Свет во тьме. Черные дыры, Вселенная и мы

Мы едем на запад от моего родного города Фрехен, расположенного недалеко от Кёльна, в поисках подходящего места. Мы отчаянно мечемся, гоняясь за солнечным светом, то здесь, то там пробивающимся сквозь облака. Наконец мы оказываемся во Франции, в поле, неподалеку от города Мец. До начала затмения осталось всего несколько минут… и тут небо очищается и из него проливается свет Солнца. Иногда в жизни тебе просто должно повезти, даже если ты скромный ученый. Медленно, величественно диск Луны начинает скользить перед Солнцем, пока наконец полностью не закрывает его. Мы попали точно в нужное место в нужное время. Это необычное и прекрасное зрелище, редкий момент “коллективного озарения” в полной темноте.
Солнечное затмение – это проявление одного из самых замечательных космических совпадений в нашей Солнечной системе. Только благодаря тому, что намного меньшая Луна расположена на “правильном” расстоянии от Земли, ей удается полностью закрыть для нас диск большого Солнца. Если бы она была немного ближе, то закрыла бы большую площадь, чем диск Солнца. Если бы она была дальше, диск Солнца оказался бы закрытым не полностью и мы бы видели яркий ослепительный ореол. Однако сейчас Луна в точности закрывает весь раскаленный диск Солнца и позволяет нам увидеть нечто совершенно особенное: солнечную корону. Она состоит из горячего, с температурой в несколько миллионов градусов, газа, который иногда начинает бурлить, – и тогда возникают гигантские плазменные протуберанцы, вздымающиеся над солнечной поверхностью.
Во время солнечного затмения в течение нескольких мгновений мы можем увидеть, что Солнце – вовсе не спокойная звезда: оно кипит и клокочет, как волшебный котелок на кухне у ведьмы. Но есть и еще кое‐что не менее магическое: во время больших и не очень больших взрывов на поверхности Солнца образуются и выбрасываются в космос мельчайшие частицы-призраки. Это осколки атомов, которые появляются при распаде атомов на части под воздействием солнечной температуры, а затем проносятся на высокой скорости сквозь Солнечную систему.
Атомное ядро состоит из тяжелых положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов почти той же массы. Ядра окружены одной или несколькими электронными оболочками. Электроны заряжены отрицательно, и они гораздо легче.
Эти вылетающие частицы с высокими энергиями не очень корректно называют космическими лучами. Когда космические лучи – лучше назвать их космическими частицами – входят в атмосферу, они вызывают, кроме всего прочего, северное сияние, которое иногда появляется в темном небе над Лапландией или Аляской, и, по рассказам наблюдателей, эти мерцающие и танцующие зеленые сполохи – совершенно фантастическое зрелище. Однако поток частиц, вызванный наиболее интенсивными солнечными бурями, важен для нас, людей, также и по другим причинам. Эти бури могут разрушить чувствительную электронику спутников, изменить магнитное поле Земли и помешать передаче радиосигналов. Особо сильные бури могут даже поднять напряжение в наших электросетях и нарушить электроснабжение целых городов. К счастью, подобные события случаются редко, и регулярный мониторинг погоды в открытом космосе позволяет заранее принимать меры предосторожности.
Только во время солнечного затмения мы можем невооруженным глазом увидеть, откуда берутся эти космические частицы. Зрелище оказывает на меня особое воздействие. По своей работе я знаю, что элементарные частицы, движение которых мы с дочерью наблюдали на краю Солнца, подчиняются тем же физическим законам, что и элементарные частицы на краях черных дыр, только последние находятся в гораздо более экстремальных условиях. Совместное воздействие магнитных полей и огромной турбулентности превращает эти мельчайшие заряженные частицы в подобие мячиков для пинг-понга, перебрасываемых туда-сюда, в результате чего они приобретают все большую энергию. Электроны, которые ускоряются в этих процессах и отклоняются магнитным полем, заставляют как Солнце, так и ближайшие окрестности черной дыры светиться в радиочастотном диапазоне. Космические частицы, образующиеся при взрывах звезд и вблизи черных дыр, могут достигать еще более высоких энергий, чем те частицы, которые образуются на Солнце. Они проносятся через неспокойные магнитные поля нашего Млечного Пути и открытого космоса.
 
Некоторые из них врезаются в нашу атмосферу, и их можно поймать и измерить. В крупномасштабных экспериментах, подобных эксперименту, проводимому в аргентинской обсерватории Пьера Оже, в котором я до сих пор участвую, ведутся исследования таких частиц с помощью множества детекторов, расположенных на тысячах квадратных километров.
Если бы мы не поняли физику Солнца и космических частиц, мы не смогли бы понять и физику черных дыр. Как удивительно, что во всей Вселенной происходят одни и те же процессы и действуют одни и те же законы! Излучение черных дыр, солнечные протуберанцы и северные сияния на Земле подчиняются бесконечным переплетениям действующих во всем космосе законов физики.
Во время солнечного затмения 11 августа у меня возникает чувство, будто я могу видеть все это собственными глазами. Для моей дочери это была увлекательная детская экскурсия, наполненная приключениями и удивительными зрелищами. После нее она сделала специальные очки для всех своих знакомых и пригласила их взглянуть на Солнце. Что должны были подумать о нас соседи?
Когда мы с моим ребенком смотрели на Солнце, я испытывал благоговейный трепет перед могуществом Вселенной. Особенно меня завораживало зловещее красное свечение Солнца, закрываемого тонкой дымкой облаков. В этом клубящемся кольце было что‐то мощное и почти гипнотическое. Это зрелище позже вдохновит меня на выбор цветов для картинки в нашей статье, предсказавшей возможность получения радиоизображения черной дыры.
Конечно, у меня есть преимущество перед многими людьми: ведь я знаю, почему происходит солнечное затмение и какие космические явления его вызывают. Но в каменном веке, да и позже, вплоть до наших дней, это зрелише казалось пугающим и считалось карой божественных сил. Документы, которым более четырех тысяч лет, рассказывают об одном таком затмении. В то время китайские придворные астрономы пытались предсказывать подобные явления, наблюдая за небом, но это не всегда выходило у них удачно. Согласно одной древней легенде двоих ученых мужей даже казнили по приказу императора за то, что они не смогли объявить точное время солнечного затмения и были пьяны, когда затмение все же произошло [15]. Хотя не исключено, конечно, что эта популярная история – просто выдумка. Так или иначе, но сегодня астрономы могут точно и без риска для жизни предсказывать время солнечных затмений. Разумеется, мы тоже иногда ошибаемся, особенно когда проводим исследования в неизведанных областях, однако за эти ошибки нам, к счастью, больше не грозит смертная казнь.
Солнце – такая же звезда, как и любая другая, – конечно, за исключением того, что это наша звезда, а следовательно, она намного-намного ближе к Земле и намного-намного ярче всех остальных звезд. Ни наша Луна, ни какая‐либо планета не были бы видны на небе без этого горячего гиганта – ведь они лишь отражают солнечный свет. Солнце настолько огромно, что в нем заключено более 99 процентов массы нашей Солнечной системы. Его сила тяготения удерживает планеты на своих орбитах, и именно ей мы должны быть больше всего благодарны за наши знания о звездах и гравитации.
Солнце – это массивный и невероятно горячий газовый шар, в ядре которого происходит ядерный синтез. Топливом служит водород – из него в основном и состоит Солнце. В ядре этой горячей звезды атомы легкого водорода сливаются, образуя гелий. Температура в ядре невероятно высокая – примерно 15 миллионов градусов Цельсия, но и на поверхности Солнца она все еще весьма значительна: 5 500 градусов. Тепло, излучаемое Солнцем, является единственным источником всей энергии на Земле, и оно не могло бы быть произведено без гравитации и, значит, высокого давления в солнечном ядре. Без солнечного света растения не могут расти: ведь они получают свою энергию с помощью фотосинтеза. Да и все мы тоже – и веганы, и вегетарианцы, и мясоеды – можем добывать еду только благодаря Солнцу, поскольку животные питаются растениями, которые, в свою очередь, не могут обойтись без солнечного света.