Конечно, “невозможно” здесь – понятие относительное. На самом деле наши знания о черных дырах значительно расширяются, поскольку у нас появился новый инструмент для их наблюдения – детекторы гравитационных волн. На самом деле, гравитационно-волновая астрономия – это новая наука, и мы все еще находимся на очень крутом этапе обучения.
Но давайте вернемся назад и дадим некоторые общие сведения. Сначала – что такое черные дыры? Это массивные объекты, в основном остатки звезд. В конце жизни звезды, когда она израсходовала все топливо, которое способна синтезировать, внешнее давление от термоядерного синтеза исчезает и преобладает внутренняя сила притяжения. Для маленьких солнц, подобных нашему, они просто сжимаются до белого карлика, который имеет, например, массу нашего солнца, но размер Земли. То, что удерживает белый карлик от дальнейшего сжатия, называется давлением вырождения. Простым (хотя и не полным) объяснением этого является принцип исключения Паули – частицы не могут находиться в одном и том же состоянии и местоположении в одно и то же время.
Более крупные звезды с большими остатками разрушаются еще сильнее, преодолевая давление вырождения и превращаясь в нейтронную звезду. Опять же, упрощенная версия этого состоит в том, что электроны и протоны сливаются, образуя нейтроны, так что весь остаток подобен одному гигантскому нейтрону. Предел массы для коллапса в нейтронную звезду составляет около 1,44 массы Солнца. Кроме того, звезды, достаточно большие, чтобы оставить после себя нейтронную звезду, также достаточно велики, чтобы превратиться в сверхновую. Это означает, что сама звезда должна быть больше трех масс Солнца, потому что при взрыве сверхновой большая часть массы будет отброшена, а меньший остаток останется. Нейтронные звезды удерживаются давлением нейтронного вырождения.
Даже более крупные звезды, которые оставляют после себя звездный остаток массой около 3 масс Солнца или больше, что означает, что сама звезда была массой около 20 масс Солнца или больше, приводят к образованию черной дыры. Нейтронная звезда размером 3 М или более преодолевает даже давление нейтронного вырождения – фактически, гравитационная сила в этой ситуации больше, чем любая другая известная нам сила во Вселенной. Ничто не может остановить дальнейший коллапс этого остатка, вплоть до образования единственной точки в пространстве – сингулярности. Это и есть черная дыра.
Но это не единственный способ образования черных дыр. Вероятно, существуют первичные черные дыры, которые образовались в ранней плотной Вселенной из самих первичных газовых облаков. Кроме того, нейтронная звезда может всасывать вещество из ближайшего спутника, пока не преодолеет предел в 3 метра, а затем коллапсирует в черную дыру. Нейтронные звезды могут сталкиваться и образовывать черные дыры. Астрономы также полагают, что черные дыры могут образовываться в облаке обломков, вращающихся вокруг сверхмассивных черных дыр.
Кроме того, звезды определенного размера, массой от 130 до 250 масс Солнца, подвержены так называемой парной нестабильности:
“Всесторонние модели эволюции очень массивных звезд на поздней стадии предсказывают, что сверхновая с парной нестабильностью возникает, когда образование пар – образование свободных электронов и позитронов при столкновении атомных ядер и гамма-лучей высокой энергии – временно снижает внутреннее радиационное давление, защищающее ядро сверхмассивной звезды от гравитационного коллапса. Этот перепад давления приводит к частичному коллапсу, который, в свою очередь, вызывает значительно ускоренное горение в результате безудержного термоядерного взрыва, в результате чего звезда полностью разлетается на части, не оставляя после себя звездных остатков.”
Звезды такого размера, если бы они полностью не разлетелись на части, оставили бы после себя черные дыры массой от 60 до 130 солнечных масс. Таким образом, парная нестабильность предсказывает, что не должно быть никаких остатков звездных черных дыр массой от 60 до 130 солнечных масс. Это подводит нас к новому методу обнаружения гравитационных волн.
Гравитационные волны – это небольшие (я имею в виду небольшие, меньше диаметра протона) возмущения в пространстве-времени, возникающие в результате массивных гравитационных событий, таких как столкновение массивных объектов, таких как нейтронные звезды или черные дыры. Мощные лазеры обнаруживают их на большом расстоянии друг от друга и под прямым углом, поэтому они создают помехи. Даже малейшее перемещение лазеров относительно друг друга значительно изменит помехи. У нас есть детектор LIGO в США и детектор Virgo в Европе – оба этих прибора недавно зафиксировали столкновение того, что, по-видимому, является двумя черными дырами массой 85 и 66 масс Солнца. Обе эти массы находятся в промежутке, где черных дыр быть не должно (следовательно, “невозможно”).
Но, как я уже сказал, это относится только к остаткам звездных черных дыр, которые не подвергались предыдущим столкновениям. Это первое обнаружение черных дыр в этом диапазоне масс – в промежутке. Это не означает, что теория парной нестабильности неверна. Скорее, это означает, что эти две черные дыры достигли своей массы (до столкновения) каким-то другим путем. Возможно, они были результатом предыдущих столкновений. Они могли быть первичными черными дырами или образоваться в газе, окружающем сверхмассивную черную дыру. Или же они могли быть остатками звездных черных дыр, которые всасывали соседние звезды или газ, чтобы вырасти в образовавшуюся щель.
Теперь, когда гравитационно-волновая астрономия набирает обороты, мы должны ожидать, что обнаружим много новых объектов и расширим наши наблюдения за нейтронными звездами и черными дырами. Это даст нам более полную картину происходящего и, в свою очередь, подкрепит наши теории о том, что возможно и что происходит на самом деле.
