Хайно Фальке – Свет во тьме. Черные дыры, Вселенная и мы (страница 26)
Представьте, что все восемь миллиардов человек в мире одновременно хлопнули в ладоши. Вы бы услышали не один короткий хлопок, а продолжительный гул, потому что звук, естественно, приходил бы к вам из разных точек, разбросанных по всей Земле, не одновременно.
Зато, зная скорость звука, можно во всяком случае оценить размер источника звука по длительности гула. Чем меньше он длится, тем меньше протяженность пространства, из которого он исходит. Если я услышу звук хлопков, который длится секунду, то скорее всего подумаю, что аплодируют люди, сидящие на стадионе, так как размер стадиона примерно равен “звуковой секунде”, то есть расстоянию, которое звук проходит за одну секунду. (Конечно, это может быть и какое‐нибудь меньшее пространство.) То же самое и с переменными источниками света: если изменение происходит в пределах месяца, источник не может быть больше светового месяца. Это намного меньше, чем расстояние между нами и ближайшей звездой. Следовательно, объект 3C 48 должен быть звездой, верно?
Затем ученые обратились к следующему по яркости радиоисточнику в каталоге – 3C 273. Чтобы определить его точное положение, радиоастрономы из обсерватории Паркса в Австралии применили хитрость: они попросили о помощи Луну. Случайно вышло так, что ее орбита пересекала направление на радиоисточник. Когда Луна оказалась перед ним, сигнал от него на короткое время исчез из зоны приема большой антенны. Это было похоже на солнечное затмение, только здесь Луна закрывала не Солнце, а таинственный радиообъект.
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].
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.