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

Можно представить себе космические джеты в виде струй, вылетающих из сопла реактивного двигателя самолета. Там горячий газ ускоряется и выбрасывается из сопла на высокой скорости. Чем больше пилот нажимает на газ, тем более мощной становится тяга этих двигателей, тем громче они ревут и сильнее раскаляются. В нашей модели квазара двигатель формировали сильные магнитные поля, а мощность его определялась тем, сколько материи поглотила черная дыра. Если хотя бы процентов десять той энергии, которая производится при падении материи внутрь черной дыры, превратились в магнитные поля и джеты, это могло бы объяснить яркое радиоизлучение квазаров. Поскольку черные дыры – вообще‐то относительно простые существа, мы не понимали, чем Стрелец А* может принципиально отличаться от своих гораздо более ярких братьев и сестер.

Квазары съедают примерно по одному Солнцу в год. Если бы наша черная дыра поглощала даже в десять миллионов раз меньшую массу, этой энергии все равно хватило бы для производства наблюдаемого радиоизлучения Стрельца А*. И в таком случае можно было бы сказать, что наш галактический центр – черная дыра, сидящая на голодной диете. Хотя определение голодная тут вряд ли уместно, поскольку рацион, составляющий одну десятимиллионную массы Солнца, это все равно целых три Луны в год. Любая маленькая звездная черная дыра, которых в Млечном Пути сотни миллионов, лопнула бы от такого количества[98].

Мы также смогли в своей модели объяснить размер радиоисточника, поскольку из‐за его минимальной мощности струя радиоплазмы была не больше, чем измеренная Кричбаумом с помощью РСДБ. Этот джет поместился бы внутри земной орбиты – сущий пупырышек по сравнению с джетами квазаров. Неудивительно, что на расстоянии 27 000 световых лет его было не очень хорошо видно.

Мы отправили нашу теоретическую работу в академический журнал Astronomy & Astrophysics одновременно с работой Кричбаума по наблюдениям с помощью радиоинтерферометра со сверхдлинной базой. Но тут мне пришло в голову, что осталась одна странность. В нашей модели радиоизлучение было подобно радуге – излучение различных частот спектра исходило из точек, расположенных на разном расстоянии от центра. Модель предсказывала, что по мере уменьшения длины волны источник этого радиоизлучения должен приближаться к черной дыре. На длине волны 7 миллиметров, которую Кричбаум только что использовал в своих измерениях, плазма все еще исходила из источника, расположенного на расстоянии одной астрономической единицы от черной дыры, то есть примерно на расстоянии от Земли до Солнца. Но при длине волны 1 миллиметр и короче источник радиоизлучения должен был бы находиться непосредственно в окрестности горизонта событий. Если перейти на язык цветов обычной радуги, это радиоизлучение должно соответствовать фиолетовому цвету самой внутренней дуги.

Значит, обнаруженное Мезгером и Зилкой излучение на длине волны примерно 1 миллиметр исходило непосредственно из окрестности горизонта событий? В пользу этой гипотезы говорил тот факт, что излучение как бы исчезало при переходе к еще более коротким длинам волн. Газ там больше не светился, потому что он уже исчезал за горизонтом событий?

Высказав Кричбауму свои соображения, я задал ему вопрос: возможно ли провести РСДБ-эксперимент на этих частотах, чтобы увидеть горизонт событий? Он с улыбкой ответил: “Да, мы, конечно, очень хотели бы провести такой эксперимент, но, к сожалению, Земля для этого недостаточно велика”.

В 1979 году Общество Макса Планка вместе с Национальным центром научных исследований во Франции и Национальным институтом географии в Испании основало новый институт – Институт миллиметровой радиоастрономии (IRAM) в Гренобле. В его распоряжении оказались два новых телескопа миллиметрового диапазона в Испании, а Боннский институт Макса Планка в кооперации с местным университетом построил третий телескоп в Аризоне. Предполагалось, что эти радиоантенны можно будет соединять для проведения РСДБ-экспериментов. Но для получения качественных изображений телескопов все еще не хватало. Кроме того, по словам Кричбаума, черная дыра в центре Млечного Пути была слишком маленькой – как и большинство остальных. Даже с помощью телескопа размером с Землю на такой длине волны увидеть ее горизонт событий с достаточной четкостью было бы невозможно. “Жаль”, – подумал я, но с тех пор эта идея засела у меня в голове, и я с ней так и не распрощался.

Молчаливое большинство

Моя докторская диссертация, скомпонованная из пяти разных статей в академических журналах, была полностью готова летом 1994 года, после двух лет лихорадочной работы. Я назвал ее “Голодные дыры и активные ядра”. Да, черные дыры именно “голодные”, потому что, вопреки общему мнению, большинство их – вовсе не дико прожорливые монстры. Они очень хорошо воспитаны и едят только то, что им подают. Мы воображаем их гигантами, но в масштабах галактики это просто маленькие птенчики. И, как и все птенцы, черные дыры должны сидеть в своем гнезде и ждать, пока мать-галактика не накормит их пылью и звездами. Если этого не происходит, они чахнут, становятся темными и тихими и перестают расти – совсем как Стрелец А*. Но никогда не умолкают навеки.

В своей диссертации я развил тезис о том, что плотное радиоизлучение черных дыр всюду подчиняется одному и тому же принципу: это излучение горячего газа, выбрасываемого магнитными полями с внутреннего края аккреционного диска в виде джетов. Струи, вылетающие из черной дыры, и газ, падающий в черную дыру из аккреционного диска, тесно связаны друг с другом и практически не могут существовать по отдельности. Должно выполняться универсальное соотношение между аккрецией диска и тем, что выбрасывается в виде джета. Говоря попросту, чем меньше попадает внутрь, тем меньше и выбрасывается[99].

На изображениях черных дыр в радиодиапазоне они выглядят как изрыгающие огонь драконы. Некоторые из них невероятно мощные и выбрасывают гигантские струи огня на огромные расстояния. Другие – слабые и вялые, и из их уст вылетает лишь легкое дуновение. Но почти все они производят струи, и в этом отношении квазары-обжоры-экстраверты ничем не отличаются от голодающих отшельников нашего Млечного Пути и соседних галактик. Да, с помощью этих джетов можно объяснить даже радиоизлучение маленьких звездных черных дыр. Просто важно сосредоточиться на излучении в непосредственной близости от основания джета (глотки) и не отвлекаться на наблюдения за гигантскими огненными плазменными струями. Вы должны точно знать, где искать.

Наконец, в моей диссертации утверждалось, что одни и те же физические законы работают в квазарах, звездных черных дырах и галактическом центре. Или, научно выражаясь, черные дыры масштабно-инвариантны и в окрестности их горизонтов событий всегда выглядят одинаково – неважно, малы они или велики. Оказывается, черные дыры невероятно предсказуемы. У них нет ни волос, ни неврозов, ни прыщей. Почему же тогда то, что происходит в непосредственной близости от черных дыр, не должно выглядеть одинаково для каждой из них – по крайней мере, когда вы заглядываете им прямо в глотку[100]?

Большинство черных дыр не особенно привлекают к себе внимание. Я когда‐то назвал их “молчаливым большинством”, потому что они похожи на людей: лишь немногие избранные покидают свою скорлупу и становятся публичными личностями, звездами (такие ведут себя эксцентрично, и все с интересом наблюдают за ними), в то время как остальные предпочитают не высовываться. И вот в 90‐е, после шумихи, поднятой вокруг квазаров, фокус интереса к черным дырам даже в средствах массовой информации сместился на среднестатистического представителя этого космического народа. А инициатором такого сдвига общественного внимания стал космический телескоп “Хаббл”.

Этот телескоп, обошедшийся во много миллиардов долларов, был запущен в космос в 1990 году и первое время вызывал только негативную реакцию, потому что его зеркало изначально было неправильно отшлифовано. Но в ходе драматической спасательной операции, проведенной в космической обсерватории, астронавты установили на “Хаббл” корректирующую оптику (“очки”). После этого телескоп смог получить изображения центров соседних с нами галактик с невиданной ранее четкостью, и его измерения подтвердили то, что предположили астрономы, когда рассматривали изображения, полученные с помощью земных телескопов: в других галактиках звезды тоже обращались с необычно высокой скоростью вокруг своих галактических центров. Но немедленно возник вопрос: находились ли и в центрах этих галактик черные дыры?