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

Такие измерения требуют предельной точности, но зато позволяют получить чрезвычайно четкие изображения. По этой причине континентальную интерферометрию используют не только астрономы для исследования небесных объектов. Для съемок и измерений объектов на земле РСДБ-телескопы полезны еще и геодезистам. Однако нам, астрономам, результаты этих наземных съемок тоже нужны, поскольку, как выяснилось, для наших целей стабильность Земли недостаточна высока – ее флуктуации деформируют виртуальный телескоп, а геодезисты отслеживают эти изменения.

Ученые обсерватории Ветцеля в Баварии, обсерватории Хейстек Массачусетского технологического института под Бостоном и сотрудники других станций по всему миру регулярно определяют положение и направление движения примерно трехсот квазаров, которые хорошо подходят в качестве реперов для геодезических измерений. Квазары теперь являются частью всемирной геодезической сети, и полученные с их помощью данные сопоставляются в Бонне или Хейстеке, причем для этого используются те же методы, что и в астрономии. Таким образом, астрономия и геодезия тесно связаны и постоянно сотрудничают.

Если использовать в качестве реперных источников яркие квазары, такие как 3C 273 и 3C 279, то РСДБ-методом можно даже корректировать работу атомных часов и определять точное положение наших телескопов. Такими же методами геодезисты узнают, как меняется со временем поверхность Земли. Ведь расстояния между континентами не остаются постоянными – например, Америка и Европа каждый год отдаляются друг от друга на несколько сантиметров, а Гавайи со всеми своими телескопами несутся в сторону Азии со скоростью почти 10 сантиметров в год, так что гавайская обсерватория Мауна-Кеа – настоящий скорый поезд на фоне других обсерваторий. Скандинавия – из‐за таяния ледников – начала подниматься еще в конце ледникового периода. И даже собор в Кёльне ходит вверх-вниз примерно на 35 сантиметров в день из‐за приливов и отливов. (К счастью, это происходит равномерно по всей конструкции, иначе его башни давно бы рухнули нам на головы.) Наш глобальный телескоп раскачивается!

И земная ось тоже качается. Земля подобна сырому яйцу, ось вращения которого подвергается крошечным смещениям при нарушениях равновесия. Другие планеты тянут Землю и заставляют полюса раскачиваться с амплитудой в сотни метров. Океаны также вносят свой вклад, двигаясь взад и вперед, как и воздушные массы, которые циркулируют в околоземной атмосфере. В результате полюса непредсказуемо мигрируют на несколько метров в год, и на какое точно расстояние они переместятся, спрогнозировать невозможно. Многие локации сегодня можно определить с помощью GPS, но другие планеты оказывают влияние и на спутники. Наше абсолютное положение в пространстве можно измерить только РСДБ-методами, а для этого нам нужно знать точные положения телескопов.

Разрешение изображения[116], которое может быть достигнуто с помощью интерферометра РСДБ, рассчитывается по следующей формуле:

Угловое разрешение изображения = λ / D.

Это означает, что разрешение равно длине волны радиоизлучения λ (лямбда), деленной на D – максимальное расстояние между телескопами. Чем меньше угловое разрешение, то есть чем оно лучше, тем меньшие объекты вы сможете различить. Если проводить наблюдения на длине волны 1,3 миллиметра и в качестве нашей базы использовать диаметр Земли, равный 12 700 километрам, наилучшее разрешение, которого мы можем достичь на Земле, составит 20 угловых микросекунд, что примерно эквивалентно тому, что мы из Кёльна в Германии разглядим половинку горчичного зерна, находящегося в Нью-Йорке. И вот мы рассчитали размер горизонта событий Стрельца А*, исходя из того, что его масса равна 2,5 миллиона солнечных масс (как предполагалось в то время), и получили его диаметр равным 15 миллионам километров, что в десять раз больше диаметра Солнца. Однако размер этого объекта, помещенного в центр Млечного Пути, если смотреть на него с Земли, будет соответствовать всего лишь четверти горчичного зерна, то есть он составляет 12 угловых микросекунд. Следовательно, его угловой размер слишком мал даже для телескопа с базой, равной диаметру земного шара.

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.

Черная дыра образует тень

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.