Свет во тьме. Черные дыры, Вселенная и мы

Инженеры не до конца поверили тому, что им сказали физики, но все‐таки, пусть и с большой неохотой, согласились встроить корректирующий механизм. Однако при первом запуске спутников в космос этот корректирующий механизм был отключен. И быстро выяснилось, что часы и в самом деле уходили вперед на 39 миллионных долей секунды в день [57]. С тех пор часы намеренно заставляют работать немного медленнее, используя корректировщик, основанный на общей теории относительности. На Земле его отключают, но включают вновь, как только часы оказываются на орбите, и мы все, особо не задумываясь, прибегаем к его помощи [58].
Сегодня оптические часы настолько точны, что вам даже не нужно запускать их в космос, чтобы зарегистрировать крошечные различия в искривленном пространстве-времени Земли. Достаточно поднять эти точные часы на 10 сантиметров над землей, чтобы они зафиксировали ускорение времени по сравнению с контрольными часами на поверхности земли [59].
На высоте над поверхностью Земли, где кончается атмосфера, или чуть выше, корректировка времени минимальна, но, тем не менее, технологически значима. Все эффекты, которые мы описали, имеют гораздо большее влияние, когда намного большие массы сжимаются в гораздо меньшие объемы и искривление пространства становится более заметным. На краю черных дыр кажется, что время останавливается. Чтобы произвести такой эффект искривления, необходима чрезвычайно мощная сила – сила звездного масштаба.
  
4
 
Млечный Путь и населяющие его звезды
 
Скрытая жизнь звезд
Нам, людям, кажется, что звезды на небе никогда не меняются. Но это не так – они меняются, но только очень-очень медленно. Они живут своей уникальной жизнью, и можно сказать, что у каждой звезды есть своя биография.
Звезды рождаются и умирают, происходят из праха и в прах возвращаются. Подобно растениям и животным на Земле, они участвуют в непрерывном цикле рождения-роста-распада. Когда звезды испускают последний вздох и сбрасывают свои внешние оболочки обратно в космос, с участием этих оболочек начинается процесс рождения новых звезд. Ведь когда звезда впадает в предсмертную агонию, она выбрасывает в космос газ и пыль, собирающиеся там в гигантские облака, которые затем обогащаются пеплом активных звезд. Эта химическая смесь создает идеальную почву для зарождения новых звезд и планет.
Межзвездные облака из газа и пыли, простирающиеся иногда на десятки и сотни световых лет, вероятно, одно из самых красивых зрелищ во Вселенной. Если поглубже заглянуть в наш Млечный Путь, то можно увидеть, как их там много. Эти причудливые гигантские облака могут ярко сиять, а могут выглядеть темными клочковатыми пятнами на фоне Млечного Пути. Наша Галактика своими мощными спиральными рукавами сгребает их в кучу – подобно снегоуборщику, сгребающему свежий снег. В телескоп эти образования кажутся фантастическими космическими произведениями искусства.
Всего в 1 300 световых годах от нас находится туманность Ориона – одно из самых красивых облаков в нашей Галактике. Эта светящаяся туманность – единственная, которую мы при благоприятных условиях можем увидеть невооруженным глазом. Окутанная светящейся пеленой, туманность Ориона представляет собой гигантское “родильное отделение” для молодых и горячих звезд. Туманность Ориона светится в основном красным и розовым светом с вкраплениями голубого (цветовые оттенки едва заметны). Ее самая центральная часть остается скрытой для человеческого глаза, потому что пыль поглощает весь свет оптического диапазона, идущий изнутри облака. Только длинные волны могут преодолеть этот пылевой фильтр, и только в этом диапазоне длин волн астрономы могут что‐то узнать про структуру центральной части таких облаков. Например, без особого труда отыскивают путь наружу инфракрасное тепловое излучение горячего газа и радиочастотное излучение. Подобно проникающим в ткани человеческого тела рентгеновским лучам, эти электромагнитные волны способны проходить сквозь молекулярные облака.
 
И точно так же, как горячие элементы в газах или на поверхности звезд испускают свет определенного цвета, то есть собственный уникальный “штрих-код”, излучение молекул в пылевых облаках также характеризуется соответствующими штрих-кодами [60]. Особенно много таких характеристических линий в высокочастотном излучении. Длины волн этого света составляют всего несколько миллиметров или даже меньше. В повседневной жизни мы встречаемся с такими волнами в основном благодаря современным сканерам в аэропорту, через которые нас заставляет пройти служба безопасности.
На Земле мы можем измерить излучение космических газовых облаков с помощью радиотелескопов. За последние 40 лет во всем мире было построено множество радиотелескопов для наблюдения за поведением таких молекул, находящихся в космосе. Самый большой в Северном полушарии радиоинтерферометр NOEMA Института миллиметровой радиоастрономии (IRAM) установлен на плато де Бюр во Французских Альпах, где на высоте 2 550 метров над уровнем моря вздымаются над заснеженным горным склоном сверкающие на солнце одиннадцать посеребренных 15‐метровых антенн телескопа. А крупнейшим в мире радиоинтерферометром такого типа является Атакамская большая миллиметровая антенная система (ALMA), находящаяся в Чили, то есть в Южном полушарии. Телескоп ALMA состоит из 66 тарелок, большинство из которых имеет диаметр 12 метров. Телескоп, управляемый совместно европейскими, американскими и японскими учеными, был построен на высоте 5 000 метров над уровнем моря – там, где воздух очень сухой и разреженный. (Влажная атмосфера на меньших высотах слишком сильно поглощала бы радиоволны с крошечной длиной волны.) Именно такие радиотелескопы сыграли решающую роль в получении изображения черной дыры.
Но вернемся в космос, туда, где рождаются звезды и газовые туманности. Те места в далеком-далеком мире кажутся нам заколдованными – ведь там внутри облака, словно по волшебству, образуются молодые звезды. Однако магия тут, разумеется, ни при чем и на самом деле в космосе действуют естественнонаучные законы. Газовые туманности состоят в подавляющем большинстве из водорода. Этот самый легкий из всех элементов – важнейший компонент, благодаря которому светится космос и образуются звезды. На Земле облака газа небольшие и быстро рассеиваются, а вот в космосе газа в одном месте собирается гораздо больше. Гравитация удерживает его внутри облаков, и они становятся все более плотными. Процессы в них, непосредственно предшествующие рождению звезды, описываются критерием Джинса (назван в честь британского астронома Джеймса Джинса). В облаке этого типа гравитация и давление газа всегда находятся в равновесии. Джинс понял, что нарушить этот баланс могут различные факторы; в частности, если масса облака превысит определенное значение, называемое массой Джинса, то облако сожмется, как бы “забеременев” и приготовившись к рождению новых звезд.
Иногда необходимо лишь небольшое сжатие, чтобы облако начало уплотняться под действием собственной гравитации. Постепенно температура в нем поднимается от –260 градусов до более чем 100 градусов по Цельсию и молекулы в облаке начинают излучать электромагнитные волны и отдавать энергию.
Как только температура газа достигает нескольких тысяч градусов, молекулы и атомы начинают распадаться, давление падает, и вся структура теряет устойчивость. Облако коллапсирует и распадается на мелкие фрагменты. По космическим меркам это происходит очень быстро: маленькой протозвезде требуется менее 30 000 лет, чтобы она осветила космос своими первыми лучами. Вначале она излучает теплый красноватый свет. Чтобы стать молодой звездой, ей нужно набраться терпения и подождать еще 30 миллионов лет. За это время из‐за огромного давления температура поднимется до нескольких миллионов градусов – и в какой‐то момент начнется ядерный синтез. Тогда водород начнет превращаться в гелий, в точности как в нашем Солнце. В конце концов родится новая звезда, похожая на тысячи звезд, сияющих сейчас на небе.