Хайно Фальке – Свет во тьме. Черные дыры, Вселенная и мы (страница 35)
Несколько месяцев спустя, в 1999 году, я получил стипендию от Немецкого исследовательского фонда DFG на пару месяцев моего саббатикала для поездки в Аризону в качестве приглашенного профессора. Наш младший сын только что родился, и мы воспользовались декретным отпуском моей жены. В Тусон мы явились с тремя нашими малышами – Яной, Лукасом и Никласом – и всего с одним из восьми чемоданов, взятых нами в поездку. Когда вы проводите несколько дней почти без вещей, то получаете радость от мелочей жизни, в особенности от своих детей.
Мои хозяева познакомили меня с Эриком Эйголом, стажировавшимся тогда в Университете Джона Хопкинса в Балтиморе. Эрик написал компьютерную программу, воспользовавшись которой, можно было выполнить изящный расчет искривления света с помощью уравнений общей теории относительности. Она была лучше той программы, что я использовал в своей магистерской диссертации. Вместе мы рассчитали, как будет выглядеть черная дыра в самых разных условиях и можно ли будет увидеть ее с помощью РСДБ-метода. Мы с нетерпением ждали результатов. И – только представьте! – во всех наших моделях появлялось яркое кольцо с темным пятном посередине, причем всегда одного и того же размера.
Отчетливо различимое кольцо образует свет, приходящий отовсюду. Это результат специфических качеств черных дыр: из‐за искривления пространства вблизи черной дыры свет, проходящий мимо нее в точности на нужном расстоянии, движется вокруг нее по почти замкнутой круговой траектории. Эта замкнутая орбита света называется фотонной сферой, потому что световые фотоны, летящие вокруг черной дыры, подобны планетам, обращающимся вокруг Солнца, – но опять же только на точно установленном расстоянии от нее. Для невращающейся черной дыры фотонная сфера расположена в полтора раза дальше от центра масс, чем горизонт событий, но благодаря эффекту гравитационного линзирования ее диаметр кажется нам в два с половиной раза больше диаметра горизонта событий.
Если над черной дырой в какой‐то точке фотонной сферы подвесить лампочку, то примерно половина ее света попадет в черную дыру, другая половина вылетит наружу, а исчезающе малая часть света – та, которая излучается в направлении, параллельном горизонту событий, – начнет вращаться по фотонной сфере. Чем ближе к горизонту событий висит лампочка, тем больше ее света поглощается и тем меньше вылетает наружу. Что интересно, этот свет “растягивается” (то есть его длина волны смещается в сторону больших длин волн) и теряет энергию. На горизонте событий свет от лампочки полностью исчезает. Пространство между фотонной орбитой и горизонтом событий является, так сказать, “зоной сумерек” над черной дырой: в этом пространстве все, что попадает внутрь, быстро темнеет.
Вблизи фотонной сферы свет может двигаться по совершенно невероятным траекториям. Когда я был ребенком, мы с друзьями иногда делали сверхсекретные шпионские телескопы из картонных трубок и зеркал, с помощью которых можно было заглянуть за угол. Черная дыра – это типичный пример сверхсекретного шпионского телескопа. Она может осматривать одновременно сразу несколько траекторий в каждом направлении! Имея дело с черными дырами, мало уметь мыслить нешаблонно. Чтобы понять, что происходит, надо еще уметь оглядеть происходящее в буквальном смысле со всех сторон!
Обладай мы, подобно Супермену, талантом стрелять лазером из глаз, траектория лазерных лучей показала бы нам, куда мы смотрим. Если, например, мы посмотрим налево от черной дыры, лазерный луч, исходящий из глаз, отклонится вправо и исчезнет за черной дырой. Если мы нацелимся взглядом чуть правее, свет изогнется немного сильнее, вернется к нам обратно – и мы увидим, что находится перед черной дырой. Если же прицелиться еще правее, то сначала свет будет двигаться по кругу, а затем наш лазерный луч направится прямо внутрь черной дыры. Ну а если мы устремим наш взгляд еще дальше вправо от черной дыры, то увидим, что делается слева, сзади или справа от нее. А если станем смотреть поверх черной дыры, то свет будет отклоняться вниз и мы увидим все, что находится выше, позади и ниже черной дыры. На самом деле свет вблизи фотонной сферы может пролететь по четверти или половине окружности, либо описать вокруг черной дыры полную окружность, либо даже описать несколько спиралевидных витков, близких по форме к окружности[122]. По пути он соберет еще больше света.
Если наш “лазерный” взгляд пройдет слишком близко к черной дыре, он закончится на горизонте событий – и мы заглянем в темноту. И буквально окажемся “в потемках”: ведь истинная природа черной дыры будет от нас сокрыта – яркий свет освещает только окружающую ее область.
Если бы мы захотели облететь черную дыру, то со всех сторон увидели бы одно и то же световое кольцо, поскольку черная дыра окружена прозрачным светоизлучающим облаком. Световое излучение этого облака настолько изогнуто и сфокусировано, что образует вокруг черной дыры тонкую, круглую, заполненную светом оболочку. Итак, со всех сторон мы всегда увидим кольцо с темным пятном в центре. Причина темноты в том, что лучи зрения упираются в черную дыру. Однако пятно не полностью черное, потому что лучи зрения должны также пройти через светящийся газ перед черной дырой.
Но кольцо вокруг пятна не всегда имеет одинаковую форму. Если мы решим промоделировать задачу на компьютере, задав скорость вращения газа почти равной скорости света (а она в окрестности черной дыры, очевидно, именно такова), то получим только полукольцо. С той стороны, где газ движется к нам, свет усиливается, а с другой стороны – ослабевает. Более того, если вращается и сама черная дыра, то тень и кольцо сжимаются на несколько процентов и может даже появиться небольшой, едва заметный эффект сплющивания.
Двадцать лет спустя я узнал, что немецкий математик Давид Гильберт еще в 1916 году, всего через несколько месяцев после того, как Эйнштейн и Шварцшильд заложили основы теории черных дыр, проделал математические расчеты этих световых траекторий[123], – даже не зная, существуют ли черные дыры и что они из себя представляют. Труд Гильберта был забыт, вероятно, потому, что слишком опередил свое время.
В 70‐е и 90‐е годы также было предпринято несколько попыток рассчитать, как могут выглядеть черные дыры[124], но тогда отсутствовал реальный шанс их увидеть, и эти работы не привлекли большого внимания. Только после того, как наша работа была опубликована, об этих результатах вспомнили. Вышедший в 2014 году фильм “Интерстеллар”, безусловно, повлиял на представление о черных дырах, хотя модель, использованная в фильме, на самом деле не соответствовала ни M87, ни черной дыре в нашем галактическом центре. В фильме черная дыра окружена не сияющим облаком горячего газа, а тонким непрозрачным диском с дыркой посередине, и она не выбрасывает струю плазмы. Абсолютно неудивительно, что вы видите в диске отверстие, если сами же заранее поместили его туда. Темное пятно было бы видно там даже и без черной дыры. Только тогда тьма обретает реальность, когда вокруг все залито светом.
Пока мы с двумя коллегами писали нашу статью, предсказывающую, каким будет изображение черной дыры, мы также обсуждали, как нам называть “эту штуку”, а именно – черное пятно в центре. Ассоциативные названия очень важны, когда дело касается научных материй. Что ассоциировалось бы с Большим взрывом без слова
Мы запланировали телеконференцию, к которой и нужно было определиться с названием. Черной дырой мы “эту штуку” назвать не могли – этот термин относится к объекту с массой в центре, искривляющей пространство-время вокруг. Пустота, пятно, пузырь – почему‐то ни одно из этих слов не подходило. Внезапно нам пришла в голову идея назвать ее
Естественно, мы хотели, чтобы в нашей статье смоделированные радиоизображения выглядели впечатляющими. Но как визуализировать то, что мы не в состоянии увидеть глазами? Было ясно, что изображение тени черной дыры можно получить только с помощью радиотелескопа. Это не фотография в классическом смысле, потому что наши данные получены не в свете из диапазона длин волн, видимых человеческому глазу. Какого цвета такой свет? Мы рассчитали уровни яркости, но не цвет. Теоретически мы могли бы использовать контурное изображение или изобразить объект с помощью оттенков серого. Это тоже могло бы помочь наглядно представить данные, однако изображение выглядело бы скучно.
В новом тысячелетии практика использования цветных изображений в астрофизических публикациях получала все большее распространение, хотя это и было удовольствие не из дешевых: академические журналы требовали дополнительной оплаты за рисунки с цветной печатью. Но нам казалось, что это того стоило, так как мы понимали, что эффектность изображения будет иметь решающее значение для его воздействия на читателей. В то время радиоастрономы довольно широко использовали виртуальную цветовую палитру, выбирая, как правило, для графических изображений небесных радиоисточников палитру всех цветов радуги. Но нам казалось, что для черной дыры этот выбор был бы не совсем удачным.