Свет во тьме. Черные дыры, Вселенная и мы - Фальке Хайно

Однако пока все это было лишь теорией. Теории, конечно, хороши, но они не идут ни в какое сравнение с теориями, подкрепленными экспериментами. А эксперименты, в свою очередь, имеют смысл только тогда, когда полученные результаты можно обработать и проинтерпретировать с помощью теории. Хорошие эксперименты делают теории лучше и стимулируют появление новых идей, но они также стоят больших денег и усилий. А чтобы добиться необходимого финансирования, вам нужны заслуживающие доверия теории, которые могут предсказать то, что вы собираетесь увидеть. Вот и выходит, что наука – это всегда танго для двоих: для теории и эксперимента, где сначала ведет одна, а потом другой.

И теперь нам предстояло перестраивать работу на наших телескопах, переходя к все более и более высоким частотам, то есть к все более и более коротким волнам. Насколько близко можно подобраться к черной дыре? В 1994 году, после боннских измерений на длине волны 7 миллиметров, американская группа в обсерватории Хейстек в Бостоне, в которую входил, среди прочих, молодой радиоастроном Шеп Доулман, провела первый РСДБ-эксперимент на длине волны 3 миллиметра[117]. А мой боннский коллега Томас Кричбаум с помощью телескопов IRAM в Испании и Франции провел первое РСДБ-измерение на длине волны всего 1,3 миллиметра (частоте 230 ГГц)[118]. Тем не менее мы все еще не могли сказать, как выглядел этот объект. Эффект матового стекла нашей Галактики по‐прежнему скрывал его истинную структуру, качество полученных данных было плохим, телескопов было слишком мало, а чувствительность измерительной системы была слишком низкой.

В 1996 году я организовал и скоординировал серию наблюдений, в ходе которых впервые исследовалась яркость Стрельца А* одновременно с помощью нескольких телескопов на разных длинах волн. К нам присоединились коллеги из Японии, Испании и США. Мы не смогли получить никаких изображений, но интерпретация наших данных подтвердила, что излучение миллиметрового диапазона длин волн действительно должно было исходить от горизонта событий. В своей статье мы сделали точное предсказание о том, что, регистрируя это излучение с помощью эксперимента РСДБ, мы должны будем увидеть горизонт событий[119]. Однако нам все еще было совершенно необходимо обсудить эту гипотезу с учеными всего мира.

Лучшее место для обсуждения – конференция, и поэтому в 1998 году мы с моей коллегой Анжелой Котера из Аризоны организовали семинар по вопросам, связанным с галактическим центром[120]. Тогда в Тусон приехали специалисты со всего мира. Мы специально выбрали отель посреди пустыни, чтобы никто не мог сбежать ночью и у нас было бы достаточно времени для бесед друг с другом.

На конференциях кофе-брейки и общие обеды часто важнее презентаций. “Я приехал не из‐за презентаций, я приехал, чтобы выпить”, – как‐то полушутя сказал мне один опытный коллега. Люди – существа социальные, и когда вы вместе едите и пьете, то узнаете друг о друге и друг от друга очень много такого, чего не прочитаете ни в одном научном журнале.

Как и предполагалось, на семинаре разгорелись горячие споры. У нас не было световых мечей, но зато почти все участники обзавелись недавно появившимися в продаже лазерными указками, так что на экране всегда плясали три или четыре красные точки. Все это действо разыгрывалось перед Чарлзом Таунсом – нашим почетным гостем, сидевшим в первом ряду. Тем самым Чарлзом Таунсом, чьими научно-популярными статьями о черной дыре в центре Млечного Пути я зачитывался, еще будучи студентом.

Интересно, заметил ли кто‐нибудь забавность ситуации? Ведь Таунс был не просто ученым. Мы сражались на дешевых лазерных указках – а перед нами сидел человек, который в 1964‐м, за два года до моего рождения, получил Нобелевскую премию за изобретение лазера. Но сам Чарлз Таунс, в отличие от нас, до сих пор использовал только традиционную комбинацию из телескопической указки и пальца! Казалось, его очень веселила детская радость, которую мы получали от его лазеров. Если бы кто‐нибудь из присутствующих на мгновение задумался, то поразился бы, осознав, что всего лишь за одну человеческую жизнь открытие в области фундаментальной науки позволило создать предмет повседневного обихода.

В ходе дискуссий мы с Кричбаумом еще раз подчеркнули, что, используя РСДБ-методику на высоких частотах, мы могли бы добраться до черной дыры и увидеть ее структуру. Однако мой коллега Шеп Доулман был по‐прежнему осторожен и утверждал, что высокочастотные сигналы могут испускаться облаками пыли, а не газом у горизонта событий черной дыры. Внезапно Таунс проснулся. “А посередине этой штуки нет дырки? – спросил он[121]. – Есть, – ответил я. – При более высоком разрешении в области излучения, которую мы могли бы наблюдать, возникнет в буквальном смысле «черная дыра»”. Очевидно, мы еще не нашли правильный термин для “этой штуки”.

Почему‐то моя “благая весть” о возможности увидеть черную дыру все еще не доходила до людей. Мы должны были приложить больше стараний. Чтобы понять, чего им ожидать, люди хотят увидеть образ того, что они не могут себе ясно представить. До этого момента я демонстрировал только уравнения, графики и схематичное изображение черной дыры. Теперь же пришло время показать людям именно то, что мы должны будем увидеть, – симуляцию фотографии. Для этого нам следовало вычислить искривление траектории света вокруг черной дыры и изобразить, как она выглядела бы, если бы ее окружал прозрачный светящийся туман, как это было предположено в модели аккреционного диска Нараяна или нашей модели струй.

Несколько месяцев спустя, в 1999 году, я получил стипендию от Немецкого исследовательского фонда DFG на пару месяцев моего саббатикала для поездки в Аризону в качестве приглашенного профессора. Наш младший сын только что родился, и мы воспользовались декретным отпуском моей жены. В Тусон мы явились с тремя нашими малышами – Яной, Лукасом и Никласом – и всего с одним из восьми чемоданов, взятых нами в поездку. Когда вы проводите несколько дней почти без вещей, то получаете радость от мелочей жизни, в особенности от своих детей.

Мои хозяева познакомили меня с Эриком Эйголом, стажировавшимся тогда в Университете Джона Хопкинса в Балтиморе. Эрик написал компьютерную программу, воспользовавшись которой, можно было выполнить изящный расчет искривления света с помощью уравнений общей теории относительности. Она была лучше той программы, что я использовал в своей магистерской диссертации. Вместе мы рассчитали, как будет выглядеть черная дыра в самых разных условиях и можно ли будет увидеть ее с помощью РСДБ-метода. Мы с нетерпением ждали результатов. И – только представьте! – во всех наших моделях появлялось яркое кольцо с темным пятном посередине, причем всегда одного и того же размера.

Отчетливо различимое кольцо образует свет, приходящий отовсюду. Это результат специфических качеств черных дыр: из‐за искривления пространства вблизи черной дыры свет, проходящий мимо нее в точности на нужном расстоянии, движется вокруг нее по почти замкнутой круговой траектории. Эта замкнутая орбита света называется фотонной сферой, потому что световые фотоны, летящие вокруг черной дыры, подобны планетам, обращающимся вокруг Солнца, – но опять же только на точно установленном расстоянии от нее. Для невращающейся черной дыры фотонная сфера расположена в полтора раза дальше от центра масс, чем горизонт событий, но благодаря эффекту гравитационного линзирования ее диаметр кажется нам в два с половиной раза больше диаметра горизонта событий.

Если над черной дырой в какой‐то точке фотонной сферы подвесить лампочку, то примерно половина ее света попадет в черную дыру, другая половина вылетит наружу, а исчезающе малая часть света – та, которая излучается в направлении, параллельном горизонту событий, – начнет вращаться по фотонной сфере. Чем ближе к горизонту событий висит лампочка, тем больше ее света поглощается и тем меньше вылетает наружу. Что интересно, этот свет “растягивается” (то есть его длина волны смещается в сторону больших длин волн) и теряет энергию. На горизонте событий свет от лампочки полностью исчезает. Пространство между фотонной орбитой и горизонтом событий является, так сказать, “зоной сумерек” над черной дырой: в этом пространстве все, что попадает внутрь, быстро темнеет.