особливого, коли радіус зірки досяг би критичного значення, іцілком міг би пройти, не помітивши, крапку, за якою починається область,звідки не можна повернути назад. Але всього через кілька годин, коли цяобласть почала б коллапсіровать, різниця гравітаційних сил, що діютьна ноги і на голову, зросла б так сильно, що його знову розірвало б начастини.

У роботі, яку ми з Роджером Пенроуз виконали в період з 1965 по
1970 р., було показано, що, відповідно до загальної теорії відносності, в"чорної діри" повинна бути сингулярність, в якій щільність і кривизнапростору-часу нескінченні. Ситуація нагадує великий вибух в моментпочатку відліку часу з тією тільки різницею, що це означало б кінецьчасу для астронавта і для коллапсірующая тіла. У цій сингулярної точціпорушувалися б закони науки, а ми втратили б здатність передбачатимайбутнє. Але ця втрата не торкнулася б жодного спостерігача, що знаходитьсяпоза чорної дірки, тому що до нього не дійшов би не світлової, ні будь -небудь інший сигнал, який вийшов з сингулярності. Під впливом цьогодивного факту Роджер Пенроуз висунув «гіпотезу космічної цензури»,яку можна сформулювати так: «Бог не терпить голою сингулярності».
Іншими словами, сингулярності, що виникли в результаті гравітаційногоколапсу, з'являються лише в місцях на зразок чорних дір, де горизонт подійнадійно вкриває їх від поглядів ззовні. Строго кажучи, це гіпотеза слабкоюкосмічної цензури (як тіе і називають зараз): завдяки їй спостерігачі,що знаходяться за межами чорної діри, захищені від наслідків того, що всингулярності втрачається здатність передбачати майбутнє, але ця гіпотезанічого не дає для порятунку нещасного астронавта, що впав у чорну діру.
Існують деякі рішення рівнянь загальної теорії відносності,які дозволяють астронавтові побачити голу сингулярність; він можеухилитися від сингулярності і, пролетівши через «Кротову нору», вийти віншій області Всесвіту. Такий варіант надав би широкі можливостідля подорожі в просторі й часі, але, на жаль, всі ці рішення,мабуть, дуже нестабільні. Найменше обурення, наприклад присутністьастронавта, що могло б так змінити рішення, що астронавт не побачив бисингулярність до самого зіткнення з нею, коли його існуванню прийшовб кінець. Іншими словами, сингулярність перебувала б завжди в його майбутнєі ніколи в минулому. Сильна формулювання гіпотези космічної цензуритака: сингулярності реалістичного рішення повинні бути завжди абоцілком у майбутньому (як у випадку гравітаційного колапсу), або цілком уминулому (як у випадку великого вибуху). Дуже хочеться сподіватися, щогіпотеза космічної цензури виконується в тому або іншому формулюванні,тому що інакше поблизу голих сингулярностей була б можливістьпотрапляти в минуле. Це було б чудово для письменників-фантастів, алеозначало б, що ніколи не можна бути впевненим у своїй безпеці: хтосьможе увійти в минуле і позбавити життя кого-небудь з ваших батьків ще дотого, як вони встигли дати життя вам!

Горизонт подій, що обмежує ту область простору-часу, зякої неможливо вибратися назовні, подібний до якоїсь напівпроникноюмембрані, що оточує чорну діру: об'єкти на кшталт необережного астронавтаможуть впасти в чорну дірку через горизонт подій, але ніякі об'єкти неможуть вибратися з неї через обрій подій назад. (Згадайте, щогоризонт подій - це шлях, по якому в просторі-часупоширюється світло, коли він прагне вийти з чорної діри, а швидшесвітла не може рухатися ніщо.) Про горизонті подій можна сказати так, яксказано у поета Данте про вхід в Пекло: «Залиш надію всяк, сюди входить».
Все і вся, провалилося за горизонт подій, невдовзі потрапить в областьнескінченної щільності, де час кінчається.

Загальна теорія відносності пророкує, що при русі важкихоб'єктів повинні випромінюватися гравітаційні хвилі, які представляють собоюпульсації кривизни простору, що поширюються зі швидкістю світла.
Випромінюються при будь-якому русі гравітаційні хвилі будуть відносити енергіюсистеми. (Це нагадує поведінку кинутого у воду поплавка, якийспочатку то йде під воду, то виринає на поверхню, але, оскількихвилі виносять його енергію, врешті-решт застигає у нерухомомустаціонарному стані.) Наприклад, при обертанні Землі навколо Сонцявиникають гравітаційні хвилі і Земля втрачає свою енергію. Втрата енергіїбуде впливати на орбіту Землі, і Земля почне поступово наближатися до
Сонцю. Врешті-решт вони увійдуть в контакт, і Земля, перестав рухатисящодо Сонця, опиниться в стаціонарному стані. При обертанні Землінавколо Сонця втрачає потужність дуже мала - приблизно така, якуспоживає невеликий електрокип'ятильник. Це означає, що Земля впаде на
Сонце приблизно через тисячу мільйонів мільйонів мільйонів мільйонів років, атому прямо зараз турбуватися немає про що! Зміни орбіти Землівідбуваються занадто повільно для спостереження, але за останні кілька років уточності такий же ефект спостерігався в системі PSR 1913 +16. (PSR означає
«Пульсар» - особливий різновид нейтронної зірки, яка випромінюєперіодичні імпульси радіохвиль.) Це система двох нейтронних зірок,обертаються одна навколо іншої; втрати енергії на гравітаційне випромінюванняпризводять до їх зближення по спіралі.

Коли під час гравітаційного колапсу зірки утворюється чорна діра,всі рухи зірки повинні сильно прискоритися, і тому втрати енергії тежповинні сильно зрости. Отже, коллапсірующая зірка повинна незабаромопинитися в якомусь стаціонарному стані. Яким же буде це кінцевестан?

Можна припустити, що воно буде залежати від всіх складних властивостейвихідної зірки, тобто не тільки від її маси і швидкості обертання, а й відрізних щільностей різних частин зірки і від складного руху газів всерединінеї. Але якщо б чорні дірки були настільки ж різноманітними, як іколлапсірующая об'єкти, з яких вони виникають, то робити будь-якібуло загальні пророкування про чорні діри виявилося б дуже важко.

Однак в 1967 р. канадський учений Вернер Ізраель (він народився в Берліні,виховувався в Південній Африці, а докторську дисертацію захищав в Ірландії)зробив революцію в науці про чорні діри. Ізраель показав, що, згідно ззагальної теорії відносності, невращающіеся чорні дірки повинні мати дужепрості властивості: вони повинні бути правильної сферичної форми, розміричорної діри повинні залежати тільки від її маси, а дві чорні дірки зоднаковими масами повинні бути ідентичні один одному. Фактичновиходило, що чорні діри можна описати приватним рішенням рівнянь
Ейнштейна, відомим ще з 1917 р. і знайденим Карлом Шварцшильда незабаромпісля опублікування загальної теорії відносності. Спочатку багато хто, в томучислі й сам Ізраель, вважали, що, оскільки чорні діри мають бутизовсім круглими, вони можуть утворюватися тільки в результаті колапсуабсолютно круглого об'єкта. Таким чином, будь-яка реальна зірка - ареальні зірки не бувають ідеально сферичної форми - можесколлапсіровать, породжуючи тільки голу сингулярність.

Правда, була можлива й інша інтерпретація отриманого Ізраелярезультату, яку, зокрема »підтримували Роджер Пенроуз і Джон Уйлер.
Швидкі рухи, що виникають під час колапсу зірки, означають, вказувалиці вчені, що випромінюються зіркою гравітаційні хвилі можуть ще сильнішескруглили її, і до того моменту, коли зірка опиниться в стаціонарномустані, вона буде в точності сферичної форми. При такому погляді наречі будь-яка невращающаяся зірка, як би не була складна її форма тавнутрішня структура, після гравітаційного колапсу має перетворитися начорну дірку правильної сферичної форми, розміри якої залежатимутьтільки від її маси. Надалі такий висновок був підтверджений розрахунками танезабаром став загальноприйнятим.

Результат Ізраеля стосувався тільки чорних дір, що утворилися зневращающіхся об'єктів. У 1963 р. Рой Керр з Нової Зеландії знайшовсімейство рішень рівнянь загальної теорії відносності, які описувалиобертові чорні дірки. «Керровскіе» чорні дірки обертаються з постійноюшвидкістю, а їхня форма і розмір залежать тільки від маси і швидкості обертання.
Якщо обертання відсутній, то чорна діра має ідеальну кулястуформу, а відповідає їй рішення ідентичне шварцшільдовскому рішенням. Якщо жчорна дірка обертається, то її діаметр збільшується по екватору (точно таксамо, як деформуються внаслідок обертання Земля і Сонце) і тим сильніше,чим швидше обертання. Щоб можна було перенести результат Ізраеля і наобертові тіла, було зроблено припущення, що будь-яке обертається тіло,яке в результаті колапсу утворює чорну діру, має врешті-рештопинитися в стаціонарному стані, описуваному рішенням Керра.

У 1970 р. мій аспірант і колега по Кембриджу Брендон Картер зробивперший крок до доведення цього припущення. Картер показав, що якщостаціонарна обертається чорна діра володіє віссю симетрії, як дзига,то її розміри і форма будуть залежати тільки від її маси і швидкостіобертання. Потім в 1971 р. я довів, що будь-яка стаціонарна чорна діразавжди буде мати таку вісь симетрії. Нарешті в 1973 р. Девід Робінсон з
Кінгс-коледжу в Лондоні, спираючись на наші з Картером результати, показав,що вищенаведене припущення правильно, тобто що стаціонарна чорнадіра завжди буде рішенням Керра. Отже, після гравітаційного колапсучорна діра повинна опинитися в такому стані, щоб вона могла обертатися,але не могла пульсувати. Крім того, розміри чорної дірки будуть залежатитільки від її маси і швидкості обертання і ніяк не будуть пов'язані зівластивостями того тіла, яке сколлапсіровало в цю чорну діру. Цей висновокстав відомим у формулюванні: «У чорної діри немає волосся». Теорема провідсутності волосся у чорної діри має величезне практичне значення, томущо вона накладає сильні обмеження на можливі типи чорних дір, а тимсамим дає можливість будувати детальні моделі об'єктів, які могли бмістити чорні дірки, і порівнювати їх передбачення з результатамиспостережень. Крім того, з неї випливає, що при утворенні чорної діриповинна губитися величезна частина інформації про сколлапсіровавшем тілі, томущо після колапсу все, що нам вдасться виміряти, - це, можливо, лишемаса тіла та швидкість його обертання.

Чорні дірки - одна з дуже небагатьох прикладів в історії науки,коли теорія розвивалася у всіх деталях як математична модель, не маючиніяких експериментальних підтверджень своєї справедливості. І це,звичайно, було головним запереченням супротивників чорних дір: як можна віритив реальність об'єктів, існування яких витікає лише з обчислень,заснованих на такий сумнівної теорії, як загальна теорія відносності.
Але в 1963 р. Маартен Шмідт, астроном з Паламарской обсерваторії в
Каліфорнії, виміряв червоний зсув тьмяного, схожого на зірку об'єкта внапрямку джерела радіохвиль ЗС273 (джерело під номером 273 в третьому
Кембріджському каталозі радіоджерела). Виявлена Шмідтом червонезсув виявилося занадто велика, щоб його можна було пояснити дієюгравітаційного поля: якщо б воно було гравітаційного походження, топов'язаний з ним об'єкт повинен був мати таку велику масу і розташовуватисятак близько до нас, що його присутність змінило б орбіти всіх планет
Сонячної системи. Але, може бути, тоді червоний зсув виникло черезрозширення Всесвіту і з цього випливає, що даний об'єктзнаходиться, навпаки, дуже далеко? Відомий на такій великій відстаніоб'єкт повинен бути дуже яскравим, тобто повинен випромінювати величезну енергію.
Єдиний механізм, за допомогою якого могло б випромінюватися таке великекількість енергії, - це гравітаційний колапс, але не який-небудь однієїзірки, а колапс усієї центральної області Галактики. З тих пір буливідкриті й інші аналогічні «квазізвездние об'єкти», або квазари,що володіють червоним зміщенням. Але їх велика віддаленість сильно ускладнюєспостереження і не дає можливості зробити остаточні висновки щодочорних дірок.

У 1967 р. з'явився новий аргумент на користь існування чорних дір.
Кембриджський аспірант Джослін Белл виявив на небі об'єкти, які випромінюють регулярні імпульси радіохвиль. Спочатку Белл і його керівник Ентоні
Хьюіш вирішили, що вони встановили контакт з позаземними цивілізаціями нашої
Галактики. Я пам'ятаю, що, доповідаючи про своє відкриття на семінарі, чотири джерела вони дійсно назвали скорочено LGM 1-4, де LGM означає
«зелені чоловічки» (Little Green Men). Але потім і автори, і всі інші прийшли до менш романтичному висновку, що виявлені об'єкти, які були названі пульсарами, являють собою обертаються нейтронні зірки, які випромінюють імпульси радіохвиль через складний характер взаємодії їх магнітного поля з навколишнім речовиною. Ця новина засмутила авторів бойовиків про космічних прибульців, але дуже надихнула наш нечисленний загін прихильників чорних дір, тому що ми вперше отримали підтвердження того, що нейтронні зірки існують. Радіус нейтронної зірки дорівнює приблизно п'ятнадцяти кілометрів, тобто всього в кілька разів більше критичного радіусу, після досягнення якого зірка перетворюється на чорну діру. Якщо зірка може сколлапсіровать до таких невеликих розмірів, то цілком припустимо припустити, що інші зірки в результаті колапсу стануть ще меншими і утворюють чорні дірки.

Так, але як можна розраховувати знайти чорну дірку, якщо по самому їївизначенням вона взагалі не випромінює світло? Це все одно, що ловити чорногокота у темній кімнаті. І все-таки один спосіб є. Ще Джон Мічелл у своїйпіонерської роботи, написаної в 1783 р., вказував, що чорні дірки все-такисправляють гравітаційний вплив на близькі до них об'єкти. Астрономиспостерігали багато систем, в яких дві зірки обертаються одна навколо іншоїпід дією гравітаційного тяжіння. Спостерігаються і такі системи, вяких видима лише одна зірка, що обертається навколо свого невидимогопартнера. Зрозуміло, ми не можемо відразу укласти, що партнер і єчорна діра, тому що це може бути просто надто тьмяна зірка.
Однак деякі з таких систем, наприклад Лебідь Х-1, є ще йпотужними джерелами рентгенівського випромінювання. Це явище найкращепояснюється припущенням, що з поверхні видимої зірки «здуває»речовина, яка падає на другий, невидиму зірку, обертаючись по спіралі
(як випливає з ванни вода), і, сильно розігріві, випускаєрентгенівське випромінювання. Для існування такого механізму невидимийоб'єкт повинен бути дуже малим - білим карликом, нейтронної зіркою абочорною дірою. Результати спостереження орбіти видимої зірки дозволяютьвирахувати, яку найменшу масу може мати невидимий об'єкт. У разі
Лебедя Х-1 ця маса становить приблизно шість сонячних мас, тобто,згідно Чандрасекара, занадто велика, щоб володіє нею невидимий об'єктвиявився білим карликом. А так як ця маса велика і для нейтронноїзірки, об'єкт, очевидно, має бути чорною дірою.

Існують і інші моделі, які пояснюють результати спостережень Лебедя Х-1без залучення чорних дір, але всі вони досить штучні. Чорна дірапредставляється єдиним цілком природним поясненням спостережень.
Незважаючи на це, Хокінг уклав парі з Кіпом Торно з Каліфорнійськоготехнологічного інституту, що насправді в Лебедя Х-1 немає чорної діри!
Для нього це пари - якась страховка. Він дуже багато займався чорнимидірками, і вся його робота піде нанівець, якщо раптом виявиться, що чорнідірки не існують. Але в цьому випадку втіхою йому буде виграна пари.
Якщо ж чорні дірки все-таки існують, то Кіп буде цілий рік отримуватижурнал "Penthouse". Укладаючи пари в 1975 р., вони були на 80% впевнені в тому,що Лебідь Х-1 є чорною дірою. Зараз їх впевненість зросла до
95%, але пари залишається в силі.

Дослідники маємо дані про ще кілька чорні діри всистемах типу Лебедя Х-1 в нашій Галактиці і двох сусідніх галактиках,які називаються Великим і Малим Магеллановій Хмарі. Але чорних дірмайже напевно набагато більше: протягом довгої історії Всесвітубагато зірок мали витратити до кінця своє ядерне паливо ісколлапсіровать. Число чорних дір цілком може навіть перевищувати кількості видимихзірок, яка тільки в нашій Галактиці складає близько ста тисячмільйонів. Додаткове гравітаційне тяжіння настільки великогокількості чорних дір могло б бути причиною того, чому наша Галактикаобертається саме з такою швидкістю, а не з якоюсь іншою: масивидимих зірок для пояснення цієї швидкості недостатньо. Існують ідеякі дані на користь того, що в центрі нашої Галактики є чорнадіра набагато більшого розміру з масою приблизно в сто тисяч мас Сонця.
Зірки, що опинилися в Галактиці дуже близько до цієї чорної дірки,розлітаються на частини з-за різниці гравітаційних сил на ближній і дальнійсторонах зірки. Залишки розлітаються зірок і газ, викинутий іншимизірками, будуть падати у напрямку до "чорної діри". Як і у випадку Лебедя
Х-1, газ буде закручуватися по спіралі всередину і розігріватися, правда нетак сильно. Розігрів буде недостатнім для випускання рентгенівськоговипромінювання, але нею можна пояснити той крихітний джерело радіохвиль іінфрачервоних променів, що спостерігається в центрі Галактики.

Не виключено, що в центрах квазарів є такі ж чорні дірки, але щевеликих розмірів, з масами близько ста мільйонів мас Сонця. Тількипадінням речовини в таку надмасивну чорну дірку можна було бпояснити, звідки береться енергія найпотужнішого випромінювання, що виходить ізчорної діри. Речовина падає, обертаючись,по спіралі всередину чорної діри ізмушує її обертатися в тому ж напрямку, в результаті чого виникаємагнітне поле, схоже на магнітне поле Землі. Падаюче всередину речовинабуде народжувати близько чорної діри частинки дуже високої енергії. Магнітнеполе буде настільки сильним, що зможе сфокусувати ці частки в струмені,які будуть вилітати назовні уздовж осі обертання чорної діри, тобто внапрямку її північного і південного полюсів. У деяких галактик і квазарівтакі струменя дійсно спостерігаються.

Можна розглянути і можливість існування чорних дірок з масами,меншими маси Сонця. Такі чорні дірки не могли б утворитися врезультаті гравітаційного колапсу, тому що їх маси лежать нижче межі
Чандрасекара: зірки з невеликою масою можуть протистояти гравітації навітьв тому випадку, якщо всі їхні ядерне паливо вже витрачено. Чорні дірималої маси можуть утворитися лише за умови, що речовина стисло довеличезних густин надзвичайно високими зовнішніми тисками. Такі умовиможуть виконуватися в дуже великій водневої бомби: фізик Джон Уїлер якосьвирахував, що якщо взяти всю важку воду з усіх океанів світу, то можназробити водневу бомбу, в якій речовина так сильно стиснеться, що в їїцентрі виникне чорна дірка. (Зрозуміло, навколо не залишиться нікого, хтоміг би це побачити!) Більш реальна можливість - це утворення не дужемасивних чорних дір з невеликою масою при високих значеннях температури ітиску на дуже ранній стадії розвитку Всесвіту. Чорні діри моглиутворитися лише в тому випадку, якщо початковий Всесвіт не була ідеальногладкою і однорідною, бо лише якусь невелику область зщільністю, що перевищує середню щільність, можна так стиснути, щоб вонаперетворилася на чорну діру. Але ми знаємо, що у Всесвіті повинні булибути присутнім неоднорідності, інакше все речовина не збилося б у грудки,утворюючи зірки і галактики, а рівномірно розподілилася б по всій
Всесвіту.

Чи могли ці неоднорідності, існуванням яких пояснюєтьсявиникнення зірок та галактик, привести до утворення «первинних» чорнихдірок, залежить від того, якою була рання Всесвіт. Отже,визначивши, яка кількість «первинних» чорних дір зараз існує, мизмогли б багато чого дізнатися про самих ранніх стадіях розвитку Всесвіту.
Первинні чорні діри, маса яких перевищує тисячу мільйонів тонн (масавеликої гори), можна було б зареєструвати тільки за впливом їхгравітаційного поля на видиму матерію або ж на процес розширення
Всесвіту. Але в наступному розділі ми дізнаємося, що насправді чорні діркизовсім не чорні: вони світяться, як розпечене тіло, і чим менше чорнадіра, тим сильніше вона світиться. Як не парадоксально, але може виявитися,що маленькі чорні дірки простіше реєструвати, ніж великі!

2. Так чи чорні чорні дірки

До 1970 р. Стівен Хокінг у своїх дослідженнях із загальної теоріївідносності зосереджувався в основному на питанні про те, чи існувалачи ні сингулярна то