Свет во тьме. Черные дыры, Вселенная и мы

В 90‐е годы спутник COBE провел чрезвычайно точные измерения космического излучения и обнаружил крохотные вариации светимости. Они возникли из‐за волн в первозданном водородном океане и явились предшественниками первых сгустков материи, которые за долгую историю Вселенной разрослись до галактик и галактических скоплений. Благодаря микроволновому зонду WMAP и спутнику Planck, запущенному НАСА и Европейским космическим агентством ESA соответственно, а также многим другим экспериментам эти зародыши сегодняшних галактик были подробно измерены, и они в деталях рассказали нам историю и структуру Вселенной.
Астрономы, участвовавшие в начавшихся в конце 1980‐х годов крупномасштабных исследованиях неба, обнаружили, что галактики во Вселенной не распределены по пространству равномерно, а образуют причудливые узоры или собираются в большие скопления. Оказалось, что галактики – более социальные объекты, чем можно было подумать, и они любят жить поблизости друг от друга.
Естественно, отдельные галактики в этих скоплениях не стоят на месте – они перемещаются и перемешиваются под действием гравитации, и зачастую одна пролетает мимо другой со скоростью более 1 000 километров в секунду. Понаблюдав за движением галактик на протяжении миллиардов лет их жизни, можно было бы, пожалуй, сказать, что они движутся подобно стремительно плывущей стае рыб: иногда две или три из них даже слипаются, в результате чего возникает новая, более крупная галактика, которая принимает форму массивного шара или толстой сигары. Мы называем такие галактики эллиптическими, и галактика M87 – одна из них. Но обитающие в них звезды никогда – или почти никогда – не сталкиваются, поскольку расположены далеко друг от друга, хотя, без сомнения, и чувствуют взаимное влияние гравитации.
Тяжелые галактики проваливаются в центр скопления и увеличиваются в размерах, а их черные дыры даже сливаются. Поэтому самые большие и тяжелые галактики часто располагаются в центре скоплений галактик и содержат самые большие черные дыры во Вселенной. Они – настоящие гиганты среди великанов. Таким же образом устроена и наша соседка – галактика М87. Именно M87 является самой близкой к нам галактикой во Вселенной среди всех галактик, прячущих в своем центре сверхтяжелые черные дыры.
И однако эти галактики двигались слишком быстро; по крайней мере так казалось Фрицу Цвикки – швейцарскому астроному, проводившему исследования в Калифорнийском технологическом институте в Пасадене еще в 1933 году. Гравитации звезд в таких конфигурациях явно недоставало, чтобы удерживать несущиеся во весь опор галактики, – при таких скоростях они должны были разлетаться во все стороны. Но этого‐то как раз они и не делали, а это означало, что какая‐то таинственная сила должна была удерживать их от разлетания. Если считать, что за “неразлетание” ответственна гравитация, то где‐то должна прятаться некая таинственная темная материя, которая обеспечивает эту дополнительную гравитацию и которую мы не можем видеть. Кроме того, ее должно быть в пять-десять раз больше, чем известной нам обычной материи.
В 1970‐е астроном Вера Рубин измеряла скорость вращения галактик с помощью оптических телескопов и эффекта Доплера. Казалось, они вращались немного быстрее, чем должны были бы. Это наблюдение подтвердил голландский ученый Альберт Босма, использовавший для исследования новый радиоинтерферометр в Вестерборке. Он увидел газ, из которого еще не образовались звезды, заполнявший пространство далеко за пределами галактики, видимой лишь с помощью оптических телескопов. И там тоже все вращалось слишком быстро. Галактики должны были быть заполнены темной материей, которая удерживала их как целое. Без нее галактики напоминали бы разлетающиеся тарелки с супом на слишком быстро раскрученном столе “Ленивая Сьюзен” в китайском ресторане.
Мы до сих пор не знаем, что такое темная материя. Некоторые астрономы считают разговоры о ней чепухой и утверждают, что ее не существует. Скорее, говорят они, наши законы гравитации просто перестают работать, когда мы переходим к галактическим масштабам. И все же большинство астрономов полагает, что темная материя существует и состоит из элементарных частиц неизвестного до сих пор вида.
 
Еще более запутанным все стало в 1990‐е годы, когда астрономы приступили к систематическому исследованию сверхновых, яркость которых можно было довольно точно измерить. Оказалось, что они сияли чуть менее ярко, чем можно было бы ожидать, учитывая расширение Вселенной и закон Хаббла-Леметра. Находились ли они дальше, чем считалось прежде? Если это так, то Вселенная должна была расширяться быстрее, чем мы думали. С тех пор темная энергия – неизвестная, таинственная, заставляющая Вселенную расширяться все быстрее – вошла в физико-астрономическое представление о нашем мире. На самом деле она уже присутствовала в уравнениях Эйнштейна в виде космологической постоянной, но сам Эйнштейн в какой‐то момент отказался от нее, назвав своим “самым большим заблуждением”.
Современнейшие космические модели и измерения, которые проделывают астрофизики, показывают, что около 85 процентов всего вещества во Вселенной – это темная материя, а пятнадцать процентов – это нормальное и знакомое нам так называемое барионное вещество. Вдобавок измеренная темная энергия всей Вселенной более чем в два раза превышает энергию, содержащуюся в темной и нормальной материи вместе взятых (мы помним, что согласно знаменитой формуле Эйнштейна E=mc 2 масса эквивалентна энергии). И тогда оказывается, что только примерно 5 процентов всей энергии Вселенной содержится в той форме материи, какой мы ее знаем на Земле, то есть в атомах и элементах периодической таблицы. Что касается формы оставшейся массы, то тут мы пока находимся в буквальном смысле в потемках.
Астрономы часто называют это открытие “новой Коперниканской революцией”. Прежде всего нам теперь известно, что люди не находятся ни в центре Вселенной, ни в центре Млечного Пути, ни в центре нашей Солнечной системы. Более того: наши тела и весь наш мир состоят из материи, которую по меркам всей Вселенной можно считать редкой и даже экзотической. Однако мне нравится смотреть на это с другой точки зрения: мы теперь знаем, что сотканы из совершенно особого материала.
Между темной материей и темной энергией с одной стороны и черными дырами с другой нет непосредственной связи, хотя последние и могут показаться столь же таинственными и темными. Темная материя, безусловно, может попасть в черные дыры и заставить их расти. Однако это, вероятно, происходит только в очень малой степени, потому что темной материи в центрах галактик очень немного, она рассредоточена по всему пространству. И темную энергию во Вселенной тоже можно обнаружить только на больших масштабах, и теоретически она не должна менять структуру черных дыр – ведь дуновение воздуха не может обрушить Эверест, даже несмотря на то, что вся масса воздуха на Земле в десять тысяч раз тяжелее этой одной горы. Тем не менее неизвестная природа темной материи и темной энергии привлекает внимание исследователей к пробелам в нашем понимании физики. Кроме всего прочего, новая теория пространства и времени, учитывающая темную материю и энергию, могла бы изменить и уравнения, описывающие поведение черных дыр.
  
Часть III
 
Путешествие за изображением черной дыры
 
Моя поездка на Телескоп горизонта событий и получение первого изображения черной дыры
 
Завораживающий мусоросборник
Я вырос поблизости от кёльнского квартала Зюдштадт, расположенного в десяти минутах ходьбы от физического института при Кёльнском университете и теперь всегда заполненного студентами. Позже, поступив в университет, я слушал там свои первые лекции, а затем, будучи приглашенным лектором, и преподавал. Но когда я был маленьким, мой мир ограничивался тротуаром перед нашим домом, где я обычно играл с другими детьми. Наша улица тогда еще была вымощена булыжником, и самым счастливым событием для меня являлся еженедельный приезд большого мусоровоза. Из него выходили мусорщики в оранжевой рабочей форме и ловко выкатывали к мусоровозу, стоящему перед домом, большие контейнеры с заднего двора. Мне ужасно хотелось быть водителем мусоровоза и водить супергрузовик, который захватывал бы гигантские контейнеры и пережевывал мусор. Меня восхищало то, что мусорщики могли управлять такой мощной машиной простым поднятием рычага. В выборе карьеры я тогда не сомневался: я стану заниматься чем‐то, что связано с огромными машинами!