Свет во тьме. Черные дыры, Вселенная и мы

Исследователи из Кембриджа составили большой каталог всех радиоисточников. Первая версия каталога была слишком короткой, вторая содержала много ошибок, но зато третья версия, названная 3С, послужила основой для многих последующих исследований. Новые радиозвезды и радиогалактики просто нумеровались последовательно. Однако никто не имел даже смутного представления о том, что представляют собой источники этих радиоволн. Изображения данных загадочных объектов на небе были еще крайне размыты, их положения определены крайне неточно. Было установлено, что само излучение создается электронами, движущимися почти со скоростью света по криволинейным траекториям в космических магнитных полях. Астрономы знали, что аналогичные процессы излучения электромагнитных волн происходят на Земле в ускорителях частиц, называемых синхротронами, и поэтому это излучение было названо синхротронным излучением.
Одни источники были вытянуты в длину и имели вид гантели, другие казались маленькими точками – как звезды. И действительно: начав изучать объект 3C 48, исследователи выяснили, что при переходе на другой диапазон длин волн света – видимый – на месте этого объекта находится нечто, напоминавшее звезду. Но спектральный анализ этого звездоподобного объекта поставил больше вопросов, чем дал ответов: в спектре излучения объекта 3C 48 были спектральные линии с необычными длинами волн, которые не получалось соотнести ни с одним известным элементом. Не обнаружили ли астрономы в космосе новый элемент?
Джон Болтон и его соавтор Джесси Гринштейн задумались – а не может ли это быть линией водорода, смещенной в красную область за счет эффекта Доплера? Но такая гипотеза показалась им слишком смелой, поскольку при подобном сильном красном смещении этот объект должен был бы находиться в космосе примерно в 4,5 миллиарда световых лет от нас. “У меня была репутация радикала, и я боялся подтвердить ее, рискнув выступить с такой экстремальной идеей”, – сказал позже Гринштейн.
Самым серьезным аргументом против гипотезы о невероятно большом расстоянии до этого источника был тот, что его светимость могла резко меняться в течение всего нескольких месяцев. Он не мог быть галактикой! Как удалось бы миллиардам звезд, расположенным на расстоянии сотен тысяч световых лет друг от друга, одновременно поменять свои периоды пульсаций так, чтобы их суммарный свет изменился от яркого к более тусклому в течение месяца?
Представьте, что все восемь миллиардов человек в мире одновременно хлопнули в ладоши. Вы бы услышали не один короткий хлопок, а продолжительный гул, потому что звук, естественно, приходил бы к вам из разных точек, разбросанных по всей Земле, не одновременно.
Зато, зная скорость звука, можно во всяком случае оценить размер источника звука по длительности гула. Чем меньше он длится, тем меньше протяженность пространства, из которого он исходит. Если я услышу звук хлопков, который длится секунду, то скорее всего подумаю, что аплодируют люди, сидящие на стадионе, так как размер стадиона примерно равен “звуковой секунде”, то есть расстоянию, которое звук проходит за одну секунду. (Конечно, это может быть и какое‐нибудь меньшее пространство.) То же самое и с переменными источниками света: если изменение происходит в пределах месяца, источник не может быть больше светового месяца. Это намного меньше, чем расстояние между нами и ближайшей звездой. Следовательно, объект 3C 48 должен быть звездой, верно?
Затем ученые обратились к следующему по яркости радиоисточнику в каталоге – 3C 273. Чтобы определить его точное положение, радиоастрономы из обсерватории Паркса в Австралии применили хитрость: они попросили о помощи Луну. Случайно вышло так, что ее орбита пересекала направление на радиоисточник. Когда Луна оказалась перед ним, сигнал от него на короткое время исчез из зоны приема большой антенны. Это было похоже на солнечное затмение, только здесь Луна закрывала не Солнце, а таинственный радиообъект.
Точно в момент исчезновения радиосигнала астрономы измерили первую угловую координату объекта: она должна была лежать где‐то у ближнего края Луны. Вторую они получили, когда дальний край Луны миновал объект и снова стал пропускать радиосигнал с 3С 273. Поскольку мы знаем диаметр Луны и точное ее местоположение, оказалось возможным вычислить точное положение радиоисточника, найдя точку пересечения этих двух лучей.
 
Кстати, 3C 273 может быть одним из самых ярких радиоисточников в небе, хотя сигналы от него всего в пять раз мощнее, чем принимаемые на Земле сигналы мобильного телефона стандарта LTE, оказавшегося на Луне. Как только положение 3С 273 стало известно, Мартен Шмидт (голландский астроном, работавший в Калифорнийском технологическом институте в Пасадене) начал исследовать эту область неба с помощью телескопа обсерватории Маунт-Паломар и нашел довольно яркую звезду в созвездии Дева – настолько яркую, что ее мог бы рассмотреть даже астроном-любитель с телескопом приличного качества. Шмидт быстро проанализировал спектр излучаемого ею света. И снова положение эмиссионных линий оказалось очень странным. Через полтора месяца он наконец расшифровал последовательность спектральных линий и убедился, что это был спектр водорода, который принадлежал объекту, удаленному от нас на 2 миллиарда световых лет. Это расстояние даже трудно себе вообразить. Расширение Вселенной так растянуло линии водорода, что они сместились в красную сторону на 16 процентов и появились в том месте, где их никто не ожидал увидеть.
Шмидт был настолько уверен в своих данных, что осмелился их опубликовать. Возможно, он и не знал в точности, что это за яркий объект в космосе, но все‐таки решил рискнуть. Поскольку объект только выглядел как звезда, но, скорее всего, ею не был, Шмидт за неимением подходящего термина назвал его просто “квазизвездным радиоисточником”, или QSR. А астрономы, часто прибегающие к сленгу, превратили эту аббревиатуру в “квазар”. “Как будто с глаз вдруг спала пелена и мы поняли, что звезда – это не звезда”, – скажет позже Шмидт [95].
Сегодня даже трудно представить, какой ажиотаж вызвало это открытие. Горизонт видимой Вселенной безмерно расширился, космическое пространство буквально взорвалось.
Казалось, что Вселенная прямо на глазах менялась и развивалась. Десять миллиардов лет назад была эпоха квазаров – тогда их активность достигла своего пика. В течение первых четырех миллиардов лет существования нашей Вселенной их число быстро увеличилось и они осветили все пространство. Но позже, в последующие эпохи развития Вселенной, квазары стали один за другим выгорать.
Однако что же это такое – 3C 273? Выводы, сделанные из наблюдений, оказались грандиозными. Если квазар 3C 273 можно было по‐прежнему отчетливо увидеть с Земли на таком огромном расстоянии, то он должен был светить в сто раз ярче, чем целая галактика. А если эта квазизвезда мерцала с периодом в несколько недель или месяцев, она не могла быть намного больше одного светового месяца, то есть, вероятно, была размером с одну Солнечную систему. И вот так постепенно до астрономов начало доходить, что 3С 273 и вправду являл собой очень таинственный объект. Он излучал невообразимое количество энергии, и вся эта энергия была сосредоточена в сравнительно маленькой области Вселенной. Как можно создать такую большую энергию в таком крошечном пространстве? Чем бы этот квазар ни был, он привел в замешательство даже самых многомудрых астрономов. До этого никто из них не сталкивался с таким гигантизмом в астрофизике.
Мысли некоторых ученых быстро обратились к величайшей из всех космических сил – гравитации. Чтобы нечто светило так ярко, его масса должна быть невообразимо огромной. Сэр Артур Эддингтон раньше уже обсуждал этот аргумент применительно к звездам. Поскольку свет тоже оказывает давление, то если бы звезда сияла слишком ярко, она бы лопнула – точно так же, как лопается слишком сильно надутый воздушный шар. Учитывая светимость столь гигантского небесного объекта, в целости его могла сохранить только огромная гравитационная сила.