Артур Миллер - Империя звезд, или Белые карлики и черные дыры
А между тем в 1960 году Чандра решил снова вернуться к теории относительности — области физики, которой он долго избегал. К этому времени он закончил заниматься гидродинамической и гидромагнитной стабильностью (в 1961 году вышла его монография «Гидродинамическая и гидромагнитная стабильность»). Эта работа не принесла Чандре большого удовлетворения. Расчеты были долгими и трудными, и у него возникло чувство, что он впустую потратил десять лет, работая над не очень существенными проблемами. И тогда он решил обратиться к «более глубоким вопросам». Для него это было в некоторой степени и вопросом самоутверждения. Чандра хотел заняться тем, к чему стремился в течение многих лет, — теоретической физикой. Сможет ли он создать что-нибудь значительное? Он поделился своими сомнениями с коллегой по кафедре физики и другом Грегором Вентцелем, и тот его ободрил. «В любом случае, — сказал он, — вас ведь не уволят».
В 1962 году Чандра принял участие в III Международной конференции по гравитации и теории относительности в Варшаве. Там он увлеченно обсуждал проблемы астрофизики с Я. Б. Зельдовичем, с которым последний раз встречался во время поездки в Россию, двадцать восемь лет назад. Чандра вернулся из Варшавы вдохновленный. Теперь он понимал, чем стоит заняться.
Именно тогда Вилли Фаулер попал в затруднительное положение в связи с проблемой стабильности сверхмассивных звезд. Когда физик ранга Фейнмана пытается решить проблемы, находящиеся на переднем крае науки, это распространяется мгновенно. Чандра был знаком с компьютерными расчетами Фаулера, в которых звезды в 100 миллионов раз массивнее Солнца сжигают свое ядерное топливо и затем коллапсируют. Он также слышал об интуитивном отклике Фейнмана на эту работу и об отчаянных попытках Фаулера спасти свою теорию. Чандру эта тема задела за живое, он словно вернулся к событиям тридцатилетней давности, в Кембридж. Это напоминало задачу, которую Эддингтон поставил в 1916 году: каким образом остаются стабильными звезды, у которых чередуются периоды расширения и сжатия.
Чандра тогда просто использовал аппарат общей теории относительности и заявил, что Эддингтон мог бы получить аналогичные результаты пару десятилетий назад.
В 1964 году Чандра опубликовал свои первые работы по общей теории относительности. Он доказал, что, если звезда в 100 миллионов раз массивнее Солнца начнет пульсировать, она станет нестабильной. Если же она уменьшится до предполагаемого размера квазара — 160 миллиардов километров в поперечнике, — то ей придется полностью сколлапсировать и прекратить свое существование. Поэтому предполагаемая сверхмассивная звезда Хойла и Фаулера не может быть источником энергии квазаров. Чандра был в восторге от своего результата. Он заявил: «Я совершенно убежден, что сингулярности — звезды бесконечно малого размера и бесконечно большой плотности — на самом деле существуют. Огромные звезды с массой больше верхней границы для белых карликов, сжимаются в ничто и исчезают в пространстве и времени».
В декабре все основные действующие лица в исследовании квазаров собрались на симпозиуме по релятивистской астрофизике в Техасском университете в Остине. Информации и идей было в избытке. Сессия следовала за сессией, на которых Фаулер и его сотрудники представляли теории, соответствующие быстро расширяющейся базе данных. Некоторые из их теорий помещали квазары на край Солнечной системы, другие — на край Вселенной. Один день был посвящен гравитационному красному смещению, следующий — космологическому. Доклады по быстрым струям нужно было слушать в Далласе, и участникам симпозиума приходилось летать самолетом из Далласа в Остин. Они называли это «развозом молока». Возвращаясь обратно в Даллас после окончания сессии, Ричард Уайт обнаружил, что оказался среди таких корифеев астрофизики, как Маргарет и Джеффри Бербидж, Чандра, Фаулер, Уилер и Шмидт. Когда пассажирам разрешили отстегнуть ремни безопасности, Фаулер встал, драматически прижал руки ко лбу, оглядел всех присутствующих и объявил громовым голосом: «Пока этот самолет не упал, мы можем смело продолжить обсуждение квазаров».
Природа квазаров, причина их невероятной яркости до сих пор остается тайной. В 1964 году Эдвин Солпитер в США и Я. Б. Зельдович с сотрудниками в Советском Союзе предложили сценарий эволюции звезд с массой более чем в миллион раз больше массы Солнца. Такие огромные космические образования, проходя сквозь облако межзвездного газа, захватывают его молекулы, а затем, пережив гравитационный коллапс, превращаются в невообразимо малые точки, невероятно плотные и тяжелые. Далее они сворачивают вокруг себя пространство и продолжают движение, захватывая все новые и новые частицы газа, словно космические пылесосы. Частицы вблизи края горизонта событий будут врезаться друг в друга с околосветовой скоростью, нагреваясь и испуская мощное рентгеновское излучение. Теория Солпитера и Зельдовича предлагала способ генерирования огромного излучения — гораздо более мощного, чем при протекании ядерной реакции. Столько излучает целая галактика.
Удивительным образом самые различные пути и методы исследований дали результаты, которые сложились в единую картину. В 1965 году Пенроуз элегантно доказал с помощью топологии, что падающая за горизонт событий звезда исчезает навсегда. В 1966 году Колгейт и Уайт использовали компьютерное моделирование для изучения механизма коллапсирования звезд, а в 1967 году Джон Уилер нашел прекрасный и впечатляющий термин для описания области пространства, в которую коллапсируют звезды, — «черная дыра». Радиоастрономия помогла обнаружить квазары, черпавшие энергию из черных дыр: черная дыра находится в центре квазара, и частицы, улетающие за горизонт событий, излучают мощную радиацию. Теперь уже никто не сомневался в существовании черных дыр. А темпы исследований возрастали с каждым годом.
В 1969 году английский астрофизик из Королевской Гринвичской обсерватории в Сассексе Дональд Линден-Белл использовал модель Солпитера и Зельдовича для изучения центра галактики. Он предположил, что массивная звезда, полностью сколлапсировавшая за горизонт событий, станет таким сильным источником гравитации, что втянет в себя все вокруг с образованием вращающегося диска. Это натолкнуло на мысль, что черные дыры тоже могут вращаться. Массивные звезды выбрасывают в пространство часть своей массы, становятся все меньше и вращаются все быстрее и быстрее. То есть черные дыры — это не просто место для умирающих звезд, но нечто, что имеет структуру, определенные физические свойства. В 1963 году 29-летний математик из Новой Зеландии Рой Керр предложил математическое описание вращающихся черных дыр. Защитив диссертацию в Кембридже, он работал в Техасском университете в Остине.
Керр применил общую теорию относительности к пространству и времени вокруг вращающегося сферического объекта, например звезды. Разработанная им методика измерения расстояния и времени в пространстве, искривленном этим объектом, называется метрикой Керра.
В повседневной жизни мы используем евклидову геометрию — ту, что изучали в школе. В ней пространство имеет три измерения[84]. В общей теории относительности используется метрика Керра, которая отражает структуру геометрии искривленного четырехмерного пространства-времени. Шварцшильд при решении уравнений общей теории относительности Эйнштейна использовал метрику, названную его именем, для описания свойств этого пространства-времени вокруг покоящегося (невращающегося) сферического объекта. В 1939 году Оппенгеймер и Снайдер пришли к выводу, что на самом деле это метрика для области вокруг покоящейся черной дыры. Таким образом, вращающиеся черные дыры называются черными дырами Керра, а невращающиеся — черными дырами Шварцшильда. Метрика Керра переходит в метрику Шварцшильда, если черная дыра не вращается.
Преимуществом решения Керра является то, что оно применимо ко всем возможным черным дырам. Оно просто, а потому красиво — в нем для описания каждой черной дыры требуется только два параметра, а именно ее масса и спин. Массу черной дыры (она равна массе звезды и захваченного ею вещества) несложно определить, когда черная дыра находится в двойной системе, а ее спин (количество оборотов в секунду) составляет тысячи оборотов, если дыра возникла в результате коллапса огромной звезды.
Но возможна ли такая простая классификация? Каждая вращающаяся и коллапсирующая звезда имеет разные характеристики поверхности. Однако после коллапса звезды за горизонт событий его поверхность всегда оказывается идеально гладкой — как речная поверхность после того, как камешек, брошенный вами, достигнет дна. Каждая физическая характеристика сколлапсировавшей звезды, вследствие мгновенной деформации пространства-времени, исчезает — за исключением ее массы и спина, — как улыбка Чеширского кота. Это поразительное открытие было сделано в 1960-х годах Я. Б. Зельдовичем и его группой. И снова Уилер нашел эффектный образ: «черные дыры не имеют волос». Независимо от того, как звезда прошла свой горизонт событий, она не оставляет никаких следов своей прежней индивидуальности.
