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

Вскоре ученые – в надежде получить более четкие изображения – провели измерения Sgr A* с помощью сети радиотелескопов РСДБ, но их постигло разочарование. Объект выглядел совершенно неинтересно: почти круглое, слегка сплющенное пятно. Мы и представить не могли, что черная дыра такая невзрачная. В последующие годы для получения изображения использовались все более высокие частоты, с помощью которых радиоастрономы надеялись получить значительно более четкие изображения. Но они опять смогли разглядеть только несимметричное пятно, хотя и меньшего размера. А затем их осенило: для радиочастотного излучения Млечный Путь играл роль как бы гигантского матового стекла, из‐за чего четкие контуры объектов казались размытыми. Мы видели лишь расфокусированное изображение того, что происходило в центре Млечного Пути, поскольку горячий газ и пыль в галактическом диске не давали нам получить по‐настоящему четкое изображение. Какое разочарование!

В еще большей степени это относилось к видимому свету. Густые газопылевые облака в диске нашего Млечного Пути не только рассеивали видимый свет, как они это делали и с радиоизлучением, но и полностью поглощали его, блокируя любую возможность заглянуть “за занавес”. Так неужели же Млечный Путь сохранит свою тайну навсегда?

Я как раз приступил к своей докторской диссертации, когда этот занавес неожиданно приподнялся. Астрономы из разных городов Германии организовали в Бонне минисеминар, где рассказали о своих последних, еще неопубликованных, открытиях, касающихся нашего галактического центра. Я пришел в необыкновенное возбуждение.

В 1988 году группа исследователей под руководством бывшего директора боннского Радиоастрономического института Петера Мезгера и его коллеги Роберта Зилки впервые провела измерения Sgr A* на длине волны 1,3 миллиметра. (Это тот самый диапазон миллиметровых волн, который мы позже использовали для получения нашего изображения.) Правда, в распоряжении ученых был только один телескоп и они не смогли получить четких изображений Sgr A*, но у них создалось впечатление, что в этом диапазоне он сиял на удивление ярко. Но еще более удивительным оказалось то, что на более высоких частотах, в дальнем инфракрасном диапазоне, интенсивность излучения резко падала и его уже невозможно было зарегистрировать. Так что же создавало это излучение миллиметрового диапазона? Ультрагорячий газ вблизи черной дыры или просто далекое теплое облако пыли?

В 90‐е годы сотрудники Института Макса Планка в Бонне совместно с сотрудниками обсерватории Хейстек в Массачусетском технологическом институте провели пионерское исследование по использованию интерферометра РСДБ в диапазоне миллиметровых волн. А мой боннский коллега Томас Кричбаум как раз перед семинаром провел первые РСДБ-измерения Стрельца А* на частоте 43 ГГц, то есть на длине волны 7 миллиметров, и его новые результаты обсуждались на семинаре. Это были самые четкие изображения данного объекта на самых коротких длинах волн из всех когда‐либо полученных. Влияние матового стекла на излучение уменьшается квадратично с уменьшением длины волны, и похоже было, что в конце концов мы сумеем увидеть нечто более интересное, чем просто размытое пятно. На фотографиях Кричбаума у пятна появилась небольшая выпуклость, вытянутая в одном направлении. Не было ли это расплывчатым изображением небольшого плазменного джета, похожего на те, что вылетали из больших квазаров?

Но главным событием семинара оказались впечатляющие результаты, полученные группой под руководством Рейнхарда Гензеля из Института внеземной физики имени Макса Планка в Гархинге – городке, расположенном недалеко от Мюнхена. Гензель и Андреас Эккарт направили камеру ближнего инфракрасного диапазона на галактический центр. (Такие камеры используют обычно для ночных съемок, потому что они позволяют видеть невидимое человеческому глазу тепловое излучение. Этот свет имеет гораздо большую длину волны, чем свет, который видит наш глаз, и ему легче проникнуть сквозь пыльную завесу нашей Галактики.) И внезапно темный центр Галактики озарился ярким светом. Но было ли это свечением черной дыры?

Светящееся пятнышко выглядело очень размытым, потому что свет звезд исказился в атмосфере Земли. Когда свет проходит через слои воздуха, предварительно проделав долгий путь сквозь пространство, он начинает мерцать. (Мы можем наблюдать этот эффект в жаркий летний день, когда в воздухе, поднимающемся от раскаленной мостовой, образуются слои с разными коэффициентами преломления и проходящий через них свет начинает мерцать, а очертания всех предметов, на которые мы сквозь эти слои смотрим, искажаются.) Подобным же образом, только в больших масштабах, атмосфера искажает свет звезд. На Земле создается впечатление, будто звезды мерцают, но если смотреть на них из космоса, мерцание полностью исчезает. Вот почему космические телескопы так важны для исследований. И все же искажения, вызванные атмосферой Земли, влияют на ближний инфракрасный свет не так сильно, как на видимый.

Гензель и Эккарт придумали способ получения четких изображений с Земли. Вместо того чтобы использовать длинную выдержку, они провели замедленную видеосъемку галактического центра. С ее помощью им удалось запечатлеть дикий танец этого пятна света. В каждом отдельном кадре звезда выглядела застывшей, но затем они в компьютере корректировали ее скачки туда-сюда, ловко накладывая изображения друг на друга. Пятно в ближнем инфракрасном диапазоне становилось все более и более четким и в конце концов разрешилось на двадцать пять разных звезд. Значит, свет исходил не от черной дыры. Тем не менее одна из этих слабосветящихся точек находилась очень близко к Sgr A*. Был ли это долгожданный радиоисточник? Мы все ужасно разволновались.

Астрономы долгое время охотились за черной дырой в различных диапазонах волн, но снова и снова объект, который они принимали за Стрельца А*, оказывался простой звездой. Спустя годы выяснилось, что и в данном случае это была звезда. Если бы Стрелец А* был черной дырой, он действительно выглядел бы очень темным почти на всех длинах волн, кроме волн радиочастотного диапазона.

Хотя многое из того, что представили в тот день на семинаре, было лишь предположениями и впоследствии оказалось не совсем правильным, я проникся тогда уверенностью, что на наших глазах приоткрывается тайна черных дыр. И у меня возникло ощущение, будто мы смотрим через стекло на что‐то пусть и темное, но стоящее прямо перед нами.

Первые сомнения

Увидев новые РСДБ-изображения галактического центра, мой профессор спросил моего сокурсника Карла Мангейма (который впоследствии стал профессором в Вюрцбурге) и меня, нельзя ли объяснить такой вид галактического центра тем, что из него вылетают струи, как из квазара. “Поиск ответа займет у вас всего одну-две недели”, – добавил он с хитрой усмешкой. Было похоже, что мой постоянно путешествующий научный руководитель диссертации очень заинтересовался этой темой. И даже его коллега Питер Стритматтер, когда вернулся из Аризоны, выслушал то, что я ему рассказал, весьма внимательно.

Итак, я отложил в сторону задачу про звездный ветер квазара и с головой ушел в работу над изображением Стрельца А*. Две недели превратились в тридцать лет, но моя работа до сих пор не закончена. Похоже, я никогда больше не вернусь к первоначальной теме моей диссертации.

Так что же такое Стрелец А*? Что заставляет его светиться? Это действительно черная дыра, то есть миниквазар? Но Стрелец А* был всего лишь слабым огоньком! Если бы мы поместили в центр нашего Млечного Пути квазар 3C 273, он бы светил в сорок миллиардов раз ярче, чем тот огонек, который мы видим там сейчас. Разве можно даже сравнивать эти два объекта?

Мы использовали простую модель, которую Роджер Блэндфорд – один из ведущих астрофизиков-теоретиков мирового класса – вместе со своим докторантом Арье Кениглом в 1979 году использовал для описания радиоизлучения джетов в квазарах, и лишь добавили в нее возможность регулирования мощности этих плазменных струй. Мы, образно говоря, снабдили модель квазара педалью газа.