Черные дыры и складки времени. Дерзкое наследие Эйнштейна

Торн Кип

Это были чудовищные расстояния, практически самые большие расстояния из зарегистрированных когда-либо. Это означало, что для того чтобы 3C273 и ЗС48 имели достаточную яркость, чтобы выглядеть так, как они регистрировались с помощью 5-метрового телескопа, они должны были излучать невообразимую мощность: в 100 раз большую, чем самые яркие из наблюдавшихся галактик.

Фактически 3C273 был настолько ярким объектом, что с 1895 г. его уже больше 2000 раз регистрировали на фотографиях вместе с другими объектами даже с помощью телескопов среднего размера. Узнав об открытии Шмидта, Харлан Смит из Университета Техаса организовал более пристальное изучение этого архива фотографий, в основном хранящихся в Гарварде, и обнаружил, что у 3C273 за последние 70 лет постоянно происходили флуктуации яркости. Его светимость существенно менялась с периодом, не большим чем один месяц. Это означает, что большая часть света от 3C273 должна излучаться из области размером меньшим

расстояния, преодолеваемого светом за месяц, т. е. меньшим, чем 1 «световой месяц». (Если область будет больше, то не может быть такой силы, перемещающейся, конечно, со скоростью меньшей или равной скорости света, которая могла бы заставить весь излучающий газ с месячной аккуратностью одновременно вспыхивать или тускнеть.)

Во все это было чрезвычайно трудно поверить. Этот странный квазар, этот 3C273, светил в 100 раз ярче, чем самые яркие во Вселенной галактики. Но если галактики излучают свет из областей размером в 100000 световых лет, 3C273 давал свет из области, по крайней мере, в миллион раз меньшей в диаметре и в 10¹⁸ раз меньшей по объему: всего в 1 световой месяц или даже меньше. Свет должен исходить от массивного компактного газового объекта, нагреваемого какой-то невероятно мощной машиной. Эта машина, в конце концов, с высокой, но не абсолютной достоверностью окажется гигантской черной дырой, но прочные свидетельства будут получены лишь в последующие пятнадцать лет.

* * *

Если объяснить происхождение радиоволн в нашем галактическом Млечном Пути было тяжело, а объяснить радиоизлучение от удаленных радиогалактик еще сложнее, то объяснение радиоизлучения от этих сверхдалеких квазаров могло оказаться суперсложным.

Сложность, как оказалось, опять состояла в существовании ментального барьера. Джесси Гринштейн, Фред Уиппл и все остальные астрономы 1930-х и 1940-х полагали, что космические радиоволны, так же как и звездный свет, испускаются разогретыми теплом, колеблющимися молекулами, атомами и электронами. Астрономы 30-х и 40-х годов не могли представить другого способа, как природа могла бы образовывать наблюдаемые радиоволны, даже тогда, когда все их расчеты недвусмысленно показывали, что этот работать не может.

Однако с начала XX века физикам был известен другой способ. Когда электрон, движущийся с высокой скоростью, встречает магнитное поле, магнитные силы этого поля закручивают траекторию электрона в спираль. Электрон оказывается вынужденным кружиться вокруг линий магнитного поля (рис. 9.4) и, двигаясь по спирали, испускать электромагнитное излучение. В 1940-х годах физики начали называть это излучение синхротронным излучением, поскольку оно образуется при спиральном движении электронов в ускорителях частиц, называемых «синхротронами», которые тогда строились. Замечательно, что в 1940-х годах, несмотря на заметный интерес физиков к синх-ротронному излучению, астрономы не обращали на него никакого внимания. Ментальный барьер сохранялся.

9.4. Космические радиоволны порождаются электронами, вращающимися по спирали с околосветовыми скоростями вокруг линий магнитного поля. Магнитное поле заставляет электрон двигаться не по прямой, а по спирали, при этом спиральное движение электрона порождает радиоволны

В 1950 г. Карл Отто Кипенхоер в Чикаго и Виталий Лазаревич Гинзбург в Москве (тот самый Гинзбург, который придумал LiD топливо для советской водородной бомбы и обнаружил первые свидетельства, что черные дыры не могут иметь «волос» [92] ) разрушили этот ментальный барьер. Развивая плодотворные идеи Ганса Альфвена и Николаи Херлофсона, Кипенхоер и Гинзбург (верно) предположили, что радиоволны Янски в нашей галактике являются синхротронным излучением электронов, движущихся по спирали вокруг линий магнитных силовых линий, заполняющих межзвездное пространство (рис. 9.4).

92

См. рис. 7.3. Все же Гинзбург больше всего известен не этими открытиями, а благодаря разработанной им вместе с Львом Ландау «теории сверхпроводимости Гинзбурга — Ландау» (т. е. объяснения того, как некоторые металлы при очень сильном охлаждении полностью теряют сопротивление электрическому току). Гинзбург является в мире представителем малого числа настоящих «ренессансных физиков», человеком, который внес существенный вклад почти во все области теоретической физики

Спустя несколько лет, когда будут открыты гигантские радиоизлучающие лепестки радиогалактик и квазары, было также вполне естественно (и правильно) предположить, что их радиоизлучение также вызывается электронами, вращающимися вокруг силовых линий магнитного поля. Исходя из физических законов, описывающих такое спиральное движение, и свойств наблюдаемых радиоволн, Джеффри Бэрбидж из Университета Калифорнии, в Сан Диего, рассчитал, какую энергию должны иметь магнитные поля лепестков и быстро вращающиеся электроны. Вот его поразительный ответ: в экстремальных случаях радиоизлучающие лепестки должны заключать в себе такое количество магнитной энергии и кинетической энергии быстрых электронов, которое можно получить при превращении в чистую энергию всей массы 10 миллионов (10⁷) Солнц со 100 %-ной эффективностью.

* * *

Такие энергетические характеристики квазаров и радиогалактик были настолько поразительными, что в поисках объяснения астрофизикам в 1963 г. пришлось перебрать все мыслимые источники энергии.

Химическая энергия (горение бензина, нефти, угля или динамита), которая является основой человеческой цивилизации, явно не подходила. Химическая эффективность преобразования вещества в массу составляет лишь одну стомиллионную долю (одна часть на 10⁸). Для того чтобы обеспечить энергией радиоизлучающий газ квазара, потребовалось бы 10⁸ х 10⁷ = 10¹⁵ солнечных масс химического горючего — в 10000 раз больше, чем количество вещества, содержащегося в нашей галактике Млечный Путь. Это совершенно бессмысленно.

Ядерная энергия, работающая в водородной бомбе и дающая солнечный свет и тепло, также плохо подходила для питания квазара. Эффективность преобразования массы в энергию для ядерного горючего составляет примерно 1 процент (1 часть на 10²), поэтому квазару, для того чтобы подпитывать радиоизлучение лепестков, понадобилось бы 10² х 10⁷ = 10⁹ (1 миллиард) солнечных масс. И этот миллиард соответствует тому случаю, когда ядерное топливо полностью выгорает и освобождающаяся энергия полностью преобразуется в энергию магнитного поля и быстрых электронов. Полное сгорание и полное преобразование энергии вызывало сомнение. Даже в тщательно сконструированных машинах человеку редко удается добиться эффективности преобразования энергии ядерного топлива в полезную мощность лучшей нескольких процентов, а в природе могло быть еще хуже. Поэтому более разумной является оценка в 10 или 100 миллиардов звезд. Это меньше, чем масса гигантской галактики, но не намного, и то, как природа могла бы добиться преобразования ядерной энергии в магнитную и кинетическую, было совершенно неясно. Поэтому ядерная энергия была возможной, но очень сомнительной кандидатурой.

Аннигиляция вещества и антивещества могла бы обеспечить 100-процентное преобразование массы в энергию, и поэтому 10 миллионов солнечных масс, аннигилирующих с 10 миллионами солнечных масс из антивещества, могли бы удовлетворить энергетические потребности квазаров. Однако нет никаких доказательств существования во Вселенной антивещества, кроме малых его крох, искусственно синтезированных человеком в ускорителях и той малости, которая возникает в природе при столкновении частиц обычного вещества. Более того, даже если бы такие большие массы вещества и антивещества аннигилировали, энергия их аннигиляции превратилась бы в гамма-излучение, а не в энергию магнитного поля или кинетическую. Поэтому аннигиляция вещества с антивеществом оказывается неудовлетворительным источником энергии для квазара.

Оставалась еще одна возможность: гравитация. схлопывание обычной звезды с образованием нейтронной звезды или черной дыры, казалось, вполне могло преобразовать 10 процентов массы в магнитную и кинетическую энергии — хотя, как это точно происходит, ясно не было. Если это возможно, то схлопывание 10 х 10⁷ = 10⁸ (100 миллионов) обычных звезд могло бы обеспечить квазар энергией, так же, впрочем, как и схлопывание одной гипотетической в 100 миллионов раз более тяжелой, чем Солнце, сверхмассивной звезды. [Правильная идея, состоящая в том, что гигантская черная дыра, получившаяся при схлопывании такой сверхмассивной звезды, может сама служить источником энергии для квазара, никому не приходила в голову вплоть до 1963 г. Черные дыры тогда еще плохо понимали. Уилер еще не пустил в оборот выражение «черная дыра» (глава 6). Салпетер и Зельдович еще не поняли того, что газ, падающий на черную дыру, может нагреваться и с высокой эффективностью излучать энергию (глава 8). Пенроуз еще не открыл, что черная дыра может до 29 процентов своей массы копить в энергии вращения и затем ее высвобождать (глава 7). Золотой век исследований черных дыр еще не начался.]