Но в 1930-х годах[39] туман, окружавший геометрию поверхности Шварцшильда, начал рассеиваться. Стало понятно, что его решение описывает конечную форму пространства-времени после завершения гравитационного коллапса идеально сферической массивной звезды, когда она истощает свои запасы ядерного горючего и умирает[40]. Конечно, реальные звезды не идеально сферические, и поэтому большинство физиков оставались скептиками в вопросе о том, существуют ли «гравитационно сколлапсировавшие звезды» на самом деле. Только после вдохновленного работой Роджера Пенроуза ренессанса общей теории относительности в 1960-х физическая реальность таких звезд наконец начала осознаваться, и Уилер пустил для них в оборот термин «черные дыры».
Пенроуз, чистый математик, работавший в Бэркбекском колледже в Лондоне, разработал целый ряд новых остроумных методов описания сложных геометрических структур в общей теории относительности и доказал, что все достаточно массивные звезды, какими бы ни были их исходная форма или химический состав, коллапсируют в черные дыры в конце своей жизни. Это означало, что черные дыры не были эксцентричным математическим артефактом, а должны были составлять неотъемлемую часть космической экосистемы. В своей статье 1969 года Пенроуз писал: «Я только хотел бы призвать к тому, чтобы к черным дырам относились серьезно и исследовали бы во всех подробностях последствия их существования. Ибо кто решится заявить, что они не могут играть какую-то важную роль в картине наблюдаемых явлений?»[41] Это замечание оказалось пророческим. В течение нескольких последовавших десятилетий астрономические наблюдения давали все новые и новые свидетельства существования черных дыр. Кульминацией находок и стали первые неясные изображения этих загадочных объектов, полученные в 2019 году. И спустя пятьдесят пять лет после сделанного Пенроузом математического предсказания повсеместного распространения черных дыр во Вселенной за свое изначально чисто теоретическое открытие в 2020 году он был удостоен Нобелевской премии по физике.
Опубликованная в 1965 году статья Пенроуза[42], которая в итоге принесла ему Нобелевскую премию, занимает всего три страницы и почти не содержит уравнений, но в ней помещен захватывающий, как рисунки да Винчи, набросок – схема гравитационного коллапса звезды в черную дыру (см. рис. 11). На пространственно-временной диаграмме Пенроуза показаны два пространственных измерения и дана схема их переплетения с измерением временным. Мы видим, что вдали от объекта световые конусы будущего открыты в обе стороны, а это означает, что пучки света могут быть направлены как к звезде, так и от нее – как мы и ожидаем. Вблизи коллапсирующей звезды, по мере развития коллапса, появляется особая поверхность, на которой конусы изгибаются так сильно, что даже световые лучи, направленные вовне, двигаясь со скоростью света, «зависают» на постоянном расстоянии от центра звезды. И так как ничто не может двигаться быстрее света, ничто не может каким-либо способом преодолеть это гравитационное притяжение.
Коллапсирующая звезда создала вокруг себя область пространства-времени, полностью изолированную от остальной Вселенной, – черную дыру.
Поверхность, отделяющая «безвыходную» зону внутри черной дыры от остальной Вселенной, и есть та необычная поверхность в геометрии Шварцшильда, которая вызвала такое замешательство в первые годы после появления общей теории относительности. Сегодня ее называют горизонтом событий черной дыры. Она приблизительно соответствует кромке черного диска на рис. 10. Поверхность горизонта событий действует как пропускающая в одну сторону мембрана, сквозь которую могут входить вещество, свет и информация, но выйти обратно не может ничего. Черная дыра – кошмарная форма клаустрофобии.
Рис. 2. Сделанный Роджером Пенроузом в 1965 году рисунок, иллюстрирующий коллапс звезды с образованием черной дыры. Когда звезда сжимается, в пустом пространстве вокруг нее возникает любопытная поверхность, отмеченная черным кольцом в центре рисунка. С этой поверхности даже свет не может покинуть звезду. На чисто математических основаниях Пенроуз продемонстрировал, что, независимо от ее формы, появление такой ловушки для света является признаком неизбежного образования черной дыры с сингулярностью в центре, окруженной цилиндрическим горизонтом событий. Внутри же черной дыры крайне сильный наклон световых конусов будущего означает, что движение к сингулярности должно продолжаться. Из-за этого наклона, однако, внешний наблюдатель не увидит даже последних стадий коллапса, не говоря уж о самой сингулярности внутри черной дыры.
39
См., например: Georges Lemaître, “L’univers en expansion,” Annales de la Société Scientifique de Bruxelles A53 (1933): 51–85. Английский перевод: “The Expanding Universe” // General Relativity and Gravitation 29, no. 55 (1997): 641–80.
40
На протяжении большей части своей жизни нормальная звезда поддерживает равновесие, не сжимаясь под действием собственной силы тяжести, благодаря тепловому давлению, обусловленному энергией ядерного синтеза – превращения ядер водорода в ядра гелия. Однако в конце концов звезда истощает свое ядерное топливо и сжимается. Если звезда с самого начала не слишком массивна, то давление, создаваемое отталкиванием между электронами (или между нейтронами и протонами), в конечном счете останавливает сжатие, и звезда стабилизируется в виде белого карлика (или нейтронной звезды). Однако американский астрофизик индийского происхождения Субраманьян Чандрасекар получил Нобелевскую премию за то, что в 1930 году доказал существование предельной массы белого карлика. А в 1939 году Роберт Оппенгеймер и Джордж Волков показали, что предельную массу имеют и нейтронные звезды. Конечный итог заключается в том, что не существует известного состояния вещества, которое могло бы остановить гравитационный коллапс достаточно массивных звезд – и, как полагают, они продолжают сжиматься, образуя черные дыры.