«Карта Вселенной»

Астрофизик Приямвада Натарджан создает схемы распределения темной материи в космосе. В своей книге «Карта Вселенной. Главные идеи, которые объясняют устройство космоса» она рассказывает об открытиях, позволивших в ХХ веке понять устройство Вселенной, о стоящей за ними науке и путях признания радикальных научных теорий (книга выходит в русском переводе Арсена Хачояна и Инны Черкашиной в издательстве «Альпина нон-фикшн» в текущем году). N + 1 публикует отрывок, в котором Натарджан исследует историю термина «черная дыра» и объясняет, как наука задолго до фактического обнаружения черных дыр предсказала их существование.

Черная Сердцевина
Черные дыры становятся реальностью

Черные дыры, представляющие собой наиболее массивные и компактные из всех известных астрономии объектов, дают обильную пищу для человеческой фантазии. В качестве примера мне хочется отметить серию японских рисунков манга Inuyasha, созданную художником Румико Такахаси: их герой по имени Мироку несет на руке полученный от предка знак проклятия, под воздействием которого все, к чему он прикасается, мгновенно и безжалостно затягивается в некий туннель пустоты. С течением времени эта черная дыра растет, угрожая затянуть и уничтожить самого Мироку. Такой зловещий образ таинственного объекта, поглощающего и уничтожающего все на своем пути, уже давно стал общепринятым литературным тропом и применяется практически ко всему. В 2008 г. все американские газеты после финансового краха писали о «черной дыре» на Уолл-стрит, а газета The New York Times практически постоянно использует этот образ при описании самых разных событий и ситуаций — от действий террористов и докладов разведки о ситуации в Северной Корее до состояния финансов при Митте Ромни. Во всех случаях понятие «черная дыра» подразумевает полное отсутствие информации о каких-либо объектах или обстоятельствах.

Как было показано выше, признание некоторых научных идей гелиоцентрической модели Солнечной системы или теории расширяющейся Вселенной протекало, как говорят физики, нелинейно. Такая же судьба ожидала концепцию черных дыр, которая из экзотического математического понятия превратилась в общепринятую научную теорию и затем в популярный объект современной культуры.

Стоит отметить, что первоначально термин «черная дыра» был создан вовсе не для описания особых свойств астрономических объектов, а ведет происхождение из истории одной тюрьмы. 20 июня 1756 г. наваб (правитель Бенгалии) Сирадж уд-Даула захватил Калькутту, которую до этого удерживали войска английской Ост-Индской компании под командованием Джона Холвелла (провозгласившего себя губернатором Бенгалии). Наваб отправил Холвелла и других европейцев в одиночную камеру тюрьмы, построенную самой компанией. Эта была совсем маленькая камера (6 м на 4 м и двумя крошечными окнами), известная в народе как «Черная дыра». Наваб держал в ней без воды и в ужасной духоте 146 заключенных, из которых выжили только 23 человека, после чего камера получила печальную известность. Несмотря на то что ученые, такие как Дж. Г. Литтл, подвергали сомнению точность этих сведений, название тюрьмы — «Черная дыра» — сохранилось, и можно предположить, что оно осталось в подсознании и языке мрачной метафорой безжалостного уничтожения. Например, когда 25 мая 1887 г. ужасный пожар стер с лица земли здание театра Опера-Комик в Париже, корреспондент The New York Times кратко описал пожарище словами «громадная черная дыра».

Задолго до использования в физике термин «черная дыра» стал в литературе устоявшимся символом мрачной темницы. В 1844 г. Эдгар По опубликовал в Philadelphia Dollar Newspaper ставший затем знаменитым рассказ в жанре хоррор «Погребенные заживо», описывающий страдания погребенных заживо людей. Во введении к рассказу вновь упоминается описанная выше трагедия в тюрьме Калькутты (По называет ее «Черной ямой Калькутты»). Даже в наши дни известный своим богатым воображением Томас Пинчон неоднократно упоминает «Черную яму Калькутты» в популярной музыкальной драме «Мейсон и Диксон» (Mason and Dixon) в качестве символа ужаса.

Удивительно, но некоторые из этих литературных примеров очень удачно описали природу еще не открытых в то время астрофизических объектов. В современной астрономии так стали обозначать объекты, откуда вещество не может вырваться. Пытаясь проследить истоки этого понятия и термина, историк науки Марция Бартусяк отмечает, что его предлагал и часто использовал знаменитый физик Джон Арчибальд Уиллер. По-видимому, впервые он использовал его в 1964 г. на съезде Американской ассоциации содействия развитию науки, после чего термин прижился в физике (и вообще в современной культуре), хотя сам Уиллер никогда не претендовал на авторство.

Сейчас нам известно, что черные дыры располагаются в центрах большинства (если не всех) известных галактик, включая нашу собственную Галактику Млечный Путь, в центре которой обнаружена гигантская черная дыра, масса которой превышает массу нашего Солнца примерно в 4 млн раз. В далеком космосе светящийся падающий газ затягивается внутрь активных, растущих черных дыр под воздействием мощнейшего гравитационного притяжения и постепенно превращается в видимые нам квазары, которые представляют собой самые яркие «маяки» ранней Вселенной. Квазары становятся видимыми, когда возраст Вселенной достигает примерно 1% от времени ее существования. На основе достаточно подробного изучения соседних галактик мы уже знаем, что в их центрах часто скрываются чудовищные по размеру черные дыры, которые обнаруживают себя лишь гравитационным воздействием на звезды и внутренние области окружающих их галактик. К счастью, наша Солнечная система располагается настолько далеко от черной дыры в центре Млечного Пути, что мы можем пренебречь этим воздействием.

В настоящее время астрономы уверены, что черные дыры (несмотря на их необыкновенные свойства) возникают в результате обычных физических процессов, протекающих в ходе эволюции звезд. Теория звездной эволюции предполагает, что топливом для звезд с массой, в 15–20 раз превышающей массу нашего Солнца, служит водород. После выгорания водорода эти звезды заканчивают свою жизнь как черные дыры. Черные дыры могут иметь экзотические свойства, но они — важная составляющая Вселенной, играющая значительную роль в формировании и эволюции галактик.

Давайте теперь рассмотрим черные дыры начиная с того момента, когда этот термин перестал быть объектом воображения и превратился в объект, который можно обнаружить и описать. История термина связана с «башней из слоновой кости» (в американском английском используется для обозначения академических кругов. — Прим. науч. ред.) — Кембриджским университетом в Англии XVIII в. Кембридж и Оксфорд были тесно связаны с англиканской церковью, и большинство студентов были выходцами из мелкопоместного дворянства и духовного сословия. По окончании университета все они подписывали официальный документ «символа веры» государственной англиканской церкви, состоящего из 39 статей (так называемые «39 статей англиканского вероисповедания», Thirty-Nine Articles of Anglican Faith), поэтому неудивительно, что многие из выпускников в дальнейшем связывали свою судьбу с церковью. Один из блестящих выпускников Оксфорда сумел представить и описать совершенно необычные небесные тела, а именно настолько массивные звезды, что их свет просто не может покинуть породившее его светило.

Когда в 1783 г. английский сельский священник Джон Мичелл первым предложил идею существования каких-то темных звезд, он, разумеется, даже не мог себе представить, что когда-нибудь мы сможем их наблюдать и регистрировать. Сам Мичелл был полиматом (этим словом тогда обозначали талантливых ученых, занимавшихся сразу несколькими областями науки). Он родился в 1724 г. и учился в Кембридже, где впоследствии преподавал языки (древнееврейский и греческий), а также математику и геологию. Портреты Мичелла не сохранились, но современники описывали его как «низенького, смуглого и толстого человека». Он принял духовный сан и получил приход в местечке Торнхилл вблизи города Лидса. Несмотря на свои религиозные обязанности, Мичелл активно занимался разнообразными и самыми передовыми научными исследованиями, а также встречался и регулярно переписывался со многими ведущими учеными своего времени (например, с Бенджамином Франклином и Генри Кавендишем) и регулярно обсуждал с ними разно образные проблемы. Им было что обсудить. Научная деятельность Мичелла охватывала проблемы земного магнетизма, теории распространения волн от землетрясения по поверхности Земли и т.д. Именно за работы по сейсмологии в 1760 г. Мичелл был избран членом Королевского общества, однако, несмотря на все свои достижения в области натуральной философии, он прославился гораздо меньше многих своих современников, возможно вследствие неумения пропагандировать и распространять научные идеи.

Следуя постулатам Ньютона, Мичелл рассматривал свет в качестве потока крошечных частиц (корпускул) и поэтому полагал, что массивные звезды должны оказывать на эти частицы такое же гравитационное воздействие, как и на другие оказавшиеся вблизи астрономические объекты (например, кометы). Поскольку гравитационное воздействие прямо пропорционально массе звезды, Мичелл далее предположил, что могут существовать исключительно массивные звезды, способные полностью останавливать свет. В письме к Генри Кавендишу, датированном 27 ноября 1783 г., он верно догадался, что такие «темные звезды» должны обнаруживаться лишь по гравитационному воздействию, которое они могут оказывать на окружающие их тела. Эту идею (фактически, определение черных дыр в рамках ньютоновской механики своего времени) Мичелл опубликовал в журнале Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Он не был одинок в этих теоретических построениях. Всего через 13 лет похожую концепцию предложил в своей книге «Изложение системы мира» (Exposition du système du monde) французский математик Пьер-Симон Лаплас, который пришел к выводу: «…возможно, что по этой причине остаются невидимыми для нас самые большие светящиеся тела во Вселенной». Впрочем, когда позднее корпускулярная теория света Ньютона потеряла свою популярность (вследствие чего была забыта и идея о «темных звездах»), Лаплас полностью выбросил все упоминания об этой гипотезе из более поздних изданий своей книги.

Прошло еще 150 лет, и представление об этих астрономических объектах воскресло в рамках ОТО Эйнштейна . Эта теория выросла из более простой идеи. Еще в 1905 г. Эйнштейн опубликовал специальную теорию относительности (СТО), в которой постулировал, что ни один объект не может двигаться со скоростью, превышающей скорость света. Существование предельной скорости имело для науки очень глубокие последствия. Прежде всего, была установлена невозможность передачи вещества или информации со скоростью больше максимально возможной. Из этой теории возникла и знаменитая формула эквивалентности энергии и массы, выражаемая ставшей общеизвестной формулой E = mc². Однако в 1915 г. Эйнштейн предложил общую теорию относительности, глубоко изменившую наши представления о массе, гравитации и пространстве, что и позволило возродиться идее о черных дырах. Математика ОТО позволяет по-новому визуализировать окружающую нас реальность. Как описывалось в предыдущей главе, новая теория привела к возникновению новой модели Вселенной, ставшей первым крупным пересмотром картины мира со времен Ньютона. При этом, однако, к глубокому разочарованию самого Эйнштейна, эта теория допускала существование черных дыр.

Рискуя навлечь на себя обвинения в искажении светлого образа Эйнштейна, мы должны отметить, что он выступал против концепции расширяющейся Вселенной и ненавидел идею черных дыр. Это может быть объяснено, кстати, следующим обстоятельством: восхищение физиков работами Эйнштейна связано, хотя бы частично, с тем фактом, что ему удалось построить великую ОТО буквально из  ничего (ex nihilo), то есть без объяснения каких-то наблюдаемых явлений. Это безупречно настолько, насколько может быть безупречна физическая теория. Поэтому ОТО вызывала особое уважение в качестве примера демонстрации могущества умозрительных рассуждений, позволяющих достичь чисто математического описания природы. Его теория предполагала глубокое понимание природы гравитации  — таинственной силы, удерживающей в единстве не только Солнечную систему, но и Вселенную в целом. В течение всей своей научной деятельности Эйнштейн руководствовался стремлением постичь единство и простоту устройства мира. Именно эти философские убеждения иногда мешали ему воспринимать и признавать необычные результаты, даже если они вытекали из его собственных работ и теорий. Так было и в случае черных дыр.

Теория Эйнштейна была не только математически элегантной и независящей от наблюдений, но сделала несколько важных научных проверяемых предсказаний. При этом теория значительно обгоняла существующие потребности и возможности ее проверки или применения. В некотором смысле можно сказать, что в начале прошлого века ОТО представляла собой «стерильно чистую» область физики, далекую от мейнстрима научных изысканий эпохи. Она имела важное значение для астрономии, но и в астрономии не была связана с реально существующими физическими объектами, по крайней мере в самом начале прошлого века. ОТО стала использоваться для описания Вселенной (как единого целого) уже в первые десятилетия после своего создания. Поскольку предсказываемые теорией наблюдаемые эффекты были очень слабыми для астрономических объектов с небольшой массой, теория оставалась незадействованной в наблюдениях вплоть до обнаружения в космосе новых экзотических объектов (типа нейтронных звезд, пульсаров и квазаров), при описании которых и проявились ее богатые возможности. Таким образом, когда в начале 1960-х гг. астрономы обнаружили в космосе эти сверхтяжелые объекты, теория Эйнштейна уже была достаточно развита и разработана для их описания.

Сегодня наиболее убедительные доказательства существования черных дыр получены для спиральной галактики NGC4258, внутри которой располагается черная дыра, массивнее Солнца примерно в 40 млн раз. Чтобы почувствовать масштаб, представьте, что при картографировании внутренних областей этой галактики в радиодиапазоне астрономы обнаружили диск, который, по-видимому, является резервуаром газа, закручивающимся в черную дыру, настолько широким, что свету потребовался год, чтобы пересечь его (если газ не будет захвачен черной дырой). Именно эти объекты управляют движением звезд внутри галактик. Сейчас предполагается, что в центре самых ярких галактик также располагаются сверхмассивные черные дыры с массой, превышающей массу Солнца в миллиарды раз.

Полностью читайте:

Карта Вселенной. Главные идеи, которые объясняют устройство космоса / Приямвада Натараджан ; Пер. с англ. [Арсена Хачояна и Инны Черкашиной, под научной редакцией Олега Верходанова] — М.: Альпина нон-фикшн, 2019. — 318 с.