Хайно Фальке – Свет во тьме. Черные дыры, Вселенная и мы (страница 34)
И, думалось мне, это еще оптимистичная оценка, потому что если черная дыра вращается с максимальной скоростью, то есть почти со скоростью света, ее горизонт событий должен уменьшиться вдвое (а то, что каждая черная дыра вращается, как и все звезды и все планеты, – это практически бесспорно). Так значит, видимая часть черной дыры станет еще меньше?
Над всеми этими вопросами я размышлял, сидя в один тоскливый день в боннской институтской библиотеке. Это было в середине 90‐х. Просматривая специальную литературу, я неожиданно наткнулся на небольшую статью Джеймса Бардина. Этот американский астрофизик еще в 1973 году задумался о том, что было бы, если бы маленькая черная дыра прошла перед далекой звездой. Тогда эта задача была чисто академическим упражнением, и на самом деле с тех пор мало что изменилось: ведь чтобы увидеть это космическое событие, нужен оптический телескоп, по крайней мере в 100 раз больший, чем Земля. Тем не менее я уже вообразил себе черную тень, проходящую перед этим далеким солнцем, – почти как при транзите Венеры.
Но что‐то тут меня смущало. На иллюстрации в конце статьи был изображен кружок, долженствующий показать, насколько большим окажется темное пятно, которое возникнет в результате поглощения света за горизонтом событий. Но круг выглядел слишком большим. Разве эта черная дыра не вращалась? Разве она не должна быть намного меньше, а точнее – в пять раз меньше – диаметра изображенного пятна?
Чем быстрее вращается черная дыра, тем ближе свет может подобраться к ней, когда пролетает мимо. Как будто он крутится на карусели и получает импульс из‐за кривизны пространства-времени, в результате чего у него возникает возможность сбежать, в то время как если бы он не получил такого импульса, его поймали бы на более дальних подступах. Я думал, что именно по этой причине вращающиеся черные дыры должны казаться меньше. Но эта черная дыра казалась наблюдателю намного, намного больше, чем радиус горизонта событий.
И вдруг до меня дошло: черные дыры сами себя увеличивают! Они являются гигантскими гравитационными линзами, поскольку если они и умеют что‐то делать хорошо, так это искривлять траекторию света. Вращение черной дыры тоже не представляло проблемы, так как, естественно, свет должен был обтекать черную дыру с обеих сторон. Правда, с одной стороны он проходит мимо черной дыры в направлении ее вращения и вплотную приближается к горизонту событий, но с другой стороны он вынужден двигаться против течения пространства-времени, и черная дыра может захватить его за пределами горизонта событий. То есть черная дыра далеко забрасывает сеть, чтобы поймать свет, пытающийся проскочить мимо нее.
И тут словно бы пелена упала с моих глаз. Если рисунок верен, а это рассуждение справедливо и применительно к “моей” черной дыре, то она должна была бы казаться в два с половиной раза больше, чем я полагал прежде даже при лучшем раскладе. Вращалась она или нет, для наблюдения было неважно – значение имела только масса, а ее мы точно знали.
В этом случае Земля (и, соответственно, база нашего интерферометра) оказалась бы для наших целей достаточно большой. Великая благодать! Может быть, я все‐таки смогу увидеть “свою” черную дыру! И не только я – все смогут ее увидеть! Эта мысль поразила меня, как вспышка молнии. В моем воображении стала формироваться конкретная картинка. Теперь у меня была четкая цель. Я хотел заглянуть в “пасть” черной дыры! Я встал и начал беспокойно мерить шагами комнату.
Всякая идея, если ею не поделиться, подобна семени, которое не было брошено в землю. И поэтому я ходил на одну конференцию за другой и делился со всеми хорошими новостями, повторяя: “Да, мы сможем увидеть черную дыру”. Ведь попытаться получить изображение черной дыры можно было только в том случае, если бы мне удалось заинтересовать этим проектом коллег в разных странах, так как для осуществления замысла требовалась воля многих людей, преследующих общую цель. И для начала их всех нужно было вдохновить.
Однако пока все это было лишь теорией. Теории, конечно, хороши, но они не идут ни в какое сравнение с теориями, подкрепленными экспериментами. А эксперименты, в свою очередь, имеют смысл только тогда, когда полученные результаты можно обработать и проинтерпретировать с помощью теории. Хорошие эксперименты делают теории лучше и стимулируют появление новых идей, но они также стоят больших денег и усилий. А чтобы добиться необходимого финансирования, вам нужны заслуживающие доверия теории, которые могут предсказать то, что вы собираетесь увидеть. Вот и выходит, что наука – это всегда танго для двоих: для теории и эксперимента, где сначала ведет одна, а потом другой.
И теперь нам предстояло перестраивать работу на наших телескопах, переходя к все более и более высоким частотам, то есть к все более и более коротким волнам. Насколько близко можно подобраться к черной дыре? В 1994 году, после боннских измерений на длине волны 7 миллиметров, американская группа в обсерватории Хейстек в Бостоне, в которую входил, среди прочих, молодой радиоастроном Шеп Доулман, провела первый РСДБ-эксперимент на длине волны 3 миллиметра[117]. А мой боннский коллега Томас Кричбаум с помощью телескопов IRAM в Испании и Франции провел первое РСДБ-измерение на длине волны всего 1,3 миллиметра (частоте 230 ГГц)[118]. Тем не менее мы все еще не могли сказать, как выглядел этот объект. Эффект матового стекла нашей Галактики по‐прежнему скрывал его истинную структуру, качество полученных данных было плохим, телескопов было слишком мало, а чувствительность измерительной системы была слишком низкой.
В 1996 году я организовал и скоординировал серию наблюдений, в ходе которых впервые исследовалась яркость Стрельца А* одновременно с помощью нескольких телескопов на разных длинах волн. К нам присоединились коллеги из Японии, Испании и США. Мы не смогли получить никаких изображений, но интерпретация наших данных подтвердила, что излучение миллиметрового диапазона длин волн действительно должно было исходить от горизонта событий. В своей статье мы сделали точное предсказание о том, что, регистрируя это излучение с помощью эксперимента РСДБ, мы должны будем увидеть горизонт событий[119]. Однако нам все еще было совершенно необходимо обсудить эту гипотезу с учеными всего мира.
Лучшее место для обсуждения – конференция, и поэтому в 1998 году мы с моей коллегой Анжелой Котера из Аризоны организовали семинар по вопросам, связанным с галактическим центром[120]. Тогда в Тусон приехали специалисты со всего мира. Мы специально выбрали отель посреди пустыни, чтобы никто не мог сбежать ночью и у нас было бы достаточно времени для бесед друг с другом.
На конференциях кофе-брейки и общие обеды часто важнее презентаций. “Я приехал не из‐за презентаций, я приехал, чтобы выпить”, – как‐то полушутя сказал мне один опытный коллега. Люди – существа социальные, и когда вы вместе едите и пьете, то узнаете друг о друге и друг от друга очень много такого, чего не прочитаете ни в одном научном журнале.
Как и предполагалось, на семинаре разгорелись горячие споры. У нас не было световых мечей, но зато почти все участники обзавелись недавно появившимися в продаже лазерными указками, так что на экране всегда плясали три или четыре красные точки. Все это действо разыгрывалось перед Чарлзом Таунсом – нашим почетным гостем, сидевшим в первом ряду. Тем самым Чарлзом Таунсом, чьими научно-популярными статьями о черной дыре в центре Млечного Пути я зачитывался, еще будучи студентом.
Интересно, заметил ли кто‐нибудь забавность ситуации? Ведь Таунс был не просто ученым. Мы сражались на дешевых лазерных указках – а перед нами сидел человек, который в 1964‐м, за два года до моего рождения, получил Нобелевскую премию за изобретение лазера. Но сам Чарлз Таунс, в отличие от нас, до сих пор использовал только традиционную комбинацию из телескопической указки и пальца! Казалось, его очень веселила детская радость, которую мы получали от его лазеров. Если бы кто‐нибудь из присутствующих на мгновение задумался, то поразился бы, осознав, что всего лишь за одну человеческую жизнь открытие в области фундаментальной науки позволило создать предмет повседневного обихода.
В ходе дискуссий мы с Кричбаумом еще раз подчеркнули, что, используя РСДБ-методику на высоких частотах, мы могли бы добраться до черной дыры и увидеть ее структуру. Однако мой коллега Шеп Доулман был по‐прежнему осторожен и утверждал, что высокочастотные сигналы могут испускаться облаками пыли, а не газом у горизонта событий черной дыры. Внезапно Таунс проснулся. “А посередине этой штуки нет дырки? – спросил он[121]. – Есть, – ответил я. – При более высоком разрешении в области излучения, которую мы могли бы наблюдать, возникнет в буквальном смысле «черная дыра»”. Очевидно, мы еще не нашли правильный термин для “этой штуки”.
Почему‐то моя “благая весть” о возможности увидеть черную дыру все еще не доходила до людей. Мы должны были приложить больше стараний. Чтобы понять, чего им ожидать, люди хотят увидеть образ того, что они не могут себе ясно представить. До этого момента я демонстрировал только уравнения, графики и схематичное изображение черной дыры. Теперь же пришло время показать людям именно то, что мы должны будем увидеть, – симуляцию фотографии. Для этого нам следовало вычислить искривление траектории света вокруг черной дыры и изобразить, как она выглядела бы, если бы ее окружал прозрачный светящийся туман, как это было предположено в модели аккреционного диска Нараяна или нашей модели струй.