Семь лет назад, весной 2019 года, было получено первое изображение тени чёрной дыры, что стало окончательным доказательством существования этих удивительных
космических объектов. Но этому предшествовала долгая история их открытия. О том, как это было, рассказывает академик Анатолий Михайлович ЧЕРЕПАЩУК, научный руководитель Государственного астрономического института имени П. К. Штернберга МГУ.
– Анатолий Михайлович, когда впервые возникла идея, что такие объекты могут существовать?
– Всё началось в 1687 году, когда Ньютон опубликовал свой знаменитый закон, согласно которому два тела притягиваются пропорционально произведению масс и обратно пропорционально квадрату расстояния между ними. А уже в 1783 и 1798 годах Джон Мичелл и Пьер-Симон Лаплас сообразили: раз есть притяжение, то почему бы между фотонами и обычным телом ему тоже не быть? И они рассчитали вторую космическую скорость, которая для Земли составляет 11 км/сек. А если взять скорость света (она тогда уже была известна из наблюдений спутников Юпитера), то, зная массу тела, можно понять, что у него очень большая плотность. А это значит, что может существовать предельная, критическая скорость 300 тысяч км/сек. Если радиус тела меньше критического радиуса, его назвали гравитационным радиусом. Оттуда фотоны уже не могут вылететь. Это будут чёрные тела. Лаплас сообразил: если чёрное тело входит в двойную систему, то по движению видимой звезды его можно отождествить. Именно таким методом сейчас и меряют массу чёрных дыр.
– Почему, если уже так давно физикам было всё это понятно, многие отрицали существование этих объектов чуть ли не до недавнего времени?
– Дело в том, что догадка Мичелла и Лапласа была гениальной, но не раскрывала самой сути чёрной дыры. А в 1915 году появилась общая теория относительности Эйнштейна. В начале 1916 года Шварцшильд получил точное решение для сферически симметричного гравитационного поля и вывел оттуда гравитационный радиус Rg=2gm/c2, где m – это масса тела, с – скорость света, а g – постоянная тяготения. Оказалось, что если размеры тела меньше, чем Rg, то это тело тёмное – чёрная дыра. От неё даже фотоны не могут удалиться. Стали разбираться – и выяснилось, что в центре этой дыры расположена сингулярность, где плотность бесконечна.
– Разве такое может быть?
– Но если взять квантовую физику, там есть предельные плотности, предельное время и т.д., и квантовая плотность – 1093 г/см3. Для сравнения – плотность Земли = 5 г/см3. Когда это обнаружилось, люди стали сомневаться, что такое может быть. Сам Эйнштейн считал, что вычисление радиуса чёрной дыры – это чисто формальное решение. В 1939 году он опубликовал статью, где чётко указал, что сингулярность в реальной жизни не может существовать.
– То есть он не верил в существование чёрных дыр?
– Да. И даже астрономы, например, А. Эддингтон, знаменитый английский астрофизик, создатель теории эволюции звёзд, в 1934 году заявил на семинаре: «Я думаю, что должен существовать закон природы, который бы не допускал, чтобы звезда эволюционировала таким парадоксальным способом».
– Насколько я знаю, в чёрных дырах, помимо сингулярности, есть много других невероятных вещей.
– Совершенно верно. Гравитационный радиус для невращающейся чёрной дыры определяет радиус так называемого горизонта событий, откуда даже свет не может уйти, и никакой сигнал к нам проникнуть не может, потому что на горизонте время для внешнего наблюдателя останавливается. Поэтому если мы пошлём туда космический корабль, то он будет бесконечно долго приближаться к горизонту событий, но никогда, с нашей точки зрения, не достигнет чёрной дыры. А в своей системе отсчёта космонавт свободно проникает под горизонт событий, и его разрывают приливные силы в этой самой сингулярности.
– Читала у Хокинга, что если вращаться в окрестностях чёрной дыры, то можно остановить процесс старения, потому что время там течёт по-другому.
– Именно так. Используя эту особенность чёрной дыры, поскольку она влияет на ход времени, можно создавать ситуации, когда время бесконечно. Но это смотря с какой точки зрения. Если вы послали космический корабль к чёрной дыре, то с вашей точки зрения космонавт вблизи чёрной дыры будет жить бесконечно долго, потому что время там остановилось. А с его точки зрения он давно погиб. Даже понятия жизни и смерти в Общей теории относительности являются относительными – всё зависит от системы отсчёта. В одной системе космонавт погиб, в другой системе живой, причём живой вечно.
– Как с котом Шрёдингера?
– Да. Поэтому среди физиков не было единого мнения. Например, к И.С. Шкловскому однажды на конференции подсела красивая журналистка и спросила: «Как вы относитесь к чёрным дырам?». Он сказал: «Вы знаете, это очень трудная проблема, я этим сейчас не занимаюсь. Вон, за соседним столиком сидит академик Зельдович, он занимается чёрными дырами, а что касается меня, то я предпочитаю блондинок».
– Когда же всем стало ясно, что чёрные дыры всё-таки существуют?
– Наблюдения чёрных дыр начались с 1964 года, когда Я.Б. Зельдович в СССР и С. Салпитер в США написали соответствующую работу. Если вещество анизотропно падает на чёрную дыру, то выделяется огромная энергия при падении – потенциальная энергия превращается в кинетическую, и температура может достигать сотен миллионов градусов, и мы получаем мощное рентгеновское излучение из окрестностей чёрной дыры. Если чёрная дыра в двойной системе, то вторая звезда является источником вещества, и у нас будет мощный рентгеновский источник. В 1972 году ученики Зельдовича Н.И. Шакура и Р.А. Сюняев написали работу «О дисковой аккреции вещества в двойной системе». А в конце 1971 года заработал специализированный рентгеновский американский спутник «Ухуру», который открыл эти рентгеновские источники, в том числе – первого «кандидата» в чёрные дыры Лебедь-Х1. Но с ним тоже было много проблем. Целых 11 лет это был единственный кандидат. В основном это были нейтронные звёзды в режиме аккреции. И в эти годы противники чёрных дыр начали активно выступать против этой идеи.
– А ректор МГУ А.А. Логунов создал теорию, которая отрицала существование чёрных дыр.
– Да, релятивистскую теорию гравитации в плоском пространстве-времени. А Зельдович и Грищук спорили с ним, причём не только на семинарах физфака, но и на страницах журнала «Успехи физических наук». В одном номере появлялась статья Зельдовича и Грищука о том, что общая теория относительности Эйнштейна правильная, чёрные дыры должны существовать – и буквально в следующем номере в ответ на эту статью Логунов пишет, что Зельдович и Грищук ничего не понимают и на самом деле чёрных дыр быть не может. На эту статью Зельдович и Грищук снова пишут ответ. Такой вот «сериал». Ожесточённая дискуссия о чёрных дырах шла до 1980‑х, и только в это время начали открываться другие двойные системы с массивными рентгеновскими источниками. Я специалист по двойным звёздам, и эта тематика неожиданно стала передним фронтом современной астрофизики, хотя до этого я занимался чистой классикой, не модной темой. Сейчас мы уже имеем 100 нейтронных звёзд и 50 чёрных дыр с известными массами, при этом они не обладают признаками наблюдаемой поверхности.
– Что это значит?
– Это значит, что эти массивные объекты, скорее всего, не обладают поверхностями. Горизонт событий не является твёрдой поверхностью. В.Л. Гинзбург заявил в те годы, что современная рентгеновская астрономия даёт нам возможность убедиться в почти доказанном существовании чёрных дыр. Но только почти, потому что окончательные доказательства пришли позднее.
– Какие именно?
– В 2015 году были открыты гравитационные волны от слияния чёрных дыр в двойной системе, что доказало реальное их существование. При слиянии две чёрные дыры образуют общий горизонт событий, который дрожит, релаксирует и затухает. Образуется более массивная чёрная дыра. И весь этот процесс гравитационно-волновые телескопы записывают, а с помощью уравнений общей теории относительности он идеально описывается. Далее в 2019 году с помощью наземного интерферометра Event Horizon Telescope, EHT, который представляет собой около 10 радиотелескопов на коротких волнах, покрывающих весь земной шар, было получено и опубликовано изображение чёрной дыры в ядре галактики М‑87. Это изображение показывает тёмное пятно в центре яркого кольца.
– Видела эти снимки. Что это за кольцо? Ведь света там быть не должно.
– Яркое кольцо – это изображение внутренней части аккреционного диска, который крутится вокруг чёрной дыры и светит. А центральное тёмное пятно – это линзированное изображение фотонной сферы чёрной дыры. Это те фотоны, которые захватываются чёрной дырой, двигаются по круговой траектории, а потом поглощаются внутри фотонной сферы. Если бы не было чёрной дыры, а был бы другой объект, то мы наблюдали бы просто монотонное возрастание яркости к центру, потому что при ударе с поверхности объекта выделяется энергия, и чем ближе к объекту, тем больше энергии выделяется. Поэтому должен был наблюдаться пик яркости в центре. А тут до какого-то расстояния яркость нарастает, а потом спадает до нуля. Вот это и стало окончательным доказательством того, что сверхмассивные чёрные дыры существуют практически в центре каждой галактики.
– И наша галактика не исключение. Зачем она там нужна?
– Скорее всего, это связано с образованием самой галактики. Имеется огромная масса газа, которая фрагментирует на облака, из них формируются звёзды, а в центральных частях плотность этого газа велика, и какая-то часть газового облака коллапсирует в сверхмассивную чёрную дыру с массой – только вдумайтесь! – от миллиона до миллиарда солнечных масс. В центре галактики М‑87 мы наблюдаем чёрную дыру массой 6,5 миллиарда солнечных масс. А в 2022 было опубликовано изображение второй чёрной дыры, уже в центре нашей Галактики, где внутри центрального аккреционного диска находится чёрное пятно. Это тоже изображение фотонной сферы.
– Но почему не яркое пятно, как в первом случае?
– Дело в том, что только чёрная дыра может закруглить орбиты фотонов, которые двигаются со скоростью 300 тысяч км/сек. Гравитационное поле нейтронной звезды слишком слабо, она может отклонить фотон на какой-то угол, но не закруглить его. Только у чёрной дыры есть возможность превратить траекторию фотона, достаточно близкого к чёрной дыре, в круговую орбиту. Именно поэтому наличие чёрного пятна в центре изображения внутренней части аккреционного диска свидетельствует о том, что мы наблюдаем чёрную дыру, а не что-то другое.
– За открытие гравитационных волн от слияния чёрных дыр звёздных масс в 2017 году была получена Нобелевская премия.
– Совершенно верно. Должен сказать, что в эту тематику большой вклад внесли наши учёные: член-корр. РАН В.Б. Брагинский, сотрудник физического факультета МГУ, и академик А.А. Хазанов, который работает в Нижнем Новгороде, в институте прикладной физики РАН. Их экспериментальные группы внесли большой вклад в методическую проработку гравитационно-волнового интерферометра LIGO. Там очень много источников шумов и вибраций, а гравитационно-волновой сигнал очень слаб. Чтобы их подавить, надо всё детально изучать. В проблему создания LIGO огромный вклад внесли наши два выдающихся учёных В.И. Пустовойт и М.Е. Герценштейн, аспиранты В.Л. Гинзбурга. Они ещё в 1962 году написали статью о том, что гравитационные волны надо мерить с помощью лазерного интерферометра, а не с помощью твердотельной антенны, что и было сделано. Сейчас мы ждём, когда присудят Нобелевскую премию за окончательное доказательство существования сверхмассивных чёрных дыр в ядрах галактик.
– Уже много лет в нашей стране планируется эксперимент «Миллиметрон», инициатором которого стал академик Н.С. Кардашёв. Одна из задач там – как раз изучение чёрных дыр…
– Николай Семёнович высказал идею о том, что надо в точку Лагранжа на расстоянии полутора миллионов километров от Земли запустить 10‑метровое зеркало на коротких волнах, и вместе с наземными радиотелескопами это будет интерферометр с базой в полтора миллиона километров. Тогда можно будет посмотреть изображение чёрных дыр не только в галактике М‑87 и в центре нашей галактики, а ещё в нескольких сотнях галактик. В результате будет открыт новый канал информации о сверхсильной гравитации, что очень важно для проверки теории Эйнштейна в сверхсильных гравитационных полях. Ведь, если знаете, с теорией Эйнштейна есть проблема, потому что наша Вселенная расширяется ускоренно. А теория Эйнштейна предсказывает, что после Большого взрыва она должна расширяться с замедлением или равномерно.
– Чтобы как-то объяснить это ускорение Вселенной, придумали тёмную энергию.
– Да, но это не предусмотрено в теории Эйнштейна. И вот наблюдения на «Миллиметроне» с разрешением в тысячу раз лучше, чем на Event Horizon Telescope, позволят проникнуть в сущность гравитации. Мы на это надеемся. Я 60 лет занимаюсь астрономией и фактически с начала своего пути в науке начал заниматься чёрными дырами в двойных системах. Сейчас для меня триумф: чёрные дыры окончательно открыли.
– Н.С. Кардашёв надеялся, что с помощью проекта «Миллиметрон» можно будет не только исследовать чёрные дыры, но и открывать «кротовые норы», к которым сейчас такое же скептическое отношение, как когда-то к чёрным дырам. Как вы думаете, получится?
– Сейчас в этом проекте последователем Кардашёва стал И.Д. Новиков, нынешний научный руководитель Астрокосмического центра ФИАН. Не так давно он делал у нас доклад по «Миллиметрону» и заявил, что там три главных задачи, и одна из них – как раз поиск «кротовых нор». У этого объекта пятнышко, которое мы видим в изображении чёрной дыры, уже не будет тёмным, там будут видны какие-то структуры. Это может быть другая вселенная или другая галактика, ведь «кротовая нора» – это тоннель в пространстве-времени, в том числе между двумя вселенными.
– В фильме «Интерстеллар» показано путешествие по этому тоннелю.
– Да. Поэтому, если будет соответствующее разрешение, можно будет просто смотреть изображение этого пятна внимательно. Если там что-то будет, то это – «кротовая нора». «Миллиметрон» действительно нацелен на эту проблему. Могу сказать, что сейчас «Миллиметрон» переживает бум, потому что им заинтересовались Китай, Индия, даже американцы, несмотря на санкции! Помимо нашего финансирования ожидается финансирование и от иностранных государств. Всё-таки у «Миллиметрона» стоимость порядка 10 миллиардов долларов, это очень дорогой проект. Раньше это была красивая идея, но все на неё смотрели как на фантастику с точки зрения реализации, а сейчас есть реальная надежда, что в течение семи-восьми лет «Миллиметрон» запустят, и тогда, несомненно, случится прорыв в области экстремальной гравитации и всей мировой астрофизики.
Источник: НИР №5, 2026
Беседовала Наталия ЛЕСКОВА