Черные дыры и складки времени. Дерзкое наследие Эйнштейна

Торн Кип

Радиоволны являются противоположностью рентгеновским лучам. Рентгеновское излучение — это электромагнитные волны с чрезвычайно короткой длиной волны, обычно в 10000 раз меньше, чем длина волны света (рис. П.2 в Прологе). Радиоволны также имеют электромагнитную природу, но имеют много большую длину волны — обычно расстояние от одной пучности до другой составляет несколько метров, что в миллион раз больше, чем длина волны видимого света. Рентгеновские лучи и радиоволны противоположны друг другу и с точки зрения корпускулярно-волнового дуализма (Врезка 4.1) — склонности электромагнитных волн вести себя то подобно волне, а то подобно частице-корпускуле (фотону). Рентгеновское излучение обычно ведет себя как поток частиц (фотонов) с высокой энергией, и поэтому его можно обнаружить с помощью счетчиков Гейгера, в которых рентгеновские

фотоны ударяются об атомы, выбивая из них электроны (глава 8). Радиоволны почти всегда ведут себя как волны электрической и магнитной силы, и поэтому их проще всего обнаруживать с помощью проволочных или сплошных металлических антенн, в которых колебания электрической силы волн толкают электроны в разные стороны и, тем самым, вызывают переменный ток в присоединенном к антенне радиоприемнике.

Космические радиоволны (радиоволны, имеющие внеземное происхождение) были по счастливой случайности открыты в 1932 г. Карлом Янски, радиоинженером из Лаборатории Белл Телефон в Хомделе, в Нью-Джерси. Молодому выпускнику колледжа Янски поручили идентифицировать шумы, мешавшие телефонным разговорам с Европой. В то время телефонные разговоры через Атлантику осуществлялись с помощью радио, и поэтому для поиска таких шумов Янски сконструировал из большого числа металлических труб специальную радиоантенну (рис. 9.1а). Большая часть шумов вызывалась грозами, но даже когда гроз не было, оставались слабое постоянное шипение и свист. К 1935 г. ему удалось обнаружить источник шипения — в основном, оно приходило из центральных областей нашей галактики, Млечного Пути. Когда центральные области находились над головой, шипение было сильным, когда же скрывались за горизонтом, шипение ослаблялось, хотя и не пропадало совсем.

Это было любопытное открытие. Каждый, кто хоть раз задумывался о радиоизлучении космоса, мог ожидать, что самым сильным источником радиоволн на небе является Солнце, точно так же, как оно является самым ярким источником света. Кроме того, Солнце в миллиард (10⁹) раз ближе к нам, чем большинство других звезд Млечного Пути, и потому его радиоволны должны быть примерно в 10⁹х10⁹=10¹⁸ раз мощнее, чем от других звезд. Поскольку в нашей галактике всего 10¹² звезд, Солнце должно быть ярче, чем все остальные звезды вместе взятые примерно в 10^|8/10¹² = 10⁶ (миллион) раз. Почему этот аргумент оказывается ошибочным? Каким образом радиоволны, приходящие из удаленных центральных областей Млечного Пути, могут быть настолько сильнее радиоволн от близкого Солнца?

Как бы занимательна не была эта загадка, ретроспективно еще более занятным является то, что астрономы практически не обратили на нее внимания. Фактически, несмотря на широкую рекламу со стороны телефонной компании Белл, лишь два астронома проявили интерес к открытию Янски. Консерватизм астрономов обрекал его на забвение, как и в случае с Чандрасекаром, когда он заявлял, что не могут существовать белые карлики большие 1,4 солнечной массы (глава 4).

Двумя исключениями из такого всеобщего равнодушия были дипломник Джесси Гринштейн и лектор астрономического факультета Гарвардского университета Фред Уиппл. Гринштейн и Уиппл, проанализировав открытие Янски, показали, что если бы общепринятые в то время гипотезы о способах излучения радиоволн в космосе были верны, наблюдавшееся Янски радиоизлучение Млечного Пути было бы невозможно. Несмотря на эту очевидную невозможность, Гринштейн и Уиппл поверяли наблюдениям Янски, они были уверены, что проблема кроется в астрономической теории, а не в Янски. Но так как не было никаких намеков на то, где теория становится неверна, и поскольку, как вспоминает Гринштейн: «Я ни разу не встретил [в 1930-х] кого-то, кто проявил бы интерес к данному вопросу, ни одного астронома», — ученые переключили свое внимание на другие проблемы.

К 1935 г. (примерно к тому времени, когда Цвикки придумал свою концепцию нейтронных звезд, глава 5) Янски узнал о галактическом шипении все, что могла дать его примитивная антенна. Желая знать больше, он предложил Лаборатории Бела Телефон соорудить первый в мире настоящий радиотелескоп — огромную миску диаметром 100 футов (30 метров), отражающую приходящие радиоволны на радиоантенну и приемник, так же как оптический телескоп-рефлектор отражает своим зеркалом свет на фотопластинку. Бюрократы компании Белл отвергли предложение — оно не несло выгоды. Янски, как хороший работник, подчинился. Он свернул свои исследования неба и в преддверии надвигающейся второй мировой войны обратил свои усилия на коротковолновую радиосвязь.

* * *

Профессиональные ученые настолько мало интересовались открытием Янски, что единственным построившим радиотелескоп за все следующее десятилетие оказался Грот Ребер — эксцентричный холостяк и радиолюбитель из Уиттона, штат Иллинойс (позывной W9GFZ). Прочитав о радиошумах Янски в журнале Популярная астрономия, Ребер решил в них детально разобраться. У Ребера не было научного образования, но это ничего не значило. Что действительно имело значение, так это его большой технический опыт и хорошая практическая жилка. Проявив невероятную изобретательность, он на собственные скромные сбережения разработал и построил своими руками на заднем дворе родительского дома первый в мире радиотелескоп — тарелку диаметром в 30 футов (около 9 метров) (рис. 9.1 в) и с его помощью нарисовал карты неба в радиодиапазоне (рис. 9.1 г). На этих картах можно отчетливо видеть не только центральные области нашей галактики Млечный Путь, но и два других радиоисточника, впоследствии получивших имена Cyg А и Cas А — «А» означает «самые яркие радиоисточники», a Cyg и Cas означают, что они расположены в созвездиях Cygnus (Лебедь) и Cassiopeia (Кассиопея). Четыре десятилетия исследовательской работы, в конце концов, с большой вероятностью покажут, что Cyg А и многие другие радиоисточники, открытые в последующие годы, обусловлены гигантскими черными дырами.

9.1. (а) Карл Янски рядом с антенной, с помощью которой он в 1932 г. открыл радиоизлучение нашей галактики, (б) Грот Ребер, около 1940 г. (в) Первый в мире радиотелескоп, построенный Гротом Ребером на заднем дворе дома своей матери в Уиттоне, штат Иллинойс, (г) Карта радиоизлучения неба, построенная Ребером с помощью своего дворового радиотелескопа, [(а) Фото Лаборатории Белл Телефон, предоставлено архивом видеоматериалов Эмилио Сэгре AIP; (б) и (в) предоставлено Гротом Ребером; (г) адаптация работы Грота Ребера (1944)]

История этих исследований и будет центральной линией этой главы. Я решил посвятить этому рассказу целую главу по нескольким причинам.

Во-первых, она иллюстрирует способ, каким обычно делаются астрономические открытия, отличный от показанного в предыдущих главах (глава 8). В главе 8 Зельдович и Новиков предложили конкретный метод поиска черных дыр; физики-экспериментаторы, астрономы и астрофизики воспользовались им и были вознаграждены. В этой главе гигантские черные дыры, наблюдаются Ребером еще в 1939 г., задолго до того, как кто-либо подумал заняться их поиском, но понадобится еще сорок лет, чтобы собрать данные наблюдений, вынудившие астрономов признать, что черные дыры — это действительно то, что они наблюдают.

Во-вторых, глава 8 рассказывала о силе астрофизиков и релятивистов, эта глава показывает пределы их возможностей. Существование типов черных дыр, открытых в главе 8, было предсказано за четверть века до того, как кто бы то ни было начал их искать. Это были черные дыры Оппенгеймера — Снайдера, в несколько раз массивнее Солнца, образующиеся при схлопывании больших звезд. И наоборот, теоретиками никогда не предсказывалось существование гигантских черных дыр. В тысячи или даже миллионы раз более массивных, чем любая из когда-либо наблюдавшихся астрономами на небе звезд, они, видимо, не могут образовываться посредством их схлопывания. Любой теоретик, предсказывая такие гигантские черные дыры, рисковал бы своей научной репутацией. Открытие таких черных дыр было сделано по чистому наитию.

В-третьих, рассказ об открытии в этой главе проиллюстрирует, даже более ясно, чем предыдущая глава, сложные взаимосвязи и взаимодействия между четырьмя научными группами: релятивистами, астрофизиками, астрономами и физиками экспериментаторами.

В-четвертых, как выяснится позднее в этой главе, вращение вокруг своей оси гигантских черных дыр и энергия этого вращения играют главную роль в объяснении наблюдаемого радиоизлучения. И наоборот, вращение черных дыр не имело никакого значения для наблюдаемых свойств скромных черных дыр главы 8.