Часть I. Свидетельства существования черных дыр, больших и маленьких.

Откуда ученые взяли идею черной дыры? В этой части книги мы рассмотрим, как развивалась научная мысль: начнем с ньютоновской теории гравитации и продолжим обсуждение теории общей относительности Эйнштейна. Сегодня мы знаем, что у черной дыры есть два основных компонента: горизонт событий, действующий как информационный барьер, и сингулярность – центральная точка бесконечной плотности вещества. Многие выдающиеся физики, включая самого Эйнштейна, противились самой мысли о столь причудливом состоянии материи. Но тем не менее было доказано, что ядро массивной звезды может коллапсировать до плотности, не пропускающей ни частицы, ни излучение.

Если бы физики-теоретики довольствовались красотой математического аппарата общей теории относительности, они не сомневались бы в существовании черных дыр. Однако наука эмпирична. Астрономы решили выследить этого неуловимого зверя. Но только после появления рентгеновской астрономии – и спустя десятилетие после смерти Эйнштейна – ученые сумели разглядеть горячий аккреционный диск и двойные релятивистские джеты, образующиеся при поглощении черной дырой газа из окружающего пространства Вселенной. Сложно охотиться за мертвыми темными звездами. За 50 лет работы удалось обнаружить лишь три десятка остатков звезд, которые однозначно можно считать черными дырами. Это ближайшие из предположительно десяти миллионов черных дыр, разбросанных по галактике Млечный Путь. И такие свидетельства копились и систематизировались – в итоге астрономы пришли к удивительному открытию: оказалось, что в центрах галактик прячутся массивные черные дыры. И, поглощая материю, они становятся самыми яркими объектами во Вселенной.

1. Сердце тьмы.

Ученые – оптимисты. Они верят в предсказательную силу теорий, например теории относительности и естественного отбора. Они полагают, что стремительное развитие физики, астрономии и биологии – чему мы были свидетелями в течение нескольких десятилетий – продолжится и тогда наука сможет объяснить непознанное в мире природы.

Но что, если на пути ученых возникнет непреодолимое препятствие? Возможно ли, чтобы космос прятал от нашего пытливого взгляда, допустим, криптообъекты? Более того, что, если таинственные сущности, о которых мы имеем представление благодаря выдающимся теориям в сфере физики, продемонстрировали бы свойства, ставящие под сомнение верность этих теорий? Добро пожаловать в мир черных дыр.

Английский священник выдумывает темные звезды.

По воспоминаниям современников, Джон Мичелл был «маленьким, толстым темнолицым коротышкой». Большую часть сознательной жизни он прослужил приходским священником в маленьком городке на севере Англии. Однако в его доме часто бывали знаменитые мыслители той эпохи, такие как Джозеф Пристли, Генри Кавендиш и Бенджамин Франклин, поскольку Мичелл был к тому же разносторонним и успешным ученым. История недооценила этого скромного человека, жившего тихой жизнью священника.

В Кембриджском университете Мичелл изучал – а позднее и преподавал – математику, а также древнегреческий и древнееврейский языки. Он заложил основы сейсмологии, выдвинув предположение, что землетрясения в толще Земли распространяются в виде волн. Это открытие стало для него пропуском в Королевское научное общество. Именно Мичелл разработал оборудование для эксперимента, впоследствии позволившее Генри Кавендишу измерить гравитационную постоянную – фундаментальную физическую константу, лежащую в основе любых расчетов силы гравитации. Мичелл же первым применил статистические методы в астрономии в попытке доказать, что многие наблюдаемые пары и группы звезд связаны физически, а не просто случайно оказались рядом на ночном небе[3].

В полную силу научное провидение Мичелла реализовалось в его предположении, что некоторые звезды имеют мощнейшую гравитацию – непреодолимую даже для света. Он описал эту идею в статье 1784 г. с неудобочитаемым названием «О средствах открытия удаленности, величины и прочего неподвижных звезд посредством уменьшения скорости их света в случае, если будет обнаружено, что таковое уменьшение имеет место для любой из них, и если будут получены путем наблюдения другие данные, потребные для этой цели»[4].

Для пересказа статьи понадобится немногим больше слов, чем использовано в ее названии. Мичелл принял идею второй космической скорости и тот факт, что она определяется массой и размером звезды. Как и Исаак Ньютон, он полагал, что свет – это частица, и, решив, что свет замедляется гравитацией звезды, он задумался: что, если звезда настолько массивна, а ее гравитация настолько сильна, что вторая космическая скорость равна скорости света? На основе этого Мичелл предположил, что существует множество «темных звезд», которые невозможно обнаружить, потому что их не покидает свет[5].

Рассуждения Мичелла были ошибочны – но только потому, что он работал с ньютоновской физикой. В 1887 г. Альберт Майкельсон и Эдвард Морли доказали, что свет всегда распространяется с одинаковой скоростью, независимо от движения Земли[6]. Лишь в 1905 г. Эйнштейн положил это открытие в основу своей специальной теории относительности, предположив, что скорость света не зависит от локальной силы гравитации. Ошибочным было и предположение Мичелла о том, что темные звезды в 500 раз больше Солнца, но имеют такую же плотность. Настолько массивных звезд просто не существует. Экстремальные эффекты гравитации проявляются лишь при высокой плотности, что случается, когда звезда типа Солнца сжимается до крошечных объемов.

Вклад великого французского математика.

Спустя десятилетие после того, как Мичелл выдвинул свое предположение о темных звездах, французский ученый и математик Пьер-Симон Лаплас высказался на ту же тему в своей книге «Изложение системы мира»[7]. Лаплас был более известен, чем Мичелл, – он значился президентом Института Франции и советником Наполеона, удостоился титула графа, а затем маркиза. Как и Мичелл, Лаплас изучал теологию и происходил из религиозной семьи, но зов математики оказался сильнее зова Бога.

Лаплас, очевидно, не знал о работе Мичелла. В двухтомном труде по астрономии он кратко упоминает идею темной звезды, и, по его мнению, гравитация этой гипотетической звезды намного сильнее, чем у Солнца: «…Следовательно, не исключено, что самые большие из светящихся тел являются по этой причине невидимыми». Коллега потребовал у Лапласа математическое доказательство этой гипотезы, и три года спустя, в 1799 г.[8], оно было представлено. Расчеты Лапласа – как и расчеты Мичелла – оказались ошибочными, причем по одной и той же причине. Самой плотной субстанцией, известной в те времена, было золото – в пять раз плотнее Земли и в 14 раз плотнее Солнца. Вероятно, ученый того времени с трудом мог представить, каким будет состояние в миллионы раз более плотной материи, а это необходимо для современного понимания черной дыры (илл. 1). В 1799 г. Томас Юнг сумел доказать, что свет ведет себя как волна, но то, что гравитация может замедлить волну, представлялось невероятным. Возможно, именно поэтому Лаплас исключил всякое упоминание о темных звездах из последующих изданий своей книги.

Концепция черных дыр не могла появиться без новой теории гравитации. Теория Ньютона проста: пространство равномерно и линейно и простирается бесконечно во всех направлениях. Время равномерно и линейно и течет в бесконечное будущее. Пространство и время самостоятельны и независимы. Звезды и планеты движутся в пустом пространстве, управляемые силой, которая зависит от их масс и расстояний между ними. Такова красивая модель Вселенной Ньютона[9].

Ричард Уэстфолл, биограф Ньютона, и сам был блестящим ученым. Он сказал: «Окончательный результат моего изучения Ньютона привел меня к убеждению, что к нему неприменима никакая мерка. Он стал для меня совершенно особым человеком, одним из малого числа величайших гениев, определивших категории человеческого интеллекта, человеком, неподвластным критериям, по которым мы оцениваем своих ближних»[10]. Однако даже Ньютон – со своим исключительным мышлением – не сумел до конца разгадать загадку гравитации. Он не мог объяснить, каким образом она работает в вакууме, будучи невидимой и действуя мгновенно. Ньютон признал это в своем великом труде о гравитации «Математические начала натуральной философии» (1687)[11]: «Я не смог обнаружить причины этих свойств гравитации в наблюдаемых феноменах, и я не формулирую никакой гипотезы».

Понимание ткани пространства и времени.

Альберт Эйнштейн, 26-летний клерк патентного бюро в Берне, опроверг систему Ньютона. В 1905 г. Эйнштейн написал четыре статьи, которым суждено было изменить устоявшиеся представления о физике[12]. В одной из статей он рассмотрел фотоэлектрический эффект – высвобождение электронов под воздействием солнечного света на вещество. Он утверждал, что свет ведет себя как частица, перенося энергию дискретными порциями – квантами. Именно эта работа принесла Эйнштейну Нобелевскую премию, а не его более знаменитые теории относительности (илл. 2). Эксперименты Томаса Юнга и других ученых достоверно подтвердили, что для света характерны явления дифракции и интерференции, и физикам пришлось согласиться с тем, что свет одновременно подобен и волне, и частице.

В другой небольшой статье было предложено самое краткое уравнение физики: E = mc². Это означает, что масса и энергия эквивалентны и взаимозаменяемы. Поскольку скорость света с очень велика, крохотная масса может быть превращена в колоссальную энергию. Масса представляет собой своего рода «замороженную» форму энергии – этим объясняется невероятная мощь ядерного оружия. И наоборот, энергии соответствует крохотная эквивалентная масса. Согласно этому уравнению, фотоны действительно могут испытывать влияние гравитации.

В третьей статье изложена специальная теория относительности. Теория строится на идее Галилея, гласящей, что законы природы должны быть одинаковыми для всех наблюдателей, движущихся с постоянной скоростью относительно друг друга. Эйнштейн добавляет второе положение: скорость света не зависит от движения наблюдателя. Второе положение является фундаментальным, в подтверждение его можно провести мысленный эксперимент[13]. Вы направляете свет фонарика в сторону человека, находящегося очень далеко от вас. Он отмечает, что фотоны движутся к нему со скоростью 300 000 км/с – скоростью света. Предположим, теперь вы мчитесь навстречу ассистенту со скоростью, равной половине скорости света. Он по-прежнему будет наблюдать фотоны, движущиеся со скоростью света, а не со скоростью 450 000 км/с. Теперь предположим, что вы удаляетесь с той же огромной скоростью, – и снова наблюдаемые фотоны летят со скоростью света, а не со скоростью 150 000 км/с. Свет не подчиняется простой арифметике. Скорость света – универсальная постоянная, что подразумевает весьма важные выводы. Скорость есть расстояние, деленное на время; если скорость постоянна, то пространство и время должны изменяться. Когда объекты перемещаются очень быстро и приближаются к скорости света, они сжимаются в направлении движения и их время замедляется. Теория Эйнштейна утверждает, что свет – самое быстрое, что есть во Вселенной, и из этого следует, что объекты становятся массивнее, приближаясь к скорости света, что увеличивает их инерцию, вследствие чего они так и не смогут достичь или превзойти скорость света.

Но даже столь блестящая работа была для Эйнштейна лишь разминкой перед эпохальным трудом – общей теорией относительности. Общая теория позволила ученому перейти от идеи постоянного движения к движению с ускорением с учетом гравитации, отталкиваясь от другой догадки Галилея. Энциклопедист эпохи Возрождения доказал, что все объекты падают с одной и той же скоростью, независимо от массы. Это значит, что инертная масса (сопротивление объекта изменению его движения) равна гравитационной массе (тому, как объект реагирует на силу гравитации). Для Галилея это было случайным и необъяснимым совпадением, в котором Эйнштейн усмотрел ключ к новому пониманию гравитации.

Представьте, что находитесь в закрытом лифте, стоящем на первом этаже. Вы ощущаете свой нормальный вес; любой предмет, который вы уроните, ускорится до 9,8 м/с². Так работает гравитация. Теперь представьте себя в герметичном ящике в космосе (внутри он выглядит как кабина лифта), которому космический корабль придал ускорение в 9,8 м/с². В одной ситуации участвует гравитация, в другой – нет, но Эйнштейн понял, что никакой эксперимент не позволит их различить (илл. 3). Рассмотрим еще две ситуации. В одной вы заперты внутри лифта в глубоком космосе – вы парите в кабине в невесомости. В другой – лифт находится в высоком здании и после обрыва троса вертикально падает на дно лифтовой шахты. Эти две ситуации также невозможно отличить друг от друга. Гравитация неотличима от любой другой силы. Этот «принцип эквивалентности» является центральным в общей теории относительности Эйнштейна. Оказаться в оборвавшемся лифте, стремительно несущемся к земле, – катастрофа, но для Эйнштейна мысль о том, что падающий человек не почувствует своего веса, стала «счастливейшей».

Новая концепция гравитации Эйнштейна является геометрической. Уравнения общей теории относительности в определенной области соотносят массу и энергию с искривлением пространства. Плоское линейное пространство Ньютона с находящимися в нем объектами заменяется пространством, которое искривлено находящимися в нем объектами (илл. 4)[14]. Пространство и время связаны, следовательно, гравитация может искажать и время, и пространство. Физик Джон Уилер, который, как мы в дальнейшем узнаем, ввел термин «черная дыра», нашел лаконичную формулировку: «Материя указывает пространству, как искривляться. Пространство указывает материи, как двигаться». Эта идея отражена и в словах поэта Роберта Фроста, который неоднозначно воспринял открытия теории относительности. В сонете «Нам по сердцу любая геометрия» он приходит в ужас при мысли о бесконечности космоса, но искривление, характеризующее черную дыру, видится ему утешением:

Там мрак и холод – настоящий ад, особенно рукам, пока раздельны. Будь эта даль хоть чуть искривлена, так руки – вместе – грелись бы, как братья. Упрямая теория вредна и не велит схватить себя в объятья[15][16].

Три эффекта общей теории относительности напрямую соотносятся с ситуациями, когда речь идет о плотной материи, то есть о черных дырах. Первый эффект – отклонение света в соответствии с волнистой структурой пространства-времени, что обусловлено концентрацией массы. Это стало первой и классической проверкой общей теории относительности Эйнштейна в 1919 г., через три года после публикации. Группа под руководством великого английского астрофизика Артура Эддингтона измерила слабое искривление света звезды, проходящего вблизи края диска Солнца. Измерение не было особенно точным, но подтверждение теории относительности сделало Эйнштейна знаменитым и вознесло его на вершины науки. В 1995 г. более точное измерение дало результат, совпавший с предсказанием Эйнштейна с точностью до 0,01 %[17].

Второй эффект – потеря энергии по мере того, как свет покидает массивный объект, так называемое гравитационное красное смещение. Это выглядит так, как если бы фотоны боролись с гравитацией. Эффект был впервые измерен экспериментальным путем в 1960 г. Непосредственное отношение ко второму имеет и третий эффект – замедление времени. Предполагается, что при более сильной гравитации часы идут медленнее. Замедление времени было впервые зарегистрировано в 1971 г.: выяснилось, что атомные часы, перемещаемые на самолете с высокой скоростью, идут чуть быстрее точно таких же атомных часов, оставленных на земле. В 2010 г. замедление времени было зарегистрировано при разнице положения по вертикали всего один метр, для чего потребовались часы исключительной точности, с погрешностью в одну секунду за 4 млрд лет[18]. Измерения эффекта замедления времени также согласуются с предсказаниями теории с точностью 0,01 %. Общая теория относительности блестяще выдержала все экспериментальные проверки.

Общая теория относительности кажется тайным знанием, оторванным от повседневной жизни, но, если бы расчеты не учитывали замедление времени, мы вряд ли могли пользоваться системами GPS. Для установления местонахождения телефона на Земле в пределах метра нужны предельно точные данные орбитальных спутников, на борту которых установлены атомные часы[19]. Релятивистские расчеты выполняются компьютерными чипами в мобильном телефоне, без таких корректировок отклонения систем GPS достигали бы 10 км за день. Эффекты относительности малозаметны в Солнечной системе и везде, где гравитация слаба, но, как мы скоро узнаем, невероятно усиливаются при коллапсе звезд и сильной гравитации.

Сингулярность и внезапно прерванная жизнь.

Общая теория относительности строга и красива. Эйнштейн сказал о своем творении: «Едва ли кто-нибудь, полностью понимающий эту теорию, может устоять перед ее обаянием»[20]. Однако лишь немногие способны постичь теорию относительности – для этого нужны фундаментальные знания математики. В самом кратком выражении в одном уравнении соотносятся плотность массы-энергии и искривление пространства-времени. Это все равно что сыграть пьесу Шекспира за пять минут. Полноценная «театральная постановка» – система из десяти нелинейных гиперболическо-эллиптических дифференциальных уравнений в частных производных. Опорная математика основывается на многообразиях, сложных многомерных формах, которые соотносятся с евклидовым пространством, как сложенная фигурка дракона-оригами с плоским листом бумаги[21].

Эйнштейн разработал приблизительные решения для своей теории, что позволило Артуру Эддингтону организовать экспедицию для измерения гравитационного искривления света звезды во время солнечного затмения. Он сомневался, что уравнения имеют точное решение, но общая теория относительности сразу привлекла внимание выдающихся ученых-физиков. Один из ученых добился поразительных результатов. Уроженец Франкфурта Карл Шварцшильд стал студентом уже в 16 лет – и тогда же опубликовал две статьи об орбитах двойных звезд. Вскоре он получил должность профессора и директора обсерватории Гёттингенского университета. Когда началась Первая мировая война, ему было больше 40 лет, но в порыве патриотизма он завербовался в армию Германии. Шварцшильд воевал на западном и восточном фронтах и дослужился до лейтенанта артиллерии.

Страдая от тяжелой простуды на русском фронте в конце 1915 г., Шварцшильд переписывался с Эйнштейном. «Война была ко мне довольно милостива, – писал Шварцшильд, – несмотря на канонаду, я мог себе позволить отрешиться от происходящего и предпринять вылазку в сферу ваших идей»[22]. Он предложил верное решение уравнений, что весьма впечатлило Эйнштейна. Вскоре после этого Шварцшильд был представлен Академии наук Германии. Но ученый не смог продвинуть свои идеи: этому помешала редкая и мучительная болезнь кожи – пузырчатка. Шварцшильд представил статью к публикации в феврале 1916 г., был комиссован с русского фронта в марте и умер в мае.

Что же за решение нашел Шварцшильд? Оно звучало так: вторая космическая скорость на поверхности тела зависит от его массы и радиуса. Мичелл и Лаплас размышляли о возможности попадания света в ловушку большой массивной звезды с той же плотностью, что и у Солнца. Шварцшильд понял, что вторая космическая скорость также может достичь скорости света, если звезда, подобная Солнцу, коллапсирует до высокой плотности. Его решение подразумевало два удивительных момента: что гравитация может сжать тело до состояния бесконечной плотности вещества, которое называется сингулярностью, и что существует гравитационный предел, навсегда заключающий в ловушку все, что находилось внутри, так называемый горизонт событий. Сингулярность и горизонт событий – две важнейшие характеристики черной дыры (илл. 5).

Повелитель сжатий и расширений.

Эйнштейн был недоволен. И он, и Эддингтон были убеждены, что сингулярность является следствием несовершенного понимания физики. Это же бессмыслица – физический объект нулевого размера и бесконечной плотности. Теория Эйнштейна породила чудовище. Другие физики сочли решение Шварцшильда игрой ума для посвященных. Для таких звезд, как Солнце, радиус Шварцшильда – размер горизонта событий – составляет 3 км. Как может звезда диаметром 1,4 млн км – в 100 раз больше Земли – сжаться до размера деревни?

Но еще один вундеркинд от физики был убежден, что это возможно. Роберт Оппенгеймер родился в Нью-Йорке, изучал физику в Гарварде. Получив степень доктора философии, он проехал по Европе и весьма увлекся новым направлением – квантовой механикой. Его научные интересы были разносторонни. В числе прочих достижений Оппенгеймер первым применил квантовую теорию на молекулярном уровне, предсказал антиматерию и стал пионером в разработке теории космических лучей, именно он создал и лучшую программу преподавания теоретической физики в Калифорнийском университете в Беркли. Оппенгеймер был человеком высокой культуры: серьезно интересовался изобразительным искусством и музыкой, изучал санскрит и в подлиннике читал древнегреческих философов. Он был склонен к левым убеждениям и обладал высокой социальной ответственностью[23].

Оппенгеймер разработал инструменты для понимания ядерной материи: он понял, что в астрофизике реальный мир принимает экзотические формы. Эволюционируя, звезда сохраняет тонкое равновесие между гравитацией, которая всегда «тянет» внутрь, и давлением, которое порождается реакциями термоядерного синтеза и всегда направлено наружу. Солнце стабильно и имеет постоянный размер до тех пор, пока в нем продолжаются термоядерные реакции. Когда Солнце израсходует водородное топливо, оно сожмется до плотного состояния материи, поддерживаемого квантово-механической силой – давлением вырожденного газа, и станет белым карликом.

Индийский астрофизик Субраманьян Чандрасекар вычислил, что гравитация более массивной, чем Солнце, звезды может преодолеть силу давления вырожденного газа и коллапсировать до плотности огромного атомного ядра. Такая звезда называется нейтронной. В 1939 г. Оппенгеймер вместе с одним из своих магистрантов написал статью «О безграничном гравитационном сжатии»[24], в которой путем сложных расчетов доказал, что еще более массивная звезда будет коллапсировать до тех пор, пока не достигнет большей плотности, чем у любой известной формы вещества[25]. В конце жизни массивной звезды неизбежно формируется черная дыра.

В 1942 г. Оппенгеймера назначили руководителем американской программы по созданию атомной бомбы. Для работы на секретном объекте в Лос-Аламосе, что в северной части Нью-Мексико, он собрал великолепную команду талантливых физиков, которые бросили все усилия на достижение решающего преимущества в войне с Японией[26]. Оппенгеймер был предан работе, но в его душе зрел конфликт. Став свидетелем «Тринити» – испытания первой атомной бомбы в 1945 г., он лишь сказал своему брату: «Сработало». Позже Оппенгеймер выбрал знаменитую строчку из Бхагавадгиты: «Я смерть, разрушитель миров»[27]. После войны из-за политических взглядов положение Оппенгеймера пошатнулось. Он стал жертвой унизительной антикоммунистической «охоты на ведьм» и был лишен допуска к секретной информации. Оппенгеймер так и не сумел восстановить репутацию. Перевод черных дыр из сферы умозрительного в сферу достоверного – это одно из выдающихся достижений в его колоссальном научном наследии.

Поиск названия для непостижимого.

Физики не всегда соглашаются друг с другом. Величайшие ученые вступают в яростное соперничество, ими движет страсть к познанию законов природы. Я был свидетелем горячих споров в моей области науки, порой я вздрагивал, слыша, какими ужасными словами ученые называли друг друга. Как правило, лучшие идеи находят подтверждение, а обиды забываются. Но иногда – как в случае Роберта Оппенгеймера и Джона Уилера, который ввел в научный обиход термин «черная дыра» (илл. 6), – споры перерастают в личные конфликты.

Уилер – ученик великого датского физика Нильса Бора, который привил ему привычку не только справляться со сложными уравнениями, но и формулировать фундаментальные вопросы о природе реальности, которую изучает физика. Уилер работал над диссертацией (в дальнейшем не стал ее защищать) в Беркли под руководством Оппенгеймера – тот был всего на семь лет старше. Большую часть своей научной карьеры Уилер прослужил профессором в Принстоне, под его руководством работали многие выдающиеся физики второй половины ХХ в. Во многом благодаря ему изучение гравитации стало полноправной дисциплиной. В 1973 г., незадолго до выхода на пенсию, Уилер в соавторстве с двумя бывшими студентами написал фундаментальный учебник «Гравитация», по которому до сих пор учатся магистранты-физики[28].

В 1939 г., в тот же день, когда в свет вышла статья Оппенгеймера о коллапсе звезд, Уилер и Бор опубликовали свое объяснение процесса деления атомного ядра, – в это время в Европе Гитлер вторгся в Польшу. Как и его предшественники Эйнштейн и Эддингтон, Уилер отвергал идею сингулярности – он тоже считал это насилием над физикой. Выступая на конференции в 1958 г., Уилер оспорил мысль Оппенгеймера, заявив, что она не дает приемлемого ответа. Последовала острая дискуссия. Оппенгеймер зачастую бывал нетерпим и вспыльчив, то и дело переходил на личности. И Уилер – искренний, увлеченный и заинтересованный в каждом человеке, с которым его сводила судьба, – сказал об Оппенгеймере: «Я никогда по-настоящему его не понимал. Я всегда чувствовал, что с ним нужно держать ухо востро». (Уилер в итоге принял идею Оппенгеймера, после того как ее состоятельность подтвердилась с помощью компьютерных кодов, использованных для моделирования бомб, и высоко оценил его работу, выступая на конференции в 1962 г. Оппенгеймер, однако, не услышал слов одобрения, поскольку во время выступления Уилера находился за дверями конференц-зала, предпочтя беседу с коллегой[29].)

Неприязнь росла, а во время войны расхождения лишь усилились. Оппенгеймер был главным научным руководителем атомной программы, положившей конец войне, но после он бросил все усилия на то, чтобы не допустить распространения ядерного оружия. Тем временем Уилер и Эдвард Теллер приступили к разработке еще более мощной водородной бомбы, которую назвали «супербомбой»[30]. Оппенгеймер критиковал их: «Пусть Теллер и Уилер продолжают. Не мешайте – пусть сядут в лужу»[31]. Однако этого не случилось, и впоследствии Оппенгеймер отметил их техническое мастерство, благодаря которому появилась термоядерная бомба. Уилер же пришел в отчаяние, узнав о гибели брата во время боевых действий в Италии в 1944 г. Он горько сожалел о том, что бомбу не создали ранее – это могло изменить ход войны в Европе.

Во время своей речи в 1967 г. Уилер отметил, что, многажды повторив выражение «полностью гравитационно коллапсировавшие тела», поневоле задумаешься о выборе нормального термина. Кто-то в аудитории (кто именно, так и не удалось установить) выкрикнул: «Как насчет черной дыры?» И Уилер начал использовать это выражение. Оно прижилось и вошло в научный оборот. Как и термин «Большой взрыв», предложенный кем-то посторонним, «черная дыра» – разговорное, но точное определение[32]. Как писал Уилер в автобиографии, черная дыра «говорит нам, что пространство может быть скомкано, как лист бумаги, в исчезающе малую точку, что время может угаснуть, как затушенное пламя, и что законы физики, которые мы считаем священными и незыблемыми, являются какими угодно, только не такими».

Гений сражается с гравитацией и болезнью.

Стивен Хокинг – еще один блестящий ученый, взявшийся за тайну черных дыр. Его история настолько всем нам знакома, что мы практически перестали им восхищаться. Неуверенный в себе и посредственный ученик в детстве, он сумел окончить школу отличником, занимаясь не более часа в день в течение трех лет. В 21 год у Хокинга диагностировали боковой амиотрофический склероз – прогрессирующую мышечную атрофию – и отвели два года жизни, однако в 32 года он был избран в Королевское общество, а в 35 лет стал лукасовским профессором, возглавив кафедру математики в Кембридже, – когда-то эту должность занимал Исаак Ньютон. Хокинг едва не умер от пневмонии в 1980-е гг., в результате лишился способности говорить и приобрел механический голос, ставший культовым. Книга «Краткая история времени»[33] сделала его знаменитым и была продана в количестве более 10 млн экземпляров[34]. К моменту смерти в марте 2018 г. он пережил отпущенный ему когда-то срок более чем на полвека (илл. 7).

Близкие к Хокингу люди описывали его как сложного в общении человека[35], но во всяком случае это был самый оригинальный и выдающийся физик со времен Эйнштейна[36]. В своей диссертации на соискание степени доктора философии Хокинг сосредоточился на теме, которую большинство физиков предпочитали избегать, – сингулярностях. Как мы видели, подразумевающаяся в центре черной дыры сингулярность заставила даже Эйнштейна усомниться в собственной теории. В математике сингулярность – ситуация, когда функция имеет бесконечное значение. И это обычное явление: математикам известно множество способов работы с бесконечными величинами. Однако в физике бесконечность – серьезная проблема. Например, теория, описывающая жидкости, предсказывает, что в некоторых условиях плотность жидкости становится бесконечной. Ситуация явно выходит за пределы физики, что указывает на недостатки в теории. Хокингу, впрочем, не казалось, что сингулярности свидетельствуют о проблеме с общей теорией относительности. Он начал сотрудничество с математиком из Оксфорда Роджером Пенроузом, занимавшимся радикальным обновлением инструментов для изучения свойств пространственно-временного континуума.

В общей теории относительности пространственно-временной континуум ведет себя странно, но это часть теории, а не признак роковой ошибки. Пространственно-временной континуум имеет складки, разрывы, края, дыры, перегибы, является многосвязным и топологически сложным[37]. «Ландшафт» общей теории относительности существенно отличается от «ландшафта» ньютоновской гравитации, в основе которого лежит трехмерное пространство, повсеместно простое и линейное. Общая теория относительности включает возможность сингулярностей.

В этой теории имеется лишь два типа сингулярности пространственно-временного континуума. Сингулярность может быть вызвана сжатием материи до достижения бесконечной плотности (как в черной дыре) или возникнуть, когда свет приходит из области пространства с бесконечной искривленностью и плотностью энергии (как при Большом взрыве). Первую можно сравнить с плоским продырявленным листом бумаги или с краем листа, вторая не имеет точной аналогии. Любая частица, движущаяся вдоль листа бумаги, просто исчезает, натолкнувшись на сингулярность. Хокинг и Пенроуз решили провести общее исследование. Они отказались от многочисленных допущений и доказали знаменитую серию теорем о сингулярности, продемонстрировав, что в общей теории относительности сингулярности неизбежны. Иными словами, это ее свойство, а не баг. Любая черная дыра должна иметь сингулярность массы, и любая расширяющаяся вселенная (такая, как наша) в обязательном порядке начинается с сингулярности энергии. В своей диссертации Хокинг использовал пример из космологии, что моментально подняло его на звездные высоты в тонких мирах теоретической физики[38].

Затем Хокинг перенес свое внимание на черные дыры. Вместе с двумя коллегами он предположил, что, как и все остальные объекты во Вселенной, черные дыры подчиняются законам термодинамики. К этому моменту – к середине 1960-х гг. – было найдено полное решение в рамках общей теории относительности для вращающейся черной дыры вдобавок к предшествующему решению Шварцшильда для неподвижной черной дыры. В математике или физике решение – это набор значений переменных, удовлетворяющих условиям всех уравнений. Точные решения в общей теории относительности найти весьма сложно – за 100 лет их было найдено всего два!

Один из «законов» Хокинга для черных дыр гласил, что площадь их поверхности всегда увеличивается. Когда материя падает в черную дыру, площадь горизонта событий растет, а при слиянии двух черных дыр площадь возникающего горизонта событий оказывается больше суммы площадей горизонтов событий их обеих. Это вызвало новые споры, закончившиеся поразительным выводом.

В 1967 г. Джон Уилер предположил, что черные дыры – очень простые объекты, для описания которых достаточно массы и момента импульса[39]. Мастер броских наименований, он назвал идею «теоремой об отсутствии волос», подразумевая, что большинство физических тел имеют «волосы» – детали, которые их характеризуют. Яаков Бекенштейн, один из магистрантов Уилера, попробовал соединить теорию Уилера с хокинговским пониманием площади поверхности черной дыры. Бекенштейн заявил, что площадь поверхности черной дыры является мерой ее энтропии. В расхожем употреблении энтропия означает непорядок. В физике энтропия – показатель количества возможных способов реорганизации атомов или молекул физического тела без изменения его общих свойств.

Из теоремы «об отсутствии волос» следует, что у черных дыр нет энтропии, но, как указал Бекенштейн, ничто наблюдаемое в природе не свободно от действия второго закона термодинамики – энтропия всегда возрастает – и черные дыры не могут быть исключением[40]. Поскольку термодинамика – краеугольный камень физики, Хокинг принял аргумент Бекенштейна, но столкнулся с новой задачей. Если у черной дыры есть энтропия, то должна быть и температура. Если у нее есть температура, она должна излучать энергию. Но, если ничто не способно вырваться из черной дыры, как она может излучать энергию?

Предложенное Хокингом решение этого противоречия ошеломило мир теоретической физики. Он заявил, что черные дыры испаряются. Вот как это происходит. В классической физике космический вакуум пуст, но, согласно квантовой теории, в нем постоянно возникают и уничтожаются «виртуальные частицы». Они существуют ничтожно малые промежутки времени, разрешенные принципом неопределенности Гейзенберга. В нормальных условиях эти пары частиц и античастиц или пары фотонов исчезают, ни на что не влияя, однако вблизи горизонта событий черной дыры мощная гравитация может разъединить виртуальные пары. Одна часть падает в дыру, а другая улетает прочь и становится реальной – так черная дыра излучает энергию (илл. 8). Источником энергии, необходимой для создания реальной частицы, является гравитационное поле черной дыры, вследствие чего ее масса уменьшается. Шутливо опровергая знаменитую остроту Эйнштейна о квантовой механике «Бог не играет с Вселенной в кости», Хокинг заявил: «Бог не только играет в кости, но иногда бросает их туда, где их невозможно увидеть»[41].

Излучение Хокинга – спорная, но, безусловно, блестящая идея. Вскоре Хокинг был избран в члены Королевского общества. К сожалению, для остатка звезды солнечной массы эффекты излучения Хокинга крайне слабы – одной десятимиллионной кельвина слишком мало для астрономических измерений. Скорость испарения невероятно низка. Потребуется 10⁶⁶ лет, чтобы черная дыра с такой же массой, как у Солнца, совершенно исчезла. Зато кульминация этого процесса впечатляет: с уменьшением массы увеличиваются температура и скорость испарения, и черные дыры исчезают на пике стремительно растущего излучения.

По мере изучения черные дыры представлялись все более странными объектами. Физики исследовали их свойства, подвергая сомнениям даже сам факт их существования. В 1935 г. Альберт Эйнштейн и Натан Розен предположили, что между двумя точками пространственно-временного континуума могут существовать «мосты»[42]. Черная дыра может находиться на любом конце такого моста, который Джон Уилер окрестил «кротовой норой»[43]. Общая теория относительности также допускает существование областей пространства-времени, в которые невозможно проникнуть извне, но откуда, однако, могут выходить свет и материя. Это так называемые белые дыры. Область черной дыры будущего может иметь область белой дыры в качестве своего прошлого. Ученые не наблюдали за кротовыми норами и белыми дырами, но, по замечанию Стивена Вайнберга «в физике так часто бывает – нашей ошибкой является не чрезмерно серьезное, а недостаточно серьезное отношение к собственным теориям»[44].

В массовой культуре черные дыры стали символом смерти и разрушения. Однако в них заключена и надежда на трансформацию и вечную жизнь, поскольку на горизонте событий время застывает и никто не знает, что находится внутри. Романист Мартин Эмис писал: «Хокинг понимал черные дыры, потому что мог вглядываться в них. Черные дыры означают забвение. Смерть. Хокинг вглядывался в смерть всю свою взрослую жизнь»[45].

Пари о черных дырах.

Со Стивеном Хокингом было выгодно держать пари – чаще всего он проигрывал[46]. Его первый спор касался гипотезы космической цензуры. В 1969 г. Роджер Пенроуз предположил, что сингулярности всегда «спрятаны» за горизонтом событий. За исключением Большого взрыва, голых сингулярностей не существует. Горизонт событий не даст наблюдателю увидеть материю, сдавленную до бесконечной плотности. Сингулярность оборачивается серьезными концептуальными проблемами для общей теории относительности, и потому физики надеялись, что черные дыры всегда имеют горизонт событий. В 1991 г. Хокинг поспорил на $100 с двумя физиками-теоретиками из Калтеха – Джоном Прескиллом и Кипом Торном, утверждая, что гипотеза космической цензуры верна и голых сингулярностей не существует. В 1997 г. моделирование на суперкомпьютере показало, что при определенных условиях коллапс черной дыры может привести к голой сингулярности, которая создана природой или, возможно, высокоразвитой цивилизацией. Хокинг признал свое поражение, выплатил проигрыш и подарил двум своим коллегам футболки с надписью: «Природа не выносит сингулярности».

В том же году Хокинг побился об заклад с Прескиллом, заявив, что информация в черной дыре уничтожается (на сей раз Торн занял его сторону). «Информация» в этом контексте связана с энтропией. Высокая энтропия означает беспорядок и малый объем информации. Например, нормальный газ сильно разупорядочен, и для его описания достаточно считаных единиц информации: плотность, температура и химический состав. Черные дыры обладают громадной энтропией, существенно превышающей формирующие их газовые шары, и, соответственно, описываются даже меньшим числом единиц, чем газ: нам известны только их масса и осевое вращение[47]. В принципе, черную дыру можно создать бесконечно разными способами – например, сжатием газа и каменной породы или даже книг и непарных носков, – но невозможно увидеть информацию извне. Затем черная дыра испаряется, выделяя неупорядоченное излучение. Что происходит с информацией – в первую очередь о том, из чего сделана черная дыра? Этот вопрос получил название информационного парадокса.

В 2004 г. Хокинг проиграл и это пари. На конференции в Дублине он пересмотрел свою позицию и сказал, что информация может пережить падение в черную дыру, хотя и в искаженном виде, – как если бы сгорела энциклопедия и мы бы нашли ничтожные остатки содержавшейся в ней информации среди дыма и пепла. Возможно, новейшие технологии позволят восстановить типографскую краску и текст. Хокинг оставил положения квантовой механики, но отказался от предшествующего рассуждения, согласно которому информация может не только сохраняться внутри черной дыры, но и переходить в другие вселенные, ответвляющиеся от черной дыры. Он сказал The New York Times: «Жаль разочаровывать поклонников научной фантастики, но даже если информация сохраняется, невозможно использовать черные дыры для путешествий в другие вселенные»[48]. Хокинг ссылался на предложенную в космологии идею о том, что состояние, предшествовавшее Большому взрыву, могло породить множественные вселенные. Ученый добавил, что черные дыры могут служить путями перемещения информации между вселенными. Выполняя условия пари, Хокинг вручил своему другу Прескиллу энциклопедию бейсбола, из которой «информацию можно восстановить без всякого труда», а первоначальное заявление о потере информации объявил своим «величайшим промахом»[49].

Я встречал Стивена Хокинга в конце 1970-х гг., когда учился в магистратуре. В Лондоне он читал лекцию о черных дырах в честь своего назначения лукасовским профессором математики. Хокингу было 36 лет, он состоялся как блестящий физик. Он уже десять лет сидел в инвалидном кресле, его речь настолько ухудшилась, что его понимали лишь немногочисленные члены семьи и близкие коллеги. Один из студентов, стоя вплотную к Хокингу, разбирал его слова и передавал аудитории. Помню, что к концу лекции проникся глубочайшим убеждением, что, какие бы препятствия ни встретились мне в жизни и в карьере, все это будет ничто по сравнению с тем, что испытывал Хокинг.

Двадцать лет спустя мы с двоюродным братом посетили публичную лекцию Хокинга в Кембридже. Текст лекции был подготовлен заранее и озвучивался синтезатором речи – это стало визитной карточкой Хокинга. Он отвечал на вопросы медленно, так как ему приходилось одним пальцем выбирать нужные фразы из огромной компьютерной базы. Но колкий юмор ученого проявился сполна. Кто-то спросил: «Мы когда-нибудь сможем использовать черные дыры, чтобы спасти человечество от уничтожения?» Помедлив, Хокинг напечатал: «Надеюсь, нет». Другой вопрос: «Может ли кто-нибудь выжить, падая в черную дыру?» Он медленно набрал ответ: «Вы – может быть. У меня и без того достаточно проблем».

В действительности ответ на второй вопрос заключается в том, что, к сожалению, падающий в черную дыру путешественник не выживет, его ждет «спагеттификация» под действием силы растяжения вследствие гравитации. Гравитация слабеет обратно пропорционально квадрату расстояния до объекта. Для любого компактного объекта – такого как черная дыра – разница между гравитацией, действующей на две точки на разных расстояниях от этого объекта, может быть большой – это так называемая приливная сила[50]. На расстоянии 3000 км сила растяжения создаст между вашими головой и стопами ускорение, примерно равное гравитации Земли. Приятного мало, но вы выживете. На расстоянии 1000 км сила растяжения в 50 раз превысит земную гравитацию и разорвет на части ваши кости и внутренние органы. В 300 км – все еще далеко от горизонта событий – сила растяжения в 1000 раз превысит гравитацию Земли, твердые тела разрушатся. Спагеттификация – не детская игра, в которой один тянет вас за ноги, а другой – за руки, и даже не средневековая пытка дыбой. Пространственно-временной континуум возле черной дыры искривляется, и вас растягивает на всех уровнях: мышечных волокон, клеток и спирали ДНК.

Возникает парадокс. Горизонт событий – это точка невозврата, информационная мембрана: информация проникает внутрь, но не наружу. Если бы вы могли нырнуть в черную дыру с цифровыми часами и каким-то образом избежать спагеттификации, вам показалось бы, что часы продолжают нормально идти, пока вы в свободном падении погружаетесь в горизонт событий. Тем временем ваш компаньон, наблюдающий за падением, увидит, что часы замедляются, а ваша деформированная фигура медленно приближается к горизонту событий – до тех пор, пока вы не остановитесь вместе с часами. Теперь представьте, как мы бросаем в черную дыру книгу. Согласно законам гравитации, книга пересечет горизонт событий и информация будет утрачена, но с точки зрения стороннего наблюдателя книга никогда не достигнет горизонта событий. Утрачивается ли информация или каким-то образом «сохраняется» на горизонте событий?

Впрочем, Хокинг был рад проиграть одно пари – первое пари с Кипом Торном, заключенное в 1975 г. Хокинг оспорил существование черной дыры – это должно было его подстраховать. Он надеялся на проигрыш, но если бы выиграл, то, по его словам, утешился бы четырехлетней подпиской на британский сатирический журнал Private Eye. Как мы узнаем из следующей главы, источник высокоэнергетического излучения Лебедь Х-1 оказался убедительным кандидатом в черные дыры, и в 1990 г. Хокинг признал свое поражение. В качестве выигрыша Торн получил годовую подписку на Penthouse[51].

Золотой век теории черных дыр.

После эпохальных открытий Хокинга изучение черных дыр пошло быстрее. Мы наблюдаем золотой век теории черных дыр, и с каждым годом выходит все больше статей. Физики пытаются согласовать «стройные» описания тел в общей теории относительности с «шероховатыми» описаниями материи в квантовой теории.

Как сказано выше, вопрос о том, что происходит с информацией на горизонте событий, остается величайшей загадкой. Теория испарения черных дыр Хокинга проникает в арсенал квантовой механики. Изначально ученый утверждал, что излучение черной дыры хаотично и случайно и при испарении черной дыры теряется вся содержавшаяся в ней информация. Это противоречит основной предпосылке квантовой теории, согласно которой взаимодействия частиц обратимы во времени, следовательно, можно было бы «проиграть фильм задом наперед» и восстановить начальное состояние из конечного. Противоречия между двумя весьма успешными теориями в физике – общей теории относительности и квантовой механики – многие ученые восприняли как кризис.

В 1996 г. Энди Строминджер и Кумрун Вафа воспроизвели энтропию и излучение Хокинга с помощью теории струн[52]. Теория струн – это растянувшаяся на много десятилетий попытка объединить четыре фундаментальные силы природы с концепцией материи не как частиц, а крохотных одномерных «струн» энергии, существующих в пространственно-временном континууме, имеющем, возможно, восемь или десять измерений. Теория струн более фундаментальна, чем стандартная квантовая теория, поскольку постулирует единственную сущность, лежащую в основе всевозможных частиц, таких как электроны, протоны и нейтроны. Она красива и математически точна, но ее трудно проверить. Однако потрясающим образом с ее помощью удалось объяснить некоторые важные свойства черных дыр – впервые микроскопическая теория материи была успешно применена в области сильной гравитации. Исследование Строминджера и Вафы позволило предположить, что информация, попавшая в черную дыру, действительно может быть восстановлена. Однако ученые по-прежнему не пришли к согласию по вопросам сохранения информация и по поводу того, что теория струн может сказать о природе черных дыр.

Многие ведущие физики трудятся над этой головоломкой[53]. Согласно одной оригинальной идее, информация хранится на горизонте событий подобно тому, как голограмма служит двумерным информационным хранилищем трехмерного объекта. Если информация о содержимом черной дыры каким-то образом кодируется на поверхности (илл. 9), то это разрешает информационный парадокс. В 2012 г. в этой бочке меда обнаружили большую ложку дегтя: виртуальные частицы, обеспечивающие излучение Хокинга, оказались связанными – их квантовые состояния одинаковы даже на большом удалении друг от друга. Извлечь информацию, нарушив эту связность, означает высвободить мощный поток излучения, создав «стену огня» (файрвол) прямо над горизонтом событий. Путешественника ждет не скучное погружение в черную бездну, а уничтожение стеной огня. Однако для внешнего наблюдателя путешественник так и останется на горизонте событий, как муха на липкой ленте. Умрет или выживет? Никто не может выбраться наружу, и ничто не может проникнуть внутрь. Неизбежна ли стена огня? Ученые продолжают об этом спорить.

Этот спор показывает, как сильно менялись представления в процессе разработки теории черных дыр. Предоставим заключительное слово Энди Строминджеру. В статье 2016 г. «Мягкие волосы черных дыр», написанной в соавторстве с Хокингом, он оспаривает теорему Джона Уилера об отсутствии волос и идентифицирует частицы, которые могут играть роль квантовых пикселей информационного хранилища на границе черной дыры. Эта работа еще не завершена. Строминджер признает: «У меня есть список из 35 задач, решение каждой отнимет несколько месяцев. Физикам-теоретикам такое по вкусу: есть вещи, которые мы не понимаем, но можно сделать расчеты, что неизбежно приведет к пониманию»[54].

За последние 100 лет черные дыры из монструозных идей, противоречащих здравому смыслу, превратились в испытательный полигон для проверки блестящих физических теорий. Черные дыры – подарок Вселенной. Их содержимое скрыто и загадочно, однако даже обертку этого ящика интересно изучать. Я вспоминаю ироничное замечание Марка Твена: «Все-таки в науке есть что-то захватывающее. Вложишь какое-то пустяковое количество фактов, а берешь колоссальный дивиденд в виде умозаключений»[55].

Пора задать прагматичный вопрос: а черные дыры действительно существуют?

2. Черные дыры, рожденные смертью звезд.

Наука опирается на взаимодействие теории и наблюдения. За тысячелетия люди предлагали множество оригинальных объяснений устройства Вселенной, но без данных, полученных путем наблюдения, даже самая умная мысль останется умозрительной. Есть ли свидетельства того, что во Вселенной масса способна исчезнуть из вида?

Трудно представить черные дыры, но они реальны. После почти 50 лет исследования конечных стадий жизни звезд это точно известно. Изолированная черная дыра совершенно невидима. Создаваемый ею разрыв пространственно-временного континуума настолько мал, что не выявляется никаким телескопом. Однако в большинстве своем звезды – это двойные или кратные системы, и видимая звезда может дать информацию о своей темной спутнице.

Силы света и тьмы.

Трудно поверить, глядя на Солнце, что перед вами разворачивается титаническая битва сил света и тьмы. День за днем и год за годом Солнце кажется практически неизменным, но оно испускает частицы, мчащиеся с огромной скоростью, и постоянно выбрасывает облака плазмы размером с планету; по сути это ядерная печка с термостатическим управлением. В каждой точке Солнца сохраняется равновесие между направленной внутрь гравитацией и направленным вовне теплом, генерируемым в результате слияния ядер водорода в ядра гелия[56]. Пока есть топливо для реакции синтеза, силы будут равны.

Если хотите поставить на долгосрочный исход этой битвы, ставьте на гравитацию. Запасы ядерного топлива ограниченны, а гравитация вечна. Когда в таких звездах, как Солнце, кончается водород, внутреннее давление исчезает и ядро звезды начинает коллапсировать до более горячего и плотного состояния, при котором из гелия может синтезироваться углерод. Реакция происходит быстро, и, когда гелия не остается, температура более не поднимается, а без этого не происходит запуска новых реакций слияния ядер. Без давления, поддерживающего стабильность, ядро звезды снова испытывает гравитационный коллапс. Израсходовав последнее топливо, Солнце переживет короткую фазу сияния, сбросив около трети своей массы в виде газовой оболочки, разлетающейся со сверхзвуковой скоростью. Быстро движущийся газ будет нагреваться и светиться, формируя красивейшую яркую планетарную туманность. Наблюдатель, смотрящий на Солнце из другой звездной системы с расстояния 5 млрд световых лет, увидит потрясающее световое шоу. Однако наблюдателям с Земли не поздоровится: выброс газа испарит биосферу и уничтожит все живое на планете[57].

Жизнь и смерть звезды зависят от ее массы (илл. 10). Судьбы звезд предопределены с рождения. В зависимости от массы звезды становятся белыми карликами, нейтронными звездами или черными дырами. Не существует «типичной» массы или величины, хотя процесс формирования звезд из неупорядоченных облаков газа порождает гораздо больше мелких звезд, чем крупных. Солнце тяготеет к нижнему краю диапазона масс, под ним располагаются тусклые красные карлики. Красных карликов в несколько сот раз больше, чем солнцеподобных звезд. Продолжительность жизни звезды также зависит от массы, поскольку гравитация определяет температуру ядра, от которой, в свою очередь, зависит скорость протекания термоядерных реакций и, соответственно, временной резерв топлива. Звезда, подобная Солнцу, синтезирует гелий из водорода в течение 10 млрд лет; мы находимся в середине этого периода[58]. Продолжительность жизни звезды в половину солнечной массы – 55 млрд лет, поэтому в истории Вселенной, которой всего 14 млрд лет, еще не умирала ни одна такая звезда. Красный карлик в одну десятую массы Солнца – минимальная масса для звезды, способной осуществлять реакции термоядерного синтеза, – расходует топливо ничтожными порциями. Такая звезда теоретически проживет свыше триллиона лет – и это невообразимо долго. Тем не менее карликовая звезда лишь оттягивает неизбежное, поскольку однажды и она израсходует топливо, тусклый свет погаснет, и гравитация получит свое.

Звезды массивнее Солнца живут меньше и ярче. Они ведут себя так же, как Солнце в данный момент, – синтезируют ядра водорода в ядра гелия, но их гравитация сильнее, соответственно, температура ядра выше, и топливо расходуется с бешеной скоростью. Чем массивнее звезда, тем горячее ее ядро и короче жизнь. Массивные звезды могут пустить на реакцию синтеза все элементы периодической таблицы, вплоть до железа – самого прочного элемента. На железе реакции синтеза прекращаются, и ядро звезды переходит в причудливое физическое состояние: в плазму из атомов железа в 100 раз плотнее воды и при температуре миллиард градусов. В отсутствие давления изнутри ядро коллапсирует, и направленная внутрь волна сжатия порождает противоположно направленную волну – выброс с температурой несколько миллиардов градусов, в котором за доли секунды синтезируются тяжелые элементы, вплоть до урана. Появление сверхновой звезды – одно из самых ярких событий во Вселенной. Драгоценные металлы, выброшенные в космос, сформируют новое поколение звезд и планет. Значительная часть исходной массы звезды извергается в пространство, но остатки сжимаются безжалостными тисками гравитации.

Гравитация и тьма окончательно побеждают.

Остатки звезды – крайне странное состояние материи. Мы не можем воссоздать его в лаборатории. Остается лишь теоретизировать, опираясь на законы физики, и надеяться, что наши теории достаточно основательны. Лучшие умы среди астрофизиков ХХ в. пытались разобраться в природе остатков звезд.

Итог эволюции звезды зависит от ее массы на момент начала жизни. Звезды рождаются в результате фрагментации и коллапса больших облаков газа, и малых звезд будет много больше, чем массивных. Все звезды, взрослея, теряют некоторую долю массы. Это сложные процессы, поэтому нельзя четко разграничить значения масс, определяющих судьбу звезды. Молодые звезды с массой меньше 8 солнечных коллапсируют в необычайно плотное состояние материи – это так называемые белые карлики. Большинство звезд менее массивны, чем Солнце, поэтому свыше 95 % звезд ждет именно такой финал. Например, на последней, ярчайшей стадии своей жизни Солнце сбросит около половины своей массы – и умрет белым карликом.

В 1783 г. английский астроном Уильям Гершель случайно открыл звезду, получившую название 40 Эридана В, но он не мог измерить ее размер и потому не понял, что она необычна. В 1910 г. астрономы снова сосредоточили свое внимание на этой тусклой звезде, входящей в двойную систему. Судя по орбите, ее масса должна быть примерно такой же, как у Солнца. Ученые знали расстояние до звезды и высчитали, что она в 10 000 раз тусклее, чем было бы Солнце на такой же дистанции. Однако она была белой – следовательно, горячее Солнца. Чтобы понять, почему это странно, представьте, что смотрите на нагревательные элементы электроплитки в темном помещении. Одна конфорка включена на слабый нагрев и светится оранжевым, как Солнце. Другая, включенная на максимум и значительно более горячая, светится белым. Белая конфорка намного ярче оранжевой. Чтобы белая конфорка казалась гораздо тусклее оранжевой, она должна быть намного меньше. По той же логике тусклая звезда в системе 40 Эридана должна быть значительно меньше Солнца. При той же массе, что и у Солнца, она должна иметь еще и значительно большую плотность[59].

Эрнст Эпик вычислил, что плотность 40 Эридана В в 25 000 раз больше солнечной, и назвал ее «невозможной»[60]. Артур Эддингтон, популяризатор термина «белый карлик», описал поразительную реакцию на обнаружение подобного объекта: «Мы узнаем о звездах, получая и интерпретируя сообщения, которые несет нам их свет. Сообщение… когда оно было расшифровано, гласило: “Я состою из вещества, которое в 3000 раз плотнее всех известных вам веществ; тонна моего вещества была бы кусочком, помещающимся в спичечный коробок”. Что можно ответить на подобное сообщение? “Замолчи. Хватит нести чушь”, – вот что ответило большинство из нас в 1914 г.»[61].

Эддингтон не страдал излишней скромностью. Услышав от коллеги: «Профессор Эддингтон, вы, должно быть, один всего лишь из трех человек в мире, понимающих теорию относительности», – он промолчал. «Не скромничайте», – стал убеждать коллега, и Эддингтон ответил: «Напротив, я пытаюсь понять, кто мог бы быть третьим»[62]. Хотя Эддингтон был блестящим астрофизиком и предсказал обнаружение белых карликов, он назвал их «невозможными звездами».

Типичный белый карлик имеет размер Земли, но массу Солнца. Его плотность в миллион раз выше плотности воды. Ввиду отсутствия термоядерных реакций нет энергии, соответственно, нет давления изнутри наружу, и гравитация сдавливает газ, разрушая структуру атома и образуя плазму из несвязанных ядер и электронов. Лишь тогда гравитация наконец встречает противодействие. В 1925 г. Вольфганг Паули постулировал принцип запрета, гласящий, что никакие два электрона не могут иметь совершенно одинаковый набор квантовых свойств. Следствием принципа Паули является возникновение давления, препятствующего дальнейшему коллапсу остатков звезды[63]. Белый карлик образуется при температуре до 100 000 кельвинов и постоянно излучает тепло в окружающее пространство, пока не израсходует его. А затем гаснет и погружается во тьму.

Субраманьян Чандрасекар, в то время 19-летний студент Кембриджа, получавший стипендию правительства Индии, вычислил, что независимо от исходной массы звезды оставшийся от нее белый карлик не может быть массивнее примерно 1,4 массы Солнца. При большей массе гравитация берет верх над квантовой механикой и звезда коллапсирует в сингулярность. Максимальная масса белого карлика называется пределом Чандрасекара[64]. Это были блестящие расчеты, и можно понять разочарование Чандрасекара, когда его кумир Артур Эддингтон публично высмеял идею коллапса в сингулярность. Чандрасекар был унижен – он счел, что выпад отчасти носит расистский характер. Мы привыкли считать науку областью меритократии, но ученые тоже бывают завистливыми и недальновидными. (Пионер квантовой механики Поль Дирак, столкнувшийся с похожим давлением, метко заметил, что наука развивается в ритме «одни похороны за раз».) Но Чандрасекар оказался прав и удостоился Нобелевской премии по физике за открытия в области строения и эволюции звезд.

Чандрасекар указал физикам путь к пониманию того, что происходит со звездой, коллапсирующей за пределы состояния белого карлика. Через несколько лет калифорнийские астрономы Вальтер Бааде и Фриц Цвикки почти случайно предположили, что за пределом Чандрасекара звезда может коллапсировать в чистое нейтронное вещество, но не сделали никаких вычислений в поддержку своей идеи. В 1939 г. Роберт Оппенгеймер, тяжелый в общении человек и заядлый курильщик, выполнил математические расчеты и вместе со своим магистрантом определил диапазон масс нейтронных звезд[65]. В том же году, как мы уже знаем, он доказал, что, если остатки звезды выходят за верхнюю границу этого диапазона, составляя больше 3 масс Солнца, должна образоваться черная дыра.

Перед смертью все звезды теряют массу. Как вы помните, прежде чем стать белым карликом, Солнце лишится половины своей массы. Все звезды, начинающие жизнь с массой до 8 солнечных, станут белыми карликами – до 1,4 солнечной массы. Если начальная масса звезды составляет примерно от 8 до 25 солнечных, то коллапс ее ядра продолжается до тех пор, пока все протоны и электроны не сольются в чистое нейтронное вещество[66]. В отсутствие электрической силы нейтроны располагаются плотно, как яйца в картонке. Дальнейшему коллапсу вещества противостоят ядерные и квантовые силы, что не дает белому карлику сжиматься еще больше. Это нейтронная звезда, самая маленькая и плотная звезда во Вселенной. Ее масса превышает 25 солнечных масс. Поприветствуйте потенциальное чудовище Эйнштейна (илл. 11).

Нейтронную звезду очень трудно представить[67]. Это некое атомное ядро величиной с большой город, его атомное число – 10⁵⁷. Его вещество в тысячу триллионов раз плотнее воды. Вещество белого карлика размером с кубик сахара-рафинада, доставленное на Землю, будет весить тонну, но такой же кубик вещества нейтронной звезды весил бы на Земле как гора Эверест. Когда звезда так сильно коллапсирует, магнитное поле также сдавливается и уплотняется. У некоторых нейтронных звезд магнитное поле может превышать земное в тысячу триллионов раз[68]. Гравитация у поверхности настолько сильна, что тело, падающее с высоты 1 м, в момент удара с поверхностью достигнет ускорения 1,3 млн м/с. В силу закона сохранения момента импульса нормальное спокойное вращение солнцеподобной звезды вокруг своей оси значительно ускоряется при коллапсе. Самые быстрые нейтронные звезды совершают 716 оборотов в секунду – или 42 000 в минуту. Вращающееся с такой скоростью твердое тело не вполне стабильно, и под его корой может произойти катастрофическое событие – звездотрясение.

Как обнаружить нейтронную звезду? Звезды размером с мегаполис излучают очень мало света, поскольку, в отличие от нормальных звезд, в них не происходят реакции термоядерного синтеза. Около 20 лет ученые считали их астрономической диковинкой – умозрительными объектами, которые никогда не удастся обнаружить. В 1967 г. молодая магистрантка Джоселин Белл и ее научный руководитель Тони Хьюиш зарегистрировали радиоимпульсы периодичностью 1,3373 секунды, поступающие от неизвестного объекта в созвездии Лисички. Импульсы были настолько мощными и регулярными, что Белл и Хьюиш приняли объект за радиомаяк и в шутку назвали его LGM-1 (от Little Green Men – «маленькие зеленые человечки»). Вскоре были открыты другие «пульсары», и Белл и Хьюиш связали их с более ранними предсказаниями существования нейтронных звезд. Мощное магнитное поле вызывает радиоизлучение горячих пятен на поверхности нейтронной звезды, и, если пучки излучения вращающейся нейтронной звезды попадают в зону обзора радиотелескопа, их можно наблюдать.

Спустя семь лет разразилась полемика: Нобелевскую премию за открытие пульсаров присудили Хьюишу и Мартину Райлу, главе радиообсерватории, а не Джоселин Белл – реальному автору открытия. Ученое сообщество в большинстве своем полагало, что ее обошли, так как она была молодой женщиной. В области физики Нобелевской премии удостоились чуть больше 200 ученых, и среди них только две женщины: Мария Кюри (1903 г.) и Мария Гёпперт-Майер (1963 г.)[69].

С помощью радиотелескопов постепенно было обнаружено более 3000 пульсаров. Однако условия появления горячих пятен крайне редки, и немногие нейтронные звезды являются радиопульсарами. В основном миллионы нейтронных звезд в нашей Галактике безмолвно вращаются в дальнем космосе, темные и недоступные для наблюдения.

Поиски первого черного лебедя.

Это случилось в 1964 г. The Beatles покоряют Америку, а дерзкий молодой боксер Кассиус Клей становится чемпионом мира в тяжелом весе. Наука также переживает бурное развитие. Термин «черная дыра» впервые появился в публикации в январе 1964 г., а в июне маленькая ракета для исследования верхних слоев атмосферы, запущенная из Нью-Мексико, обнаружила мощный источник рентгеновского излучения в созвездии Лебедя. «Черными лебедями» называют редкие неожиданные события, играющие огромную роль в развитии науки. (Термин также используются философами, обсуждающими проблему индукции: наличие стаи белых лебедей не является доказательством того, что черных лебедей не существует.) Семь лет изысканий ушло на то, чтобы поймать первого «черного лебедя» в физике черных дыр[70].

В 1960-х гг. рентгеновская астрономия была новой научной областью. Высокоэнергетическое излучение космических источников регистрируется только в космосе, первый источник был обнаружен всего двумя годами раньше. Восемь источников, выявленных в ходе наблюдений 1964 г., соответствовали по своим характеристикам остаткам сверхновых звезд, то есть горячему газу, образующемуся при катастрофической смерти массивной звезды[71]. Наблюдения, приведшие к открытию, показывали низкую пространственную разрешающую способность и позволили сузить область локализации источника рентгеновского излучения в Лебеде лишь до размеров самого созвездия. В 1970 г. орбитальная рентгеновская обсерватория Uhuru обнаружила, что интенсивность Лебедя Х-1 меняется менее чем за одну секунду. Для измерения размеров удаленных объектов астрофизики используют время, исходя из того, что изменение интенсивности излучения не может занимать меньше времени, чем нужно свету, чтобы пересечь источник света. Вариации интенсивности Лебедя Х-1 говорили о том, что объект не может превышать 100 000 км в поперечнике – менее одной десятой размера Солнца.

Национальная радиоастрономическая обсерватория точно определила положение объекта в небе, что позволило соотнести источник переменного рентгеновского излучения с голубым сверхгигантом HDE226868. Сверхгиганты – это горячие звезды, однако они не способны на мощное рентгеновское излучение. Оставалось единственное объяснение: что-то в этой области пространства нагревало газ до температуры в миллионы градусов. Следующим смелым шагом стало использование оптических методов наблюдения. В 1971 г. две группы ученых изучили спектр голубого сверхгиганта и обнаружили периодические вариации доплеровского сдвига излучения звезды, соответствующие вариациям рентгеновского излучения[72]. Расчеты параметров орбиты позволили ученым оценить массу «невидимого» компаньона, втягивающего сверхгигантскую звезду. Ученые предположили, что черная дыра поглощает газ своей спутницы-звезды и что этот газ каким-то образом нагревается до такой степени, что его излучение обнаруживается в рентгеновском диапазоне (илл. 12).

Астроном Том Болтон сильно нервничал, готовясь представить эти результаты на конференции Американского астрономического общества в Пуэрто-Рико. Ему было всего 28 лет. «За пять минут до подачи статьи я еще переделывал ее на коленке. Сидя в дальнем углу, я пытался получить свежие данные для графика», – вспоминал он[73]. Чувствовалось и давление конкурентов. Всего год назад он стал доктором философии и работал один. Более опытная команда Гринвичской королевской обсерватории при помощи своего большого телескопа получала аналогичные данные по Лебедю Х-1. Необходимо было проявить крайнюю осторожность в интерпретациях, поскольку в прошлом ошибочные утверждения об обнаружении черной дыры стоили некоторым научной карьеры. За год Болтон собрал доказательства и поставил на кон свою репутацию. Он представил работу в Институте перспективных исследований в Принстоне, где когда-то трудились Эйнштейн и Оппенгеймер. Наблюдения были проверенными. Аудиторию удалось убедить. Первый «черный лебедь» был найден!

К концу 1970-х гг. черные дыры проникли в массовую культуру. Их странные свойства впечатлили тех, кто вообще не интересовался астрономией. Студия Disney выпустила фильм «Черная дыра», и впервые в истории компании фильму присвоили рейтинг PG[74] – слишком страшной оказалась тематика. Низкотехнологичный и местами слабый – для своего времени это был смелый проект, сделавший черные дыры прообразом смерти и преображения. Попсовая наивность The Beatles переродилась в агрессивный рок. Rush, Queen, Pink Floyd – все они отдавали дань астрофизике[75].

Как взвесить невидимого партнера по вальсу.

Судьбу любой звезды определяет ее масса. Масса свидетельствует о запасах топлива для реакций термоядерного синтеза. Масса определяет и гравитацию звезды, следовательно, ее размер, внутреннюю температуру и давление, тип термоядерной реакции и ее скорость – все это задается одним числом. Любое утверждение об обнаружении черной дыры должно опираться на надежную оценку массы. К сожалению, масса еще и самый сложный для измерения показатель. Данные визуального наблюдения позволяют оценить яркость и температуру поверхности, но, чтобы измерить расстояние до звезды и, следовательно, ее светимость, нужны отдельные наблюдения, после чего необходимо построить модель звезды, чтобы вывести массу.

Одиночная черная звезда, скрывающаяся в глубоком космосе, имеет громадную массу, но сама по себе она не может быть обнаружена. К счастью, больше половины звезд входят в двойные или кратные системы. Согласно закону тяготения Ньютона, два тела притягиваются друг к другу с равной силой. Они вращаются вокруг общей точки – центра масс, – относительно которой всегда занимают противолежащее положение. Представьте двоих, которые кружатся, взявшись за руки. Если они одного веса, то вращаются по орбите вокруг точки в центре между ними. Но если взрослый кружится с ребенком, то центр вращения смещен в сторону взрослого – можно сравнить это с метанием молота (на этом мы оставим аналогии). То же со звездами. Две звезды равной массы обращаются по орбитам на равном расстоянии от центра масс. Если массы не равны, более массивная звезда находится ближе к центру масс, а менее массивная имеет большее ускорение и быстрее движется по большей орбите (илл. 13)[76].

Таков общий принцип. Теперь добавим математику. При круговой орбите скорость равна окружности, деленной на время прохождения всей орбиты, или период. Измерив период и скорость обращения, можно получить радиус орбиты. Ньютоновский вариант третьего закона движения Кеплера связывает массу двух звезд на орбите с размером и периодом орбиты. Это четыре переменные, и нужно измерить три из них. Таким образом, в системе двойных звезд с одной видимой звездой и одним невидимым компаньоном мы должны измерить массу видимой звезды, чтобы вычислить массу темного тела[77]. Как это сделать?

В танцевальном зале темно. Женщина в белом. Мужчина в черном. При тусклом боковом освещении женщину можно разглядеть, но мужчина невидим. Они кружатся по залу. По тому, как движется женщина, мы понимаем, что ее обнимает невидимый партнер. Двойные звезды находятся в подобных тесных «объятиях» и так же «не замечают» окружающей Вселенной. Если пара звезд сильно разнесена и находится не слишком далеко от Земли, мы можем увидеть обе звезды и просто пронаблюдать за их движением, чтобы измерить орбиту. Это визуально-двойные звезды. Гораздо чаще звезды находятся далеко, и астрономы не видят их как отдельные тела, но спектроскопия показывает, что линии поглощения каждой звезды попеременно сдвигаются в сторону более длинных и более коротких длин волн, демонстрируя периодическое доплеровское смещение, вызванное орбитальным движением. Это спектрально-двойные звезды. Если один из компонентов двойной системы является черной дырой, приходится работать с неполной информацией, поскольку на спектрограмме видны только линии поглощения видимой звезды.

Как и в случае с танцующей парой, движение видимой звезды указывает на движение невидимой спутницы. Есть, однако, две серьезные проблемы. Во-первых, нам нужно узнать массу видимой звезды. То есть определить расстояние до двойной системы, чтобы вычислить светимость, или количество фотонов, излучаемых звездой каждую секунду. Затем эти показатели, а также температура поверхности звезды (определяемая по ее цвету) и ускорение силы тяжести на ее поверхности (определяемое по форме линий спектра) загружаются в сложную модель структуры звезды и производства энергии в ней – и мы получаем ожидаемую массу.

Во-вторых, проблемой является наша точка наблюдения. Спектроскопия измеряет доплеровское смещение, то есть круговое движение навстречу наблюдателю – или от него. В полной мере этот эффект проявляется, если мы наблюдаем двойную систему «с торца» – когда орбита перпендикулярна плоскости неба, – поскольку при каждом прохождении орбиты одна звезда движется строго навстречу нам, а другая – строго от нас. Если же двойная система расположена плашмя – орбита лежит в плоскости неба, доплеровский эффект не обнаруживается, поскольку все перемещения происходят в поперечном направлении. Двойные системы в космическом пространстве ориентированы случайным образом, и тут возникает дополнительная сложность – мы не знаем угол наклона. Но есть и плюсы: при всех углах наклонения доплеровское смещение занижает орбитальную скорость, поскольку, как правило, частично движение идет не по лучу зрения. Поэтому, вычисляя массу звезды, астрономы, как правило, могут определить только ее нижнюю границу. Но этого достаточно, поскольку наша цель – доказать, что у невидимого компаньона есть минимальная масса и потому он является черной дырой[78].

Подлинные черные дыры.

Слово «астрономия» ассоциируется у нас с удивительными изображениями, полученными космическим телескопом «Хаббл». Но многие открытия при исследовании Вселенной были сделаны благодаря спектроскопии – методу разложения света на составляющие цвета. Спектр помог Ньютону понять природу света. В начале 1800-х гг. молодой ученый Йозеф Фраунгофер, выросший в приюте под присмотром сурового наставника, едва не погибший при взрыве стекольной фабрики, где он работал, впервые детально рассмотрел солнечный спектр и обнаружил в нем данные, говорящие о химическом составе Солнца. Сто лет спустя группа низкооплачиваемых сотрудниц Обсерватории Гарвардского колледжа занялась просмотром тысяч спектров на фотографических пластинках, чтобы собрать информацию и понять, из чего состоят звезды и каков реальный размер Вселенной[79].

За свою карьеру астронома я просматривал тысячи спектров, и в каждом ждали головоломка или сюрприз. Это ключевой инструмент измерения расстояния до звезды и определения ее химического состава, он дает возможность заглянуть в центры галактик, где протекают мощнейшие процессы. Каракули, возникшие на экране после ночи астрономических наблюдений, нарисованы светом, попавшим в телескоп, разделенным спектрографом на тонкие полосы и падающим на кремниевый полупроводниковый приемник света, или ПЗС-матрицу. ПЗС-матрица обращает фотоны в электроны, а затем – в электрический сигнал, который преобразуется в карту интенсивностей на разных длинах волн.

Однажды ночью на Гавайях на вершине потухшего вулкана Мауна-Кеа (4200 м над уровнем моря) я вел наблюдения через телескоп. Данные ПЗС-матрицы были представлены в виде горизонтальных полос на экране компьютера. Мое внимание привлекла одна бледная полоса. Темные промежутки на цифровом анализаторе спектра указывали на дальнюю галактику, состоящую из тех же элементов, что и Млечный Путь. Я мог представить ее вращение, тип звезд, из которых она состояла, и количество газа в межзвездном пространстве. Красное смещение спектральных линий говорило о том, что галактика находится в 10 млрд световых лет и что этот свет начал свой путь сюда задолго до формирования Земли. Я знал, что, излучая свет, эта тусклая галактика удалялась от Млечного Пути быстрее скорости света из-за стремительного расширения Вселенной вскоре после Большого взрыва. Поскольку Вселенной управляет общий, а не специальный принцип относительности, пространство может расширяться быстрее скорости света! К стыду своему, в тот момент я даже не восхитился тем фактом, что в моем распоряжении были такие данные о Вселенной. Я редко ставил под сомнение логику рассуждения и основы научного метода, ставшие фундаментом всего того, что я знал.

Спектроскопия – ключ к пониманию двойных звезд и их орбит. Она позволяет астрономам достаточно точно измерять массу невидимого компаньона двойной системы – что подтверждает реальность чудовищ Эйнштейна. Существует не так много «патентованных» двойных систем, где невидимый компонент имеет достаточную массу, чтобы являться черной дырой, и любая другая гипотеза их не объясняет. Давайте ближе познакомимся с эталонным объектом – Лебедем Х-1.

На летнем земном небе мы видим созвездие Лебедя, парящее высоко над нашими головами. Сосредоточимся на области возле центра креста, образующего тело лебедя. В хороший бинокль можно разглядеть бело-голубую звезду в неплотной группе горячих молодых звезд, сформировавшихся одновременно. Пять миллионов лет назад, когда наши предки-приматы образовали новую ветвь на древе эволюции, эти звезды сгустились из коллапсирующего облака газа и пыли. Интересующая нас бело-голубая звезда находится в 6000 световых лет возле края соседнего спирального рукава Млечного Пути. Это колоссальное расстояние – 32 000 трлн км. Звезда должна быть чрезвычайно яркой – чтобы мы легко увидели ее с такого расстояния, и излучать в 400 000 раз больше энергии, чем Солнце. Это старый свет. Он покинул звезду, когда на нашей планете проживало менее миллиона человек, а в Северной Америке не совсем вымерли мамонты.

Мы осторожно подкрадываемся к добыче. На том же расстоянии, что от Земли до Солнца, звезда казалась бы ослепительно яркой, в 20 раз больше Солнца – шириной с ладони вытянутых рук. Этот голубой сверхгигант находится на орбите с периодом обращения шесть дней в паре с почти невидимым компаньоном, и расстояние между ними меньше, чем между Меркурием и Солнцем. Однако компаньон не совсем темный. Голубой сверхгигант – термоядерный реактор чудовищной мощи, извергающий в космос плазменный ветер из верхних слоев своей атмосферы. Часть этого вещества притягивается компаньоном, закручиваясь в диск, состоящий из чрезвычайно горячего газа. При температуре свыше миллиона градусов газовый диск испускает мощное ультрафиолетовое и рентгеновское излучение. Гравитация компаньона деформирует внешнюю оболочку сверхгиганта, придавая ей форму капли, узкий конец которой направлен в сторону компаньона. Если бы мы двинулись в указанном направлении и приблизились к вращающемуся диску, который свидетельствует о наличии компаньона, то увидели бы в центре диска маленькую и совершенно темную точку – черную дыру (илл. 14).

Это умозрительное описание, мы никогда не наблюдали ни этой, ни любой другой черной дыры вблизи. Тем не менее Лебедю Х-1 посвящено больше сотни научных статей, это один из самых активно изучаемых объектов в небе. Орбитальный период был измерен с изумительной точностью: 5,599829 дня с погрешностью одна десятая секунды[80]. Нужно знать массу и наклон орбиты сверхгиганта, чтобы рассчитать массу его компаньона. Спектроскопия и детальное моделирование показывают, что HDE226868 примерно в 40 раз массивнее Солнца[81]. Измерить наклонение орбиты сложнее, поскольку темный компаньон никогда не оказывается позади видимой звезды, иными словами, в системе не наблюдаются затмения. Недавняя работа оценивает наклонение в 27 градусов, из чего следует, что масса темного компаньона в 15 раз больше, чем у Солнца[82]. Это намного больше максимальной массы звездных остатков для образования нейтронной звезды; гравитация настолько сильна, что этот компактный компаньон может быть только черной дырой. Никакие неопределенности данных и моделирования не влияют на достоверность вывода[83]. К 1990 г. Стивен Хокинг счел его достаточно весомым, чтобы прикатить в кабинет Кипа Торна в Калтехе и подписать на стене договор, признав себя проигравшим.

Звезды достаточно массивные, чтобы умереть черными дырами, очень редки. Галактика Млечный Путь содержит около 400 млрд звезд, большинство из них – это тусклые красные карлики, гораздо менее массивные, чем Солнце. На основании немногочисленных подтвержденных данных о существовании черных дыр в окрестностях Солнца мы можем оценить общее их количество во всей Галактике примерно в 300 млн. Несколько десятков «патентованных» экземпляров – это бесконечно малая доля от общего числа черных дыр, которое, в свою очередь, составляет ничтожно малую часть всех звезд.

За последние лет десять эксперты опубликовали списки из 25–30 «патентованных» кандидатов в черные дыры[84]. Их число растет медленно – ввиду специфических стандартов. Все они входят в двойные системы с орбитами, измеренными с предельной точностью: если темные компаньоны имеют массу больше трех солнечных, то они должны быть черными дырами. В каждом случае гипотеза подкрепляется дополнительными свидетельствами. Эти черные дыры в 6–20 раз массивнее Солнца, а их орбитальные периоды составляют от целого месяца до всего лишь четырех часов. Две черные дыры были найдены в ближайшей соседке Млечного Пути – галактике Большое Магелланово Облако: LMC X-1 и LMC X-3, обе удалены на 165 000 световых лет. Все остальные находятся на расстоянии от 4000 до 40 000 световых лет от Земли. Еще для 30 систем необходимо собрать более точные данные, чтобы включить их в список подлинных черных дыр.

Использование гравитационной оптики.

До сих пор в нашем рассказе возможность обнаружить черную дыру зависела от двойной звездной системы, в которой черная дыра является невидимым партнером. Однако есть метод обнаружения даже одинокого «темного танцора». Он основан на главном положении общей теории относительности – отклонении света любой массой. Поскольку масса искривляет свет, звезда или галактика может фокусировать и усиливать свет более отдаленного источника. Это явление называется гравитационным линзированием. Оно было предсказано вскоре после того, как Эйнштейн опубликовал свою теорию, но впервые наблюдалось лишь в 1979 г., при получении двух изображений одного квазара: раздвоение было обусловлено скоплением галактик, пересекающим линию наблюдения.

Линзирование – не столь заметный эффект: одинокая звезда недостаточно массивна, чтобы существенно искривить свет. В 1919 г. Эддингтон измерил отклонение света дальней звезды, проходящего мимо края солнечного диска, и получил две угловые секунды – одну тысячную углового диаметра Солнца. Линзирование еще и редкий эффект, наблюдать его очень сложно. Межзвездное пространство обширно, и сближение в нем двух тело маловероятно. Шансы составляют один на миллион, следовательно, ради одного события, возможно, придется наблюдать за миллионом звезд. Если ближняя звезда проходит непосредственно перед дальней, эффект называется микролинзированием. При микролинзировании угол отклонения луча света слишком мал, чтобы наблюдалось раздвоение объекта, но имеет место гравитационное усиление света фоновой звезды. Наблюдатель видит временное увеличение яркости фоновой звезды, когда перед ней проходит звезда ближнего плана. Чем тяжелее ближняя звезда, тем дольше наблюдается эффект. Поскольку линзирование определяется массой, а не светимостью, временное увеличение яркости происходит и в том случае, если ближняя звезда – линза – вообще не излучает света (илл. 15). Это единственный способ обнаружить изолированную черную дыру[85].

Преимуществом микролинзирования является то, что это простой и прямой метод. В случае с двойной звездной системой есть две массы, которые нужно измерить, наклонение орбиты – часто неизвестно и параметры, получаемые опосредованно при помощи спектроскопии. Линзирование требует единственного уравнения, связывающего увеличение яркости с массой и расстоянием до линзы. При типичных массах черных дыр увеличение яркости длится сотни дней, поэтому его легко заметить. Недостаток метода состоит в том, что увеличение яркости – это однократное событие, в отличие от постоянного орбитального движения двойной системы, позволяющего в дальнейшем получить больше данных. Когда черная дыра проходит перед отдаленной звездой, их можно сравнить с кораблями, расходящимися в ночи. Сигнал не повторяется. Еще важнее то, что в уравнении линзирования участвуют удаленность и масса, следовательно, если нет дополнительной информации, позволяющей вычислить расстояние, масса остается неопределенной.

Охотиться за черными дырами методом микролинзирования – словно искать иголку в стоге сена. Исследования на основе этого метода были разработаны с целью поиска MACHO – массивных компактных гало-объектов, возможно, объясняющих феномен «темной материи», которой в нашей Галактике в шесть раз больше по массе, чем обычной материи. Это могут быть любые объекты, темные или очень тусклые, как черные дыры, нейтронные звезды, коричневые карлики (объекты дозвездной массы) или свободнолетящие планеты. Микролинзирование не помогло обнаружить MACHO, но исследования, целью которых был поиск темной материи, все-таки нашли (немногочисленные) черные дыры[86]. Одна звезда из миллиона подвергается микролинзированию, но лишь 1 % из этой выборки линзируется черными дырами, следовательно, чтобы обнаружить одну-две черные дыры, необходимо отслеживать несколько сотен миллионов звезд. Польская исследовательская группа изучила данные десятилетних наблюдений через 1,3-метровый телескоп и выявила трех убедительных кандидатов в черные дыры из миллиардов фотометрических измерений 150 млн звезд[87]. Вот это целеустремленность!

Физика на краю Мальстрема.

Главный герой рассказа Эдгара Алана По «Низвержение в Мальстрем», написанного в 1841 г., – молодой человек, резко постаревший в ожидании вероятной смерти в водовороте у берегов Норвегии. Один из его братьев гибнет в бездне, второй сходит с ума от увиденного. Только рассказчик выживает, чтобы поведать о случившемся[88]. Он с содроганием вспоминает: «Водоворот этот был опоясан широкой полосой сверкающей пены; но ни один клочок этой пены не залетал в пасть чудовищной воронки: внутренность ее, насколько в нее мог проникнуть взгляд, представляла собой гладкую, блестящую, черную, как агат, водяную стену…»[89].

Вымышленный рассказчик По видит в этом водовороте странную и ужасную красоту. Нечто подобное можно испытывать, наблюдая черные дыры. Чудовища Эйнштейна страшны и чарующи. По краям водоворота кружатся останки кораблей, сверкают брызги и пена. Черная дыра в двойной системе также весьма зрелищна. Удивительная ирония астрономии: совершенно невидимые объекты могут стать ярчайшими во Вселенной. Все дело в гравитации.

В качестве земного примера рассмотрим плотину Итайпу на границе между Бразилией и Парагваем. Это плотина ГЭС, вырабатывающей колоссальную энергию – 100 тераватт-час в год, – достаточную для удовлетворения потребностей в энергии нескольких миллионов человек[90]. Откуда берется эта энергия? Плотина поднимает воду реки Параны. Каждую секунду 300 000 куб. м воды падают с высоты 110 м, преобразуя гравитационную потенциальную энергию в кинетическую энергию воды, ускоренной до 45 м/с. У основания плотины скорость воды снижается в десять раз, поскольку ее кинетическая энергия переходит в энергию вращения лопаток турбины: вращающаяся турбина вырабатывает электроэнергию. Подобным образом вещество, падающее в черную дыру, выделяет энергию.

Посмотрим, что происходит, когда вещество падает в черную дыру. Этот процесс называется аккрецией. Черные дыры притягивают главным образом газообразный водород, который образует звезды и, разреженный, заполняет пустое межзвездное пространство. Его протоны и электроны могли бы следовать прямо внутрь – проваливаться за горизонт событий и исчезать в черной дыре, навсегда ускользая от нашего взора. Однако это крайне маловероятно, поскольку лишь немногие частицы газа будут двигаться прямиком к черной дыре; в большинстве они будут двигаться поперечно. Это движение может привести к тому, что частица навсегда улетит в космическое пространство или окажется на орбите вокруг черной дыры. Частицы также будут сталкиваться, поскольку летят по разным траекториям. Таким образом, движение частиц к дыре беспорядочно и хаотично, а столкновения приводят к разогреву газа.

Большая часть газа концентрируется в аккреционном диске вокруг экватора черной дыры, и области над ее полюсами оказываются относительно пустыми. И это значит, что часть горячего газа уходит через полюса. При этом энергия вращения из черной дыры превращается в кинетическую энергию. Газ выбрасывается в пространство в виде парных струй быстро движущихся частиц по оси вращения черной дыры. Эти струйные выбросы – джеты – уносят малую часть гравитационной энергии вещества, падающего в черную дыру. Если бы мы могли приблизиться к аккреционному диску, то увидели бы невероятные искажения, обусловленные искривлением света из-за мощной гравитации черной дыры (илл. 16).

Представим спирально закручивающийся диск газа, похожий на брызги и пену по краям водоворота из рассказа По. Центром происходящего является вращающаяся вокруг своей оси черная дыра, мрачная и беспощадная. Чем ближе к ней оказываются частицы, тем быстрее они движутся. Их гравитационная энергия преобразуется в кинетическую. Они сталкиваются друг с другом, и газ разогревается, а трение внутри диска вызывает сильное тепловое излучение. Газ в аккреционном диске имеет температуру миллионы градусов и ярко светится в рентгеновском диапазоне.

Таким образом, гравитационная энергия превращается в излучение. Поразительно, что настолько темный объект может создать такую яркую картину. Процесс чрезвычайно эффективен. В данном случае эффективность определяется той частью аккумулированной энергии, которая превращается в излучение. Химический процесс горения, обеспечивающий бо?льшую часть энергии на Земле, имеет эффективность 0,0000001 %. Эффективность термоядерного синтеза в звездах, обусловливающего их свечение, чуть меньше 1 %. Аккреция в стационарную черную дыру имеет эффективность 10 %, во вращающуюся – 40 %[91]. Черные дыры – самые мощные источники энергии в природе.

Газ не моментально попадает в черную дыру из-за момента импульса[92]. То же самое относится к планетам, вращающимся вокруг Солнца. Детальная проработка процесса аккреции на черную дыру являлась одной из самых сложных проблем в астрофизике: почти два десятилетия над ней бились десятки исследователей[93]. Частицы газа в аккреционном диске подвергаются трению, поэтому весь диск ведет себя так, словно он вязкий. В результате одна часть вещества теряет момент импульса и приближается к черной дыре, а другая часть приобретает момент импульса и удаляется от нее. Частицы, оказавшиеся вблизи внутреннего края диска, движутся почти со скоростью света. Приближаясь к горизонту событий, типичная частица медленно проходит сквозь аккреционный диск по спирали, теснясь и толкаясь в массе остальных частиц. Затем на внутреннем крае аккреционного диска гравитация затягивает ее прямо в черную дыру. В этой последовательности событий черная дыра набирает массу.

Предел аккреции вычислил сэр Артур Эддингтон в начале ХХ в. Предел Эддингтона, опирающийся на сферическую геометрию, показывает, в какой момент сила гравитации, тянущая частицу внутрь, компенсируется давлением излучения, выталкивающего частицу наружу. Максимальный темп увеличения массы черной дыры относительно низок: за год она может вырасти не больше, чем на треть массы Луны. Такими темпами ей потребуется 30 млн лет, чтобы удвоить свою массу. Однако эффективное преобразование падающей в дыру массы в исходящее излучение говорит о том, что черная дыра – ослепительно яркая. Черная дыра, питаемая газом звезды-компаньона, может быть в 100 раз ярче звезды той же массы.

Экскурсия в бестиарий двойных звезд.

Малая доля звезд оканчивает свою жизнь нейтронными звездами; тех, которые становятся черными дырами, еще меньше: десятые доли процента. Черные дыры редки, как черные лебеди. Повторюсь, распределение масс формирующихся звезд имеет очень сильный перекос в сторону малой массы, и на каждую солнцеподобную звезду приходятся сотни маловесных красных карликов. Красные карлики умирают затухающими угольками – так называемыми белыми карликами. Таким образом, более 95 % всех звезд окончат жизнь белыми карликами, а не нейтронными звездами или черными дырами.

Лишь чуть больше половины всех звезд являются одиночными, как наше Солнце, тогда как треть входит в двойные системы, а 10 % – в системы с тремя компаньонами или более[94]. В большинстве своем двойные звезды – это широкие пары с орбитальными периодами продолжительностью годы, десятилетия или даже столетия, поэтому они не взаимодействуют и не влияют на эволюцию друг друга. Малая часть двойных звезд – меньше 5 % – имеет орбитальные периоды от нескольких часов до нескольких недель.

У любой звезды есть условная граница, в пределах которой все вещество гравитационно привязано к ней. У изолированной звезды эта граница является сферой. Если двойные звезды расположены близко друг к другу, их границы вытягиваются в виде капель, соприкасающихся острыми концами. Масса может перетекать от одной звезды к другой через точку соприкосновения капель. Обычно более массивная звезда высасывает газ из менее массивной. Если они расположены в тесном соседстве, воображаемая граничная поверхность сливается в общую оболочку и масса легко перемещается между звездами[95].

В основном тесно связанные двойные системы состоят из двух красных карликов, поскольку среди звезд преобладают карлики. Когда эти звезды гибнут, то коллапсируют в белые карлики, но звезды малой массы живут долго, и большинство из них еще не умерло. Массивные звезды живут мало, поэтому если мы обнаруживаем двойную систему из звезд большой и малой масс, то, вероятно, более массивная звезда умерла и оставила после себя нейтронную звезду или черную дыру.

Перечислю типы звездных остатков в двойных системах в порядке уменьшения распространенности: двойной белый карлик, белый карлик и нейтронная звезда, белый карлик и черная дыра, двойная нейтронная звезда, нейтронная звезда и черная дыра, наконец, двойная черная дыра. Последний вариант можно назвать двойной черной жемчужиной: это редчайшее сочетание. Мы к нему еще вернемся.

Чтобы рассказать все, что известно о двойных звездах, придется написать книгу намного толще этой. Как и пары людей, они очень разные. Пары бывают большие и маленькие, «личности» в них – горячие и холодные. Обе стороны что-то дают и что-то берут, и жизнь одной стороны оказывает колоссальное влияние на другую. Иногда партнеры разрывают отношения, один из партнеров почти неизбежно умирает раньше другого. В случае со звездами близкие отношения могут даже дать жизнь после смерти.

Рассмотрим две обычные звезды, обращающиеся вокруг общего центра масс, – они в самом расцвете жизни, синтезируют гелий из водорода. Более массивная звезда истратит свой водород раньше и вырастет в красный гигант, изливая газ на компаньона. Обе звезды купаются в газе и сближаются по спирали. Более массивная звезда умирает, коллапсируя в белый карлик. В конце концов менее массивная звезда стареет и увеличивается, выбрасывая газ на свою мертвую спутницу. Очень сильная гравитация белого карлика сжимает этот газ настолько, что запускается термоядерный синтез, и звезда ненадолго возвращается к жизни. Это так называемая новая звезда – или просто «новая». При бешеной реакции синтеза значительная часть газа выбрасывается в окружающее пространство, процесс может эпизодически повторяться. Иногда из бледного пятнышка, различимого лишь в телескоп, новая превращается в яркий объект, видимый невооруженным глазом[96]. При переносе большого количества вещества белый карлик может преодолеть предел Чандрасекара, равный 1,4 массы Солнца. В этом случае мертвая звезда умрет вторично – как суперновая, оставив после себя нейтронную звезду[97].

Такова история жизни двойной системы, оканчивающейся образованием черной дыры[98]. Две горячие массивные звезды вращаются по тесной двойной орбите. Более массивная из них, израсходовав водород в ядре, расширяется и сбрасывает бо?льшую часть оболочки на компаньона, причем от нее самой остается голое гелиевое ядро. Через несколько сотен тысяч лет она катастрофически гибнет во вспышке сверхновой, оставляя черную дыру. Спустя некоторое время, достигнув конца своей жизни, менее массивный компаньон также расширяется, выплескивает газ в черную дыру и продуцирует мощное рентгеновское излучение. Затем и он взрывается сверхновой, и в зависимости от массы все завершается образованием системы нейтронной звезды и черной дыры или двойной черной дыры (илл. 17).

Черные дыры – причудливое, но неизбежное следствие эволюции массивных звезд. Если они входят в двойные системы, то их взаимодействие позволяет их обнаружить. Каждую секунду где-то во Вселенной бурно умирает массивная звезда. Каждую секунду небольшой участок пространственно-временного континуума исчезает из вида, и каждую секунду рождается черная дыра.

Нет ли, однако, другого способа образования черной дыры? И что, если в результате появится нечто невообразимо чудовищное?

3. Сверхмассивные черные дыры.

Только ли из мертвой звезды может образоваться черная дыра? Для ее возникновения нужна плотность, создающая сильнейшую гравитацию – непреодолимую для света. Теоретически такое возможно в телах, которые больше (или меньше) коллапсирующей звезды. Тем не менее открытие сверхмассивных черных дыр стало сюрпризом. Некоторые из них настолько массивны, что превышают суммарную массу всех черных дыр звездного происхождения в нашей Галактике. Еще большим сюрпризом оказалось то, что такая черная дыра имеется в центре каждой галактики.

Единственный радиоастроном в мире.

Лето 1937 г. в Уитоне, штат Иллинойс, было жарким и душным. Гроуту Реберу было 26 лет, и он целыми днями пропадал на пустыре возле дома своей матери, где с семи утра до темноты резал древесину и гнул листы металла. Он строил радиотелескоп. Тарелка имела диаметр около 10 м – лучшее, что он мог создать из имеющихся материалов[99]. На тот момент это был самый большой радиотелескоп на Земле – предшественник современных приборов, достигающих 100 м в диаметре. Десять лет Ребер был единственным радиоастрономом в мире (илл. 18).

Однако он не был первым. Карл Янский, физик по образованию, уже в 23 года был принят на работу в Лаборатории Белла в Холмделе, штат Нью-Джерси. Компания хотела изучить возможности использования радиоволн длиной 10–20 м для трансатлантической телефонной связи. Янский должен был найти источник статических помех, препятствующих голосовой связи. В 1930 г. на заброшенном картофельном поле возле лаборатории он собрал антенну. Конструкция напоминала каркас крыла первых бипланов и передвигалась по кольцевому пути на четырех колесах с резиновыми шинами от «Форда» Model T. Поворачивая антенну, Янский определял направление источника радиоволн, причем радиосигналы усиливались и записывались пером на движущейся бумажной ленте в сарайчике поблизости. Главным образом он регистрировал атмосферные помехи, вызванные грозами в окрестностях, но наблюдалось и слабое шипение. В течение года Янский доказал, что это шипение имеет не земное происхождение; оно следовало звездному времени, усиливаясь и слабея с периодом не 24 часа, а 23 часа 56 минут[100]. Самое сильное излучение обнаруживалось в центре Млечного Пути, в созвездии Стрельца. Открытие Янского наделало много шума, и 5 мая 1933 г. о нем сообщила The New York Times[101].

Так родился новый метод изучения Вселенной[102]. Тысячи лет астрономических наблюдений невооруженным глазом и сотни лет с тех пор, как Галилей впервые воспользовался телескопом, вся информация из космоса поступала в узком диапазоне оптических волн, всего в два раза превышающем интервал от самого красного до самого синего цветов, различимых человеческим глазом. Теперь люди записали сигналы из совершенно другой области электромагнитного спектра. Янский предложил построить 30-метровую радиоантенну, чтобы продолжить работу. Лаборатории Белла не заинтересовались этой идеей. Янскому поручили другой проект, и больше он не занимался радиоастрономией.

Работа Янского вызвала у Ребера интерес к источнику космических радиоволн. В начале 1930-х гг. он попытался устроиться в Лаборатории Белла, чтобы работать вместе с Янским, но во времена Великой депрессии никого не нанимали. Он самостоятельно выяснил, как построить радиотелескоп и приемник. Ему нравилось работать в одиночку. Он сказал об этом так: «Никаких тебе самозваных авторитетов, лезущих с дурными советами»[103]. Ребер вошел в рабочий ритм: днем собирал радиоприемники на фабрике в близлежащем Чикаго, после ужина спал четыре-пять часов, а с полуночи до рассвета, пока его тарелка сканировала небо, сидел в подвале, записывая радиосигналы с минутным интервалом. Постепенно он усовершенствовал приемник и купил ленточный самописец, избавившись от необходимости сидеть за этой работой всю ночь. Это позволило Реберу приступить к первому изучению радионеба.

Ребер работал один. У него не было единомышленников, не с кем было обмениваться идеями, и он имел дело с неизученными длинами волн. Представьте, что вы первый в мире скульптор. Другие рисуют и пишут красками, но больше никто не создает трехмерные произведения искусства. Если никто не говорит на вашем языке, вы обречены на одиночество. Инженеры практически не обратили внимания на работу Ребера, которую он опубликовал в журнале по радиотехнике, как сделал ранее Янский. Астрономы не проявили интереса – или отнеслись скептически. В 1940 г., подтвердив обнаружение Янским радиоволн из Млечного Пути, Ребер подал в Astrophysical Journal статью о явлении, названном им космическими статическими помехами. Редактор Отто Струве отправил статью нескольким рецензентам. Инженеры не поняли, при чем тут астрономия. Астрономов смутил радиожаргон. Никто не хотел рекомендовать статью к публикации, но Струве все равно решил ее напечатать[104]. Единственный радиоастроном в мире продолжил свой одинокий труд.

Ребер с педантичным упорством картографировал небо. Он работал со все более короткими радиоволнами, зная, что они обеспечивают более точную локализацию радиоисточника. Сочетая несколько длин волн, он мог определить физический процесс, вызывающий излучение. В 1944 г. он написал статью, к которой прилагалась первая в истории карта радионеба[105]. В статье также доказывалось, что процесс излучения космических радиоволн был нетепловым, следовательно, отличался от излучения тела с фиксированной температурой. Его карты демонстрировали концентрацию излучения в Млечном Пути и указывали еще две пиковые локации излучения – в Кассиопее и в Лебеде. Первый пик окажется остатками сверхновой в 11 000 световых лет. Второй, случайно расположенный недалеко от эталонной черной дыры Лебедь Х-1, – галактикой с невероятно мощным радиоизлучением в полумиллиарде световых лет от нас.

Астрономам понадобилось время, чтобы понять природу галактики, названной Лебедь А, – самого мощного радиоисточника в небе (илл. 19). После ее открытия Ребер был признан смелым новатором. Он однажды посоветовал молодому студенту: «Выберите область, о которой известно очень мало, и специализируйтесь в ней. Однако не принимайте за непреложный факт ни одну из готовых теорий. Если все остальные смотрят вниз, смотрите вверх или в другую сторону. Возможно, увиденное вас удивит»[106].

Галактики с яркими ядрами.

Развитие науки не похоже на плавное течение реки. Ученым редко удается без проблем и препятствий приплыть по ней в море знания. Гораздо чаще они, как первопроходцы, осваивают дикую местность – то при свете дня, стабильно продвигаясь вперед, то блуждая в тумане без компаса. Идут обходными путями, заходят в тупики. Люди, следующие к одной цели, не всегда общаются, иногда они даже не знают о существовании друг друга. И очень редко кто-то оказывается настолько умным или удачливым, чтобы взглянуть на ситуацию с высоты и увидеть цельную картину.

В конце ХХ в. среди астрономов развернулись яростные споры о природе «туманностей» – расплывчатых светлых пятен, которые Уильям Гершель и другие ученые каталогизировали более чем за 100 лет до этого. Поскольку некоторые туманности имеют спиральную структуру и не приближены к плоскости Млечного Пути – в отличие от других туманностей, астрономы стали всерьез рассматривать гипотезу, гласящую, что это – «островные вселенные», самостоятельные звездные системы, находящиеся на огромном расстоянии от нашей Галактики. В таком случае их спектры должны были бы выглядеть как суммы спектров множества звезд, с теми же линиями поглощения, что у Солнца и других звезд. В 1908 г. Эдвард Фэт из Ликской обсерватории изучил спектр туманности NGC1068 и с удивлением обнаружил не только поглощение, но и шесть четких эмиссионных линий, которые появляются лишь тогда, когда газ нагревается каким-то чрезвычайно мощным источником энергии[107]. В то время подобные изыскания казались настолько загадочными, что их проигнорировали, и лишь через два десятилетия Эдвин Хаббл доказал, что NGC1068 является галактикой[108].

В начале 1940-х гг. Карл Сейферт, постдок в обсерватории Маунт-Вилсон в Южной Калифорнии, под руководством Эдвина Хаббла занимался исследованиями с использованием самых мощных из имевшихся на тот момент телескопов – 1,5- и 2,5-метрового[109]. Когда Сейферт собирал эти данные, в Лос-Анджелесе было в три раза меньше жителей и в десять раз меньше городских огней, чем сегодня. Небо, действительно темное из-за светомаскировки, обязательной после нападения на Пёрл-Харбор, было идеальным для наблюдения. Сейферт получил спектры ядер ярких галактик и выявил полдюжины аналогичных NGC1068, с яркими эмиссионными линиями, свидетельствующими об энергетическом процессе. Он также заметил, что эмиссионные линии очень широки. Ширина эмиссионной линии указывает на диапазон скоростей газа. Максимальная скорость вращения нормальной спиральной галактики составляет 200–300 км/с, однако в измерениях Сейферта доплеровская ширина спектральных линий составляла тысячи километров в секунду, указывая, что газ вблизи центра этих галактик движется в 10–20 раз быстрее любого другого ранее измеренного газа. Вещество, движущееся с такой скоростью, улетало бы от галактики, если бы его не удерживала какая-то огромная масса возле центра.

Сейферт столкнулся с загадкой: что могло вызвать быстрое движение газа в центре галактики? В те времена этого никто не знал. Как и статья Гроута Ребера о «космических статических помехах», которая будет опубликована в следующем году, статья Сейферта практически не вызвала реакции астрономического мира. На нее не ссылались в течение 16 лет после публикации[110]. Класс галактик, который впоследствии был назван в честь Сейферта, ждал своего часа. Тем временем благодаря техническим достижениям радиоастрономии совершались новые открытия.

Радиоастрономия достигает зрелости.

В 1940-е гг., во время войны, занятия наукой казались неуместными. Однако радиоастрономы сыграли решающую роль в создании радара, в свою очередь, имевшего принципиальное значение для исхода Второй мировой войны. В бою побеждала та сторона, которая первой замечала вражеские самолеты, корабли или подводные лодки. Британские и американские инженеры и ученые разработали радар, способный «видеть» на сотни километров даже ночью. Радар помогал топить немецкие подводные лодки, с его помощью британцы обнаруживали приближающиеся бомбардировщики и обеспечивали прикрытие при высадке союзников в Нормандии. Часто говорят, что конец войне положила атомная бомба, но победил в этой войне радар.

Радар привел и к астрономическим открытиям. В 1942 г. Стэнли Хей, работая в составе научно-исследовательской группы по изучению оперативных вопросов сухопутных войск, обратил внимание на сильные помехи в работе радаров береговой обороны Англии. Он понял, что виновник помех не враг, а Солнце. Позже в ходе войны, пытаясь выследить немецкие ракеты «Фау-2», он обнаружил ионизированные следы метеоритов. Но до конца войны нельзя было писать об этих открытиях. Группа также подтвердила существование и мощь таинственного радиоисточника Лебедь А. После войны Хей продолжил работать на военных в Научно-исследовательском центре радиолокации на юге Англии, тогда как другие специалисты, трудившиеся над радаром военного времени, стали первопроходцами в радиоастрономии. Мартин Райл основал Кавендишскую лабораторию Кембриджского университета, а Бернард Ловелл – обсерваторию Джодрелл-Бэнк, экспедиционную станцию Манчестерского университета[111].

Австралия существенно продвинулась в области радиоастрономии благодаря техническому опыту, приобретенному в годы войны в рядах союзников. Одна из лучших в мире лабораторий радиолокации находилась в Сиднее. После войны она полностью сохранилась, и ее персонал переключился на исследование космического «радиошума». Стоит упомянуть о Руби Пэйн-Скотт, она была одним из лучших физиков в истории Австралии и первой в мире женщиной-радиоастрономом. Она работала на армию в военные годы, а после стала первым ученым, занявшимся изучением солнечных радиовспышек, и разработала математический аппарат для интерферометрии, использующейся в радиомассивах по всему миру. На протяжении всей своей карьеры Руби Пэйн-Скотт сталкивалась с сексизмом и вынуждена была скрывать факт замужества, поскольку в те времена замужним женщинам не позволялось работать госслужащими на полной ставке[112].

Европейская астрономия получила мощный импульс развития в конце войны, когда в обсерватории Британии, Нидерландов, Франции, Швеции и Чехословакии вывезли 7,5-метровые антенны немецких радиолокационных станций. Это счастливая история о превращении оружия в инструмент научного познания.

В 1946 г. Стэнли Хей и его коллеги с помощью модифицированной антенны противовоздушного радара доказали, что Лебедь А ежеминутно меняет интенсивность. Поскольку за столь малый промежуток времени свет может пройти строго определенное расстояние, любая временная шкала изменений задает размерную шкалу источника излучения. Быстрые изменения можно заметить только тогда, когда источник очень мал. В данном случае было установлено, что объект действительно невелик – размером со звезду. Мартин Райл предположил, что Лебедь А может быть звездой нового типа, яркой в радиодиапазоне, но невидимой в оптическом, – «радиозвездой». Это всех озадачило[113]. Такие звезды, как Солнце, слабо излучают радиоволны, как же звезда может быть настолько ярким радиоисточником? Как сказал радиоастроном Дж. Г. Дэвис: «Оказалось, есть оптическая вселенная и радиовселенная, совершенно не похожие друг на друга и в то же время сосуществующие. Было очевидно, что их нужно как-то связать воедино»[114].

Но на пути у радиоастрономии встало угловое разрешение: наименьший угол, различаемый каким-либо телескопом. Чем лучше угловое разрешение, тем меньше этот угол. Если расстояние между источниками света меньше углового разрешения телескопа, они сливаются. Угловое разрешение влияет и на глубину видения: если источники накладываются друг на друга, невозможно определить, какой из них ближе, а какой дальше. Представьте себе близорукого человека в комнате, полной людей. Он сможет рассмотреть ближайшие к нему лица, но все остальное безнадежно сольется. Будет сложно даже пересчитать всех присутствующих. Стоит надеть очки, и все оказывается в фокусе.

Для получения более четкого изображения нужны или более короткие волны, или больший телескоп[115]. Угловое разрешение прямо пропорционально длине волны, на которой ведется наблюдение, и обратно пропорционально размеру телескопа. Радиоволны в миллионы раз длиннее световых волн, поэтому радиоастрономия оказывается в невыгодном положении по сравнению с оптической астрономией – где недостатки можно компенсировать, среди прочего постройкой больших телескопов. Диаметр тарелки Гроута Ребера был почти 10 м – больше любого оптического телескопа того времени. Самые четкие изображения имели поперечный размер 15 градусов – это ширина кулака на расстоянии вытянутой руки. На столь обширном небесном участке много оптических объектов, поэтому Ребер не смог установить источник радиоволн. Переходом на более высокие частоты, что означает более короткие волны – 20 см, а не 2 м, можно увеличить резкость в десять раз. Для сравнения: волны видимого света в 2 млн раз короче двухметровых волн, которые наблюдал Ребер. Оптический телескоп того же диаметра, что у Ребера, давал бы в 3 млн раз более четкую картинку[116]. Чтобы добиться той же резкости, что и у метрового оптического телескопа, нужен радиотелескоп величиной с Соединенные Штаты!

Эту проблему решило изобретение, сделанное в интерферометрии. В интерферометре приходящие волны от двух (или более) радиотелескопов объединяются с информацией о фазах волн – а именно с точным временем регистрации гребней и ложбин. Тогда угловое разрешение определяется не величиной одного телескопа, а расстоянием между ними: две десятиметровые тарелки, разнесенные на 1 км, имеют угловое разрешение в 100 раз выше, чем каждая из них в отдельности[117]. Этот метод также называется апертурным синтезом, поскольку «синтезирует» телескоп с разрешающей способностью существенно большего телескопа. В 1950 г. Грэм Смит из Кавендишской лаборатории Кембриджского университета с помощью использованных не по назначению немецких антенн измерил положение яркого радиоисточника Лебедь А с точностью до угловой минуты, или одной тридцатой доли диаметра Луны, что было невероятным прорывом (илл. 20).

Точно измеренное положение Лебедя А заинтересовало Вальтера Бааде, астронома из Калтеха. Через две недели после получения данных от Смита Бааде оказался в помещении для наблюдателя пятиметрового телескопа на горе Паломар – самого мощного оптического телескопа в мире. Во время войны астроному немецкого происхождения не позволили вступить в действующую армию, поэтому он, как и Карл Сейферт, воспользовался светомаскировкой Лос-Анджелеса, чтобы сделать фотографии ночного неба беспрецедентной глубины. В одном из последних интервью журналист живо описал ученого: «Когда он рассказал, что увидел и открыл в ходе тщательного изучения тысяч фотопластинок, за цифрами, изображениями и астрономическим трепом стал проступать невероятный масштаб космоса, мира галактик и межгалактического пространства. Этот человек в сером костюме с синим галстуком и в коричневых ботинках огромного размера был совершенно поглощен своими исследованиями. Энергично жестикулирующий, беспрерывно курящий, с тщательно расчесанными на пробор редкими седыми волосами, белыми кустистыми бровями и выдающимся ястребиным носом, Бааде относился к тайнам Вселенной как к крупнейшим детективным расследованиям и сам являлся одним из главных сыщиков»[118].

Когда Бааде направил пятиметровый телескоп – называемый «большой глаз» – на Лебедь А, полученные фотопластинки привели его в изумление: «Уже просматривая негативы, я понял, что столкнулся с чем-то необычным. По всей пластинке были разбросаны галактики – больше двухсот, и самая яркая – в центре. С признаками приливных деформаций, гравитационного притяжения между двумя ядрами; я еще не видел ничего подобного. Я мог думать только об этом: я ехал домой ужинать, но решил остановить машину и поразмыслить»[119]. Вместе радиоастрономия и оптическая астрономия смогли ответить на важный вопрос: Лебедь А оказался дальней деформированной галактикой. Ее спектральные линии были смещены в красную область на 5,6 %, и это говорило о том, что она удаляется от нас со скоростью 15 600 км/с. В модели расширяющейся Вселенной, где красное смещение является показателем расстояния, это означает, что до нее – 750 млн световых лет. Радиоволны, которые мы сейчас видим, рождались в тот момент, когда обитатели Земли были размером с булавочную головку.

Бааде размышлял об энергии, которая, возможно, выделялась в результате космических «крушений», и предположил, что сверхъяркий Лебедь А состоит из двух столкнувшихся галактик. Рудольф Минковский, коллега Бааде в Калтехе, оспорил его теорию, и Бааде предложил поспорить на $1000. (Физики-теоретики, изучающие черные дыры, очевидно, не единственные азартные ученые.) В те времена это была месячная зарплата. Минковский отказался, и Бааде понизил ставку до бутылки виски, которую Минковский проиграл, получив спектр с эмиссионными линиями очень горячего газа у центра Лебедя А. При столкновении двух галактик содержащийся в них газ нагревается. (Бааде впоследствии жаловался, что Минковский расплатился плоской бутылкой виски вместо полноразмерной, да и ту выпил сам во время следующего визита.) Впрочем, в дальнейшем после точных расчетов некоторые теоретики пришли к выводу, что столкновение галактик не объясняет яркости радиосвечения. Главный вопрос – как вообще Лебедь А может излучать в радиодиапазоне в 19 млн раз больше энергии, чем Млечный Путь, – остался без ответа.

Астроном из Нидерландов открывает квазары.

В 1950 г. был предложен новый механизм возникновения космических радиоволн[120]. Если электроны движутся в магнитном поле с околосветовой скоростью, они перемещаются по спирали и создают сильное излучение в широком диапазоне длин волн – так называемое синхротронное излучение. Синхротронное излучение было получено в лабораторных ускорителях в 1940-х гг., но неожиданно оказалось, что этот процесс может происходить и при ускорении частиц в космосе, когда они разгоняются в областях протяженностью в сотни или тысячи световых лет. В 1958 г. на международной конференции астрофизиков в Париже ученые выступили с докладами, утверждая, что синхротронное излучение может объяснить солнечные вспышки, послесвечение сверхновой 1054 г. в Крабовидной туманности, необычность эллиптической галактики М87, а также, возможно, Лебедь А.

В 1959 г. кембриджские радиоастрономы опубликовали третий каталог. Оптическая астрономия обратила внимание на самые компактные источники радиоволн – это сулило хороший шанс найти соответствующий им оптический объект[121]. Как и раньше, в центре событий оказались астрономы Калтеха. Наблюдая 48-й объект из каталога – 3С 48, Том Мэтьюс и Алан Сэндидж обнаружили в направлении источника радиоизлучения бледно-голубой объект, окруженный тусклой туманностью. Свет менялся быстро: объект не мог сильно превышать размеры звезды. Загадочным оказался его спектр с яркими широкими эмиссионными линиями, которые не удалось связать ни с одним известным элементом. Мэтьюс показал находку Джесси Гринстейну, эксперту по звездам, но и тот никогда не видел такого звездного спектра. Гринстейн, не найдя объяснений, сунул картинку в ящик стола и забыл о ней.

Следующий шаг сделал Мартен Шмидт. Молодой голландский астроном приехал в Калтех изучать образование звезд в галактиках, но непонятный источник его заинтриговал. В 1963 г. австралийские радиоастрономы во время затмения 273-го объекта каталога 3С Луной сумели очень точно измерить положение источника. Через пятиметровый телескоп Шмидт увидел похожий на звезду голубой объект со спектральными линиями, смещенными к краю спектра. Спектр объекта содержал загадочные эмиссионные линии, подобные тем, что наблюдались в 3С 48. Шмидт попытался сопоставить рисунок линий с каким-нибудь хорошо известным элементом и понял, что это линии водорода, сдвинутые в красную область на 16 %. Если объяснять красное смещение расширением пространства, то 3С 273 удаляется от нас с немыслимой скоростью – 45 000 км/с. Четыре классические статьи с описанием открытия Шмидта были опубликованы в журнале Nature[122].

Через 50 лет Мартен Шмидт вспоминал момент открытия: «Я стал интерпретировать находку как космологическое красное смещение – потому что это был очень яркий объект в небе, как оказалось, с очень высокой светимостью. Что примечательно, потому что объект был несопоставимо ярче обычных галактик, даже самых больших. Итак, у вас есть нечто далеко во Вселенной, оно ярче целой галактики и выглядит как звезда. Это было ошеломляюще»[123] (илл. 21).

Благодаря находке Шмидта Гринстейн вспомнил о спектре 3С 48 и быстро опознал линии обычных химических элементов, более чем дважды смещенные в красную область – на 37 %[124]. Объект 3С 273 оказался удален на 2 млрд световых лет, а 3С 48 – на 4,5 млрд световых лет, его свет рождался, когда Земля только формировалась, и с тех пор летел сквозь космос. Оба объекта меньше Солнечной системы, но излучают в 100 раз больше света, чем целая галактика. Мартен Шмидт предложил новый термин для обозначения этого экстраординарного класса объектов – квазизвездный радиоисточник, или квазар.

Поскольку основная работа велась в Лос-Анджелесе (Пасадену давно поглотил растущий город), мы будем использовать мегаполис в качестве аналогии. Представьте, что ночью вы пролетаете высоко в небе над Лос-Анджелесом на вертолете. В городе с населением около 10 млн человек, где на каждого жителя приходится примерно десять источников света от домов, улиц и машин, получаем в сумме около 100 млн огней (для простоты я округлил числа до ближайших порядков). Если бы Лос-Анджелес был галактикой, каждый источник света представлял бы примерно 1000 звезд. Представьте теперь, что в деловом центре Лос-Анджелеса есть одиночный источник, сияющий в несколько сот раз ярче, чем весь город, хотя размером он всего несколько сантиметров – не больше любого из отдельных огней. Если бы мы могли подняться высоко над Землей и город оказался бы в тысячах километров под нами, мощный источник света в его центре оставался бы видимым долгое время после того, как отдельные огни исчезли из виду. Если смотреть на галактику из огромной дали Вселенной, она может оказаться слишком маленькой, тусклой, едва заметной, но ее яркое ядро ослепительно сверкает. Это квазар.

Астрономы коллекционируют далекие светящиеся точки.

Самое поразительное свойство квазаров – сильное красное смещение, указывающее на большое удаление и высокую светимость. Расширение Вселенной растягивает волны движущихся в ней фотонов – этот эффект называется космологическим красным смещением[125]. Красное смещение, обозначаемое буквой z, определяется по формуле 1 + z = R_o / R_e, где R_o – размер Вселенной (или расстояние между любыми двумя точками пространства) на момент, когда наблюдается свет объекта, а R_e – размер Вселенной (или расстояние между любыми двумя точками пространства, поскольку все пространство расширяется одинаково) на момент, когда этот свет был излучен. Точно таким же является соотношение для излучения, 1 + z = ?_о / ?_е, где ?_о – растянутая или смещенная в красную область спектра длина волны фотона, который мы сейчас наблюдаем в телескоп, а ?_е – длина волны этого фотона в момент его первоначального появления.

Чем дальше галактика, тем быстрее она улетает от нас, в действительности любая галактика удаляется от любой другой галактики[126]. Это наблюдение, сделанное Эдвином Хабблом в 1929 г., привело к идее расширяющейся Вселенной. Если красное смещение невелико, оно примерно равно скорости удаления в долях скорости света[127]. До открытия квазаров самым далеким известным объектом была галактика в скоплении Гидры с красным смещением z = 0,2. Через два года Мартен Шмидт зарегистрировал новое красное смещение – квазар 3С 9[128] с z = 2,0, удаляющийся со скоростью 80 % от световой. Свет, который мы видим сейчас, был излучен, когда Вселенная была в четыре раза моложе, чем сейчас (илл. 22). Поскольку дальний свет – это древний свет, астрономы используют далекие объекты как «машины времени». Квазары – это зонды для изучения далекой и древней Вселенной.

Поначалу поиск квазаров был трудным делом. Чтобы точно их локализовать, радиоастрономам приходилось заниматься долгой монотонной работой. Типичный день за телескопом состоял из двух 12-часовых смен, поскольку радиоволны хорошо регистрируются как днем, так и ночью. Нужно было проверить и перепроверить множество электрических соединений в аппаратной. Подключения подавали сигналы от разных телескопов или элементов решетки антенн на коррелятор, и только эксперт мог разобраться в этих хитросплетениях. Вычислительные машины только появились, сигналы записывались в аналоговой форме на магнитную ленту. Штатные сотрудники в течение всего дня должны были следить за магнитофонными деками и менять бобины, чтобы лента не закончилась. Затем данные вводили в большую ЭВМ с помощью перфокарт и видели, как меняется сила радиосигнала по мере движения источника по небу, после чего соединяли эти данные с точными измерениями времени для расчета местоположения. Для точного вычисления только одной позиции требовались долгие дни и бесконечные замеры.

Что касается оптической астрономии, жизнь ученого была несколько проще и привлекательнее. Он управлял «стаканом» первичного фокуса большого телескопа, подвешенного над главным зеркалом, словно муха, угодившая в стальную паутину. Щель купола обсерватории выходила на усеянные звездами пространства. Астроном приносил в кабину «стакана» фотопластинки, заключенные в светонепроницаемую упаковку, и аккуратно помещал их в камеру, чтобы на них упал свет ночного неба. Затем с помощью кнопок на маленькой панели астроном тонко корректировал скорость движения телескопа, чтобы обеспечить максимальную четкость изображений. Романтика, но в то же время монотонная работа. Зимой – холод 12-часовых ночных дежурств: работа заключалась фактически в том, чтобы каждые несколько секунд нажимать кнопки управления и каждые несколько часов менять фотопластинки. Астроном мог провести у телескопа всю ночь, измеряя красное смещение одного-единственного объекта.

Было каталогизировано лишь несколько десятков квазаров, когда астрономы заметили, что эти квазары – более голубые (следовательно, более горячие), чем любая другая звезда. Нашлись исследователи, которые поняли, что имеются другие, столь же голубые квазизвездные объекты, не связанные ни с каким радиоисточником. Судя по спектрам, многие из этих голубых объектов имели сильное красное смещение; они тоже были квазарами. Воодушевленные открытием, астрономы провели фотографические исследования больших участков неба, чтобы «собрать урожай» самых голубых объектов. Метод оказался очень эффективным: найденных квазаров оказалось в десять раз больше, чем квазаров с сильным радиоизлучением.

Временами охота за квазарами приводила к личным конфликтам. В 1965 г. Алан Сэндидж из Института Карнеги написал статью о новом классе радиоспокойных квазаров, и, положившись на репутацию ученого, редактор Astrophysical Journal опубликовал статью без рецензирования. Это вызвало возмущение Фрица Цвикки из Калтеха – ведь ранее именно он открыл компактные галактики со свойствами квазара. Через несколько лет в предисловии к своей книге о свойствах этих удивительных галактик он желчно выразился: «Несмотря на то, что все эти факты были известны Сэндиджу в 1964 г., он пошел на одну из дичайших попыток плагиата, заявив о существовании нового важнейшего элемента Вселенной – квазизвездных галактик. Эпохальное открытие Сэндиджа заключается не более чем в переименовании компактных галактик, которые он назвал “незваными гостями” и квазизвездными галактиками, таким образом, сам оказавшись в положении незваного гостя»[129]. Вот вам и благовоспитанные ученые!

Из-за соперничества Института Карнеги и Калтеха появились многие масштабные проекты, продвигающие оптическую астрономию ХХI в. Калтех построил десятиметровые телескопы-близнецы в обсерватории Кека на Гавайях, а Карнеги – пару 6,5-метровых телескопов Магеллана в Чили. В настоящее время Институт Карнеги является ведущим партнером проекта Гигантского Магелланова телескопа, а Калтех – ведущий партнер проектируемого Тридцатиметрового телескопа[130]. Оба проекта являются международными и стоят миллиарды долларов. Поскольку астрономы охотятся за самыми отдаленными светящимися точками, их «игрушки» становятся сложнее и значительно дороже.

Аризонский университет производит зеркала для Гигантского Магелланова телескопа. Примерно раз в год я наведываюсь в помещение под футбольным стадионом, где в десятиметровую емкость помещают 20 тонн чистого стекла в виде отдельных мелких сегментов, нагревают до 1170 °C и начинают раскручивать. Огромная печь вращается во всполохах света и волнах жара, превращаясь в адскую карусель; стоящие вокруг инженеры в белых халатах и защитных очках напоминают безумных ученых. Три месяца спустя, когда зеркало полностью охладится, его полируют почти до идеальной гладкости. Что любопытно, если бы готовое зеркало можно было увеличить до размеров континентальной части США, самые значительные неровности его поверхности выступали бы менее чем на 2,5 см. В Гигантском Магеллановом телескопе семь таких зеркал: шесть из них окружают центральный элемент как лепестки цветка. Тем временем строится и Тридцатиметровый телескоп из 492 шестиугольных зеркал, по 1,5 м в поперечнике каждое[131]. Оба проекта претендуют на звание нового крупнейшего телескопа в мире. В каждом проекте значительная часть времени будет уделяться изучению квазаров.

Выдвижение гипотезы о массивных черных дырах.

Еще до открытия квазаров имелись причины полагать, что в центре некоторых галактик происходит нечто необычное. В 1959 г. расчеты показали, что широкие эмиссионные линии сейфертовских галактик могут объясняться гравитацией компактного объекта, который в миллиард раз массивнее Солнца. Английский теоретик Джеффри Бербидж лаконично сформулировал проблему радиогалактик: энергия их магнитных полей и релятивистских частиц такова, что для ее получения необходимо полностью преобразовать в энергию до 100 млн солнечных масс[132]. Релятивистскими называются частицы, движущиеся с околосветовой скоростью. Армянский теоретик Виктор Амбарцумян[133] предложил «радикально пересмотреть концепцию галактического ядра», утверждая: «Мы должны отбросить мысль, что ядра галактик состоят только из звезд»[134].

Посыпались гипотезы. Возможно, источником энергии являются вспышки в плотном ядре звезды, когда одна сверхновая запускает цепную реакцию в остальных. Возможно, звездное скопление может достичь очень высокой плотности вследствие столкновений, ведущих к выбросу большого количества газа. Возможно, энергию излучает одна сверхмассивная звезда. Через год после эпохального открытия Шмидта два теоретика предположили, что источником энергии квазара является аккреция на сверхмассивную черную дыру[135]. Они поняли, что термоядерный синтез в ядрах звезд явно недостаточен для выработки энергии квазара. Здесь нужен гравитационный двигатель. Масса, перемещающаяся по спирали на самую внутреннюю устойчивую орбиту вокруг массивной черной дыры, может быть преобразована в энергию частиц и излучения с эффективностью, близкой к 10 %. Даже при такой эффективности самые яркие квазары должны питаться черными дырами, которые в миллиарды раз массивнее Солнца.

Астрофизики не сразу приняли идею сверхмассивных черных дыр. Напомню, что в 1964 г. был предложен термин «черная дыра» и впервые зарегистрирован Лебедь Х-1. Мысль о черных дырах звездной массы все еще казалась инновационной – и тут теоретики заводят речь о черных дырах в миллиарды раз более массивных! Похоже на дикую выдумку. Можете себе представить увеличение в миллиард раз? Это разница между одной крупинкой песка и полной песочницей, между бродягой, который может позволить себе бургер, и самым богатым человеком в мире, между массой ваших ближайших родственников и массой горы Эверест. Даже видавших виды астрофизиков шокировала мысль о черных дырах весом с небольшую галактику.

Предположение о гигантской энергоемкости квазаров основывается на факте их исключительной отдаленности от Земли, следовательно, чтобы быть настолько яркими, квазары должны обладать очень высокой светимостью. Светимость – это абсолютная яркость, или показатель того, сколько фотонов в секунду излучает источник света. Если бы квазары не были удалены от нас на расстояния, о которых свидетельствует их красное смещение, то требования к их энергоемкости были бы менее жесткими. Вот как это работает. Стоваттная лампочка на расстоянии 100 м кажется тусклой, но если до лампочки 100 км, то она должна быть в миллион раз ярче, чтобы мы не увидели разницы в яркости, – то есть 100-мегаваттной. Квазары тусклые, но они удалены от нас на миллиарды световых лет и потому должны быть фантастически яркими.

Это заставило небольшую, но авторитетную группу астрономов, в том числе нескольких выдающихся ученых, подвергнуть сомнению космологическую природу красного смещения квазаров[136]. Космологическое красное смещение в модели расширяющейся Вселенной преобразуется в расстояние. Астрономы указали на места, где наблюдались квазары вблизи галактик со значительно меньшим красным смещением; их было больше, чем можно было бы объяснить случайностью. Ученые обратили внимание на преобладание специфических красных смещений, необъяснимых при космологической интерпретации. Большинству астрономов статистические выкладки показались неубедительными, но отмахнуться от аргументов, опирающихся на физический показатель плотности энергии, оказалось сложнее. Физики утверждали, что квазары должны «захлебнуться» собственным излучением и погаснуть, не успев ярко засветиться. Квазары с очень быстро меняющимся радиосигналом настолько компактны, что релятивистские электроны, излучив фотоны радиодиапазона, должны были бы сталкиваться с этими же фотонами и разгонять их до частот оптического, затем рентгеновского и гамма-излучения. В результате радиоисточник исчез бы, превратившись в гамма-источник. В середине 1960-х гг. ученые многократно и весьма бурно обсуждали эту тему на конференциях, не приходя к консенсусу. Для решения задачи потребовались новые, более совершенные радиообсерватории.

Картирование радиоджетов и лепестков.

Несложно понять, почему радиоастрономы были несколько раздосадованы. Они первыми нашли свидетельство наличия огромной энергии в ядрах галактик и точно определили их местоположение, что позволило открыть квазары. Однако понять природу квазаров невозможно без измерения красного смещения, что делается в оптическом диапазоне, к тому же в основном квазары, как оказалось, генерируют довольно слабое радиоизлучение. Создалось впечатление, что теперь действие переместится в область оптической астрономии.

Однако у радиоастрономов нашелся еще один козырь. На этапе обнаружения квазаров они пользовались «тарелками», разнесенными на сотни метров, благодаря чему погрешность позиционирования не превышала одной угловой минуты. Когда же в интерферометрах они увеличили расстояние между антеннами до километра и перешли на самые короткие волны, погрешность свелась к угловой секунде, что практически соответствует точности оптического позиционирования. Радиоастрономия стала строить такие же точные карты радионеба, как и оптическая астрономия. Детально изученные, радиоисточники оказались удивительно разнообразными. Обнаружились радиогалактики, оптический компаньон которых, очевидно, тоже был галактикой, и квазары, оптический компаньон которых был похож на звезду. Чаще других наблюдались источники с огромными лепестками радиоизлучения, охватывающими эллиптическую галактику с радиоисточником в ядре, причем в некоторых случаях эти лепестки простирались в межгалактическое пространство на несколько миллионов световых лет[137]. Многие галактики имеют необычную или возмущенную форму. Создается впечатление, что из центра галактики выбрасываются пучки частиц высоких энергий, поддерживая радиосвечение парных лепестков. Красивым примером является Лебедь А[138].

Мы обнаруживали галактики с таинственными и необычными свойствами. Одни имеют мощное радиоизлучение, другие интенсивно излучают в рентгеновском диапазоне, третьи отличаются сильным оптическим излучением, а вблизи центра наблюдается быстро движущийся газ. Ни одно из этих проявлений не характерно для галактики, являющейся лишь большим скоплением звезд. Астрономы обозначают галактики с особенно интенсивными энергетическими процессами в ядре общим термином «активная галактика».

Поскольку я занимаюсь оптической астрономией, то, как правило, предпочитаю видимые данные, но для изучения активных галактик я воспользовался «Очень большой решеткой» (VLA) в Нью-Мексико: я работал в той же аппаратной, где во время съемок фильма «Контакт» Джоди Фостер получила послание от инопланетян. VLA представляет собой комплекс из 27 тарелок (каждая диаметром 25 м), которые можно конфигурировать в форме буквы Y, размещенной на плоскости в 40 км. Тарелки перемещают по железнодорожным путям, увеличивая и уменьшая расстояние между ними. Пока местные радиоастрономы охотно помогали мне с обработкой данных, я заметил, что им нравится сохранять ауру таинственности вокруг своей работы. Я был не более чем почетным гостем в их племени.

Радиоастрономы уделяли особое внимание источникам, неразличимым для существующих интерферометров. Изменчивость источников свидетельствовала об их размерах – ненамного больше нашей Солнечной системы. В 1960-х гг. ученые задумали создать радиотелескоп размером с Землю. Нужно было найти другой способ сопоставления сигналов разных телескопов, поскольку для трансконтинентальной передачи не годились кабели и линии СВЧ-связи. Радиоастрономы решили записывать сигнал каждого телескопа на магнитную пленку с указанием времени по атомным часам и далее сводить сигналы всех пленок и получать интерференционные полосы – а затем карту. Данные кропотливо обрабатывались, что требовало таких технических средств, как атомные часы, компьютеры и магнитофоны. В 1967 г. группы американских и канадских астрономов наблюдали несколько источников при помощи антенн, находящихся на расстоянии 200 км. Через год они подключили удаленные антенны в Пуэрто-Рико, Швеции и Австралии. База увеличилась до 10 000 км, или 80 % диаметра Земли. Угловое разрешение выросло в 1000 раз, до одной тысячной доли угловой секунды – это угловой размер десятицентовой монетки на вершине Эйфелевой башни, если смотреть на него из Нью-Йорка (илл. 23). Теперь радиоастрономия располагала гораздо более четкими изображениями – по сравнению с оптической астрономией.

Новую технологию назвали интерферометрией с очень длинной базой (Very Long Baseline Interferometry, VLBI). В 1970 г. радиоастрономы, изучая квазары при помощи VLBI, заметили, что самые компактные радиоисточники создают односторонние струи, в которых часто присутствуют «пузыри» – или горячие точки. Собрав данные за год, они увидели, как эти пузыри удаляются от ядра. Астрономы привыкли иметь дело с огромной временной шкалой межгалактической Вселенной, поскольку галактика совершает один оборот за сотни миллионов лет, и были счастливы, заметив изменения, происходящие от года к году[139]. Однако, преобразовав наблюдаемое поперечное перемещение пузырей в скорость, они были потрясены: скорость разлета в 5–10 раз превышала скорость света. Это нарушение принципа относительности? Нет, всего лишь оптическая иллюзия. Поскольку джет от компактного радиоисточника направлен практически прямо на нас, а пузыри двигаются с околосветовой скоростью, создается впечатление, что они быстро движутся в поперечном направлении. Представьте, что кто-то с Земли перемещает по поверхности Луны световое пятно очень мощного прожектора. Если луч двигается быстро, наблюдателю на Луне покажется, что он перемещается быстрее света, хотя фотоны луча летят со скоростью света – и ни на йоту быстрее. Этот феномен, называемый сверхсветовым движением, наблюдался у десятков компактных радиоисточников.

Ювелирно точное картирование радиоисточников показало, что радиоастрономы могут получать такие же прекрасные изображения, как и в оптической астрономии (илл. 24)[140]. Данные поддерживают гипотезу сверхмассивных черных дыр. Мощное радиоизлучение свидетельствует о работе ускорителя частиц, а компактность означает, что излучение приходит из крохотной области пространства. На это способна только гравитационная машина – такая, как черная дыра. Кроме того, поскольку галактики имеют импульс, а компактный объект в центре галактики должен быть вращающимся, газ будет улетать от него над полюсами вдоль оси вращения. Черная дыра намного более мощный ускоритель частиц, чем любое творение рук человеческих. Гравитация питает парные джеты намагниченной плазмы, которые выбрасываются вовне из области вблизи черной дыры почти со скоростью света, протягиваясь далеко за границы галактики и освещая радионочь.

«Зоопарк» активных галактик.

В притче о слепцах, ощупывавших слона в попытке узнать, как он выглядит, говорится, что один потрогал ногу и сказал, что слон похож на колонну, второй – хвост и сравнил слона с веревкой, третий ощупал ухо и сказал, что слон напоминает лист пальмы, а четвертому, ощупавшему бивень, слон показался похожим на трубу (илл. 25). Эта притча показывает, как опасно делать выводы на основании неполной информации. Давайте посетим «зоопарк» активных галактик и узнаем, на что похожи эти создания.

Активные галактики определяются через отрицания: их поведение в энергетическом отношении невозможно объяснить составом звезд или звездными процессами. Их изучение началось со спиральных галактик, открытых Сейфертом в 1943 г. Их яркое голубое ядро и широкие эмиссионные линии указывали на газ, движущийся необъяснимо быстро для нормального паттерна вращения галактики[141]. Теперь мы понимаем, что галактики Сейферта – это «недостающее звено» между нормальными галактиками и квазарами, поскольку они имеют нетепловое излучение, но находятся ближе и являются менее яркими, чем квазары. Однако, поскольку галактики Сейферта были позабыты на несколько десятилетий, на момент открытия квазары казались беспрецедентным явлением. С помощью космического телескопа «Хаббл» астрономы сделали фотографии глубокого космоса и доказали, что «туман» вокруг квазаров в действительности является светом дальней галактики. Возвращаясь к аналогии с полетом над ночным Лос-Анджелесом, можно назвать это демонстрацией того, что квазар как источник света обитает в звездном мегаполисе[142].

Предпринималась аналогичная попытка классифицировать радиоисточники разных видов. Радиогалактики с низкой светимостью имеют ядро и парные джеты, обычно оканчивающиеся в пределах галактики лепестками излучения неправильной формы. Радиогалактики с высокой светимостью имеют ядро и одиночную струю, выбрасывающую лепесток далеко за пределы родительской галактики. Радиоисточниками с самыми мощными ядрами оказались квазары с быстро меняющейся яркостью в радио- и оптическом диапазонах и чрезвычайно высокими плотностями энергии. Подвид с самыми экстремальными характеристиками получил название «блазар». Судя по названию, он характеризуется резкими колебаниями яркости, иногда меняющейся ежеминутно. И это вполне коррелирует с ситуацией, когда мы смотрим через жерло релятивистского джета на центральную машину – сверхмассивную черную дыру[143].

Много лет назад я отправился в Россию охотиться на блазары, и результаты этой охоты превзошли ожидания. Временами моя поездка превращалась в настоящий шпионский роман. Двое крепких мужчин с пистолетами под пиджаками сели по бокам от меня на заднее сиденье автомобиля, меня охватили дурные предчувствия. Обычно жизнь астронома из обсерватории не столь богата событиями. Мы ехали через границу на фабрику мороженого в Грузии, чтобы набрать сухого льда для охлаждения инструмента, который я привез из США.

Мы прибыли к российскому шестиметровому – самому большому в мире – телескопу, который используют для изучения самого редкого «зверя» внегалактического «зоопарка». Интенсивность света блазара менее чем за час может усилиться настолько, что в 100 раз превысит светимость целой галактики. Нашим инструментом был фотометр, способный измерить яркость далекого источника излучения менее чем за секунду. Мы надеялись получить незамутненные изображения воронки вокруг сверхмассивной черной дыры. Моим «подельником» был Сантьяго Тапиа, чилийский астроном, с которым я познакомился в Аризоне. Нас принимали сотрудники обсерватории – ведущие исследователи с ученой степенью, чья зарплата не превышала $100 в месяц (этого едва хватало на то, чтоб прокормить и одеть семью). По сравнению с ними я, молодой постдок из Америки, был богачом.

Такой была Россия на закате Советского Союза. Повсюду были признаки разрухи и упадка. На рынках в Ленинграде мы видели пустые прилавки, у ресторанов (каких было немного) выстроились длинные очереди. Нас ждало трехдневное путешествие на Кавказ – туда, где находился телескоп, по пути в наш поезд ворвались солдаты с автоматами Калашникова наперевес в поисках воровских банд. На следующий день после прибытия я по наивности отправился на прогулку над речной долиной. Тем же вечером, когда мы с хозяевами ели водянистый борщ и черствый хлеб, они попросили меня быть осторожным, сообщив, что в долинах можно встретить грузинских торговцев контрабандным оружием – их поведение непредсказуемо.

Сбор данных шел тяжело. Мы с Сантьяго по очереди катались в «стакане» первичного фокуса – в металлическом цилиндре наверху телескопа, где фокусируется свет, отражающийся от главного зеркала. В патроне находился и фотометр, который мы привезли из Соединенных Штатов. «Стакан» не был утеплен, и, несмотря на многослойную зимнюю одежду, к концу долгой февральской ночи я промерзал до костей. Однако были и радостные моменты. Одной ясной ночью объект наших наблюдений начал мерцать, и счетчик фотонов инструмента показывал, как подскакивает и спадает его яркость. Я представил себе, как разрывается на части звезда, врезавшаяся в аккреционный диск и отправляющаяся на корм чудовищу. Под утро мы с нашими русскими хозяевами ели «икру бедняков», приготовленную из мелко нарезанных маринованных овощей. Мы допивали бутылку обжигающей водки и делились историями, пока распухший красный диск солнца поднимался над Кавказскими горами.

«Проблема слона» в случае активных галактик вызвана избирательным зрением. При использовании метода радиоволн вы увидите ядро, джеты и лепестки, но большинство активных галактик – радиоспокойные. Пользуясь оптическими методами, вы увидите широкие эмиссионные линии и яркое ядро в окружении тусклой родительской галактики, но упустите из виду феномен релятивистских джетов. Эти два фрагмента электромагнитного спектра не составят полной картины. Нам нужны другие методы наблюдения.

Как мы уже говорили, рентгеновская астрономия позволила в 1964 г. открыть эталонную черную дыру Лебедь Х-1. Через шесть лет ракета зарегистрировала рентгеновское излучение двух ближних активных галактик – Центавр А и М87, а также квазара 3С 273[144]. В 1970-х гг. высокая чувствительность орбитальной обсерватории «Эйнштейн» позволила обнаружить множество квазаров. Их рентгеновское излучение было переменным, свидетельствуя, что оно исходит из областей вблизи центральной машины. Ультрафиолетовое и рентгеновское излучение многих квазаров напоминало тепловое излучение газа при температуре 100 000 кельвинов. Примечательно, что это соответствовало моделям с аккреционным диском вокруг сверхмассивной черной дыры[145].

Каждый раз, когда астрономы начинали наблюдения в новом диапазоне частот, обнаруживались активные галактики. С помощью астрономического спутника с инфракрасным телескопом, запущенного в 1977 г., удалось выяснить, что квазары активно излучают в ИК-диапазоне. Была высказана догадка, что коротковолновое излучение, возникающее возле ядра, преобразуется частицами космической пыли в инфракрасное излучение с большей длиной волны[146]. В течение 1990-х гг. принадлежащая NASA гамма-обсерватория «Комптон» открыла еще один способ наблюдения за активными галактиками – в области высоких энергий. Парные джеты, выбрасываемые из полюсов черной дыры, способны излучать огромное количество гамма-лучей. Разница между длинами волн, на которых наблюдались некоторые активные галактики, невероятно велика – 100 млн трлн (10²⁰). В 2018 г. было открыто новое великолепное окно наблюдений за активными галактиками – в момент обнаружения нейтрино, испущенного блазаром в 4 млрд световых лет от нас. До этого регистрировались только нейтрино Солнца и относительно близкой сверхновой. Нейтрино возникло вблизи сверхмассивной черной дыры блазара и через 4 млрд лет было обнаружено детектором, установленным во льдах Антарктики[147].

«Проблему с описанием слона» может обострять «шовинизм диапазонов». Астрономы специализируются не только в предмете своего внимания, но и в методах наблюдения. Оптические астрономы, по-прежнему составляющие большинство профессионалов, следуют классической траектории развития этой области знания – от наблюдений невооруженным глазом к фотографии и ПЗС-фотометрии. В радиоастрономию часто переходят инженеры, а в инфракрасную и рентгеновскую – физики. Помимо технических различий, астрономов, работающих с разными длинами волн, разделяет принадлежность к разным «племенам». Они редко общаются, хотя это было бы совсем не лишним.

Вопрос восприятия.

Астрономы пытаются унифицировать «обитателей зоопарка» активных галактик, исходя из предположения, что их облик зависит от направленности. Спиральные галактики являются уплощенными, а аккреционные диски – тонкими, следовательно, можно ожидать, что свойства активных галактик определяются ориентацией в пространстве. Простая аналогия: сфера всегда имеет округлую форму независимо от расположения, а тонкий диск может выглядеть как круг, эллипс и даже линия.

Радиоастрономы поняли, что разница в радиояркости квазаров может не иметь отношения к различиям в светимости. Если джеты, ускоряющие частицы почти до скорости света, направлены непосредственно к лучу зрения, то излучение резко усиливается. Прямой взгляд вдоль полярной оси сверхмассивной черной дыры обнаружит мощное радиоядро, односторонний джет и, возможно, слабое гало широко распространившегося излучения в радиодиапазоне. Таковы быстро меняющиеся блазары, составляющие малую долю от общего числа, поскольку это очень специфическая направленность[148]. Если мы посмотрим на тот же источник сбоку, то увидим слабое ядро, парные джеты и протяженные лепестки на той или другой стороне[149].

Блазары – тема моей докторантской диссертации, и еще десять лет после этого я занимался их исследованиями. Они притягательны, как спорткар для юноши, – быстрые, стильные и способные с равной вероятностью выбросить на обочину или прокатить так, что захватит дух. Блазары непредсказуемы, поскольку их излучение зависит от изменчивых астрофизических характеристик среды возле сверхмассивной черной дыры. Часами я впустую торчал у телескопа, поскольку почти все интересующие меня объекты не подавали признаков жизни, а некоторые оказывались и подавно слишком тусклыми, но, когда мне везло, результаты были достойны Книги рекордов Гиннесса. За период работы мне удалось засечь активные галактики с наивысшей светимостью, самыми быстрыми изменениями, самым компактным излучением и высочайшей поляризацией. Поляризация происходит, когда колебания электромагнитного излучения лежат в одной плоскости; поляризация света дает информацию о геометрии источника света.

Однако серьезная наука требует аналитического подхода и систематических наблюдений, поэтому исследование строилось на совокупности данных, а не на самых захватывающих моментах. Я узнал, что блазары позволяют взглянуть на центральную машину с весьма интересного ракурса. Горячий газ, движущийся на скорости 99 % световой, свидетельствует о том, что блазары в сотни раз ярче активной галактики – если не смотреть на нее вдоль релятивистского джета. Теоретикам непросто было обосновать возможность ускорения газа до такой скорости, но наблюдатели вроде меня любят подбрасывать теоретикам трудные задачки. Постепенно обнаруживались гораздо более многочисленные активные галактики с не менее поразительным поведением и джетом, не направленным вдоль луча зрения. Моей целью было не утвердить уникальность и экзотичность блазаров, а найти им подходящее место в «зоопарке» активных галактик.

Различные идеи объединились в унифицированной модели активного ядра галактики (АЯГ). Ее основная гипотеза гласит: все активные галактики получают энергию от аккреции на сверхмассивную черную дыру, а наблюдаемые различия вызваны по большей части, но не полностью, их ориентацией в пространстве (илл. 26). На наблюдаемые свойства сильно влияет поглощение света пылевой средой и то, что газ в джетах движется с околосветовой скоростью. Истинные свойства ядра зависят от типа материнской галактики, вращения черной дыры и интенсивности аккреции[150]. Каким бы боком ни поворачивался слон, он остается слоном.

4. Гравитационные двигатели.

Открытие активных галактик изменило астрономию. До этого считалось, что Вселенная состоит из звезд и газа, собранных гравитацией в галактики, которые тихо разлетаются все дальше друг от друга по мере расширения Вселенной. Однако, когда выяснилось, что ядерные области некоторых галактик выбрасывают громадную энергию во всем электромагнитном спектре, изменилось наше понимание структуры галактики. Это открытие повлекло за собой и новые вопросы. Как в центре галактики образуется и растет сверхмассивная черная дыра? Есть ли свидетельства того, что сила гравитации может создать такие ослепительные объекты, как квазары?

Первые ответы пришли откуда не ждали – из центра нашей собственной Галактики.

Напомню, что черные дыры – это гравитационные машины. Они преобразуют гравитационную потенциальную энергию в лучистую. Иными словами, черные дыры создают свет из вещества. Ускоряясь в направлении горизонта событий, материя производит высокоэнергетическое электромагнитное излучение. Эффективность этого процесса в десятки раз выше, чем у реакции термоядерного синтеза, снабжающей энергией звезды, в том числе Солнце. Эти астрономические объекты, будучи воплощением темноты, возможно, являются ярчайшими во Вселенной среди объектов сопоставимой массы.

Большая черная дыра по соседству.

Зевс был распутником, он сходился как с богинями, так и земными женщинами. Его сын Геракл был рожден от смертной, но отец приложил младенца к груди своей божественной супруги Геры, пока та спала. Проснувшись, Гера пришла в ярость и вырвала сосок изо рта ребенка. Молоко расплескалось по всему небу. Поэтому мы называем неровную полосу света, олицетворяющую нашу звездную систему, Млечным Путем – или «галактикой», что на греческом означает «молоко»[151].

Более 400 лет назад Галилей навел примитивный телескоп на светящуюся дымку Млечного Пути и увидел мириады бледных звезд. Теперь мы знаем, что Млечный Путь выглядит как лоскутное одеяло из-за космической пыли, которая делает свет звезд красным и тусклым. Темные фрагменты не говорят о том, что звезды на этих участках отсутствуют – просто в этих местах они затемнены. Свет, идущий до нас из центра Галактики, с расстояния около 27 000 световых лет, почти полностью перекрыт[152]. К нам пробивается только один из триллиона фотонов. С тем же успехом мы могли бы смотреть на закрытую дверь.

Карл Янский, отец радиоастрономии, в 1933 г. доказал, что радиоизлучение Млечного Пути достигает максимума в созвездии Стрельца. Это согласуется с наблюдением Уильяма Гершеля: в Стрельце находится самый плотный участок нашего «города звезд». Пыль не действует на радиоволны. Однако простая радиоантенна Янского не могла точно определить положение источника радиосигналов. В 1974 г. Брюс Балик и Роберт Браун прибегли к методу интерферометрии с очень длинной базой и доказали, что радиоисточник в центре нашей Галактики является очень маленьким объектом[153]. Недавние наблюдения говорят о том, что это самый компактный радиоисточник в небе (илл. 27). Он не похож на другие два источника, найденные в ранних исследованиях. Стрелец А* имеет ту же радиояркость, что Дева А и Лебедь А, но Дева А (М87) – это активная эллиптическая галактика на расстоянии 54 млн световых лет, а Лебедь А – деформированная галактика в 750 млн световых лет. Центр Млечного Пути в миллионы раз менее мощный, чем эти две прототипичные радиогалактики, и, видимо, природа этого явления совсем иная.

Что за радиоисточник может быть таким слабым? В 1974 г. молодой теоретик из Кембриджского университета Мартин Рис предложил объяснение в статье о черных дырах, которая осталась незамеченной[154]. Он утверждал, что массивная черная дыра может быть темной, потому что не поглощает материю, и первым предположил, что звезды, движущиеся по ближним орбитам, подвергаются ее влиянию, – и это способ ее обнаружить.

Спустя некоторое время технологии дозрели до этой идеи. Пыль между нами и центром Галактики стала первой проблемой. Частицы пыли эффективно поглощают и рассеивают свет, но значительно слабее взаимодействуют с фотонами большей длины волны. Стоило переключиться с видимого света 0,5 мкм на волны почти инфракрасной части спектра 2 мм, как затемнение центра Галактики от триллиона раз снизилось до двадцати. Теперь мы не смотрели на закрытую дверь, а вглядывались через дымчатое стекло. Инфракрасные датчики придумали в 1970-х гг. в физических лабораториях, и в них имелся только один элемент – пиксель, поэтому, чтобы получить изображение, приходилось методично водить телескопом по сетке неба. Датчики были дорогими, капризными и ненадежными – как итальянский спорткар. К середине 1990-х гг. стали использоваться первые мегапиксельные матрицы, и цифровая инфракрасная астрономия выросла до полноценной науки – с оптической астрономией этой случилось на 15 лет раньше[155].

Второй проблемой оказалась высокая плотность звезд – из-за нее изображения накладывались друг на друга или сливались[156]. Представьте 10 млн звезд в пределах нескольких световых лет от центра Млечного Пути. Эта плотность в 50 млн раз выше, чем в окрестностях Солнца. Если бы мы жили там, то ночное небо представляло бы собой ослепительное зрелище. Миллионы звезд сияли бы в сотни раз ярче полной Луны; под звездным небом можно было бы читать газету. Однако, в такой обстановке практически невозможно заниматься оптической астрономией. Хуже того, под большим вопросом была бы жизнь на планетах. Взрывы сверхновых были бы обычным делом и могли происходить в непосредственной близости, то есть уничтожать все живое. Частое взаимодействие звезд нарушало бы стабильность планетных систем, и планеты выбрасывало бы в открытый космос. Помехи движению кометных облаков на периферии солнечных систем приводили бы к столкновениям и массовым вымираниям биологических видов намного чаще, чем это происходило на Земле. Мы находимся на тихой окраине Млечного Пути – и должны быть благодарны за это.

Соединение двух технологий – массивов детекторов ИК-излучения и методов увеличения резкости астрономических изображений – позволило поставить увлекательный эксперимент. Делаем максимально четкие инфракрасные изображения центра Галактики. Находим звезды в пределах нескольких световых лет от компактного радиоисточника, движущихся настолько быстро, чтобы иметь возможность наблюдать их перемещение от года к году. Затем используем их орбиты, чтобы вычислить массу в центральной области нашей Галактики.

Первой этот эксперимент поставила исследовательская группа из Института Макса Планка возле Мюнхена. Она использовала 3,5-метровый телескоп в Чили, построенный специально для создания идеально четких снимков. Через два года группа Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе начала такой же эксперимент с помощью только что построенного десятиметрового телескопа обсерватории Кека на Гавайях – самого большого в мире. Обеим группам пришлось решить проблему нечетких изображений, причиной чему была земная атмосфера. Если вы посмотрите на звезду в телескоп из идеального места для астрономических наблюдений, то увидите яркое светящееся ядро, хаотически пляшущее и трепещущее в окружении вспыхивающих и исчезающих пятнышек света. Эти пятнышки вызываются быстрыми изменениями плотности воздуха и температуры в верхних слоях атмосферы Земли, которая искажает свет, делая изображение размытым и рваным. При фотографировании с длинной выдержкой световые пятнышки нивелируются, и звезда выглядит ровной, но нечеткой. Короткая выдержка «замораживает» атмосферу. Ученые обрабатывают, сдвигают и накладывают эти изображения друг на друга, получая намного более четкую фотографию, но это очень кропотливый и медленный процесс. Нужно проанализировать и наложить друг на друга тысячи изображений, каждое с выдержкой в десятые доли секунды, чтобы получить единственную четкую фотографию.

После нескольких лет использования такого трудоемкого метода ученые выделили несколько десятков звезд в области их высокой концентрации и отследили их движение по эллиптическим орбитам (илл. 28). Данные по каждой звезде использовались для оценки массы, которая отвечает за групповые перемещения звезд[157].

Обе группы исследователей пришли к одному и тому же поразительному выводу: некоторые звезды, находящиеся ближе к центру Галактики, движутся быстрее 130 км/с, а предполагаемая масса в нескольких центральных световых годах Галактики в миллионы раз больше массы Солнца. Однако ничего похожего на звездный свет в подобных количествах из этой области не исходило. Даже гипотеза о плотном скоплении тусклых звезд не смогла объяснить такую концентрацию массы в центре, учитывая порядок величины. Возможен был только один ответ: одиночный компактный темный объект в миллионы солнечных масс. Сверхмассивная черная дыра находилась в шаге от нашего дома.

Звезды на краю бездны.

Как писал Роберт Фрост: «Мы танцуем по кругу и гадаем, а Тайна сидит в центре и знает». Природа ревниво охраняет свои секреты, и, чтобы пролить на них свет, нужны настойчивость и решимость. Поиск доказательств массивной черной дыры в центре Млечного Пути стал примером яростного соперничества в астрономии.

Одну сторону в этом состязании представлял Райнхард Генцель. Рыжеволосый здоровяк, краснолицый и усатый, Генцель являлся директором Института внеземной физики общества Макса Планка в немецком Гархинге, занимая одну из самых завидных должностей в астрономии. Директоров различных институтов Макса Планка назначает элитная научная организация Германии – Общество Макса Планка, и должность сохраняется пожизненно. Они получают абсолютную власть над всей иерархической системой и могут использовать ресурсы крупной организации на исследовательские цели по собственному выбору. Генцель был назначен директором всего в 34 года, его группа первой опубликовала результаты исследования центра Галактики и заявила о наличии там темного компактного объекта.

Другую сторону в гонке возглавила Андреа Гез. Уроженка Нью-Йорка итальянского происхождения, она в четырехлетнем возрасте объявила матери, что хочет стать первой женщиной на Луне. Вместо этого Андреа Гез стала астрономом, получив научные степени в Массачусетском технологическом институте (МТИ) и Калтехе. Уже в 29 лет она стала доцентом Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, впервые получив возможность посмотреть на центр Галактики при помощи телескопа «Кек» на Гавайях. На следующий год Андреа Гез вернулась в ту же обсерваторию и увидела, что за короткий промежуток времени звезды переместились: «Если там черная дыра, они должны были весьма существенно сдвинуться. И в тот первый год мы с легкостью могли заметить, что звезды сдвигались – это привело нас в трепет. Думаю, отказ инструмента в начале ночи только усилил наше волнение. Очень трудно получить время в обсерватории Кека – возможно, вам выделят лишь несколько ночей в год. ‹…› И вдруг все заработало – уже почти перед заходом центра Галактики. После захода мы ничего бы не увидели, но мы получили изображение»[158].

В астрономии случаются и моменты открытий, и периоды многолетнего скрупулезного сбора данных и медленного приближения к окончательному доказательству. В этом случае обе исследовательские группы, возглавляемые соответственно ученым с неограниченными возможностями[159] и женщиной – стремительно восходящей звездой[160], знали, где и что именно нужно искать. Успех зависел от упорства и тщательности в разработке методики эксперимента.

В начале 2000-х гг. немецкая группа перешла с 3,5-метрового телескопа на 8,2-метровый «Очень большой телескоп» (Very Large Telescope, VLT), за который отвечает Европейская южная обсерватория в Чили. В середине 2000-х гг. обе группы начали использовать адаптивную оптику[161] – важнейшую инновацию, которая изменила современную астрономию: теперь ученые могли «обманывать атмосферу» и получать изображения настолько четкие, насколько позволял дифракционный предел использовавшихся ими больших телескопов. Благодаря этой технике создаваемые атмосферой размытые и искаженные изображения сразу же компенсируются гибким вторичным зеркалом. Свет мощного лазера заставляет светиться атомы в верхней атмосфере выше тех слоев, где возникают турбулентные потоки. Мельчайшие отклонения фронта световой волны измеряются со скоростью в сотни раз в секунду, а команды на корректировку передаются механическим приводам в задней части вторичного зеркала.

Адаптивная оптика позволила ученым применить законы Кеплера к звездам, наблюдаемым в центре Галактики, – движущимся словно рой разъяренных пчел. За одной звездой следили на протяжении всей ее 16-летней орбиты[162]. Астрономы также наблюдали процесс разрыва звезды или газового облака на части при попадании в зону сильной гравитации[163]. Вероятно, вещество, поглощенное черной дырой, вызвало серию рентгеновских вспышек в 2014 г. Пользуясь законами Кеплера, ученые вывели массу объекта, вызывающего движение этих звезд. Американская и немецкая группы боролись за почетный приз. Тем временем радиоастрономы доказали, что радиоисточник не превышает предполагаемого размера горизонта событий[164]. Расчетная масса оказалась в 4,02 млн раз больше массы Солнца с погрешностью всего 4 %[165]. Поскольку такие расчеты теперь возможны, у ученых больше нет необходимости в употреблении слов «кандидат» и «гипотетический» при работе над научными статьями. Существование сверхмассивной черной дыры получило неопровержимое доказательство.

Темное ядро в каждой галактике.

Квазары встречаются чрезвычайно редко – в миллион раз реже нормальных галактик[166]. В среднем, чтобы найти один квазар, приходится обследовать область пространства со стороной в миллиард световых лет. После открытия активных галактик астрономы заинтересовались, проходит ли активную фазу каждая галактика? Блестящий молодой теоретик из Англии высказал важную догадку.

Дональд Линден-Белл имел самые разносторонние интересы. Прежде чем обратить внимание на квазары, он занимался гидродинамикой, эллиптическими орбитами звезд в галактиках, отрицательной теплоемкостью и гравитационным эффектом бурной релаксации. В пророческой статье 1969 г. Линден-Белл пришел к следующему умозаключению: квазары имеют активные периоды и редко бывают очень яркими. По его оценкам, широко распространены мертвые квазары и ближайший может быть менее чем в 10 млн световых лет от нас (всего в четыре раза больше расстояния до галактики Андромеды). Он утверждал, что темные центральные массы должны собирать вокруг себя многочисленные звезды, по влиянию на которые их можно обнаружить[167].

Мне было 12 лет, когда Линден-Белл написал эту статью, и я прочел ее намного позже, но в тот момент она повлияла на мою жизнь. Мы с отцом отправились на машине по южной Англии: навестили родственников в Гастингсе, посидели на галечном пляже в Брайтоне, а затем направились через Саут-Даунс в замок Херстмонсо. Практически идеальный замок – средневековое сооружение из красного кирпича, окруженное рвом, – но в том возрасте я уже не интересовался замками. В поисках других развлечений отец заметил указатель на Гринвичскую обсерваторию, занимавшую часть замка. Через полчаса начиналась лекция.

Дональд Линден-Белл расхаживал туда-сюда за кафедрой, погруженный глубоко в свои мысли. Мы заняли места и скоро поняли, что материал нам не по зубам. Акцентируя на чем-то свое особое внимание, Линден-Белл энергично жестикулировал, бросался к доске и рисовал бесконечные и загадочные уравнения. Он рассказывал о галактиках и черных дырах. Понять лекцию можно было лишь в самых общих чертах.

Я не представлял, чем буду заниматься в жизни, и подумывал о карьере фермера, архитектора или летчика, но теоретик в твидовом пиджаке чем-то меня зацепил. Он рассказал, что в космосе – великое множество галактик, которые необходимо исследовать. Что в этих галактиках находятся темные объекты, которые можно понять с помощью красивой математики. Он был восхищен тем, что Вселенная – постижима, и его восхищение передавалось всем вокруг. Первое зерно упало на почву моей души.

Линден-Белл предполагал, что все массивные галактики имеют в ядре сверхмассивную черную дыру и что квазары редки, потому что лишь малую часть своей жизни активно поглощают газ. Мы видим только ничтожную долю «работающих» квазаров. Большинство погрузилось в спячку, поскольку рядом не осталось пищи, и их пульс и жизненные показатели опустились до очень низких уровней.

Как найти нечто компактное, массивное и темное в центре галактики? Это зависит от того, насколько возможно выделить центральную область, где гравитацией управляет черная дыра, – сферу ее гравитационного влияния. В пределах радиуса этой сферы за перемещение звезд и газа отвечает черная дыра. Вне этого радиуса движение задается главным образом звездами вблизи центра галактики; влияние черной дыры не столь существенно. В большой галактике с внушительной черной дырой в 100 млн солнечных масс это расстояние составляет около 10 парсек, или 33 световых года[168]. Это чрезвычайно близко к центру галактики диаметром 100 000 световых лет: если бы галактика была величиной с суповую тарелку, область влияния черной дыры имела бы размер пылинки. В далекой галактике очень трудно наблюдать движение звезды или газа ввиду крошечного масштаба[169].

Мы вычислили, что черная дыра в центре нашей Галактики находится всего в 27 000 световых лет от нас, в 100 раз ближе центра ближайшей большой галактики – Андромеды. Астрономы могут выбирать звезды в интервале, который в тысячу раз меньше сферы гравитационного влияния, что дает достоверные сведения о массе черной дыры. Таков «золотой стандарт» обнаружения массивной черной дыры – однозначного подтверждения ее существования. Однако ученые также очень хотели найти спящие черные дыры и в других галактиках. Они возложили свои надежды на космический телескоп «Хаббл».

В 1990 г., когда телескоп был выведен на орбиту, всех постигло горькое разочарование. «Хаббл» был создан, чтобы получать сверхчеткие изображения с орбиты Земли, в 10 раз более резкие, чем у лучших наземных телескопов. Но первое изображение, полученное с телескопа «Хаббл», повергло официальные лица NASA в оторопь, а затем в жгучий стыд. При итоговых испытаниях в лаборатории была допущена ошибка, из-за чего главное зеркало имело сферическую аберрацию, и изображения получались искаженными. СМИ неверно поняли суть проблемы и заявили, будто для «Хаббл» использовалось дешевое некачественное зеркало. В действительности же это было безупречно изготовленное зеркало, отшлифованное до идеально неправильной формы из-за неверного расположения калибровочной линзы во время лабораторного тестирования. На исправление ошибки ушло три года, был отправлен шаттл с очень рискованной миссией: астронавты должны были работать 35 часов в открытом космосе, чтобы решить эту проблему[170]. Когда телескоп был полностью отлажен, он начал делать идеально четкие изображения ядер галактик с расстояния в десятки миллионов световых лет[171].

Для поиска черных дыр в ближних галактиках телескоп ориентируют так, чтобы ядро галактики находилось в пределах узкой щели спектрографа. Можно получать спектры при разных положениях ядра вдоль щели, соответствующие разным расстояниям от центра галактики. Ширина спектральных линий определяется средней скоростью движения вещества. В спиральных галактиках по эмиссионным линиям измеряется скорость газа. В эллиптических галактиках по линиям поглощения измеряется скорость звезд[172]. Красноречивое свидетельство наличия черной дыры – резкое увеличение разброса скоростей газа или звезды непосредственно у центра галактики (илл. 29). Ближайшей крупной концентрацией галактик является скопление Девы в 60 млн световых лет. Для галактики этого скопления угловой размер сферы гравитационного влияния составляет 0,14 угловой секунды. Это всего в два раза больше углового разрешения спектрографа телескопа «Хаббл», поэтому поиск черных дыр на таких расстояниях велся на пределе его возможностей.

Десятилетие медленной и трудной работы увенчалось успехом: в ближних галактиках было зарегистрировано около двух десятков черных дыр[173]. Наша ближайшая соседка, галактика Андромеды (М31), имеет черную дыру в 100 млн солнечных масс, окруженную скоплением молодых голубых звезд. Мы пока не вполне понимаем, как они формируются и выживают в экстремальных условиях[174], хотя это, возможно, общее явление для спиральных галактик. Карликовый компаньон галактики Андромеды М32 также имеет черную дыру – чуть менее массивную, чем в центре Млечного Пути, в 3,4 млн масс Солнца, в пределах области пространства менее одного светового года[175]. На другом полюсе шкалы размеров – радиоисточник Дева А, о котором теперь известно, что это гигантская эллиптическая галактика М87. Черная дыра в центре М87 – настоящее чудовище, в 6,4 млрд раз массивнее Солнца[176]. Ее горизонт событий больше Солнечной системы! Черные дыры в локальной вселенной сильно различаются размерами, имея разброс масс в 2000 раз.

Через 40 лет после написания своей провидческой статьи Линден-Белл поднялся на сцену в Осло, чтобы получить первую премию Кавли. Рядом с ним стоял не менее выдающийся ученый – Мартен Шмидт, первооткрыватель квазаров. Догадка Линден-Белла о черных дырах идеально дополнила открытие Шмидта: в сердце каждой галактики таится тьма.

Рис, барон из Ладлоу, укрощает чудовище.

Всего за десять лет черные дыры превратились из теоретической концепции для посвященных в центральный элемент эволюции массивных звезд – после объяснения активности в ядрах галактик. В те времена Кембриджский университет был самым подходящим местом для теоретика. Там Дональд Линден-Белл в 1961 г. получил степень доктора философии и написал свою основополагающую статью в 1969-м, а Стивен Хокинг стал доктором философии в 1966 г. и написал статью об излучении черных дыр в 1974-м. Мартин Рис получил докторскую степень через год после Хокинга и написал свою классическую статью о сверхмассивных черных дырах в 1974 г.

Именно Мартин Рис – тогда еще не имея титула лорда – подвел прочный теоретический фундамент под утверждение о роли сверхмассивных черных дыр как гравитационных машин. Для любого изучающего космологию Рис – это титан. Его награды неисчислимы: премия Темплтона, медаль Дирака, премия Ньютона, медаль Кэтрин Брюс, премия Декарта, японский орден Восходящего солнца, британский Орден заслуг. Он являлся президентом Королевского научного общества, магистром кембриджского Тринити-колледжа, директором Астрономического института, профессором почетной кафедры астрономии и экспериментальной философии Томаса Плума в Кембриджском университете и Королевским астрономом Великобритании (неизменно скромный в отношении своих профессиональных достижений, Рис назвал свои должностные обязанности на этом посту «настолько необременительными, что их можно было бы исполнять посмертно»).

Поэтому перед нашим знакомством я приготовился к чему-то грандиозному. В реальности же это был коротышка с орлиным носом и пронзительными серыми глазами, с такой негромкой речью, что приходится наклоняться, чтобы его расслышать, с характерными ритмичными модуляциями уроженца Шропшира (илл. 30). Рис доказал, что аккреция на вращающуюся черную дыру может вызывать парные релятивистские джеты и нетепловое излучение во всем электромагнитном спектре, от метровых радиоволн до гамма-лучей с длиной волны меньше размера протона[177].

Активные галактики – многоплановые феномены, для понимания которых нужен целый арсенал наблюдений на разных длинах волны и методов изучения. Они представляют живой интерес для теоретиков, но трудны для наблюдения. Размытые лепестки радиоизлучения могут простираться на миллионы световых лет от галактики. Подпитка центральной массивной черной дыры зависит от ближайшего окружения и содержания газа в родительской галактике. Есть центральная область звездообразования и пылевой тор – в масштабе нескольких сотен световых лет. В центре тора, в пределах от световых недель до световых месяцев, плотные облака быстро движущегося газа генерируют широкие эмиссионные линии. Еще ближе к центру, в масштабе размеров Солнечной системы, интенсивное ультрафиолетовое и рентгеновское излучение производит горячий аккреционный диск. Это излучение распределено по всему диапазону длин волн в виде непрерывного спектра. Наконец, в центре космической матрешки находится сверхмассивная черная дыра[178].

В частности, именно стараниями Риса аккреция на черную дыру стала парадигмой функционирования активных галактик, которую редко подвергали сомнениям. На конференции 1977 г. астрофизик Ричард Маккрей высмеял склонность астрономов (и ученых вообще) подпадать под влияние популярных идей. Он продемонстрировал диаграмму со схематичными фигурками и границами, отмеченными пунктирными линиями: одна обозначала сферу гравитационного влияния, другая – горизонт событий черной дыры (илл. 31). Вот его собственное описание рисунка и соответствующего социологического явления: «Система характеризуется двумя радиусами. Вне радиуса аккреции астрофизики занимаются другими проблемами и не испытывают существенного влияния этой модной идеи. Те же, кто находится внутри радиуса, тонут в этой идее с головой. Коммуникация между индивидами слаба, поскольку они находятся на случайных баллистических траекториях, в зависимости от начальных условий. В стремлении стать первыми они почти всегда промахиваются мимо центральной точки и отлетают по той или иной касательной. При достаточном количестве астрофизиков, сплотившихся вокруг идеи, должна происходить коммуникация, но обычно это выливается в жесткие столкновения. ‹…› Единственный долгосрочный эффект – это то, что некоторые индивиды могут пересечь горизонт рациональности, за которым модная идея становится символом веры. Эти несчастные уже не смогут вернуться назад»[179]. Презентация Маккрея была шуткой. Он находил аргументы в пользу черной дыры убедительными, но напоминал коллегам о необходимости сохранять здоровый скептицизм.

Напомню, что к середине 1980-х гг. только в Млечном Пути было найдено убедительное доказательство существования массивной черной дыры. В одну из своих статей Рис включил схему, показывающую, как газ из межгалактической среды просачивается в галактику и медленно прокладывает себе путь к области ядра. Этот газ, а также газ, выброшенный эволюционировавшими звездами, способствует формированию центрального звездного скопления – плотной группы многих тысяч звезд, собранных вместе гравитацией. Звездное скопление не может выдержать гравитации такого множества звезд и коллапсирует в черную дыру, которая растет, поглощая газ и звезды. Хотя это была только схема, Рис представил убедительные физические доказательства каждого шага. В результате формирование черной дыры представляется неизбежным. В этом – талант величайших ученых: излагать сложные аргументы так, что они кажутся очевидными.

Как изучать Вселенную с помощью квазаров.

Пока что мы пытались заглянуть внутрь массивной черной дыры и понять ее через изучение влияния на окружение. Но оказалось, что с помощью черных дыр можно исследовать еще более крупный темный компонент Вселенной. Метод использует квазары как мощные источники света, видимые с огромных космических расстояний.

Когда открыли квазары, их красное смещение говорило о том, что они находятся очень далеко. Через два года после открытия было зарегистрировано рекордное красное смещение z = 2, означающее, что свет идет 10 млрд лет – 75 % возраста Вселенной. На момент открытия квазаров всего лишь z = 0,4 считался рекордом красного смещения нормальной галактики, что соответствует распространению света в течение 33 % времени существования Вселенной. Использование сверхмассивных черных дыр как далеких прожекторов положило начало новому направлению в астрономии.

Представьте очень длинный черный ящик, темный внутри, но с открытыми торцами. Если посветить в ящик узкими лучами света и попробовать увидеть их с другой стороны, можно понять, есть ли что-нибудь внутри. Препятствие полностью перекроет путь свету, а туманная среда – например, газ – сделает свет тусклым. Когда астрономы с помощью спектроскопии детально проанализировали свет квазаров на разных длинах волн, то увидели, что равномерно распределенный свет испещрен «выемками» с отсутствующим или поглощенным светом. Важность этого поглощения впервые осознали 200 лет назад, когда Йозеф Фраунгофер построил карту темных узких линий в спектре Солнца, а Густав Кирхгоф доказал, что эти линии порождаются химическими элементами в относительно холодной солнечной атмосфере.

В спектрах квазаров встречаются линии поглощения двух типов[180]. Линии поглощения – это узкие темные области спектра, возникающие из-за того, что излучение данных частот было поглощено объектами в пространстве, которое преодолел свет. Есть линии, порожденные элементами, образующимися в звездах, например неоном, углеродом, магнием и кремнием. И есть скопище линий поглощения водорода на коротких волнах. После долгого изучения стало ясно, что первый тип линий связан с химически обогащенным газом в галактическом гало на луче зрения в направлении на квазар. Линии водорода обязаны своим происхождением первичному водороду в огромном космическом пространстве между галактиками (илл. 32)[181].

Абсорбционная спектроскопия чувствительна даже к крохотным количествам газа и позволяет зарегистрировать тусклые или темные газовые облака всего в 10–100 солнечных масс на расстоянии в миллиарды световых лет. Модель расширяющейся Вселенной определяет соотношение между красным смещением и удаленностью, поэтому спектр, то есть карту длин волн, легко превратить в карту красного смещения или расстояния. Как в нашей недавней аналогии, длинный черный ящик – это путь через Вселенную, квазары – маяки в его дальнем конце, астрономы получают спектры маяков, чтобы узнать, какое вещество находится в промежуточном пространстве. Это своего рода пробы, взятые из ядра Вселенной, указывающие на «слои» вещества по космическим, а не геологическим эпохам. Были обнаружены квазары с большим красным смещением – z = 7, и эти образцы могут охватывать 95 % возраста Вселенной. Спектры поглощения квазаров позволили доказать, что в межгалактическом пространстве содержится в восемь раз больше вещества, чем во всех звездах всех галактик Вселенной[182].

Квазары также используются и как зонды для исследования Вселенной. Вернемся к свету, проходящему через «длинный черный ящик» Вселенной. Пространство по большей части пусто, но есть маленький шанс, что свет далекого квазара пройдет напрямую через галактику или скопление галактик. Согласно общей теории относительности Эйнштейна, свет будет отклонен массой встречного тела. При идеальных условиях точечный источник света, квазар, превращается в круг света – так называемое эйнштейновское кольцо. При небольшом отклонении точечный источник выглядит как двойное изображение[183]. Вероятность этого всего 1 %, поэтому, пока не были открыты сотни квазаров, это явление не наблюдалось. Поскольку линзирование работает как для темной, так и видимой материи, оно послужило доказательством того, что темная материя – обязательный компонент галактик, и ее в шесть раз больше по массе, чем обычной материи.

Квазары являются великолепным инструментом изучения Вселенной, – и это неожиданный бонус. Во Вселенной – десять тысяч миллиардов звезд в нескольких сотнях миллиардов галактик. Однако квазары говорят о том, что значительно большая масса находится в пространстве между галактиками, а еще больше массы является темной и ее невозможно обнаружить никакими другими способами. Все звезды и галактики составляют лишь 2 % вещества Вселенной!

Черные дыры: счет на тысячи.

Давайте вернемся к истории открытия квазаров. Чтобы обнаружить и понять квазары, нужна спектроскопия. Оптический спектр используется для измерения красного смещения, с помощью которого можно рассчитать светимость. По высококачественному спектру измеряется масса черной дыры. Однако процесс шел медленно. Большие телескопы могли получать спектр лишь одного кандидата за раз. На протяжении 1960-х и 1970-х гг. постепенно число известных квазаров выросло – от нескольких десятков до нескольких сотен.

Первый прорыв был совершен благодаря телескопам со специальной оптикой, позволяющей делать изображения больших сегментов неба. Строительство телескопа Шмидта с широким полем в Паломарской обсерватории было завершено в 1948 г., и в течение 1950-х гг. он использовался для исследования всего неба Северного полушария в двух цветах. Было получено почти 2000 фотографических пластинок. Каждая пластинка охватывает 36 квадратных градусов – это примерно размер сжатого кулака с расстояния вытянутой руки. Исследование финансировало Национальное географическое общество в рамках дополнительной космической программы, входящей в работы по картированию мира. Близнец паломарского «Шмидта» был построен в Австралии, с его помощью южное небо исследовали на протяжении 1970-х гг. Каждое изображение включало миллион галактик и 10 000 квазаров и активных галактик.

Для поисков 1 % галактик с активностью в ядре требуется дополнительная информация. Инженеры-оптики сконструировали большую призму, которую поместили на оптическом пути телескопа Шмидта. Через нее каждый слабый источник света размазывался в крохотный спектр на фотопластинке. Квазары имеют четкие и широкие эмиссионные линии; и ученые надеялись, что они будут различимыми, поскольку эмиссионная линия будет выглядеть как капля поверх полосы (илл. 33). Чтобы находить квазары на глаз, требовался огромный опыт, но были созданы приборы, способные сканировать и оцифровывать пластинки и искать квазары с помощью алгоритмов, отличающих их от более многочисленных звезд и галактик.

В охоте на квазары я применял именно этот метод. Дело было в Кунабарабране, в горах Варрамбангл австралийского штата Новый Южный Уэльс. Этот сонный городок на краю Аутбэка служит базой для британского телескопа Шмидта – близнеца «Шмидта» из Паломарской обсерватории, расположенного в Южном полушарии[184]. Меня отправили туда как магистранта Эдинбургского университета для участия в исследовании с использованием фотографической призмы. Попасть из мрачной шотландской зимы в жаркое австралийское лето было весьма приятно. Несколько дней после прибытия я тренировался в фотолаборатории, затем ночами вел наблюдения и проявлял фотопластинки, после чего отправлялся спать. Длина фотопластинки была 35 см, толщина – миллиметр, и управляться с ними в темноте было очень сложно. Это давняя история, но до сих пор я с болью вспоминаю, как перебил дюжину таких пластинок и потерял результаты многих часов работы телескопа. Иногда боль была реальной – края пластинок были остры, как бритва, и моя кровь капала в проявитель или фиксаж.

При ясном небе и правильной выдержке фотопластинок результат стоил затраченных усилий. Каждая пластинка представляла собой негатив с бледно-серым фоном и тысячами маленьких темных черточек, представлявших собой спектры. Я спал до ланча, а во второй половине дня помещал пластинки на просмотровый стол и изучал их под микроскопом. Я охотился за ускользающей черточкой с каплей на голубом конце, похожей на головастика. Капля являлась линией излучения водорода, которая отличает квазар от горячей звезды. Я помню свой восторг после обнаружения первого квазара, и это ощущение не утратилось после того, как я нашел еще несколько десятков – хотя после долгих часов вглядывания в микроскоп у меня все плыло перед глазами. Каждый из этих маленьких головастиков был массивной черной дырой на расстоянии в миллиарды световых лет, извергающей потоки излучения во Вселенную. Отловив сотый квазар, я отметил это походом в горы, где мне пришлось продираться через дикие заросли. За ужином местные астрономы потешались надо мной как могли, напомнив мне, что в Австралии обитают три из пяти самых смертоносных пауков и четыре из пяти самых ядовитых змей в мире.

Второй прорыв произошел в 1990-х гг., когда фотопластинки заменили крупноформатными электронными детекторами, или ПЗС[185]. Через волокна и щели свет сотен объектов собирается и проектируется на ПЗС. Теперь у больших телескопов есть спектрографы, охватывающие один квадратный градус и более – что в несколько раз больше площади полной Луны. Исключительным инструментом охоты на квазары является 2,5-метровый телескоп, через который осуществляется Слоуновский цифровой небесный обзор. Телескоп не входит в 50 крупнейших телескопов мира (как, впрочем, и космический телескоп «Хаббл»), но превосходный спектрограф и ПЗС обеспечивают ему исключительную мощь. С его помощью измерили красное смещение 2 млн галактик и 500 000 квазаров (илл. 34). Что принципиально важно, эти цифровые спектры намного качественнее маленьких черточек, по которым я находил квазары в 1970-е гг. Спектры Слоуновского обзора имеют такое высокое качество, что по ним можно измерять массу черной дыры.

Мы видели, как трудно «взвесить» сверхмассивную черную дыру. Вес ближайшей из них, находящейся в центре нашей Галактики, был точно определен с помощью одиночных звезд, движущихся вокруг нее по эллиптическим орбитам. Второе точное измерение массы черной дыры было осуществлено в 1995 г., когда радиоастрономы открыли водяные мазеры – длинноволновые аналоги лазеров, возникающие, когда в газе (в данном случае молекулы воды) естественным образом складываются условия для мощного излучения. Именно это происходит в тонком диске, обращающемся вокруг центра соседней активной галактики NGC4258. В других галактиках также наблюдается мазерное излучение молекул воды в плотных центральных областях, и образующиеся спектральные линии позволяют очень точно измерить скорости мазеров радиоволновыми методами[186]. В NGC4258 местонахождение и скорости мазеров соответствуют законам движения Кеплера и позволяют оценить центральную массу в 39 млн солнечных масс с погрешностью всего 0,3 %. Мазерное излучение наблюдается на расстояниях не более одного светового года от центра галактики, что в 1000 раз меньше радиуса сферы гравитационного влияния. Это означает, что столь большая масса сконцентрирована в области, которая в норме должна содержать лишь несколько сотен звезд. Единственное достоверное объяснение – черная дыра. Мазерное излучение – редкость, и повторить такой эксперимент трудно, но скоро, возможно, это удастся благодаря интерферометрии на миллиметровых волнах[187].

Массу спящих черных дыр галактик в наших космических окрестностях можно оценить по движению газа или звезд вблизи их ядер, но несколько десятилетий этой работы принесли результаты всего по 70 черным дырам. Применить этот метод дальше скопления Девы, до которого около 60 млн световых лет, при нынешней технологии невозможно.

Квазары, как мы видели, имеют сверхмассивные черные дыры, действующие как гравитационные машины по преобразованию падающей в них массы в мощное излучение. Почему бы не оценивать массы черных дыр по яркости? Хорошая идея, но неприменима на практике. Яркость различных квазаров, в отличие от настоящих прожекторов со стандартными характеристиками, разнится в тысячи раз. У конкретной черной дыры яркость зависит от эффективности аккреции, скорости осевого вращения и количества газа и пыли в центральной области. К сожалению, по мощности квазара невозможно судить о массе черной дыры.

Как только показалось, что дальше двигаться некуда, астрономы предложили новый изящный метод оценки массы черной дыры в ближних активных галактиках. Он использует одну из отличительных особенностей квазара – широкие эмиссионные линии. Горячий газ, порождающий эти линии, находится в пределах одного светового года от центрального объекта, поэтому его движением управляет черная дыра. Газ в этой области должен подчиняться простому уравнению M_BH ? RV²/G, где G – гравитационная постоянная, а V – скорость газа. При помощи того же уравнения мы можем вычислить массу Солнца, зная расстояние до обращающейся вокруг него планеты и ее скорость. В случае черной дыры скорость обращающегося газа легко вывести из ширины линий излучения. Неизвестным остается только R – размер области, в которой рождаются широкие эмиссионные линии. Различные предположения в физике оценивают его в 0,01 парсек, или 10 световых дней, – в десять раз больше Солнечной системы (илл. 35)[188]. Это слишком мало, чтобы область стала различимой даже через самый сильный телескоп – для большинства галактик. Как ее измерить? Оригинальный метод опирается на конкретный факт: интенсивность света квазаров и активных галактик непостоянна.

Давайте представим себе эту ситуацию. Аккреционный диск, обеспечивающий колоссальную яркость квазара, весьма мал – мы будем считать его точечным источником света. Его яркость меняется на интервале нескольких дней, что стало одним из первых аргументов в пользу сверхмассивных черных дыр, поскольку источник не может быть больше времени перемещения света через его поперечник. Логика этого аргумента такова: если причиной изменения яркости является единственный объект, то чем быстрее она меняется, тем меньше должен быть этот объект. Свет из центральной точки источника проникает наружу и через некоторое время сталкивается с быстро движущимся газом, порождающим эмиссионные линии. Этот газ повторяет изменения яркости центрального источника света («отзывается эхом») с задержкой t, определяемой временем движения света через газ: t = R/c, где с – скорость света. Метод называется эхо-картированием, поскольку мы составляем карту «эха» для колебаний света от точечного источника. Время прибытия отзвуков указывает на размер области горячего газа.

Необходимо вести несложные, но тщательные наблюдения. Начинается наблюдательная «кампания»: телескопы по всему миру измеряют спектры отобранных квазаров или активных галактик. Если несколько телескопов в разных точках мира обеспечивают круглосуточное наблюдение за изменениями светимости, это гарантирует получение данных, даже если в одном или двух местах наблюдения невозможны из-за облачности. Спектры собирают в течение недельных наблюдений, повторяющихся несколько раз в год, поэтому в выборку попадают все временные шкалы, от нескольких дней до нескольких месяцев. Газ, вызывающий свечение эмиссионных линий, «откликается» на излучение черной дыры с задержкой, равной времени движения света до него. Эта задержка позволяет определить размер области свечения широких спектральных линий, который, в свою очередь, дает информацию о массе черной дыры[189].

Итак, эхо-картирование основывается на временном, а не пространственном разрешении. Метод был впервые применен к NGC5548 – одной из активных галактик, открытых Сейфертом; черная дыра в ее центре в 65 млн раз массивнее Солнца, с погрешностью 4 %[190]. Кампании интенсивного мониторинга с использованием малых телескопов позволили установить массы 60 черных дыр ближних активных галактик[191]. Исследования показывают: чем мощнее активная галактика, тем больше ее область быстро движущегося газа.

Здесь начинается самое интересное. Кропотливая работа по эхо-картированию показывает, как размер области свечения эмиссионных линий соотносится со светимостью активной галактики. Теперь вместо долгосрочного мониторинга с сотнями или тысячами измерений по интересующей нас активной галактике можно оценивать массу черной дыры по одному-единственному спектру. Ширина линий излучения дает V, а светимость – R, и это все, что нужно для решения уравнения M_BH ? RV²/G. Массы черных дыр рассчитываются по единичным спектрам с погрешностью в три раза большей, то есть 300 %, – этого достаточно для статистики. Больше не нужно тратить месяцы наблюдений на определение массы одной черной дыры – можно за одну ночь оценить массы ста черных дыр. Уже опубликованы массы десятков тысяч этих объектов[192]. Астрономы собирают урожай черных дыр в промышленных масштабах.

Энергия аккреции в космосе.

Материя падает в черную дыру и нагревается. Кроме того, энергия вращения черной дыры ускоряет частицы, которые затем испускают излучение. Это чрезвычайно эффективный процесс. Если определять эффективность отношением выделенной энергии к энергии массы всех входящих ингредиентов, то эффективность аккреции черной дыры составит около 10 %. Для сравнения: у ядерного распада или синтеза этот показатель равен 1 %, а у химических процессов с выделением энергии – 10^–7%. Материя может высвободить 10 % своей массы-энергии просто в процессе падения!

Сколько нужно массы, чтобы превратить сверхмассивную черную дыру в квазар? Не слишком много. Чтобы черная дыра в 100 млн солнечных масс выделяла энергию уровня квазара, 10³⁹ Вт при эффективности в 10 %, она должна поглощать всего одну массу Солнца за год[193]. Вдумайтесь, проглатывая лишь одну звезду в год, черная дыра может сиять ярче целой галактики со всеми ее звездами! Говоря словами Джона Апдайка: «В одной незамеченной звезде хватит энергии для всех небес, когда-либо выдуманных сумасшедшими»[194]. Однако питать черную дыру сложно, поскольку излучение квазара вызывает давление, отталкивающее материю от центрального источника. Оно аналогично давлению излучения, разворачивающему хвост кометы в противоположную от Солнца сторону. Для аккреции материи гравитация, направленная внутрь сверхмассивной черной дыры, должна превышать направленное вовне давление излучения.

Астрономам потребовалось много времени, чтобы составить полную картину аккреции в активных галактиках. Дело в том, что физические процессы вблизи черных дыр приводят к выделению энергии в огромном диапазоне частот[195]. Например, эталонный квазар 3С 273 был зарегистрирован на частотах от 10⁸ Гц до 10²⁴ Гц – разброс длин волн в 10 000 трлн раз, от трехметровых радиоволн до гамма-излучения длиной в одну треть размера протона (илл. 36). Однако из всего этого разнообразия наземные обсерватории способны зарегистрировать лишь широкую полосу радиочастот и узкий сегмент от ближней инфракрасной до оптической области. Для остального нужны специальные спутники на орбите Земли.

Если смотреть на Вселенную лишь в одной части электромагнитного спектра, информация о ней будет неполной: возникает проблема «слона и слепцов». Чтобы всесторонне изучить энергию аккреции, нужно увидеть слона целиком. Оказалось, что радиоизлучение, впервые привлекшее внимание к активным галактикам в 1950-х гг., – это очень малая часть энергии квазара. Излучение исходит от релятивистских электронов возле черной дыры и в парных джетах – назовем его хвостом слона. Следующим по значимости компонентом является высокоэнергетическое рентгеновское излучение, источником которого также являются релятивистские электроны, – это хобот слона. Еще более важное – инфракрасное излучение холодной пыли (температурой 10–100 кельвинов) находящейся еще дальше от черной дыры. Пыль – слоновья нога. Основную роль в энергии квазара играет аккреционный диск, очень близкий к черной дыре. Он имеет температуру около 100 000 кельвинов и выделяет большую часть своей энергии в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах[196]. Это основная часть слона, его тело.

Радиоизлучение позволило вычислить активные галактики, различимые на обычно тихом радионебе. Однако за несколько лет астрономы поняли, что большинство активных галактик невидимо при радиопоиске, так как имеет слабое радиоизлучение. Оптический поиск обнаружил в десять раз больше этих объектов, чем радиоисследования. Затем в 1980-е гг. специалисты по рентгеновской астрономии занялись слабым рентгеновским сигналом, наблюдающимся по всему небу[197]. Они предположили, что это сумма многих дальних источников – слишком слабых, чтобы зарегистрировать их по отдельности, но когда они добавили в картину расчетное рентгеновское излучение имевшихся оптических образцов активных галактик, оно оказалось в десять раз слабее рентгеновского фона. Проблема окончательно не решена, но теперь ясно, что рентгеновский фон создают активные галактики, выпадающие из оптических исследований[198]. Пыль делает их невидимыми. Наличие пыли может радикально изменить распределение энергий активной галактики, преобразуя оптическое излучение в инфракрасное. Пыль не влияет на фотоны рентгеновских лучей, поэтому рентгеновские исследования дают самую четкую и полную картину популяции активных галактик.

Массивные черные дыры – не страшные.

Давайте попробуем побороть страх, который вызывают черные дыры. Это не космические пылесосы, втягивающие в себя все, что их окружает. У них действительно есть сфера гравитационного влияния, как у любого тела, имеющего массу, но, если бы Солнце внезапно уплотнилось в черную дыру, гравитация на расстоянии Земли не изменилась бы, и ничем не потревоженная Земля продолжила бы движение по своей орбите (хотя восемь минут спустя людей чрезвычайно потревожила бы утрата солнечного света и энергии). Во-вторых, нам не грозит опасность повстречаться с черной дырой. Лишь малая доля звезд умирает как черные дыры, и в окрестностях Солнца нет черных дыр[199].

Ближайшая черная дыра звездной массы – V616 Mon. Она примерно в десять раз больше Солнца по массе и находится в 3000 световых лет. Следующая по удаленности – эталонная черная дыра Лебедь Х-1: 15 солнечных масс, дистанция 6100 световых лет. Однако еще много десятилетий у нас не будет технологий, чтобы посетить черную дыру – даже с помощью миниатюрных космических зондов, поэтому любой разговор о падающих в нее людях остается гипотетическим. Ближайшая массивная черная дыра – в 4 млн солнечных масс – находится в центре Млечного Пути на расстоянии 27 000 световых лет. Ближайшая сверхмассивная черная дыра расположена в центре гигантской эллиптической галактики М87 в 60 млн световых лет, в скоплении Девы. Это чудище «тянет» на целых 5 млрд масс Солнца.

Однако массивные черные дыры – вовсе не монстры. Формула радиуса Шварцшильда, определяющего горизонт событий, – R_s = GM/c², поэтому размер горизонта событий пропорционален массе. Он составляет 300 млн км, или двойное расстояние от Земли до Солнца, у черной дыры квазара – в 100 млн раз более массивной, чем Солнце. Поскольку с увеличением массы линейно растет размер, плотность в пределах горизонта событий падает пропорционально квадрату массы. Черная дыра звездной массы в три раза массивнее Солнца имеет плотность в 10 000 трлн раз выше, чем вода, тогда как черная дыра в центре галактики всего в 1000 раз плотнее воды. Черная дыра квазара в 100 млн солнечных масс имеет плотность всего 10 % плотности воды, а плотность самых больших черных дыр – еще в 10 000 раз меньше. Как же страшна черная дыра с меньшей плотностью, чем воздух, которым мы дышим!

Задумайтесь об этом. Если взять пространство размером с Солнечную систему и наполнить его воздухом, получилась бы черная дыра. А если бы вы создали достаточно большой океан, черная дыра всплывала бы в нем, как пузырь.

Пересечение горизонта событий массивной черной дыры, возможно, намного менее опасно, чем проникновение в черную дыру звездной массы. Как минимум спагеттификация гораздо менее вероятна. Ускорение вследствие силы растяжения быстро падает с увеличением массы компактного объекта. На горизонте событий черной дыры в 100 млн солнечных масс оно на порядки меньше ускорения вследствие земного тяготения. Бесстрашный путешественник пересек бы горизонт событий, ничего не почувствовав.

И здесь начинается самое отчаянное приключение космического путешественника из далекого будущего. Найдите черную дыру – подойдет любая, если она более чем в 1000 раз массивнее Солнца. Соберите друзей и родных в космическом корабле и держите их на безопасном расстоянии. Они будут знать, что видят вас в последний раз, поскольку выбраться из черной дыры невозможно. Затем отправьте свой корабль по курсу свободного падения на горизонт событий. Приближаясь к горизонту событий, помашите им как ни в чем не бывало. Друзья увидят, как растягивается и деформируется ваше изображение. Оно еще и покраснеет, поскольку фотонам придется преодолеть мощную гравитацию черной дыры. Вы же не увидите и не почувствуете ничего необычного, проходя через горизонт событий и направляясь к своей интригующей, но неведомой судьбе. Близкие же наблюдают прощальную сцену: незавершенный взмах рукой – и ваш образ растворяется в красном и застывает в вечности.

•••

Давайте подытожим, что мы узнали.

Хотя некоторые ученые прошлого предвидели существование черных дыр, для научного предсказания потребовалась совершенно новая теория гравитации. Их свойства настолько необычны, что даже автор теории Альберт Эйнштейн не верил в существование подобных чудовищ. Физики загорелись идеей черных дыр и с двойным рвением бросились приводить в соответствие теории гравитации и квантового мира.

Далее все зависело от наблюдателей. Реально не всё, что мы можем вообразить, разработать в теории и рассчитать. Черные дыры формируются, когда умирает массивная звезда, но они неразличимы для глаза, и их можно увидеть только тогда, когда они вращаются вокруг видимой звезды. После нескольких десятилетий кропотливой работы ученые нашли несколько десятков двойных систем, в которых темный партнер настолько массивен, что может быть только черной дырой. Наблюдения оказались убедительными. Теоретики, оспаривавшие существование черных дыр, были посрамлены.

Тем временем астрономы накапливали свидетельства того, что галактики – не просто большие скопления звезд. В центре некоторых галактик находится завихренный горячий газ и заметные почти через всю Вселенную источники мощного радио- и рентгеновского излучения – более яркого, чем целая галактика. Источником излучения является гравитация черных дыр в миллионы или даже миллиарды раз массивнее Солнца. По иронии астрофизики настолько темный объект может давать столько света. Наша собственная Галактика прячет массивную черную дыру. Она темна и дремлет, переваривая пищу, но она обнаружима по сонму звезд, носящихся вокруг нее со скоростями в миллионы километров в час.

Теоретики предсказывали, что черные дыры должны находиться во всех галактиках. С помощью таких инструментов, как космический телескоп «Хаббл», астрономы подтвердили эту гипотезу, обнаружив черные дыры. Какие-то – неактивные и темные, другие – жадно поглощающие газ и ярко сияющие. Ученые установили массу огромного количества черных дыр. Это исследование лишило черные дыры ореола исключительности и мрачности и превратило их в неотъемлемый элемент Вселенной – что не делает их менее потрясающими.

Теперь можно рассмотреть и результаты существования черных дыр. Мы проследим историю их жизни и роль в эволюции Вселенной ретроспективно вплоть до Большого взрыва. Мы узнаем, как их моделируют на компьютере, и зададимся вопросом, возможно ли создать их в лаборатории в принципе. Мы узнаем, как с помощью черных дыр проверить теорию гравитации и как были обнаружены колебания пространственно-временного континуума, вызываемые их слиянием. Наконец, мы попробуем предсказать судьбу черных дыр на протяжении почти бесконечного космического времени.