Как черные дыры влияют на пространство-время.

Черную дыру можно определить как область пространственно-временного континуума, искривленную настолько, что она «выдавлена» из остальной Вселенной. И даже на некотором расстоянии от черной дыры искривление пространственно-временного континуума будет отклонять частицы и свет. О черных дырах еще не знали в тот момент, когда Эйнштейн создал общую теорию относительности, поэтому ее проверяли по гораздо более слабому эффекту – легкому отклонению света далекой звезды, проходящему у края Солнца по пути к Земле. Этот эффект проще всего наблюдать во время солнечного затмения, когда Солнце закрывается Луной и фоновые звезды становятся видимыми[264]. В 1919 г., всего через три года после выхода статьи об общей теории относительности, Артур Эддингтон и другие ученые измерили это отклонение одновременно в Бразилии и Центральной Африке. Результаты совпали с предсказанием Эйнштейна[265].

Эксперимент попал на передовицы большинства газет. Безусловно, драматизму ситуации способствовала ее символичность: британский ученый подтверждает работу немецкого ученого в конце длинной кровопролитной войны. Эйнштейн проснулся знаменитым. Он был абсолютно уверен в результатах. На вопрос, что бы он почувствовал, если бы экспедиция Эддингтона не подтвердила общую теорию относительности, он ответил: «Мне было бы жаль Господа. Теория в любом случае верна»[266].

Масса отклоняет свет. Этот факт был исключительно важен для теории и репутации Эйнштейна, и удивительно, что ученый не торопился признавать его более широкие последствия. Он знал, что если лучи света проходят вблизи достаточно массивного тела, то могут отклониться так сильно, что сойдутся и дадут увеличенное или множественное изображение фонового источника. Поскольку этот процесс напоминает отклонение света линзой, ученые назвали его гравитационным линзированием. По настоянию коллеги-инженера Эйнштейн в 1936 г. наконец опубликовал статью по линзированию с удивительно осторожным предисловием: «Некоторое время назад Р. У. Мандл нанес мне визит и предложил обнародовать результаты небольших вычислений, проделанных по его настоянию. Выполняя его просьбу, я публикую это сообщение»[267]. Он послал самоуничижительную записку редактору журнала: «Позвольте также поблагодарить вас за помощь с этой статейкой, которую мистер Мандл из меня выдавил. Ценности она почти не представляет, но бедняга счастлив»[268].

Эйнштейн фатально заблуждался по поводу ценности гравитационного линзирования. Это один из важнейших инструментов современной астрофизики. Он используется для картирования темной материи в галактиках и во всей Вселенной, выделения темной энергии, исследования коричневых и белых карликов и обнаружения экзопланет меньше Земли (илл. 45).

Эйнштейн считал, что эффект линзирования слишком слаб и его невозможно измерить, но через считаные месяцы после появления этой статьи астроном Калтеха Фриц Цвикки понял, что миллиарды звезд, объединенные в галактики, могут вызывать линзирование, доступное для наблюдения. В своей пророческой статье он описал практически все современные виды использования гравитационного линзирования[269]. Однако только в 1979 г. – через 40 с лишним лет – линзирование стали наблюдать. Инструментом послужила сверхмассивная черная дыра, удаленная на миллиарды световых лет.

Группа ученых под руководством британского радиоастронома Денниса Уолша, используя 2,1-метровый телескоп обсерватории Китт-Пик, обнаружила два квазара с одинаковыми спектрами. Шансы найти два квазара с одинаковыми спектрами, находящихся так близко в небе, были очень малы – настолько малы, что по пути в Китт-Пик Уолш написал на доске своего коллеги Дерека Уилла условия пари: «Нуль квазаров: я плачу Дереку 25 центов. Один квазар: он платит мне 25 центов. Два квазара: он платит мне доллар». Уолш вспоминал: «Когда я позвонил Дереку на следующее утро и рассказал о нашей находке, он засмеялся, и я сказал: “Ты должен мне доллар. Если бы я поставил сто долларов на два квазара с одним и тем же красным смещением, ты бы принял пари?” Он ответил: “Конечно”. Так я потерял 99 долларов и сохранил друга. ‹…› У меня было четверо сыновей-подростков, никто из них не проявлял особого интереса к науке. Теперь на их вопрос: “Ну, и кому оно нужно, это гравитационное линзирование?” – я мог ответить, что я на нем заработал»[270].

Квазары выглядели как близнецы, но оказались миражом, а не двумя квазизвездными объектами, по случайному совпадению имеющими одинаковые спектры. Свет одного квазара двумя разными путями огибал находящуюся на линии наблюдения галактику, давая два изображения. Массивная галактика отклоняет свет очень слабо, всего на одну тысячную градуса. К этой первой гравитационной линзе свет идет 8,7 млрд лет, но чуть больше одного светового года у него уходит на то, чтобы обойти галактику с одной стороны – в сравнении с другой. Поскольку свет квазара имеет переменную яркость, имеется временная задержка в год с небольшим в изменениях, наблюдаемых в одном и другом изображениях. Это было использовано при хитроумном измерении скорости расширения Вселенной[271].

Гравитационное линзирование встречается редко, поскольку требует, чтобы фоновый квазар и галактика переднего плана находились почти точно на одной линии. При многих тысячах изученных квазаров обнаружено менее ста случаев линзирования. В дюжине из них совпадение идеально, и вместо нескольких изображений находящаяся на луче зрения галактика превращает точечный источник света, квазар, в эйнштейново кольцо[272] – наглядную демонстрацию общего принципа относительности в действии. В зависимости от геометрии свет, порождаемый энергией аккреции вблизи сверхмассивной черной дыры, предстает в виде дуги, множественных изображений или идеального кольца.

В 1990-х гг., когда начал работу космический телескоп «Хаббл», была открыта другая ситуация линзирования: не свет единичного квазара распадался на несколько изображений, а свет множества далеких галактик на луче зрения линзировался галактическим скоплением. Иногда формируются множественные изображения, но чаще свет фоновой галактики деформируется в дугу. Отличительным признаком этого типа линзирования является скопление, окруженное маленькими дугами, собранными в концентрические круги вокруг центра скопления (илл. 46). Каждое искаженное изображение – это эксперимент в области гравитационной оптики. Такие дуги были замечены у нескольких сотен скоплений – таким образом, астрономы накопили десятки тысяч примеров отклонения света массой[273].

Любая масса отклоняет свет, будь она видимой или невидимой, поэтому линзирование – это лучший инструмент астрономов для картирования темной материи в галактиках, их скоплениях и межгалактическом пространстве. Линзирование дает самое убедительное свидетельство того, что темная материя существует и является преобладающим и повсеместно распространенным компонентом Вселенной.