В начале 1990‑х годов я начал активно работать в международной группе ученых по исследованию горячих звезд, руководителем которой был бесспорный лидер, профессор Питер Конти из США, штат Колорадо, JILA (Joint Institute for Laboratory Astrophysics). В 1989 году Питер пригласил меня к себе в институт в США, где я провел пару недель и познакомился с известными учеными-астрофизиками, на работы которых я часто ссылался. Питера Конти и его коллег интересовали мои работы по исследованию параметров звезд типа Вольфа–Райе в затменных двойных системах. Я сделал подробный доклад о моих работах на научном семинаре, руководимом Питером. С тех пор меня стали регулярно приглашать выступить с докладом на международные симпозиумы по горячим звездам и включать в состав научных оргкомитетов этих симпозиумов. Эти симпозиумы проходили раз в три года в разных, порой экзотических местах, например на острове Бали в Индонезии. Помню ужин в ресторане на этом острове: со стороны Индийского океана видно созвездие Большой Медведицы, которое почти купается в зеркальной глади безбрежного океана, а со стороны материка близко к горизонту сияет созвездие Южный Крест. Такая одновременная видимость двух характерных созвездий Северного и Южного полушарий Земли связана с тем, что остров Бали расположен почти точно на земном экваторе. Работа в этой группе горячих звезд (Hot star group) была очень важна и полезна для меня.
Здесь я имел возможность получать свежую научную информацию из первых рук, а также «обкатывал» и проводил экспертизу моих новых научных результатов. Ведь тогда, в 1990‑х годах, в нашей стране интернет для нас еще не был широко доступен, а персональные компьютеры только-только начали появляться в российских научно-исследовательских учреждениях. Помню, в конце 1970‑х годов мы, сотрудники ГАИШ, попросили дирекцию купить аппарат ксерокс для копирования статей и документов. Нам было решительно отказано по той причине, что ксерокс – это «орган размножения». Для его приобретения и установки нужна отдельная комната с железной дверью, охраной и обслуживающим персоналом, который должен фиксировать каждую скопированную страницу. Вот так мы жили и творили. В таких несправедливо стесненных условиях мы работали по сравнению с нашими зарубежными коллегами. Когда современные чиновники Минобрнауки требуют от российских ученых больших индексов цитирования, они не учитывают того, что для нас, советских и российских ученых, каждая ссылка на наши работы дается со значительно большим трудом по сравнению с западными коллегами. Сейчас мы живем в демократической России, можем свободно выезжать за рубеж, переписываться с зарубежными коллегами по интернету и даже с помощью интернета писать совместные статьи с ними, не выходя из рабочего кабинета. И если бы российские власти платили своим ученым нормальные зарплаты, мы бы с зарубежными учеными были в равных условиях (с точностью до различия в уровне и качестве научного оборудования). Однако наши ученые, особенно молодежь, в большинстве случаев не могут прокормить свои семьи на зарплату, а молодые ученые еще не получили достаточной известности, чтобы побеждать в конкурсах научных грантов. Поэтому я с грустью вижу, как мои молодые коллеги в институте стараются подрабатывать дополнительные средства, чтобы содержать семью, а это отвлекает их от основной работы. В силу этих причин неравенство в условиях для научной работы, созданных у нас, в России, и у зарубежных ученых, к сожалению, остается. И это почти сорок лет спустя после начала горбачевской перестройки. Позор!
В 1990‑х годах началось массовое открытие черных дыр, как в рентгеновских двойных системах, так и в ядрах галактик. История открытия черных дыр полна драматизма и до сих пор окончательно не завершена. Как уже отмечалось, под черной дырой понимается область пространства-времени, для которой вторая космическая скорость равна скорости света в вакууме c = 300 000 км/с. Физической границей черной дыры является горизонт событий, на котором с точки зрения далекого наблюдателя ход времени останавливается. Любому сколь угодно малому промежутку времени на горизонте событий соответствует сколь угодно большой промежуток времени на бесконечности. Горизонт событий – это не твердая наблюдаемая поверхность. Это так называемая световая поверхность в пространстве-времени. Горизонт событий может быть устранен выбором соответствующей системы координат.
Например, для наблюдателя, свободно падающего на черную дыру, особенности на горизонте событий отсутствуют. В центре черной дыры расположена сингулярность с формально бесконечной плотностью, куда сколлапсировало, в сопутствующей системе отсчета, вещество, образовавшее черную дыру. В сингулярности царят пока неизвестные нам законы физики, скорее всего законы квантовой гравитации. Но тогда как же мы можем строить теорию черной дыры, не зная законов новой физики? Дело в том, что в черной дыре пространство и время тесно переплетаются друг с другом. Поскольку сингулярность расположена в будущем по отношению к горизонту событий, незнание законов квантовой гравитации не мешает ученым строить теорию горизонта событий и подавляющей части внутренности черной дыры с помощью классической, не квантовой теории гравитации – общей теории относительности (ОТО) Эйнштейна. Характерный размер черной дыры задается величиной гравитационного радиуса:
где M – масса тела, c – скорость света, G – гравитационная постоянная. Радиус горизонта событий для невращающейся, Шварцшильдовской черной дыры равен гравитационному радиусу rg. Для вращающейся черной дыры радиус горизонта событий меньше rg, и он погружен в эргосферу, где присутствует вихревое гравитационное поле. Характерные размеры гравитационного радиуса составляют 9 миллиметров для Земли, 3 километра для Солнца и 40 астрономических единиц (расстояние от Солнца до Плутона) для черной дыры с массой 2 ∙ 109 солнечных масс (такие черные дыры наблюдаются в ядрах некоторых галактик).
Свойства черных дыр столь необычны, что в их существование верится с трудом. Поэтому предложены теории гравитации, альтернативные ОТО Эйнштейна, в которых черных дыр не существует. Это делает проблему поиска и исследования черных дыр во Вселенной особенно интригующей и интересной. Отметим, что, хотя за шестьдесят лет исследований обнаружены десятки кандидатов в черные дыры звездных масс (М ≈ 10 солнечных масс) и сотни кандидатов в сверхмассивные черные дыры (М ≈ 106 ÷ 1010 солнечных масс), а также несмотря на то, что все наблюдательные проявления этих массивных и чрезвычайно компактных объектов прекрасно согласуются с предсказаниями ОТО для черных дыр, до 2015 года окончательных доказательств того, что компактные объекты звездных масс являются черными дырами, по наблюдениям в электромагнитном рентгеновском канале не удавалось получить.
Все дело в том, что черные дыры, согласно ОТО, не обладают наблюдаемыми поверхностями. А доказать отсутствие наблюдаемой поверхности у объекта гораздо сложнее, чем доказать ее присутствие. Хотя по очень точному высказыванию академика, нобелевского лауреата В. Л. Гинзбурга, наблюдательные данные в электромагнитном канале укрепляют нашу уверенность в том, что черные дыры реально существуют. Отметим, что в июле 2011 года был осуществлен успешный запуск на орбиту вокруг Земли космического радиоинтерферометра «Радиоастрон» (руководитель программы академик Н. С. Кардашев), угловое разрешение которого лучше 10-5 секунды. Это дает принципиальную возможность наблюдать процессы вблизи горизонтов событий черных дыр, расположенных в ядрах ближайших галактик.
Можно надеяться, что такие эксперименты позволят получить окончательные доказательства существования черных дыр во Вселенной. К сожалению, «Радиоастрон» работал в сантиметровом диапазоне радиоволн. В этом диапазоне плазма, окружающая сверхмассивную черную дыру, непрозрачна, что не позволяет «пробиться» к горизонту событий черной дыры. Ниже мы расскажем о результатах наблюдений сверхмассивных черных дыр с помощью межконтинентального радиоинтерферометра EHT (телескоп для наблюдения горизонтов событий черных дыр), который работает на коротких радиоволнах и с помощью которого ученым удалось построить изображения «теней» сверхмассивных черных дыр в центрах галактики M87 и нашей Галактики. Роль астрономии при изучении черных дыр состоит в измерении масс и радиусов компактных объектов.
Как уже отмечалось выше, согласно теории эволюции звезд с учетом ОТО, если масса ядра звезды в конце эволюции превышает три солнечные массы, то в результате гравитационного сжатия (коллапса) этого ядра образуется черная дыра. Для звездных ядер с массой менее трех солнечных конечная стадия эволюции звезды приводит к формированию нейтронной звезды или белого карлика. Поэтому главная задача для астрономов – это измерение массы компактного объекта. Если компактный объект входит в двойную систему, спутник которой – нормальная звезда, то, изучая движение этой звезды с помощью спектральных и фотометрических наблюдений, можно, используя закон тяготения Ньютона, определить массу компактного объекта. Если масса этого объекта превышает три солнечных, то он может рассматриваться как кандидат в черные дыры. Радиус компактного объекта в двойной системе по наблюдениям в электромагнитном канале можно оценить по быстрой переменности рентгеновского излучения, возникающего при аккреции вещества спутника – нормальной звезды.
Для большинства кандидатов в черные дыры измеренные таким способом радиусы не превышают величины в несколько гравитационных радиусов. Вот почему начало эры рентгеновской астрономии в 1972 году означало переход к систематическим поискам черных дыр во Вселенной. Как я уже писал, первым кандидатом в черные дыры оказался объект Cyg X-1 – рентгеновская двойная система, состоящая из массивной звезды спектрального класса B0Ib и аккрецирующего релятивистского объекта с массой более 5,6 солнечной (наша оценка, совместно с В. М. Лютым и Р. А. Сюняевым, полученная в 1973 году). Поскольку один из первых открытых рентгеновских источнико