Аккреционный диск чёрной дыры. Авторы и права: Cepheia / ShutterstockCom.
В конце 2018 года сотрудники обсерватории LIGO объявили об обнаружении самой удалённой и массивной за всё время наблюдений ряби пространства-времени: в результате столкновения двух чёрных дыр возникли гравитационные волны. Лишь в 2015 году, благодаря действию гравитации, стало возможным наблюдать за этими невидимыми космическими объектами. Наша охота за этими загадочными телами берёт своё начало в 18-ом веке, но решающий этап приходится на мрачный период в истории человечества – годы Второй мировой войны.
Концепция объекта, который, захватывая свет, становится невидимым во Вселенной, впервые была предложена в 18-ом веке физиком Джоном Мичеллом, а позже рассмотрена Пьерром-Симоном Лапласом. Они использовали закон тяготения Ньютона при расчёте космической скорости света, излучаемого телом, предсказывая существование звёзд, обладающих такой высокой плотностью, что свет, испускаемый ими, не может вырваться наружу, притягиваясь обратно под действием силы гравитации. Мичелл назвал их “тёмными звёздами”.
Но после того, как в 1801 году был обнаружен тот факт, что свет ведёт себя как волна, стало неясно, каким образом ньютоновское гравитационное поле способно повлиять на свет, поэтому идея провалилась в прореху, существовавшую тогда в знаниях о физике. Только спустя почти 115 лет, после того, как в 1915 году Альберт Эйнштейн выдвинул Общую теорию относительности, а годом позже Карл Шварцшильд нашёл решение, стало понятно, как световая волна может повести себя под влиянием гравитационного поля.
Массивная чёрная дыра в центре спиральной галактики. Авторы и права: NASA.
Шварцшильд также высказал предположение о существовании сферы вокруг тела, за пределы которой свет не может вырваться – радиус Шварцшильда. Эта идея перекликалась с идеей Мичелла, но именно благодаря ей эта сфера стала рассматриваться как непреодолимая граница.
В 1933 году Жорж Леметр показал, что такая непреодолимость является лишь иллюзией для внешнего наблюдателя. На примере иллюстрации с участием популярных Алисы и Боба бельгийский физик высказался, что если Боб будет стоять неподвижно, а Алиса прыгнет в чёрную дыру, то Боб увидит, что скорость её падения снизится, а перед тем, как достичь радиуса Шварцшильда, она и вовсе превратится в ледышку. Кроме того, Леметр заявил, что в действительности Алиса сможет преодолеть эту границу – только и для Боба, и для Алисы событие будет происходить по-разному.
Вопреки этой теории, в то время не существовало ни одного известного тела таких размеров, даже и близко похожего на чёрную дыру. В связи с этим никто не верил в возможность существования гипотетических объектов вроде тёмных звёзд, предложенных Мичеллом. Более того, никто даже не осмеливался относиться к такой возможности всерьёз. Но только пока не началась Вторая мировая война.
От тёмных звёзд до чёрных дыр
Первое сентября 1939 года нацистская армия вторглась на территорию Польши, тем самым инициировав войну, перевернувшую историю человечества навсегда. Примечательно, что это произошло в тот же самый день, когда была опубликована первая научная статья, посвящённая чёрным дырам. Получившая известность в наши дни работа под заголовком “О безграничном гравитационном сжатии”, подготовленная двумя американскими физиками Дж. Робертом Оппенгеймером и Хартландом Снайдером, стала переломным моментом в истории открытия чёрных дыр. Такая одновременность событий кажется особенно странной, если учесть, что последние годы войны сыграли важнейшую роль в развитии теории образования чёрных дыр.
Радиус Шварцшильда. Авторы и права: Tetra Quark / Wikimedia Commons, CC BY-SA.
Статья Оппенгеймера была третьей и последней из области астрофизики. В ней он и Снайдер рассказывают о бесконечном сжатии звезды под действием собственных гравитационных сил до образования тела с невероятной силой притяжения, при которой свет не может выйти в открытое пространство космоса. Так появился первый вариант современной концепции чёрной дыры – массивного астрономического объекта с очень сильным гравитационным притяжением.
В 1939 году такое представление о чёрной дыре всё ещё казалось неправдоподобным. Прошло два десятилетия прежде, чем концепция чёрной дыры была доработана в достаточной мере, чтобы физики смогли примириться с описанием процесса непрерывного сжатия тела, предложенным Оппенгеймером. Но наиболее важный вклад в развитие этой идеи внесла сама Вторая мировая война, поскольку правительство США начало вкладывать средства в создание первой атомной бомбы.
Возвращение космоса в физику
Оппенгеймер – это не только ключевой персонаж в истории открытия чёрных дыр. Позже он возглавит “Проект Манхэттен” в тайном исследовательском центре, где разрабатывалось атомное оружие.
Политические деятели уяснили себе всю важность вложения средств в научные исследования и разработки для обретения государством военного преимущества. Неудивительно, что едва ли не весь мир повторил за Америкой и принялся инвестировать в проведение революционных исследований в области физики, в том числе ядерной физики, и в развитие инновационных технологий в привязке к войне. Представители всевозможных отраслей физики стекались в одну отрасль, и, как и следовало ожидать, развитие таких наук, как космология и астрофизика, было заброшено, а вместе с ними и статья Оппенгеймера.
Несмотря на то, что целое десятилетие было посвящено масштабным исследованиям в области астрономии, физика процветала как наука благодаря войне – по сути, физика военных лет перестала “удобрять” астрономию. Правительство США превратило войну в ядро современной физики. Стремительно выросло число докторов философии в области физики, а в сфере образования установилась новая традиция продолжать образование после получения докторской степени.
Мощная гравитация чёрной дыры изменяет траекторию по которой движется свет в разных частях аккреционного диска. Авторы и права: NASA’s Goddard Space Flight Center / Jeremy Schnittman.
К концу войны учёные вернулись к изучению Вселенной. Недооценённая в своё время общая теория относительности пережила возрождение. Война изменила отношение к изучению физики, и, в конце концов, космология и её отрасли, а также теория относительности получили заслуженное признание. Всё это подготовило благодатную почву для признания существования и понимания чёрных дыр.
Принстонский университет превратился в средоточие нового поколения релятивистов. Именно там физик-ядерщик Джон А. Уилер, который позже популяризовал название “чёрной дыры”, впервые познакомился с общей теорией относительности и заново рассмотрел работу Оппенгеймера. Скептически настроенный поначалу, он – под натиском релятивистского духа и новых достижений в компьютерном моделировании и радиотехнике, получивших развитие в военные годы, – превратился в ревностного поклонника теории Оппенгеймера первое сентября 1939 года – в день, когда разразилась война.
С тех пор учёные строят предположения о всё новых и новых свойствах чёрных дыр и открывают их разновидности, но все теории достигли апогея в 2015 году. Возможность измерения гравитационных волн, создаваемых при сближении двух чёрных дыр, явилась первым вещественным доказательством их существования.
Перевод: Анастасия Майтак.
Источник: universetoday.ru
