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.