Текст книги "Чудовища доктора Эйнштейна"

После эпохальных открытий Хокинга изучение черных дыр пошло быстрее. Мы наблюдаем золотой век теории черных дыр, и с каждым годом выходит все больше статей. Физики пытаются согласовать «стройные» описания тел в общей теории относительности с «шероховатыми» описаниями материи в квантовой теории.

Как сказано выше, вопрос о том, что происходит с информацией на горизонте событий, остается величайшей загадкой. Теория испарения черных дыр Хокинга проникает в арсенал квантовой механики. Изначально ученый утверждал, что излучение черной дыры хаотично и случайно и при испарении черной дыры теряется вся содержавшаяся в ней информация. Это противоречит основной предпосылке квантовой теории, согласно которой взаимодействия частиц обратимы во времени, следовательно, можно было бы «проиграть фильм задом наперед» и восстановить начальное состояние из конечного. Противоречия между двумя весьма успешными теориями в физике – общей теории относительности и квантовой механики – многие ученые восприняли как кризис.

В 1996 г. Энди Строминджер и Кумрун Вафа воспроизвели энтропию и излучение Хокинга с помощью теории струн[52]52
  A. Strominger and C. Vafa, “Microscopic Origin of the Bekenstein – Hawking Entropy,” Physical Letters B379 (1996): 99–104.


[Закрыть]. Теория струн – это растянувшаяся на много десятилетий попытка объединить четыре фундаментальные силы природы с концепцией материи не как частиц, а крохотных одномерных «струн» энергии, существующих в пространственно-временном континууме, имеющем, возможно, восемь или десять измерений. Теория струн более фундаментальна, чем стандартная квантовая теория, поскольку постулирует единственную сущность, лежащую в основе всевозможных частиц, таких как электроны, протоны и нейтроны. Она красива и математически точна, но ее трудно проверить. Однако потрясающим образом с ее помощью удалось объяснить некоторые важные свойства черных дыр – впервые микроскопическая теория материи была успешно применена в области сильной гравитации. Исследование Строминджера и Вафы позволило предположить, что информация, попавшая в черную дыру, действительно может быть восстановлена. Однако ученые по-прежнему не пришли к согласию по вопросам сохранения информация и по поводу того, что теория струн может сказать о природе черных дыр.

Многие ведущие физики трудятся над этой головоломкой[53]53
  Объединение квантовой теории с общей теорией относительности заняло последние 20 лет жизни Эйнштейна. Он так и не добился успеха. Некоторые самые очевидные идеи квантовой гравитации – например, что гравитация переносится частицей – гравитоном, быстро упирались в технические проблемы. Роль времени также очень сильно различается в квантовой механике и общей теории относительности. Теория струн считается многообещающим подходом, но создает огромное число состояний вакуума, в которых трудно разобраться. По иронии, недавний прогресс в описании черных дыр с точки зрения теории струн отчасти связан с отключением гравитации! По всей видимости, пройдет немало лет, прежде чем это направление исследований созреет или выдаст предсказания, которые можно будет проверить.


[Закрыть]. Согласно одной оригинальной идее, информация хранится на горизонте событий подобно тому, как голограмма служит двумерным информационным хранилищем трехмерного объекта. Если информация о содержимом черной дыры каким-то образом кодируется на поверхности (илл. 9), то это разрешает информационный парадокс. В 2012 г. в этой бочке меда обнаружили большую ложку дегтя: виртуальные частицы, обеспечивающие излучение Хокинга, оказались связанными – их квантовые состояния одинаковы даже на большом удалении друг от друга. Извлечь информацию, нарушив эту связность, означает высвободить мощный поток излучения, создав «стену огня» (файрвол) прямо над горизонтом событий. Путешественника ждет не скучное погружение в черную бездну, а уничтожение стеной огня. Однако для внешнего наблюдателя путешественник так и останется на горизонте событий, как муха на липкой ленте. Умрет или выживет? Никто не может выбраться наружу, и ничто не может проникнуть внутрь. Неизбежна ли стена огня? Ученые продолжают об этом спорить.

Этот спор показывает, как сильно менялись представления в процессе разработки теории черных дыр. Предоставим заключительное слово Энди Строминджеру. В статье 2016 г. «Мягкие волосы черных дыр», написанной в соавторстве с Хокингом, он оспаривает теорему Джона Уилера об отсутствии волос и идентифицирует частицы, которые могут играть роль квантовых пикселей информационного хранилища на границе черной дыры. Эта работа еще не завершена. Строминджер признает: «У меня есть список из 35 задач, решение каждой отнимет несколько месяцев. Физикам-теоретикам такое по вкусу: есть вещи, которые мы не понимаем, но можно сделать расчеты, что неизбежно приведет к пониманию»[54]54
  A. Strominger and S. Hawking, “Soft Hair on Black Holes,” Physical Review Letters 116 (2016): 231301–11. Более читабельное интервью с Энди Строминджером о его работе можно найти в блоге Сета Флетчера Dark Star Diaries: http://blogs.scientificamerican.com/dark-star-diaries/stephenhawking-s-new-black-hole-paper-translated-an-interview-with-co-authorandrew-strominger/.


[Закрыть].

За последние 100 лет черные дыры из монструозных идей, противоречащих здравому смыслу, превратились в испытательный полигон для проверки блестящих физических теорий. Черные дыры – подарок Вселенной. Их содержимое скрыто и загадочно, однако даже обертку этого ящика интересно изучать. Я вспоминаю ироничное замечание Марка Твена: «Все-таки в науке есть что-то захватывающее. Вложишь какое-то пустяковое количество фактов, а берешь колоссальный дивиденд в виде умозаключений»[55]55
  Твен М. Старые времена на Миссисипи // Собрание сочинений: в 8 т. Т. 4. – М., 1980.


[Закрыть].

Пора задать прагматичный вопрос: а черные дыры действительно существуют?

2. Черные дыры, рожденные смертью звезд

Наука опирается на взаимодействие теории и наблюдения. За тысячелетия люди предлагали множество оригинальных объяснений устройства Вселенной, но без данных, полученных путем наблюдения, даже самая умная мысль останется умозрительной. Есть ли свидетельства того, что во Вселенной масса способна исчезнуть из вида?

Трудно представить черные дыры, но они реальны. После почти 50 лет исследования конечных стадий жизни звезд это точно известно. Изолированная черная дыра совершенно невидима. Создаваемый ею разрыв пространственно-временного континуума настолько мал, что не выявляется никаким телескопом. Однако в большинстве своем звезды – это двойные или кратные системы, и видимая звезда может дать информацию о своей темной спутнице.

Трудно поверить, глядя на Солнце, что перед вами разворачивается титаническая битва сил света и тьмы. День за днем и год за годом Солнце кажется практически неизменным, но оно испускает частицы, мчащиеся с огромной скоростью, и постоянно выбрасывает облака плазмы размером с планету; по сути это ядерная печка с термостатическим управлением. В каждой точке Солнца сохраняется равновесие между направленной внутрь гравитацией и направленным вовне теплом, генерируемым в результате слияния ядер водорода в ядра гелия[56]56
  Баланс гравитации и давления в звезде, получающей энергию термоядерного синтеза, называется гидростатическим равновесием. Это процесс с отрицательной обратной связью, как у термостата. Если по какой-то причине Солнце испытает внешнее давление и будет сжато, температура уплотнившегося газа увеличится, скорость реакции ядерного синтеза возрастет и будет создано большее давление, которое несколько расширит Солнце. Если по какой-то причине Солнце несколько расширится, внутренняя температура упадет, ядерный синтез замедлится и Солнце, создавая меньшее внутреннее давление, немного сожмется. Звезды, подобные Солнцу, долгое время сохраняют устойчивость и не имеют ничего общего с бомбами.


[Закрыть]. Пока есть топливо для реакции синтеза, силы будут равны.

Если хотите поставить на долгосрочный исход этой битвы, ставьте на гравитацию. Запасы ядерного топлива ограниченны, а гравитация вечна. Когда в таких звездах, как Солнце, кончается водород, внутреннее давление исчезает и ядро звезды начинает коллапсировать до более горячего и плотного состояния, при котором из гелия может синтезироваться углерод. Реакция происходит быстро, и, когда гелия не остается, температура более не поднимается, а без этого не происходит запуска новых реакций слияния ядер. Без давления, поддерживающего стабильность, ядро звезды снова испытывает гравитационный коллапс. Израсходовав последнее топливо, Солнце переживет короткую фазу сияния, сбросив около трети своей массы в виде газовой оболочки, разлетающейся со сверхзвуковой скоростью. Быстро движущийся газ будет нагреваться и светиться, формируя красивейшую яркую планетарную туманность. Наблюдатель, смотрящий на Солнце из другой звездной системы с расстояния 5 млрд световых лет, увидит потрясающее световое шоу. Однако наблюдателям с Земли не поздоровится: выброс газа испарит биосферу и уничтожит все живое на планете[57]57
  На самом деле проблемы у земной биосферы начнутся существенно раньше. – Прим. науч. ред.


[Закрыть].

Жизнь и смерть звезды зависят от ее массы (илл. 10). Судьбы звезд предопределены с рождения. В зависимости от массы звезды становятся белыми карликами, нейтронными звездами или черными дырами. Не существует «типичной» массы или величины, хотя процесс формирования звезд из неупорядоченных облаков газа порождает гораздо больше мелких звезд, чем крупных. Солнце тяготеет к нижнему краю диапазона масс, под ним располагаются тусклые красные карлики. Красных карликов в несколько сот раз больше, чем солнцеподобных звезд. Продолжительность жизни звезды также зависит от массы, поскольку гравитация определяет температуру ядра, от которой, в свою очередь, зависит скорость протекания термоядерных реакций и, соответственно, временной резерв топлива. Звезда, подобная Солнцу, синтезирует гелий из водорода в течение 10 млрд лет; мы находимся в середине этого периода[58]58
  Про звезду, синтезирующую гелий из водорода, говорят, что она находится на главной последовательности. В начале XX в. астрономы Эйнар Герцшпрунг и Генри Норрис Рассел продемонстрировали, что, если представить светимость звезд в зависимости от их цвета или температуры поверхности, они не займут все части диаграммы. Большинство звезд укладывается в диагональ от высоких яркости и температуры до низких яркости и температуры. Звезды, использующие другие виды ядерного топлива или коллапсировавшие в свои конечные состояния, лежат в других частях диаграммы.


[Закрыть]. Продолжительность жизни звезды в половину солнечной массы – 55 млрд лет, поэтому в истории Вселенной, которой всего 14 млрд лет, еще не умирала ни одна такая звезда. Красный карлик в одну десятую массы Солнца – минимальная масса для звезды, способной осуществлять реакции термоядерного синтеза, – расходует топливо ничтожными порциями. Такая звезда теоретически проживет свыше триллиона лет – и это невообразимо долго. Тем не менее карликовая звезда лишь оттягивает неизбежное, поскольку однажды и она израсходует топливо, тусклый свет погаснет, и гравитация получит свое.

Звезды массивнее Солнца живут меньше и ярче. Они ведут себя так же, как Солнце в данный момент, – синтезируют ядра водорода в ядра гелия, но их гравитация сильнее, соответственно, температура ядра выше, и топливо расходуется с бешеной скоростью. Чем массивнее звезда, тем горячее ее ядро и короче жизнь. Массивные звезды могут пустить на реакцию синтеза все элементы периодической таблицы, вплоть до железа – самого прочного элемента. На железе реакции синтеза прекращаются, и ядро звезды переходит в причудливое физическое состояние: в плазму из атомов железа в 100 раз плотнее воды и при температуре миллиард градусов. В отсутствие давления изнутри ядро коллапсирует, и направленная внутрь волна сжатия порождает противоположно направленную волну – выброс с температурой несколько миллиардов градусов, в котором за доли секунды синтезируются тяжелые элементы, вплоть до урана. Появление сверхновой звезды – одно из самых ярких событий во Вселенной. Драгоценные металлы, выброшенные в космос, сформируют новое поколение звезд и планет. Значительная часть исходной массы звезды извергается в пространство, но остатки сжимаются безжалостными тисками гравитации.

Остатки звезды – крайне странное состояние материи. Мы не можем воссоздать его в лаборатории. Остается лишь теоретизировать, опираясь на законы физики, и надеяться, что наши теории достаточно основательны. Лучшие умы среди астрофизиков XX в. пытались разобраться в природе остатков звезд.

Итог эволюции звезды зависит от ее массы на момент начала жизни. Звезды рождаются в результате фрагментации и коллапса больших облаков газа, и малых звезд будет много больше, чем массивных. Все звезды, взрослея, теряют некоторую долю массы. Это сложные процессы, поэтому нельзя четко разграничить значения масс, определяющих судьбу звезды. Молодые звезды с массой меньше 8 солнечных коллапсируют в необычайно плотное состояние материи – это так называемые белые карлики. Большинство звезд менее массивны, чем Солнце, поэтому свыше 95 % звезд ждет именно такой финал. Например, на последней, ярчайшей стадии своей жизни Солнце сбросит около половины своей массы – и умрет белым карликом.

В 1783 г. английский астроном Уильям Гершель случайно открыл звезду, получившую название 40 Эридана В, но он не мог измерить ее размер и потому не понял, что она необычна. В 1910 г. астрономы снова сосредоточили свое внимание на этой тусклой звезде, входящей в двойную систему. Судя по орбите, ее масса должна быть примерно такой же, как у Солнца. Ученые знали расстояние до звезды и высчитали, что она в 10 000 раз тусклее, чем было бы Солнце на такой же дистанции. Однако она была белой – следовательно, горячее Солнца. Чтобы понять, почему это странно, представьте, что смотрите на нагревательные элементы электроплитки в темном помещении. Одна конфорка включена на слабый нагрев и светится оранжевым, как Солнце. Другая, включенная на максимум и значительно более горячая, светится белым. Белая конфорка намного ярче оранжевой. Чтобы белая конфорка казалась гораздо тусклее оранжевой, она должна быть намного меньше. По той же логике тусклая звезда в системе 40 Эридана должна быть значительно меньше Солнца. При той же массе, что и у Солнца, она должна иметь еще и значительно большую плотность[59]59
  Закон излучения, при помощи которого можно описывать звездный свет, называется законом Стефана – Больцмана. Он описывает абсолютно черное тело, но с некоторыми оговорками его можно применять и к звездам. Закон Стефана – Больцмана гласит, что вся энергия, излученная звездой, пропорциональна произведению площади поверхности и температуры в четвертой степени. Следовательно, излучение быстро уменьшается с уменьшением размера звезды и еще быстрее – с падением ее температуры.


[Закрыть].

Эрнст Эпик вычислил, что плотность 40 Эридана В в 25 000 раз больше солнечной, и назвал ее «невозможной»[60]60
  E. Öpik, “The Densities of Visual Binary Stars,” Astrophysical Journal 44 (1916): 292– 302.


[Закрыть]. Артур Эддингтон, популяризатор термина «белый карлик», описал поразительную реакцию на обнаружение подобного объекта: «Мы узнаем о звездах, получая и интерпретируя сообщения, которые несет нам их свет. Сообщение… когда оно было расшифровано, гласило: “Я состою из вещества, которое в 3000 раз плотнее всех известных вам веществ; тонна моего вещества была бы кусочком, помещающимся в спичечный коробок”. Что можно ответить на подобное сообщение? “Замолчи. Хватит нести чушь”, – вот что ответило большинство из нас в 1914 г.»[61]61
  A.S. Eddington, Stars and Atoms (Oxford: Clarendon Press, 1927), 50.


[Закрыть].

Эддингтон не страдал излишней скромностью. Услышав от коллеги: «Профессор Эддингтон, вы, должно быть, один всего лишь из трех человек в мире, понимающих теорию относительности», – он промолчал. «Не скромничайте», – стал убеждать коллега, и Эддингтон ответил: «Напротив, я пытаюсь понять, кто мог бы быть третьим»[62]62
  Цит. по кн.: J. Waller, Einstein’s Luck (Oxford: Oxford University Press, 2002).


[Закрыть]. Хотя Эддингтон был блестящим астрофизиком и предсказал обнаружение белых карликов, он назвал их «невозможными звездами».

Типичный белый карлик имеет размер Земли, но массу Солнца. Его плотность в миллион раз выше плотности воды. Ввиду отсутствия термоядерных реакций нет энергии, соответственно, нет давления изнутри наружу, и гравитация сдавливает газ, разрушая структуру атома и образуя плазму из несвязанных ядер и электронов. Лишь тогда гравитация наконец встречает противодействие. В 1925 г. Вольфганг Паули постулировал принцип запрета, гласящий, что никакие два электрона не могут иметь совершенно одинаковый набор квантовых свойств. Следствием принципа Паули является возникновение давления, препятствующего дальнейшему коллапсу остатков звезды[63]63
  Физическое состояние белого карлика называется вырожденным веществом. Давление вырожденного газа зависит только от плотности, но не от температуры. Вырожденное вещество сжимаемо, поэтому радиус белого карлика большой массы меньше, а его плотность выше, чем у белого карлика малой массы. Высокое содержание углерода и квазикристаллическая атомная структура белых карликов нашли отражение в песне рок-группы Pink Floyd из альбома Wish You Were Here «Shine On, You Crazy Diamond» являющейся аллюзией на эти небесные тела (а также посвящением основателю группы Сиду Барретту).


[Закрыть]. Белый карлик образуется при температуре до 100 000 кельвинов и постоянно излучает тепло в окружающее пространство, пока не израсходует его. А затем гаснет и погружается во тьму.

Субраманьян Чандрасекар, в то время 19-летний студент Кембриджа, получавший стипендию правительства Индии, вычислил, что независимо от исходной массы звезды оставшийся от нее белый карлик не может быть массивнее примерно 1,4 массы Солнца. При большей массе гравитация берет верх над квантовой механикой и звезда коллапсирует в сингулярность. Максимальная масса белого карлика называется пределом Чандрасекара[64]64
  S. Chandrasekhar, “The Maximum Mass of Ideal White Dwarfs,” Astrophysical Journal 74 (1931): 81–82.


[Закрыть]. Это были блестящие расчеты, и можно понять разочарование Чандрасекара, когда его кумир Артур Эддингтон публично высмеял идею коллапса в сингулярность. Чандрасекар был унижен – он счел, что выпад отчасти носит расистский характер. Мы привыкли считать науку областью меритократии, но ученые тоже бывают завистливыми и недальновидными. (Пионер квантовой механики Поль Дирак, столкнувшийся с похожим давлением, метко заметил, что наука развивается в ритме «одни похороны за раз».) Но Чандрасекар оказался прав и удостоился Нобелевской премии по физике за открытия в области строения и эволюции звезд.

Чандрасекар указал физикам путь к пониманию того, что происходит со звездой, коллапсирующей за пределы состояния белого карлика. Через несколько лет калифорнийские астрономы Вальтер Бааде и Фриц Цвикки почти случайно предположили, что за пределом Чандрасекара звезда может коллапсировать в чистое нейтронное вещество, но не сделали никаких вычислений в поддержку своей идеи. В 1939 г. Роберт Оппенгеймер, тяжелый в общении человек и заядлый курильщик, выполнил математические расчеты и вместе со своим магистрантом определил диапазон масс нейтронных звезд[65]65
  J.R. Oppenheimer and G.M. Volkoff, “On Massive Neutron Cores,” Physical Review 55 (1939): 374–81.


[Закрыть]. В том же году, как мы уже знаем, он доказал, что, если остатки звезды выходят за верхнюю границу этого диапазона, составляя больше 3 масс Солнца, должна образоваться черная дыра.

Перед смертью все звезды теряют массу. Как вы помните, прежде чем стать белым карликом, Солнце лишится половины своей массы. Все звезды, начинающие жизнь с массой до 8 солнечных, станут белыми карликами – до 1,4 солнечной массы. Если начальная масса звезды составляет примерно от 8 до 25 солнечных, то коллапс ее ядра продолжается до тех пор, пока все протоны и электроны не сольются в чистое нейтронное вещество[66]66
  P. Haensel, A.Y. Potekhin, and D.G. Yakovlev, Neutron Stars (Berlin: Springer, 2007).


[Закрыть]. В отсутствие электрической силы нейтроны располагаются плотно, как яйца в картонке. Дальнейшему коллапсу вещества противостоят ядерные и квантовые силы, что не дает белому карлику сжиматься еще больше. Это нейтронная звезда, самая маленькая и плотная звезда во Вселенной. Ее масса превышает 25 солнечных масс. Поприветствуйте потенциальное чудовище Эйнштейна (илл. 11).

Нейтронную звезду очень трудно представить[67]67
  Ответом Роберта Форварда на этот вызов стала книга «Яйцо дракона» (Dragon’s Egg, New York: Del Rey, 1980), ныне классика научной фантастики. Он изобразил крохотные разумные существа, живущие на поверхности нейтронной звезды, которые развиваются и мыслят в миллион раз быстрее людей.


[Закрыть]. Это некое атомное ядро величиной с большой город, его атомное число – 10⁵⁷. Его вещество в тысячу триллионов раз плотнее воды. Вещество белого карлика размером с кубик сахара-рафинада, доставленное на Землю, будет весить тонну, но такой же кубик вещества нейтронной звезды весил бы на Земле как гора Эверест. Когда звезда так сильно коллапсирует, магнитное поле также сдавливается и уплотняется. У некоторых нейтронных звезд магнитное поле может превышать земное в тысячу триллионов раз[68]68
  10¹⁵. – Прим. пер.


[Закрыть]. Гравитация у поверхности настолько сильна, что тело, падающее с высоты 1 м, в момент удара с поверхностью достигнет ускорения 1,3 млн м/с. В силу закона сохранения момента импульса нормальное спокойное вращение солнцеподобной звезды вокруг своей оси значительно ускоряется при коллапсе. Самые быстрые нейтронные звезды совершают 716 оборотов в секунду – или 42 000 в минуту. Вращающееся с такой скоростью твердое тело не вполне стабильно, и под его корой может произойти катастрофическое событие – звездотрясение.

Как обнаружить нейтронную звезду? Звезды размером с мегаполис излучают очень мало света, поскольку, в отличие от нормальных звезд, в них не происходят реакции термоядерного синтеза. Около 20 лет ученые считали их астрономической диковинкой – умозрительными объектами, которые никогда не удастся обнаружить. В 1967 г. молодая магистрантка Джоселин Белл и ее научный руководитель Тони Хьюиш зарегистрировали радиоимпульсы периодичностью 1,3373 секунды, поступающие от неизвестного объекта в созвездии Лисички. Импульсы были настолько мощными и регулярными, что Белл и Хьюиш приняли объект за радиомаяк и в шутку назвали его LGM-1 (от Little Green Men – «маленькие зеленые человечки»). Вскоре были открыты другие «пульсары», и Белл и Хьюиш связали их с более ранними предсказаниями существования нейтронных звезд. Мощное магнитное поле вызывает радиоизлучение горячих пятен на поверхности нейтронной звезды, и, если пучки излучения вращающейся нейтронной звезды попадают в зону обзора радиотелескопа, их можно наблюдать.

Спустя семь лет разразилась полемика: Нобелевскую премию за открытие пульсаров присудили Хьюишу и Мартину Райлу, главе радиообсерватории, а не Джоселин Белл – реальному автору открытия. Ученое сообщество в большинстве своем полагало, что ее обошли, так как она была молодой женщиной. В области физики Нобелевской премии удостоились чуть больше 200 ученых, и среди них только две женщины: Мария Кюри (1903 г.) и Мария Гёпперт-Майер (1963 г.)[69]69
  См.: J. Emspak, “Are the Nobel Prizes Missing Female Scientists?” Live-Science, October 5, 2016, http://www.livescience.com/56390-nobel-prizesmissing-female-scientists.html. В других областях, в которых вручается Нобелевская премия, женщины лишь немного более удачливы. В астрономии соотношение полов постепенно улучшилось, но мужчин с высшими учеными званиями попрежнему больше, чем женщин, и мужчинам вручается львиная доля главных наград. Я довольно хорошо знаком с Джоселин Белл, мы какое-то время пересекались в Королевской обсерватории в Эдинбурге, и вместе с моей матерью она долгие годы посещала один тот же квакерский молитвенный дом. Джоселин Белл живо описывает момент открытия, когда увидела на ленте самописца регулярные всплески, не имеющие очевидного объяснения. Она, словно детектив, рассматривала и отвергала другие объяснения, одно за другим. Что касается Нобелевской премии, Джоселин без малейшей горечи говорит об этом упущении в начале жизненного пути, поскольку во всех остальных отношениях сделала блистательную карьеру. См. ее собственный рассказ: J.S. Bell Burnell, “Little Green Men, White Dwarfs, or Pulsars?” Annals of the New York Academy of Science 302 (1977): 685–89.


[Закрыть].

С помощью радиотелескопов постепенно было обнаружено более 3000 пульсаров. Однако условия появления горячих пятен крайне редки, и немногие нейтронные звезды являются радиопульсарами. В основном миллионы нейтронных звезд в нашей Галактике безмолвно вращаются в дальнем космосе, темные и недоступные для наблюдения.

Это случилось в 1964 г. The Beatles покоряют Америку, а дерзкий молодой боксер Кассиус Клей становится чемпионом мира в тяжелом весе. Наука также переживает бурное развитие. Термин «черная дыра» впервые появился в публикации в январе 1964 г., а в июне маленькая ракета для исследования верхних слоев атмосферы, запущенная из Нью-Мексико, обнаружила мощный источник рентгеновского излучения в созвездии Лебедя. «Черными лебедями» называют редкие неожиданные события, играющие огромную роль в развитии науки. (Термин также используются философами, обсуждающими проблему индукции: наличие стаи белых лебедей не является доказательством того, что черных лебедей не существует.) Семь лет изысканий ушло на то, чтобы поймать первого «черного лебедя» в физике черных дыр[70]70
  Талеб Н. Черный лебедь. М., 2015. В этом случае «черным лебедем» являются черные дыры, которые были предсказаны, но считались редкостью, которую, по мнению некоторых, невозможно обнаружить.


[Закрыть].

В 1960-х гг. рентгеновская астрономия была новой научной областью. Высокоэнергетическое излучение космических источников регистрируется только в космосе, первый источник был обнаружен всего двумя годами раньше. Восемь источников, выявленных в ходе наблюдений 1964 г., соответствовали по своим характеристикам остаткам сверхновых звезд, то есть горячему газу, образующемуся при катастрофической смерти массивной звезды[71]71
  S. Bowyer, E.T. Byram, T.A. Chubb, and H. Friedman, “Cosmic X-Ray Sources,” Science 147 (1964): 394–98.


[Закрыть]. Наблюдения, приведшие к открытию, показывали низкую пространственную разрешающую способность и позволили сузить область локализации источника рентгеновского излучения в Лебеде лишь до размеров самого созвездия. В 1970 г. орбитальная рентгеновская обсерватория Uhuru обнаружила, что интенсивность Лебедя Х-1 меняется менее чем за одну секунду. Для измерения размеров удаленных объектов астрофизики используют время, исходя из того, что изменение интенсивности излучения не может занимать меньше времени, чем нужно свету, чтобы пересечь источник света. Вариации интенсивности Лебедя Х-1 говорили о том, что объект не может превышать 100 000 км в поперечнике – менее одной десятой размера Солнца.

Национальная радиоастрономическая обсерватория точно определила положение объекта в небе, что позволило соотнести источник переменного рентгеновского излучения с голубым сверхгигантом HDE226868. Сверхгиганты – это горячие звезды, однако они не способны на мощное рентгеновское излучение. Оставалось единственное объяснение: что-то в этой области пространства нагревало газ до температуры в миллионы градусов. Следующим смелым шагом стало использование оптических методов наблюдения. В 1971 г. две группы ученых изучили спектр голубого сверхгиганта и обнаружили периодические вариации доплеровского сдвига излучения звезды, соответствующие вариациям рентгеновского излучения[72]72
  Две статьи, в которых Лебедь Х-1 был назван первым достоверным кандидатом в черные дыры: B.L. Webster and P. Murdin, “Cygnus X-1: A Spectroscopic Binary with a Massive Companion?” Nature 235 (1971): 37–38; C.T. Bolton, “Identification of Cygnus X-1 with HDE226868,” Nature 235 (1971): 271–73. Статья с указанием точного положения источника рентгеновских лучей: L. L.E. Braes and G.K. Miley, “Detection of Radio Emission from Cygnus X-1,” Nature 232 (1971): 246.


[Закрыть]. Расчеты параметров орбиты позволили ученым оценить массу «невидимого» компаньона, втягивающего сверхгигантскую звезду. Ученые предположили, что черная дыра поглощает газ своей спутницы-звезды и что этот газ каким-то образом нагревается до такой степени, что его излучение обнаруживается в рентгеновском диапазоне (илл. 12).

Астроном Том Болтон сильно нервничал, готовясь представить эти результаты на конференции Американского астрономического общества в Пуэрто-Рико. Ему было всего 28 лет. «За пять минут до подачи статьи я еще переделывал ее на коленке. Сидя в дальнем углу, я пытался получить свежие данные для графика», – вспоминал он[73]73
  Из: Bruce Rolston, “The First Black Hole,” news release, University of Toronto, November 10, 1997, https://web.archive.org/web/20080307181205/, http://www.news.utoronto.ca/bin/bulletin/nov10_97/art4.htm.


[Закрыть]. Чувствовалось и давление конкурентов. Всего год назад он стал доктором философии и работал один. Более опытная команда Гринвичской королевской обсерватории при помощи своего большого телескопа получала аналогичные данные по Лебедю Х-1. Необходимо было проявить крайнюю осторожность в интерпретациях, поскольку в прошлом ошибочные утверждения об обнаружении черной дыры стоили некоторым научной карьеры. За год Болтон собрал доказательства и поставил на кон свою репутацию. Он представил работу в Институте перспективных исследований в Принстоне, где когда-то трудились Эйнштейн и Оппенгеймер. Наблюдения были проверенными. Аудиторию удалось убедить. Первый «черный лебедь» был найден!

К концу 1970-х гг. черные дыры проникли в массовую культуру. Их странные свойства впечатлили тех, кто вообще не интересовался астрономией. Студия Disney выпустила фильм «Черная дыра», и впервые в истории компании фильму присвоили рейтинг PG[74]74
  Рекомендующий присутствие родителей. – Прим. пер.


[Закрыть] – слишком страшной оказалась тематика. Низкотехнологичный и местами слабый – для своего времени это был смелый проект, сделавший черные дыры прообразом смерти и преображения. Попсовая наивность The Beatles переродилась в агрессивный рок. Rush, Queen, Pink Floyd – все они отдавали дань астрофизике[75]75
  Канадская группа Rush, работающая в жанре прогрессив-рок, услышала о первой черной дыре вскоре после ее открытия и написала цикл песен «Cygnus Х-1», вошедший в два ее альбома, 1977 и 1978 гг. В этом аллегорическом сочинении исследователь проникает в черную дыру с криком: «Звук и ярость переполняют меня, разрывается каждый нерв». Во второй части цикла он находится за горизонтом событий в мире под названием Олимп, где встречает воюющие племена Аполлона, управляемые логикой, и племена Диониса, управляемые эмоциями. Апофеоз астрономии и рок-музыки случился на два года раньше, в 1975 г., когда Pink Floyd выпустили концептуальный альбом Wish You Were Here с композицией из девяти частей «Shine On You Crazy Diamond». Песня является двойной метафорой: с одной стороны, данью памяти человеку, который ярко горел, но рано ушел, с другой – аллюзией на белые карлики, состоящие из квазикристаллического углерода. «Твои глаза смотрят как черные дыры на небе», – пел Роджер Уотерс.


[Закрыть].