Свет во тьме. Черные дыры, Вселенная и мы - Фальке Хайно

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.

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.

Слушаем эхо Большого взрыва

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.