Черные дыры и складки времени. Дерзкое наследие Эйнштейна - Кип Торн

* * *

Эти открытия были достаточно поразительны, чтобы возбудить устойчивый сильный интерес оптических астрономов. Джесси Гринштейн был теперь не единственным, кто обращал серьезное внимание на проблему.

9.3. Открытие удаленной радиогалактики Cyg А: (а) 5-метровый оптический телескоп, использованный Бааде и обнаруживший, что Cyg А связан с чем-то, что выглядит как две сталкивающиеся галактики, (б) Радиоинтерферометр в Джод-релл Бэнк, который в 1953 г. Дженнисон и Дас Гупта использовали для того, чтобы показать, что радиоволны приходят от двух гигантских лепестков вне сталкивающихся галактик. Две антенны интерферометра (каждая из которых была сетью проводов, натянутых на деревянную основу) показаны рядом. Во время измерения одна устанавливалась на грузовике и перемещалась по окрестностям, а другая оставалась неподвижной на земле, (в) Дженнисон и Дас Гупта изучают радиоданные в контрольной комнаты своего радиоинтерферометра. (г) Два гигантских лепестка радиоизлучения (показаны прямоугольниками), обнаруженных в измерениях 1953 г., наложены на оптическую фотографию «сталкивающихся галактик», сделанную Бааде. Также показана контурная карта лепестков с высоким разрешением, сделанная в 1969 г. в Кембридже группой Райля. [(а) Предоставлено Паломарской обсерваторией Калифорнийского технологического института; (б) и (в) предоставлено Наффилдской радиоастрономической лабораторией Манчестерского университета; (г) основано на работах Митгона и Райля (1969), Бааде и Минковского (1964), Джен-нисона и Дас Гупты (1954)]

Для Гринштейна эти открытия стали последней каплей. Не включившись в радиоволновую деятельность сразу после войны, американцы теперь стали сторонними наблюдателями величайшей со времен изобретения оптического телескопа Галилеем революции в астрономии. Эта революция теперь раздавала награды ученым Британии и Австралии, но не Америки.

Гринштейн тогда был профессором в Калтехе. Его пригласили сюда из Йеркеса для разработки программ астрономических исследований на новом 5-метровом оптическом телескопе и поэтому, вполне естественно, он отправился к президенту Калтеха, Ли ДюБриджу, и стал настаивать, чтобы Калтех начал строить свой радиоинтерферометр, который бы вместе с 5-метровым телескопом использовался для исследования удаленных галактик. Дю Бридж, который во время войны возглавлял американские радарные работы, отнесся к идее с симпатией, но был осторожен. Чтобы подтолкнуть Дю Бриджа к действию, Гринштейн организовал в Вашингтоне 5 и 6 января 1954 г. конференцию, посвященную будущему радиоастрономии.

В Вашингтоне, после того как гости из радиообсерваторий Англии и Австралии рассказали о своих замечательных открытиях, Гринштейн поставил вопрос о том: должны ли Соединенные Штаты оставаться радиоастрономической пустыней? Ответ был очевиден.

При сильной поддержке Национального Научного Фонда (NSF) американские инженеры, физики и астрономы приступили к форсированному сооружению Национальной радиоастрономической Обсерватории в Гринбэнк, в Западной Виргинии, а Дю Бридж одобрил предложение Гринштейна построить для Калтеха новейший радиоинтерферометр в Оуэнс Вэлли, в Калифорнии, к югу от Йосемитского национального парка. Поскольку в Калтехе ни у кого не было опыта в создании подобных инструментов, возглавить проект Гринштейн пригласил Джона Болтона из Австралии.

К концу 1950-х годов американцы оказались уже вполне конкурентоспособными. Вступили в действие радиотелескопы в Гринбэнке, а в Калтехе Том Мэтьюз, Пэр Юджин Мэлтби и Алан Моффетт на новом радиоинтерферометре в Оуэнс Вэлли, работая рука об руку с Бааде, Гринштейном и другими астрономами Паломарского 5-метрового телескопа, открыли и изучили множество радиогалактик.

В 1960 г. эти усилия преподнесли еще один сюрприз: Том Мэтьюз из Калтеха узнал от Генри Палмера, что, согласно измерениям в Джодрелл Бэнк, радиоисточник по имени ЗС48 (источник № 43 в третьем издании каталога, составленного в Кембридже группой Рай-ля) имеет необычайно малый размер, не более чем 1 угловая секунда в диаметре (1/10000 углового размера Солнца). Такой крошечный источник должен был бы быть чем-то совершенно новым. Однако Палмеру и его коллегам в Джодрелл Бэнк не удалось достаточно точно локализовать положение источника. Мэтьюз, проведя ювелирную работу на новом интерферометре Калтеха, добился погрешности всего в 5 угловых секунд и передал свои данные Аллану Сандажу, оптическому астроному из Института Карнеги в Пасадене. Во время очередных наблюдений на 5-метровом телескопе Сандаж сфотографировал область, очерченную границами погрешности Мэтьюза и, к своему удивлению, обнаружил не галактику, а единственную голубую светящуюся точку, которая выглядела как звезда. «В следующую ночь я снял ее спектр, и это был самый странный спектр из тех, что я когда-либо видел», — вспоминал Сандаж. Длины волн спектральных линий были совершенно не похожи на линии звезд или горячего газа, когда-либо получаемые на Земле; они были не похожи ни на что, с чем ранее сталкивались астрономы и физики.

В следующие два года тем же способом было открыто еще с полдюжины похожих объектов, таких же загадочных, как и ЗС48. Все оптические астрономы Калтеха и Карнеги взялись за их фотографирование и снятие спектров, пытаясь понять природу этих объектов. Ответ должен бы быть очевиден, но нет, мешал ментальный барьер. Эти странные объекты выглядели настолько похожими на звезды, что астрономы все время пытались интерпретировать их как некий тип звезд нашей галактики, никогда ранее не наблюдавшихся, однако такая интерпретация была почти невероятной, ужасно искаженной.

Ментальный барьер был разрушен Маартеном Шмидтом, тридцатидвухлетним датским астрономом, недавно пришедшим в Калтех. В течение нескольких месяцев он бился над спектром, полученным от 3C273, одного из подобных странных объектов. Наконец, 5 февраля 1963 г., когда он сидел в своем кабинете в Калтехе, зарисовывая спектры для включения их в подготавливаемую статью, вдруг пришел ответ. Четыре самые яркие линии в спектре являлись четырьмя обычными «линиями Балмера», излучаемыми газообразным водородом — наиболее известными из всех спектральных линий, первыми которые студенты изучают в курсе квантовой механики. Однако эти четыре линии не имели обычных длин волн. Каждая была сдвинута в красную область на 16 %. Похоже 3C273 является объектом, содержащим большое количество газообразного водорода, удаляющимся от Земли со скоростью, составляющей 16 % скорости света — гораздо быстрее, чем любая из когда-либо наблюдавшихся астрономами звезд.

Шмидт вылетел в коридор, где столкнулся с Гринштейном и возбужденно изложил ему свое открытие. Гринштейн развернулся и направился в собственный кабинет, где выудил свой спектр ЗС48 и некоторое время рассматривал его. Балмеровские линии не обнаруживались ни при каком красном смещении, но зато здесь были и глядели на него линии излучения магния, кислорода и неона. 3C38 представлялся, по крайней мере частично, огромной массой, состоящей из магния, кислорода и неона, удаляющейся от Земли со скоростью, равной 37 % световой.

Чем вызваны такие высокие скорости? Если бы, как тогда думали, эти странные объекты (получившие позднее название квазары) являлись неким типом звезд, принадлежащих нашей галактике Млечный Путь, они должны были бы быть откуда-то извергнуты с невероятной силой, возможно, из галактического ядра. В это было невозможно поверить, и более пристальное изучение спектров квазаров показало, что это вряд так. Единственная разумная альтернатива, как (верно) предположили Гринштейн и Шмидт, заключается в том, что эти квазары находятся в нашей Вселенной очень далеко и удаляются от Земли с высокой скоростью в результате ее расширения.

Слева: Джесси Л. Гринштейн рядом с рисунком 5-метрового паломарского телескопа (около 1955 г.). Справа: Маартен Шмидт с инструментом для измерения спектра, сделанном для 5-метрового телескопа (около 1963 г.). [Предоставлено архивом Калифорнийского технологического института]

Вспомним, что расширение Вселенной подобно растяжению поверхности надуваемого воздушного шарика. Если на его поверхности находится несколько муравьев, каждый из них увидит, что все остальные муравьи в результате расширения воздушного шарика от него удаляются. Чем дальше находится другой муравей, тем быстрее он будет двигаться, на взгляд первого муравья. Точно так же, чем дальше находится объект от Земли, тем быстрее для нас он будет двигаться в результате расширения Вселенной. Другими словами, скорость объекта пропорциональна расстоянию до него. Поэтому из скоростей 3C273 и ЗС48 Шмидт и Гринштейн смогли вычислить расстояние до них: соответственно, 2 миллиарда и 4,5 миллиарда световых лет.