Текст книги "Свет во тьме. Черные дыры, Вселенная и мы"

Автор книги: Хайно Фальке

сообщить о нарушении

Текущая страница: 9 (всего у книги 22 страниц) [доступный отрывок для чтения: 9 страниц]

Точно в момент исчезновения радиосигнала астрономы измерили первую угловую координату объекта: она должна была лежать где‐то у ближнего края Луны. Вторую они получили, когда дальний край Луны миновал объект и снова стал пропускать радиосигнал с 3С 273. Поскольку мы знаем диаметр Луны и точное ее местоположение, оказалось возможным вычислить точное положение радиоисточника, найдя точку пересечения этих двух лучей.

Кстати, 3C 273 может быть одним из самых ярких радиоисточников в небе, хотя сигналы от него всего в пять раз мощнее, чем принимаемые на Земле сигналы мобильного телефона стандарта LTE, оказавшегося на Луне. Как только положение 3С 273 стало известно, Мартен Шмидт (голландский астроном, работавший в Калифорнийском технологическом институте в Пасадене) начал исследовать эту область неба с помощью телескопа обсерватории Маунт-Паломар и нашел довольно яркую звезду в созвездии Дева – настолько яркую, что ее мог бы рассмотреть даже астроном-любитель с телескопом приличного качества. Шмидт быстро проанализировал спектр излучаемого ею света. И снова положение эмиссионных линий оказалось очень странным. Через полтора месяца он наконец расшифровал последовательность спектральных линий и убедился, что это был спектр водорода, который принадлежал объекту, удаленному от нас на 2 миллиарда световых лет. Это расстояние даже трудно себе вообразить. Расширение Вселенной так растянуло линии водорода, что они сместились в красную сторону на 16 процентов и появились в том месте, где их никто не ожидал увидеть.

Шмидт был настолько уверен в своих данных, что осмелился их опубликовать. Возможно, он и не знал в точности, что это за яркий объект в космосе, но все‐таки решил рискнуть. Поскольку объект только выглядел как звезда, но, скорее всего, ею не был, Шмидт за неимением подходящего термина назвал его просто “квазизвездным радиоисточником”, или QSR. А астрономы, часто прибегающие к сленгу, превратили эту аббревиатуру в “квазар”. “Как будто с глаз вдруг спала пелена и мы поняли, что звезда – это не звезда”, – скажет позже Шмидт[95]95
  Maarten Schmidt. The Discovery of Quasars (lecture, Caltech Symposium: “50 Years of Quasars,” September 9, 2013). https://sites.astro.caltech.edu/q50 /Program.html.


[Закрыть].

Сегодня даже трудно представить, какой ажиотаж вызвало это открытие. Горизонт видимой Вселенной безмерно расширился, космическое пространство буквально взорвалось.

Казалось, что Вселенная прямо на глазах менялась и развивалась. Десять миллиардов лет назад была эпоха квазаров – тогда их активность достигла своего пика. В течение первых четырех миллиардов лет существования нашей Вселенной их число быстро увеличилось и они осветили все пространство. Но позже, в последующие эпохи развития Вселенной, квазары стали один за другим выгорать.

Однако что же это такое – 3C 273? Выводы, сделанные из наблюдений, оказались грандиозными. Если квазар 3C 273 можно было по‐прежнему отчетливо увидеть с Земли на таком огромном расстоянии, то он должен был светить в сто раз ярче, чем целая галактика. А если эта квазизвезда мерцала с периодом в несколько недель или месяцев, она не могла быть намного больше одного светового месяца, то есть, вероятно, была размером с одну Солнечную систему. И вот так постепенно до астрономов начало доходить, что 3С 273 и вправду являл собой очень таинственный объект. Он излучал невообразимое количество энергии, и вся эта энергия была сосредоточена в сравнительно маленькой области Вселенной. Как можно создать такую большую энергию в таком крошечном пространстве? Чем бы этот квазар ни был, он привел в замешательство даже самых многомудрых астрономов. До этого никто из них не сталкивался с таким гигантизмом в астрофизике.

Мысли некоторых ученых быстро обратились к величайшей из всех космических сил – гравитации. Чтобы нечто светило так ярко, его масса должна быть невообразимо огромной. Сэр Артур Эддингтон раньше уже обсуждал этот аргумент применительно к звездам. Поскольку свет тоже оказывает давление, то если бы звезда сияла слишком ярко, она бы лопнула – точно так же, как лопается слишком сильно надутый воздушный шар. Учитывая светимость столь гигантского небесного объекта, в целости его могла сохранить только огромная гравитационная сила.

Если использовать аргументацию Эддингтона для вычисления минимальной массы, необходимой для удержания квазара в целости, то она окажется равной почти миллиарду масс Солнца. Этого достаточно, чтобы свести с ума: разве можно себе представить, как масса, равная массе миллиарда Солнц, могла бы поместиться внутри одной Солнечной системы и светить, как миллиард Солнц?

Спустя шесть лет после открытия квазаров английский астрофизик Дональд Линден-Белл попытался выяснить, как разрешить эти противоречия. Что если в центре галактик были сверхмассивные черные дыры? Не маленькая звездная черная дыра, порожденная одной сверхновой, а миллиарды мертвых звезд, слившихся вместе, чтобы сформировать одного-единственного гиганта? Только такой объект мог излучать столько энергии, не разорвавшись при этом на части. К тому же он должен быть достаточно компактным. И в конечном итоге Роджер Пенроуз – британский математик и физик-теоретик – доказал, что возможность образования черных дыр допускается законами общей теории относительности.

Но как черная дыра может излучать свет? Разве она не должна быть черной? Да, сама черная дыра черная, однако газ, который притягивается к ней и вот-вот будет ею проглочен, – нет. Газ движется к черной дыре с невероятной скоростью и нагревается за счет гравитационной энергии, углового момента и магнитного трения. Вдобавок ко всему черные дыры невероятно эффективны: они заставляют почти все вокруг себя нестись со скоростью, близкой к скорости света.

Давайте представим металлический шар размером с кулак – для игры бочче. Если мы кинем его на игровой площадке, то он с глухим стуком ударится о землю, оставив небольшое углубление. Если мы зарядим этим же шаром пушку и выстрелим, то шар вылетит из нее со скоростью один километр в секунду и сможет пробить стену. А что произойдет, если мы дадим ему упасть на черную дыру почти со скоростью света? Он полетит в 300 000 раз быстрее, чем при выстреле из пушки. Но поскольку кинетическая энергия растет пропорционально квадрату скорости, у шара теперь будет примерно в сто миллиардов раз бóльшая энергия. Таким образом, полная энергия мяча для бочче в этом случае равнялась бы примерно десяти миллиардам киловатт-часов. Энергией одного такого падающего шара можно было бы снабжать электричеством дома трех миллионов немецких семей в течение года.

Это звучит как фантастика, но черные дыры действительно способны на такие вещи. Если пыль и газ попадают в гравитационное поле черной дыры, то из турбулентного газа, пронизанного магнитными полями, возникает и формируется так называемый аккреционный диск, похожий на аккреционные диски, обнаруженные вблизи новых звезд. И там, где располагается его внутренний край, этот гигантский “газовый вихрь” вращается вокруг черной дыры со скоростью чуть меньше скорости света. Газ нагревается из‐за магнитного трения и излучает яркий свет. Так называемая черная дыра сияет, как ярко-голубая звезда. Небольшая часть поступающей в нее горячей плазмы выбрасывается в космос под действием магнитных полей в виде гигантской светящейся струи (джета). По внешнему виду эти струи действительно напоминают след выхлопа – джета – реактивного самолета. В результате лишь немногим удачливым частицам удается сделать то, что не получается у всех остальных: вырваться из черной дыры. Как и в солнечной короне, частицы ускоряются в магнитном поле и генерируют мощное синхротронное излучение. На наших радиотелескопах мы как раз и видим, как из квазаров вылетают эти горячие намагниченные и сфокусированные струи, излучающие электромагнитные волны.

Эффективность этих гравитационных водоворотов и вырывающихся из них струй огромна – она почти в пятьдесят раз превышает эффективность реакции ядерного синтеза, происходящей в звездах. Таким образом, черные дыры являются самыми эффективными электростанциями во Вселенной. Вместо того чтобы бросать свой шар для бочче в черную дыру, я мог бы вылить в нее литр воды, и это простое действие произвело бы достаточно энергии для жителей города-миллионника на целый год. Вода‐то у меня под рукой есть, а вот подходящей черной дыры, к сожалению, нет. А ведь как легко тогда можно было бы решить все наши энергетические проблемы!

Жажда квазаров невероятна: каждую секунду они поглощают массу, в 45 раз превышающую массу всей воды на Земле, что составляет массу одного Солнца в год. Черные дыры функционируют в режиме, который не слишком похож на режим устойчивого развития: “вода”, поглощенная черной дырой, не идет в переработку. Что было, то ушло. Черная дыра крайне эгоистична. С каждым глотком она становится только тяжелее, больше, притягательнее и опаснее.

Открыв квазар 3C 273, астрономы непреднамеренно открыли первую черную дыру. Но не все в научном сообществе разделяли веру в существование черных дыр. Должны были пройти десятилетия, прежде чем эта теория стала общепринятой. Некоторые ученые считали, что квазары – это звездные объекты, выброшенные из галактик. Сегодняшним астрономам подобные теории кажутся странными, но они действительно обсуждались всерьез, и путь к окончательному доказательству существования черных дыр был еще долгим.

Слушаем эхо Большого взрыва

Наше время отмечено не только открытием квазаров, но и быстрым развитием понимания космоса в целом. В 1964 году Арно Пензиас и Роберт Вудро Уилсон из лабораторий Белла стали использовать в своих экспериментах по прослушиванию радиошумов, приходящих из космоса, телекоммуникационную антенну. Антенна напоминала огромную слуховую трубку. Поначалу им совсем не нравилось то, что они слышали. Со всех сторон до них доносились слабые, настойчивые, надоедливые шумы. Они проверили все кабели, отогнали голубей и очистили антенну от их помета, однако шумы никуда не делись. Поскольку это излучение шло из космоса постоянно, ученые в конце концов сделали вывод о существовании космического фонового микроволнового излучения. Оно было похоже на тепловое излучение, исходящее от черной непрозрачной ткани, покрывающей все небо при температуре около 3 кельвинов. (То есть всего на 3 градуса выше абсолютного нуля – точки, в которой уже ничего не движется!) Потому это излучение также называется 3K (или 3х-градусным) фоновым излучением. Оно и есть то, что осталось от первичного огненного шара, которым был Большой взрыв, и за его открытие Пензиас и Уилсон получили позднее Нобелевскую премию по физике.

На ранней стадии развития Вселенной космос был заполнен очень горячим и непрозрачным газом. Протоны и электроны бешено метались из стороны в сторону. Но чем больше расширялась Вселенная, тем холоднее она становилась. Спустя 380 000 лет после Большого взрыва температура Вселенной все еще составляла около 3 000 кельвинов – она была горячей, как расплавленная сталь, но уже достаточно холодной, чтобы положительно заряженные протоны могли за счет притяжения захватить отрицательно заряженные электроны и образовать первые атомы. Вселенная превратилась в океан, заполненный газообразным водородом, который теперь стал прозрачным.

Свободно летающие электроны, которые до этого, подобно крошечным антеннам, поглощали весь свет, внезапно оказались запертыми в атомах. Покрывало было убрано, свет вырвался наружу – и с тех пор он почти беспрепятственно так все время и летит к нам. В результате расширения Вселенной мы удаляемся все дальше и дальше от части этого света. Световые волны, которые достигают нас сегодня, за время своего 13,8‐миллиардолетнего марафона по расширяющемуся космосу растянулись в тысячу раз и успели остыть. Вместо волн, соответствующих температуре 3 000 К, мы сегодня регистрируем только сверххолодное 3К-излучение. То, что добирается до нас, – это холодная струйка исходного теплового излучения Большого взрыва. Но с его помощью мы можем увидеть Вселенную, существовавшую на заре космического времени, – времени, когда она напоминала непроницаемую печь, более горячую, чем расплавленная сталь. Мы заглянули в этот очень давний период настолько глубоко, насколько смогли. Открытие космического микроволнового фона, ставшее для многих неожиданностью, стало решающим доказательством в пользу модели Большого взрыва: мы смотрим на пространство и время непосредственно в момент их образования.

В 90‐е годы спутник COBE провел чрезвычайно точные измерения космического излучения и обнаружил крохотные вариации светимости. Они возникли из‐за волн в первозданном водородном океане и явились предшественниками первых сгустков материи, которые за долгую историю Вселенной разрослись до галактик и галактических скоплений. Благодаря микроволновому зонду WMAP и спутнику Planck, запущенному НАСА и Европейским космическим агентством ESA соответственно, а также многим другим экспериментам эти зародыши сегодняшних галактик были подробно измерены, и они в деталях рассказали нам историю и структуру Вселенной.

Астрономы, участвовавшие в начавшихся в конце 1980‐х годов крупномасштабных исследованиях неба, обнаружили, что галактики во Вселенной не распределены по пространству равномерно, а образуют причудливые узоры или собираются в большие скопления. Оказалось, что галактики – более социальные объекты, чем можно было подумать, и они любят жить поблизости друг от друга.

Естественно, отдельные галактики в этих скоплениях не стоят на месте – они перемещаются и перемешиваются под действием гравитации, и зачастую одна пролетает мимо другой со скоростью более 1 000 километров в секунду. Понаблюдав за движением галактик на протяжении миллиардов лет их жизни, можно было бы, пожалуй, сказать, что они движутся подобно стремительно плывущей стае рыб: иногда две или три из них даже слипаются, в результате чего возникает новая, более крупная галактика, которая принимает форму массивного шара или толстой сигары. Мы называем такие галактики эллиптическими, и галактика M87 – одна из них. Но обитающие в них звезды никогда – или почти никогда – не сталкиваются, поскольку расположены далеко друг от друга, хотя, без сомнения, и чувствуют взаимное влияние гравитации.

Тяжелые галактики проваливаются в центр скопления и увеличиваются в размерах, а их черные дыры даже сливаются. Поэтому самые большие и тяжелые галактики часто располагаются в центре скоплений галактик и содержат самые большие черные дыры во Вселенной. Они – настоящие гиганты среди великанов. Таким же образом устроена и наша соседка – галактика М87. Именно M87 является самой близкой к нам галактикой во Вселенной среди всех галактик, прячущих в своем центре сверхтяжелые черные дыры.

И однако эти галактики двигались слишком быстро; по крайней мере так казалось Фрицу Цвикки – швейцарскому астроному, проводившему исследования в Калифорнийском технологическом институте в Пасадене еще в 1933 году. Гравитации звезд в таких конфигурациях явно недоставало, чтобы удерживать несущиеся во весь опор галактики, – при таких скоростях они должны были разлетаться во все стороны. Но этого‐то как раз они и не делали, а это означало, что какая‐то таинственная сила должна была удерживать их от разлетания. Если считать, что за “неразлетание” ответственна гравитация, то где‐то должна прятаться некая таинственная темная материя, которая обеспечивает эту дополнительную гравитацию и которую мы не можем видеть. Кроме того, ее должно быть в пять-десять раз больше, чем известной нам обычной материи.

В 1970‐е астроном Вера Рубин измеряла скорость вращения галактик с помощью оптических телескопов и эффекта Доплера. Казалось, они вращались немного быстрее, чем должны были бы. Это наблюдение подтвердил голландский ученый Альберт Босма, использовавший для исследования новый радиоинтерферометр в Вестерборке. Он увидел газ, из которого еще не образовались звезды, заполнявший пространство далеко за пределами галактики, видимой лишь с помощью оптических телескопов. И там тоже все вращалось слишком быстро. Галактики должны были быть заполнены темной материей, которая удерживала их как целое. Без нее галактики напоминали бы разлетающиеся тарелки с супом на слишком быстро раскрученном столе “Ленивая Сьюзен” в китайском ресторане.

Мы до сих пор не знаем, что такое темная материя. Некоторые астрономы считают разговоры о ней чепухой и утверждают, что ее не существует. Скорее, говорят они, наши законы гравитации просто перестают работать, когда мы переходим к галактическим масштабам. И все же большинство астрономов полагает, что темная материя существует и состоит из элементарных частиц неизвестного до сих пор вида.

Еще более запутанным все стало в 1990‐е годы, когда астрономы приступили к систематическому исследованию сверхновых, яркость которых можно было довольно точно измерить. Оказалось, что они сияли чуть менее ярко, чем можно было бы ожидать, учитывая расширение Вселенной и закон Хаббла-Леметра. Находились ли они дальше, чем считалось прежде? Если это так, то Вселенная должна была расширяться быстрее, чем мы думали. С тех пор темная энергия – неизвестная, таинственная, заставляющая Вселенную расширяться все быстрее – вошла в физико-астрономическое представление о нашем мире. На самом деле она уже присутствовала в уравнениях Эйнштейна в виде космологической постоянной, но сам Эйнштейн в какой‐то момент отказался от нее, назвав своим “самым большим заблуждением”.

Современнейшие космические модели и измерения, которые проделывают астрофизики, показывают, что около 85 процентов всего вещества во Вселенной – это темная материя, а пятнадцать процентов – это нормальное и знакомое нам так называемое барионное вещество. Вдобавок измеренная темная энергия всей Вселенной более чем в два раза превышает энергию, содержащуюся в темной и нормальной материи вместе взятых (мы помним, что согласно знаменитой формуле Эйнштейна E=mc ² масса эквивалентна энергии). И тогда оказывается, что только примерно 5 процентов всей энергии Вселенной содержится в той форме материи, какой мы ее знаем на Земле, то есть в атомах и элементах периодической таблицы. Что касается формы оставшейся массы, то тут мы пока находимся в буквальном смысле в потемках.

Астрономы часто называют это открытие “новой Коперниканской революцией”. Прежде всего нам теперь известно, что люди не находятся ни в центре Вселенной, ни в центре Млечного Пути, ни в центре нашей Солнечной системы. Более того: наши тела и весь наш мир состоят из материи, которую по меркам всей Вселенной можно считать редкой и даже экзотической. Однако мне нравится смотреть на это с другой точки зрения: мы теперь знаем, что сотканы из совершенно особого материала.

Между темной материей и темной энергией с одной стороны и черными дырами с другой нет непосредственной связи, хотя последние и могут показаться столь же таинственными и темными. Темная материя, безусловно, может попасть в черные дыры и заставить их расти. Однако это, вероятно, происходит только в очень малой степени, потому что темной материи в центрах галактик очень немного, она рассредоточена по всему пространству. И темную энергию во Вселенной тоже можно обнаружить только на больших масштабах, и теоретически она не должна менять структуру черных дыр – ведь дуновение воздуха не может обрушить Эверест, даже несмотря на то, что вся масса воздуха на Земле в десять тысяч раз тяжелее этой одной горы. Тем не менее неизвестная природа темной материи и темной энергии привлекает внимание исследователей к пробелам в нашем понимании физики. Кроме всего прочего, новая теория пространства и времени, учитывающая темную материю и энергию, могла бы изменить и уравнения, описывающие поведение черных дыр.

Часть III
Путешествие за изображением черной дыры
Моя поездка на Телескоп горизонта событий и получение первого изображения черной дыры

Завораживающий мусоросборник

Я вырос поблизости от кёльнского квартала Зюдштадт, расположенного в десяти минутах ходьбы от физического института при Кёльнском университете и теперь всегда заполненного студентами. Позже, поступив в университет, я слушал там свои первые лекции, а затем, будучи приглашенным лектором, и преподавал. Но когда я был маленьким, мой мир ограничивался тротуаром перед нашим домом, где я обычно играл с другими детьми. Наша улица тогда еще была вымощена булыжником, и самым счастливым событием для меня являлся еженедельный приезд большого мусоровоза. Из него выходили мусорщики в оранжевой рабочей форме и ловко выкатывали к мусоровозу, стоящему перед домом, большие контейнеры с заднего двора. Мне ужасно хотелось быть водителем мусоровоза и водить супергрузовик, который захватывал бы гигантские контейнеры и пережевывал мусор. Меня восхищало то, что мусорщики могли управлять такой мощной машиной простым поднятием рычага. В выборе карьеры я тогда не сомневался: я стану заниматься чем‐то, что связано с огромными машинами!

Однако позже я увлекся физикой и в качестве темы работы на степень магистра выбрал черные дыры. И тут внезапно обнаружились удивительные параллели с моим детским увлечением. Черные дыры – это, по сути, космические мусоросборники, которые с невероятной силой притягивают к себе не только крупные звезды, но и молодых студентов колледжей. Я писал свою магистерскую диссертацию под руководством профессора Питера Бирманна, необычайно щедро делившегося со студентами разнообразными идеями. Они у профессора всегда были сумасшедшие, и он любил обсуждать их с нами. У Бирманна имелись знакомые по всему миру, он много путешествовал и знал, какие направления в астрономии были модны. Но, что еще более важно, пока он находился в разъездах, мы могли спокойно работать! Мои собственные докторанты хорошо знакомы с этим режимом – я тоже много путешествую. Тем не менее Бирманн оставался физиком старой школы: обычно в процессе разговора он хватал мел, проделывал на доске все важные расчеты и получал приблизительные результаты; а еще он умел вычислять логарифмы в уме. Его отец, Людвиг Бирманн, был директором Института физики и астрофизики Общества Макса Планка в Мюнхене и в свое время опубликовал важную работу по магнитному полю Солнца. В доме Бирманна бывали такие светила науки, как Вернер Гейзенберг и Отто Ган, которого юный Бирманн звал просто “дядей Отто”.