Східний фронт, Перша світова війна. Гинуть цілі полки, проте німецький лейтенант вивчає нові статті Альберта Ейнштейна. Через два місяці після їхньої публікації Карл Шварцшильд знаходить спосіб використати теорію відносності для опису простору-часу, а також стаціонарної зірки чи планети.
По суті, народжується математична модель чорної діри. Він помирає в травні 1916 року, проте завдяки йому інший фізик отримує Нобелівську премію 2020 року.
Премія була присуджена Роджеру Пенроузу за те, що "утворення чорної діри є надійним передбаченням загальної теорії відносності". Ще нобелівку дали Андреа Гез і Рейнхарду Гензелю "за відкриття надмасивного компактного об'єкта в центрі нашої галактики". Це означає визнання безпомилкового існування якихось гіпотетичних об'єктів.
Привид чорної діри
Але так було не завжди. Упродовж десятиліть поняття "чорна діра" було не більше ніж математичною аберацією. У 1916 році рішення Шварцшильда викликало жах серед математиків і фізиків.
Його робота передбачила "радіус Шварцшильда" - радіус, що позначає, наскільки компактним має бути об'єкт, щоб запобігти виходу світла за межі його гравітаційного тяжіння. Сонце, наприклад, має реальний радіус близько 700 тисяч кілометрів із радіусом Шварцшильда всього 3 кілометри.
Криві простору-часу будуються на співвідношенні радіуса Шварцшильда і радіуса аналізованого об'єкта. Що ближче ці два значення, то більший "вигин" простору-часу. Так що ж відбувається, коли радіус об'єкта тотожний радіусу Шварцшильда? А що станеться, якщо радіус об'єкта буде нульовим? Виходить, що сингулярність - це стан фізичної невизначеності, еквівалентний поділу на нуль на калькуляторі. А математики кажуть, ділити на 0 не можна.
Минуло 50 років, і фізики домоглися деякого прогресу: математично, без зв'язку з реальним світом. Водночас екзотичні та повністю теоретичні об'єкти, запропоновані роботою Шварцшильда, залишалися інструментально невловимими. Астрофізики тільки знали, що вони можуть бути важкими, як сонце, але мініатюрними до межі.
Жахлива математика
У 1960-х роках рішення Шварцшильда здалися більш актуальними. Астрономи спостерігали далекі галактики, відкрили квазари, фізична природа яких незрозуміла досі. Водночас теоретики приступили до моделювання динаміки надкомпактних космічних тіл, уникаючи пасток сингулярності.
"Фізики будуть сперечатися. Вони отримуватимуть відповіді, які не узгоджуються одна з одною", - стверджує Даніель Кеннефік, астрофізик та історик науки в Університеті Арканзасу. - Причина в тому, що вони дійсно не розуміють структуру нескінченності, і Пенроуз вирішив цю проблему".
Щоб впоратися зі складнощами загальної теорії відносності, Пенроуз додав новий набір математичних інструментів. Зокрема, він ввів математичне поняття "захоплених поверхонь", яке дозволило фізикам визначати горизонт подій - точку, з якої навіть світло ніколи не вибереться назовні. Занадто велика гравітація. При цьому горизонт подій постійно порівнюють із сингулярністю як із недосяжною фізичною реальністю.
"Нам дійсно не подобається ідея сингулярності, - пояснює соратник Пенроуза, Штайн. - Насправді, ми могли б вирізати всередині чорної діри простір-час і замінити його ... рожевими слонами або що у вас там. З боку ви ніколи не зможете визначити різницю, тому що все це приховано за горизонтом".
Ідея Пенроуза про "космічну цензуру" полягає в тому, що не може бути "голої" сингулярності: всі об'єкти мають бути "одягнені" горизонтом подій. Навіть коли "зливаються" чорні діри, сингулярність або рожеві слони залишаються прихованими горизонтами подій.
Захоплення геометрією і художниками-сюрреалістами привело Пенроуза до розробки потужних, інтуїтивно зрозумілих діаграм, які описували динаміку простору-часу. Його діаграми "ущільнили" простір і час, нескінченність вмістилася на сторінці паперу. Новий інструментарій фізики був прописаний до кінця 60-х. Тоді ж термін "чорна діра" став загальноприйнятою номенклатурою для опису все тих же гіпотетичних наслідків із загальної теорії відносності Ейнштейна.
Астрофізичний стрибок
Важко точно визначити, коли більшість фізиків стали віруючими, але до середини 1990-х чорні діри увійшли в ужиток прямих астрономічних спостережень. Роботи вищевказаних Андреа Гез і Рейнхарда Гензеля, що описують галактику Стрільцем АЗ, доводили існування надмасивної чорної діри в центрі Чумацького Шляху.
"Часто, коли ми інтерпретуємо астрономічні спостереження, виникає місце для інших можливостей", - каже Суві Гезарі, астроном з Університету штату Меріленд, Коледж-Парк.
"Є щось, що ми не можемо виміряти, але це не чотири мільйони сонячної маси чорної діри".
Гез і Генцель не працювали разом. Кожен із них самостійно очолював команди, які спостерігали за S02, зіркою з короткою еліптичною орбітою навколо Стрільця АЗ. За 16 років, які знадобилися S02 для обходу галактичного центру, дослідники обзавелися адаптивною оптикою, отримані дані уточнювалися кілька десятків разів.
Коли S02 здійснила свій кругообіг, "чорна діра" так і залишилася мовчазною темрявою.
У 2012 році Гезарі очолив групу, яка спостерігала за руйнуванням зірки в сусідній галактиці, імовірно "чорною дірою", але реальних доказів тому вчені не надали.
Інша подія, нібито злиття двох чорних дір і подальший гравітаційний колапс - зафіксована обсерваторією LIGO. Тут дійсно ми можемо говорити про існування принаймні двох об'єктів.
Щоправда, є зображення від телескопа Event Horizon Telescope (EHT) надмасивної чорної діри з мільярдами сонячних мас, що розташована в центрі галактики Messier 87. Однак ми бачимо щось, що інтерпретується як аккреційний диск розміром з нашу Сонячну систему.
Сумніви відкинуто
Вважається, що ці спостереження тіней - не просто підтвердженням теорії Ейнштейна. У міру того, як роздільна здатність EHT прогресує, випробування проходять альтернативні теорії. Астрономи не виключають виходу на глибшу теорію, ніж ЗТВ, оскільки є точки збігу з "альтернативниками".
Для астрономів, астрофізиків і математиків чорні діри є чимось жахливим і прекрасним; вони незвичайні у своїй фізиці, але звичайні у своїй повсюдності. Принаймні, доти, доки спостереження узгоджуються з теоретичними передбаченнями.
Джерело: Scientificamerican.com
