Мечта Эйнштейна. В поисках единой теории строения

Рассмотрим подробнее коллапс вращающейся звезды. Прежде всего, нам известно, что если звезда вращается, то по мере сжатия она будет вращаться всё быстрее в соответствии с законом сохранения момента импульса. Это хорошо знают фигуристы: начав вращение с раскинутыми руками, они прижимают их к груди, увеличивая свою скорость. У коллапсирующей звезды, даже при небольшой скорости вращения (такой, как, например, у Солнца), к концу коллапса скорость возрастает настолько, что, не успев стать чёрной дырой, такая звезда разлетится. Для того чтобы превратиться в чёрную дыру, звезда должна уменьшить скорость вращения, и, очевидно, со многими именно так и происходит. Поэтому логично предположить, что большинство массивных звёзд превращаются в чёрные дыры Керра.

Чёрная дыра Керра

Предсказаны ещё два типа чёрных дыр. Возможно, в природе их и нет, но теоретически они очень важны. Когда звезда превращается в чёрную дыру, почти все её характеристики растворяются в сингулярности. Мы никогда точно не узнаем ни её температуру, ни состав: они утрачиваются при превращении звезды в чёрную дыру. Остаются только три характеристики: масса, момент вращения и заряд. Это и определяет существование четырёх типов чёрных дыр. Кроме чёрных дыр Шварцшильда и Керра существуют чёрные дыры Рейснера-Нордстрема (невращающиеся заряженные) и чёрные дыры Керра – Ньюмена (вращающиеся заряженные).

В 1971 году английский теоретик Роджер Пенроуз доказал, что из чёрных дыр, обладающих спином и (или) зарядом, можно извлекать энергию. Если в эргосферу запустить, к примеру, шарик, то он разорвётся. При этом часть его попадёт за горизонт событий, тогда как другая окажется во внешнем пространстве, причём энергия этой части будет больше, чем у всего шарика, первоначально попавшего в эргосферу. Таким образом, из чёрной дыры будет извлечена некая энергия. В случае чёрной дыры Керра эта потеря энергии выразится в замедлении вращения.

В поисках чёрных дыр

До сих пор мы рассматривали чёрные дыры в теоретическом аспекте. А существуют ли они на самом деле? Этот вопрос начал занимать астрономов в середине 60-х годов. Многие не верили в их реальность, и до сих пор кое-кто сомневается в этом. В конце концов общая теория относительности – всего лишь теория, хотя многие учёные считают её превосходной и уверены в правильности её предсказаний. Возможно, впрочем, что когда-нибудь на её место придёт новая теория, в которой чёрных дыр такого типа не будет, а значит, нужно подобрать кандидата на эту роль. Но где его искать? И, главное, стоит ли этим заниматься? Что если в нашей Галактике их окажется слишком мало, и нам так и не удастся найти хоть одну? Начнём с конца: сколько чёрных дыр может быть в нашей Галактике?

Важным фактором является, конечно, время. Достаточно ли времени прошло для образования большого числа чёрных дыр? Мы знаем, что продолжительность жизни нашего Солнца составляет около 10 миллиардов лет, а сейчас ему около 4,5 миллиардов. Но чёрные дыры получаются из звёзд, намного более массивных и развивающихся гораздо быстрее, чем наше Солнце. Большинство массивных звёзд заканчивает свой жизненный цикл меньше чем за миллиард лет. Значит, время на нашей стороне.

Затем следует определить число массивных звёзд в нашей Галактике. Конечная масса, равная трём солнечным, – вот всё, что нужно для превращения звезды в чёрную дыру. Но большинство звёзд теряет часть массы как до, так и в процессе коллапса, и, значит, чёрная дыра с массой, равной трём солнечным, появилась при коллапсе звезды, начальная масса которой была существенно больше этого значения, например, раз в восемь больше массы Солнца. К счастью, даже такие значения не являются чрезмерными для нашей Галактики. В нашей Галактике около 200 миллиардов звёзд, а её возраст насчитывает 15-16 миллиардов лет. Сколько в ней может быть чёрных дыр? У нас нет точных данных, чтобы оценить их число, и потому оценка может быть только приблизительной. Предположим для начала, что каждые 100 лет образуется одна чёрная дыра. Такое предположение основано на наших представлениях о распределении звёзд в Галактике и об их жизненном цикле. С помощью этих данных можно подсчитать общее число чёрных дыр: получится несколько сот тысяч; возможно, мы ошибёмся на несколько порядков, но всё-таки есть надежда, что поиски не лишены смысла.

Затем возникает вопрос: что мы ищем? Так как большинство чёрных дыр имеет всего несколько километров в диаметре, их вряд ли можно увидеть. Совершенно очевидно, что придётся ориентироваться на косвенные признаки. Лучше всего заняться поисками газа, который засасывается чёрной дырой. При этом газ должен так нагреться, что станет испускать рентгеновское излучение, которое можно заметить и с Земли.

Полость Роша вокруг звезды