Стівен Вільям Хокінг - Коротка історія часу

чорна діра опиниться в стані, в якому вона може обертатися, та не пульсувати. До того ж її розмір і форма залежатимуть тільки від її маси та швидкості обертання, а не від природи тіла, що утворило чорну діру внаслідок колапсу. Цей результат став відомий висловом: «Чорна діра не має волосся». Теорема про «безволосся» має велике практичне значення, адже вона сильно обмежує можливу кількість типів чорних дір. Тому можна створити детальні моделі об’єктів, що можуть містити чорні діри, і порівняти передбачення моделей зі спостереженнями. Крім того, це означає, що дуже великий обсяг інформації про тіло, що сколапсувало, має бути втрачений, коли утворилася чорна діра, адже опісля ми можемо виміряти хіба що масу та швидкість обертання цього тіла. Значення цього буде видно з дальшого розділу.

Чорні діри — це лише один із небагатьох випадків в історії науки, коли теорію докладно побудували як математичну модель, перш ніж були хоч якісь результати спостережень на підтвердження, що вона правильна. Справді, це раніше був основний аргумент противників чорних дір: як можна вірити в об’єкти, єдиний доказ існування яких — це розрахунки на підставі сумнівної загальної теорії відносності? Однак 1963 року астроном Паломарської обсерваторії в Каліфорнії Маартен Шмідт виміряв червоний зсув ледь помітного зореподібного об’єкта у напрямі джерела радіохвиль під назвою 3C273 (номер джерела 273 у третьому Кембридзькому каталозі радіоджерел). Він визначив, що той занадто великий, щоб його спричинило ґравітаційне поле: якби це був гравітаційний червоний зсув, об’єкт мав би бути такий масивний і близький до нас, що порушив би орбіти планет у Сонцевій системі. Це дозволило припустити, що натомість червоний зсув викликаний розширенням Всесвіту, а це, своєю чергою, означало, що об’єкт був на дуже великій відстані. І щоб його було видно з такої великої відстані, об’єкт мусить бути надзвичайно яскравий, тобто випромінювати величезну кількість енергії. Єдиним, який міг спасти на думку, механізмом, що вироблятиме таку велику кількість енергії, видавався гравітаційний колапс, тільки не однієї зорі, а всієї центральної області галактики. Виявлено низку інших схожих «квазизоревих об’єктів», або ж квазарів, зі значними червоними зсувами. Проте всі вони занадто далеко і через це за ними надто важко спостерігати, щоб забезпечити переконливі докази існування чорних дір.

Ще один аргумент на користь існування чорних дір з’явився 1967 року, коли кембридзька аспірантка Джоселін Бел-Бернел виявила в небі об’єкти, що випромінювали регулярні імпульси радіохвиль. Спочатку Бел та її науковий керівник Ентоні Г’юїш подумали, що вони, можливо, сконтактувалися з позаземною цивілізацією в Галактиці! Справді, я пам’ятаю, на семінарі, на якому оголосили про своє відкриття, вони назвали перші чотири виявлені джерела LGM 1–4 (абревіятура LGM означає «Little Green Men» — «Маленькі Зелені Чоловічки»). Однак згодом і першовідкривачі, і всі решта дійшли менш романтичного висновку, що ці об’єкти — яким дали назву «пульсари» — це насправді обертні нейтронні зорі, що випромінювали імпульси радіохвиль через складну взаємодію між їхніми магнетними полями та навколишньою матерією. Це була погана новина для авторів космічних вестернів, але дуже обнадійлива для вузького кола тих, хто тоді вірив в існування чорних дір: це був перший безсумнівний доказ того, що нейтронні зорі існують. Нейтронна зоря має радіус близько десяти миль — тільки в кілька разів більший за критичний радіус, при якому зоря перетворюється на чорну діру. Якщо зоря може стягнутися до такого малого розміру, то цілком можна припустити, що й інші зорі здатні стягнутися до ще меншого розміру і стати чорними дірами.

Як ми можемо сподіватися виявити чорну діру, що за означенням не випромінює світла? Це видається трохи схожим на те, як шукати чорну кішку в темній кімнаті. На щастя, є спосіб. Як зазначив Джон Мічел у своїй піонерській праці 1783 року, чорна діра все ж впливає гравітаційно на поблизькі об’єкти. Астрономи виявили чимало систем, де дві зорі обертаються одна навколо одної, притягувані силою тяжіння. Крім того, вони виявили системи тільки з однією видною зорею, що обертається довкола якогось невидного компаньйона. Однак не можна відразу ж зробити висновок, що цей компаньйон — чорна діра: можливо, це всього лиш занадто слабка зоря, якої не видно. Утім деякі з цих систем, зокрема Лебідь X-1 (рис. 6.2), до того ж потужні джерела Рентґенового проміння. Найкраще пояснення цього явища таке: з поверхні видної зорі зносилась речовина. Падаючи на невидного компаньйона, вона рухається по спіралі (немов вода, що витікає з ванни), дуже нагрівається, випромінюючи Рентґенове проміння (рис. 6.3). Такий варіянт розвитку подій потребує, щоб невидний об’єкт був крихітний, як білий карлик, нейтронна зоря або чорна діра. Найменшу можливу масу невид­ного об’єкта можна визначити зі спостережуваної орбіти видної зорі. У разі Лебедя X-l вона приблизно в шість разів перевищує масу Сонця, а згідно з обчисленнями Чандрасекара, це надто багато для невидного об’єкта, щоб він був білим карликом. Окрім того, це занадто велика маса для нейтронної зорі. Отож, видається, що це має бути чорна діра.

Рис. 6.2. Яскравіша з двох зір поблизу центра світлини — Лебідь Х-1, що, як вважають, складається з чорної діри і звичайної зорі, які обертаються одна навколо одної.

Існують інші моделі, щоб пояснити систему Лебедя X-1, що не містять чорної діри, але всі вони досить надумані. Чорна діра — ось, видається, єдине справді природне пояснення цих спостережень. Попри це, я таки заклався з Кіпом Торном із Каліфорнійського технологічного інституту, що насправді Лебідь X-1 не містить чорної діри! Так я застрахувався. Адже я присвятив багато зусиль чорним дірам — і все буде марно, якщо виявиться, що чорних дір не існує. Але в такому разі я виграю заклад і втішуся — адже чотири роки отримуватиму журнал «Приватний детектив» (Private Eye). Насправді, хоч ситуація з Лебедем X-1 практично не змінилася, відколи ми 1975 року заклалися, однак тепер є стільки даних спостережень на користь чорних дір, що я визнав свою поразку. І заплатив передбачений штраф — передплатив Кіпові на рік журнал «Пентгауз» (Penthouse) — щоб пообурювалась його емансипована дружина.

Ми також тепер маємо докази для низки інших чорних дір у системах на кшталт Лебедя X-1 у нашій Галактиці й у двох сусідніх галактиках — Маґеланових Хмарах. Звісно, що чорних дір майже напевно набагато більше; за довгу історію Всесвіту багато зір мали спалити все своє ядерне паливо та сколапсувати. Кількість чорних дір цілком може бути навіть більша, ніж число видних зір — а їх