Свет во тьме. Черные дыры, Вселенная и мы

Ученые осторожно называли их “массивными темными объектами”, или МТО, но хорошо отлаженная рекламная машина НАСА регулярно заваливала нас пресс-релизами, в которых сообщалось, что телескоп “Хаббл” еще раз (естественно, всегда в самый первый!) нашел некую черную дыру в некой галактике. Позже аналогичным образом будет сообщаться об обнаружении воды на Марсе или о планете, похожей на Землю, которую НАСА опять открыло, – и опять впервые. Разумеется, телескоп “Хаббл” обнаружил не черную дыру, а только газ и звезды, окружающие черную дыру на большом расстоянии от нее.
В конце мая 1994 года из НАСА поступило одно из таких первых сообщений об успешной находке, и меня пригласили на радиостанцию Westdeutscher Rundfunk поучаствовать в молодежной программе Riff: Der Wellenbrecher и рассказать об этом. Прямой эфир был назначен на тот же день, что и защита моей диссертации, а следовательно, я – новоиспеченный доктор наук – должен был сразу после защиты бежать в радиостудию, чтобы успеть к началу передачи. Молодая модераторка немного нервничала, так как никогда раньше не брала интервью у физиков, ну а я никогда раньше не давал интервью в прямом эфире на радио. Но разговор прошел гладко, и передача закончилась прежде, чем мы успели это осознать. И я, и ведущая испытали большое облегчение.
Темой для интервью послужили наблюдения телескопа “Хаббл” галактики M87. Эта галактика была одной из тех “туманностей”, которые Шарль Мессье обнаружил в процессе своих изысканий, проводимых в парижском Отеле Клюни. Гебер Кёртис – сторонник теории островных вселенных – обнаружил странную яркую черточку, которая была направлена наружу из центра этой галактики. В 1970–1980‐е годы радиотелескопы помогли выяснить, что эта черточка представляет собой плазменный джет, движущийся почти со скоростью света, – точно такой же, как джеты, обнаруженные в квазарах и радиогалактиках, только значительно более слабый.
Во время радиоинтервью я рассказал, как космический телескоп “Хаббл” установил, что в центре галактики M87 находится объект с невероятно большой плотностью и массой порядка двух миллиардов масс Солнца и что это скорее всего черная дыра. Она была в тысячу раз тяжелее центральной черной дыры в нашем Млечном Пути. Девушка-модератор была несколько ошарашена этими цифрами, и даже мне они казались нереально большими. Я подумал, что американцы, конечно, любят немного преувеличивать свои открытия… возможно, и в этом случае они поступили так же. Но, определенно, это было нечто действительно огромное.
Правда, при такой массе черная дыра в М87 была бы в тысячу раз больше, чем Стрелец А*, но поскольку М87 находилась в две тысячи раз дальше, то горизонт событий ее черной дыры казался бы нам в два раза меньше, чем горизонт событий черной дыры в центре Млечного Пути. И однако даже последний был слишком мал для измерения. “Обидно, – думал я, – немного не хватает разрешения, но с этим ничего не поделаешь”. А ведь галактика M87 имела яркое компактное радиоядро, которое было бы удобно наблюдать даже на коротких волнах.
Если вы хотите увидеть черные дыры, вы должны осветить их окрестности. Так что, безусловно, было бы полезно понять, и откуда взять свет, и какой именно свет лучше всего подходит для этой цели. Но тут неожиданно вспыхнул ожесточенный спор о происхождении радиоизлучения голодающих черных дыр. Американский астрофизик Рамеш Нараян из Гарвардского университета, изучавший голодающие черные дыры, утверждал, что, в отличие от квазаров, в которых большая часть энергии излучается вовне, в черных дырах основная часть энергии почти незаметно исчезает вместе с сильно нагретым газом.
В этом вопросе я в конце концов согласился с Нараяном. Однако по другому пункту наши взгляды сильно разошлись. В его модели предполагалось, что источником радиоизлучения из галактического центра является газ из аккреционного диска, который вскоре должен исчезнуть в черной дыре. В нашей же модели радиоволны излучало вещество, которое только что смогло покинуть край черной дыры в джете. В случае с М87 мы даже смогли увидеть подобный джет непосредственно на изображении центра этой галактики в радиодиапазоне. Тогда почему наш галактический центр должен вести себя иначе? Мы считали, что наша модель справедлива для всех черных дыр.
 
Это была борьба неравных противников: в одном углу стоял известный профессор из Гарварда, а в другом – молодой аспирант. К счастью, организаторы конференций больше всего на свете любят интересную академическую полемику, так что меня снова и снова приглашали обсудить эту тему. Но кто из нас был прав? Как мы могли уладить спор? Одно было ясно: нам нужны новые данные в радиодиапазоне, причем прежде всего – от других “голодающих гигантов”!
К сожалению, в радиодиапазоне были доступны только очень ограниченные или устаревшие данные. И мало-помалу, чтобы проверить свою модель, я сам начал проводить наблюдения. Я подал заявки на проведение наблюдений на телескопах VLA (Очень большой антенной системе) в Нью-Мексико, VLBA (Антенной системе со сверхдлинными базами) и на нашем собственном телескопе в Эффельсберге. А также отправился на поиски черных дыр, обитающих в других галактиках. Этот отличный от моих привычных занятий теоретическими расчетами вид деятельности оказался весьма увлекательным.
В первый раз мне разрешили “послушать” космическое пространство с помощью 100‐метрового телескопа в Эффельсберге в горах Айфель. Я тогда смог направить гигантскую белую тарелку на точку в небе с помощью заранее запрограммированных координат простым нажатием клавиш – и это было нереальное чувство. Три тысячи тонн подчинились движениям моих пальцев! Я с восхищением смотрел на все эти чудеса, поражаясь могуществу науки и техники, и чувствовал себя маленьким мальчиком, которому наконец‐то удалось прокатиться на огромном небесном мусоровозе. Короче говоря, вскоре я понял, что не хочу больше, сидя за столом, корпеть над своими теориями. Теперь я хотел экспериментировать и сам проверять теории и модели.
Я переехал с семьей в США и провел два замечательных года в тихом маленьком городке Лорел, штат Мэриленд. Здесь, в Университете Мэриленда и балтиморском Научном институте исследования космоса, я с помощью космического телескопа “Хаббл” и нескольких радиотелескопов занялся выслеживанием черных дыр. И охотой на них.
Танец звезд вокруг черной дыры
В Европе группа во главе с Рейнхардом Гензелем, работающая с телескопами Европейской южной обсерватории (ESO) в Чили, объявила начало охоты на Стрельца A* – сначала с помощью 3,6‐метрового телескопа, а затем и с помощью 8‐метрового телескопа VLT (Очень большого телескопа). Но Гензель недолго оставался один, конкуренцию ему составила группа астрономов, проводящих наблюдения при помощи телескопов, расположенных на горе Мауна-Кеа (Гавайи). Началась гонка, в которой две команды исследователей соревновались друг с другом, соперничая за лидерство в исследовании центра Млечного Пути.
Первое столкновение произошло в 1996 году в чилийском городке Ла-Серена, на конференции, организованной по результатам исследований галактического центра [101]. Я представил доклад о Стрельце А* и о том, как сильно его радиоизлучение похоже на излучение черных дыр в других галактиках. Но самые впечатляющие результаты были представлены группой Гензеля. Изображения с высоким разрешением, которые ученые получали в течение нескольких лет, показали, что звезды в галактическом центре за это время сместились! Если результаты были правильными, звезды должны были двигаться с головокружительной скоростью.
Мы привыкли, что звезды на небе почти всегда находятся на одном и том же месте, но это не так. На самом деле все они мчатся по Млечному Пути со скоростью десятков тысяч километров в час друг относительно друга, однако, поскольку они так далеко, человек в течение своей жизни этого не замечает.
Положения звезд, обращающихся вокруг Стрельца А*, изменились всего за несколько лет, и это несмотря на то, что они находятся намного дальше от нас, чем звезды, которые мы видим поблизости. Что‐то должно было заставлять эти звезды двигаться с невероятной скоростью друг относительно друга. Только гравитация черной дыры, масса которой примерно в 2,5 миллиона раз больше, чем масса Солнца, может вызвать такой эффект, утверждал Гензель [102].