Хайно Фальке – Свет во тьме. Черные дыры, Вселенная и мы (страница 27)
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.
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
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”.