Это открытие Эйнштейна повергло самого учёного в ужас: до конца жизни он не мог в него поверить
Чёрные дыры долгое время существовали лишь в сложных математических формулах. Напрямую заснять чёрную дыру удалось лишь в 2019 году — через 104 года после создания теории, которая предсказала возможность существования таких объектов. Однако сам создатель этой теории никогда не верил, что эти объекты могут существовать.
В начале была теория
В 1915 году Альберт Эйнштейн опубликовал свою Общую теорию относительности (ОТО) — свод правил, который полностью изменил понимание гравитации учёными. Эта теория утверждала, что гравитация — не таинственная «сила», притягивающая объекты, а прямое следствие геометрии Вселенной. Массивные тела, такие как Солнце, буквально «продавливают» четырёхмерную ткань пространства-времени, а планеты просто катятся по этим искривлениям, как шарик по воронке.
Трёхмерное представление искривлённого пространства-времени вблизи звезды
Уравнения Эйнштейна, описывающие эту связь, немедленно привели к выводу, который предсказывал существование объектов настолько плотных, что их не может покинуть даже свет. Парадоксально, но сам Эйнштейн до конца жизни отказывался верить в их реальность, считая это математической ошибкой. Потребовалось сто лет, чтобы наблюдения доказали правоту его уравнений, а не интуиции.
Математическое пророчество из окопа
Спустя всего несколько недель после публикации уравнений ОТО, в 1916 году, немецкий физик Карл Шварцшильд нашёл первое точное решение этих сложнейших уравнений. Он сделал это, находясь на Восточном фронте Первой мировой войны, и в письме Эйнштейну радовался, что смог «совершить эту прогулку по стране Ваших идей», отвлёкшись от ужасов войны.
Его решение было пророческим. Оно описывало гравитационное поле вокруг массивной звезды и выявило критическую границу, известную теперь как «радиус Шварцшильда». Расчёты Шварцшильда показали: если сжать любую массу до размера, меньшего этого радиуса, гравитация становится настолько экстремальной, что объект необратимо коллапсирует. Вокруг него возникает «горизонт событий» — теоретическая поверхность, пройдя которую, ничто, включая свет, уже не может вернуться.
Две сингулярности: мнимая и настоящая
Решение Шварцшильда предсказывало две точки, где уравнения «ломались», уходя в бесконечность:
- На горизонте событий. Эта сингулярность оказалась мнимой, или «координатной». Она возникла из-за неудачного выбора математической системы, подобно тому, как на земном шаре координаты долготы «схлопываются» на полюсах. Физически в этой точке пространство остаётся гладким.
- В центре. А вот это была настоящая, физическая сингулярность. В этой точке кривизна пространства-времени и плотность материи становятся бесконечными. Все известные законы физики там перестают работать.
Самым жутким выводом было то, что внутри горизонта событий пространство и время меняются ролями. Движение к центру становится таким же неизбежным, как движение вперёд во времени для мира за пределами. Объект обречён на падение в сингулярность, и никакая сила во Вселенной не может этому помешать.
Эйнштейн говорит «нет»
Именно эта идея — точка с бесконечной плотностью в центре реальной Вселенной — казалась Эйнштейну абсурдной. Он был убеждён, что это «математический сбой» и что в природе должен существовать какой-то механизм, который не позволит материи так сжаться.
Кульминацией его скептицизма стала статья 1939 года. В ней Эйнштейн попытался доказать, что материя физически не может сжаться до радиуса Шварцшильда, так как для этого её частицам пришлось бы двигаться быстрее скорости света. Его вывод был категоричен: «„сингулярности Шварцшильда“ не существуют в физической реальности».
По иронии судьбы, в том же 1939 году физики Роберт Оппенгеймер и Хартланд Снайдер опубликовали работу, доказывающую обратное. Они смоделировали, что произойдёт с массивной звездой, когда у неё закончится ядерное топливо. Их расчёты показали, что звезда неизбежно испытает гравитационный коллапс и схлопнется именно в тот объект, который предсказал Шварцшильд. Чёрные дыры оказались неизбежным следствием теории Эйнштейна.
Реальность догоняет математику
Десятилетиями эти объекты оставались теоретической причудой. Физики называли их громоздким термином «гравитационно полностью коллапсировавшие объекты». Ёмкое название «чёрная дыра» было популяризовано лишь в 1967 году физиком Джоном Арчибальдом Уилером.
Первые косвенные доказательства появились в 1960-х и 70-х с развитием рентгеновской астрономии. Сами чёрные дыры невидимы, но их гравитация творит хаос вокруг. Если чёрная дыра перетягивает газ со звезды-соседа, этот газ образует аккреционный диск. Вращаясь с огромной скоростью, вещество в диске раскаляется до миллионов градусов и испускает мощнейшее рентгеновское излучение, прежде чем навсегда исчезнуть за горизонтом событий.
Изображение источника Лебедь X-1, составленное по данным рентгеновской обсерватории «Чандра»
Первым сильным кандидатом на звание чёрной дыры стал источник Лебедь X-1. Астрономы увидели массивную звезду, которая вращалась вокруг невидимого партнёра. Расчёты показали, что масса этого невидимого объекта слишком велика для нейтронной звезды, и он идеально попадал в категорию чёрной дыры.
Окончательное доказательство: XXI век
Прямые подтверждения поступили с двух абсолютно разных сторон.
Услышать пространство-время (LIGO)
14 сентября 2015 года детекторы Лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) впервые в истории напрямую зафиксировали гравитационные волны — ту самую «рябь» пространства-времени, которую предсказывал Эйнштейн.
Этот сигнал, получивший название GW150914, был порождён слиянием двух чёрных дыр массами в 36 и 29 раз больше Солнца. Сама форма пойманной волны — сигнал спирального сближения, слияния и «последрожания» новой чёрной дыры — в точности совпала со сложнейшими расчётами, сделанными на основе Общей теории относительности. Астрономы впервые услышали танец чёрных дыр.
Увидеть тень (EHT)
В 2019 году Телескоп горизонта событий (EHT) — сеть радиотелескопов по всей Земле — представил миру первое прямое изображение чёрной дыры. Это было не «фото» самого объекта, а изображение его «тени». На нём хорошо видно яркое кольцо — это горячий газ, вращающийся на предельной скорости, — которое очерчивало тёмный силуэт в центре. Этот силуэт и есть горизонт событий сверхмассивной чёрной дыры M87*.
Первое в мире изображение тени сверхмассивной чёрной дыры в центре галактики М 87
Самое поразительное, что размер и форма этой «тени» идеально совпали с геометрией, выведенной Карлом Шварцшильдом из уравнений Эйнштейна более ста лет назад.
Триумф математики
Наблюдения при помощи телескопов XXI века подтвердили, что «математическая причуда», в которую Эйнштейн отказался верить, является фундаментальным объектом космоса. Однако одна загадка остаётся. Исследователи подтвердили существование горизонта событий, но что насчёт сингулярности в центре?
Классическая Общая теория относительности там ломается, предсказывая бесконечность. Чтобы понять, что на самом деле происходит в этой точке, учёным нужна новая теория — квантовая гравитация. Таким образом, то, что Эйнштейн считал величайшей ошибкой своей теории, является величайшим вызовом для современной физики.