Хайно Фальке – Свет во тьме. Черные дыры, Вселенная и мы (страница 28)
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
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
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”.
7
Галактический центр
Однако в первый раз я подпал под чары черных дыр не в аудитории, а после прочтения в журнале
Я был заинтригован. Из статьи я понял, что в астрономии происходит много интересного. Я подумал тогда, что хотя физика элементарных частиц – тоже увлекательная область, но она развивается не с такой скоростью, как астрономия. (Там все упиралось в трудности строительства и дороговизну больших ускорителей частиц: должны были пройти десятилетия, прежде чем их построят и они начнут выдавать результаты.) Черная дыра в центре нашей собственной Галактики – эта фантастическая идея сразу же захватила меня.
Еще одним стимулом стало соображение о том, что гравитация была последней до сих пор не совсем понятой силой, которая упорно сопротивлялась любой попытке объединить ее с другими силами природы. Гравитация – самый большой камень преткновения на пути создания единой теории, объединяющей теорию относительности с квантовой физикой. О единой теории я, по правде говоря, и понятия тогда не имел, но подумал, что стоило бы попробовать заняться ее поисками и, возможно, добавить свой небольшой кирпичик в общее здание физики. Когда вы планируете построить дом, очень полезно знать, чего именно вы хотите. С планированием карьеры дело обстоит точно так же: вы должны знать, чем хотите заняться. Я решил, что если и есть место, где происходит нечто захватывающее, то оно определенно находится на границе, отделяющей черную дыру от окружающего ее пространства.
Это было время искателей приключений. Я тогда уже перешел в Радиоастрономический институт Макса Планка в Бонне, где мне выделили крошечный офис, который я делил с двумя коллегами (один из наших трех столов даже не помещался в комнате и вылезал в коридор). Для моей последней студенческой работы Питер Бирманн выбрал теоретическую задачу о звездном ветре – может ли ветер, аналогичный известному нам звездному ветру, сдувающему вещество с поверхности звезд, дуть в космос с аккреционного диска квазара? Это удивительно, но вращающиеся вокруг сверхмассивных черных дыр диски материи имеют много общего с горячими сплюснутыми звездами, и, в частности, высокое давление света тоже должно было бы сдувать внешние слои вещества с диска. Мы видели, как экстремально сильные ветры, дующие с очень горячих звезд, уносят в космос большое количество материи. В случае с черными дырами надо еще учитывать, что свет отклоняется и фокусируется искривленным пространством. И я рассчитал, как движется газ в свете квазаров и как черные дыры в их центре отклоняют свет.
Это была чрезвычайно интересная для меня тема, и эффект позже был действительно обнаружен, но в то время задача выглядела чисто теоретической. В 1992 году я начал работу над докторской диссертацией на ту же тему. Однажды к нам в Бонн приехал Питер Стритматтер – директор обсерватории Стюарда в Аризоне, тесно сотрудничавший с моим научным руководителем. Он собирался обсудить с боннскими коллегами постройку нового субмиллиметрового радиотелескопа в Аризоне. Я с гордостью рассказал ему о своем проекте. Он вежливо меня выслушал, стараясь особо не зевать. Надо признаться, что он был не единственным, кто реагировал на этот проект подобным образом. Было похоже, что моя тема никого не интересовала.
И тем не менее для меня 1992 год стал переломным, полностью изменившим мою жизнь. Тогда произошли два важнейших события: наша дочь впервые увидела свет этого мира – и в центре Млечного Пути новый мир впервые раскрылся для нас.
Как только были открыты квазары и появилась идея о черных дырах, люди начали размышлять о том, что из этого следует. Если на расстоянии миллиардов световых лет в первые бурные годы существования космоса в центрах галактик находились гигантские черные дыры, то не могли же они за прошедшее с тех пор время просто исчезнуть? И если есть несколько галактик с черными дырами, то почему бы черной дыре не скрываться в каждой из галактик?
Вскоре астрономы начали замечать некоторые любопытные явления, происходящие в центрах соседних с нами галактик, находящихся на расстоянии всего 50 миллионов световых лет. Казалось, что их ядра ярко светились и извергали плазму, излучающую в радиодиапазоне. Вокруг их центров вращался горячий светящийся газ. Эти замечательные галактики, известные с 1940‐х годов, были названы сейфертовскими галактиками – в честь их первооткрывателя Карла Сейферта. Так не были ли и в этих процессах замешаны черные дыры? В 70‐е и 80‐е годы астрономы собрали целый “зверинец” галактик, которые подозревались в том, что они прячут у себя черные дыры. Все их назвали активными галактиками (то есть галактиками с активными галактическими ядрами [АЯГ]). Область астрономии, которая была занята исследованиями этих галактик, просто бурлила активностью. Перед астрономами встал естественный вопрос: а не скрывается ли один из этих сверхтяжелых монстров и в центре нашего Млечного Пути?