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

Этих молодых, как и других подобных им физиков-теоретиков, иногда называют релятивистами, поскольку они проводят так много времени, работая с законами общей теории относительности. Теоретики, действительно внесшие вклад в поиски (Зельдович, Пашинский, Сюняев, Рис и другие), были другой породы, их называли астрофизиками. Для поиска этим астрофизикам требовалось владеть лишь малой частью общей теории относительности — вполне достаточной, чтобы понять, что кривизна пространства-времени ко всему этому, практически, отношения не имеет, и что ньютоновского описания гравитации вполне достаточно для моделирования объектов подобных Cyg Х-1. Однако им требовался чудовищный объем других знаний, являющихся частью стандартного инструментария астрофизика. Они должны были мастерски владеть пространными астрономическими учениями о двойных звездах и спектрах звезд-спутников кандидатов в черные дыры, о поглощении звездного света в межзвездной пыли — ключевой инструмент для определения расстояния до Cyg Х-1. Им также требовалось быть экспертами в вопросах течения раскаленного газа, ударных волнах, формирующихся при столкновении раскаленного газа, турбулентности газа, трения в газе, обусловленного турбулентностью и хаотическим магнитным полем, вынужденного разрыва и соединения линий магнитного поля, образования рентгеновского излучения в раскаленном газе, распространения в газе рентгеновского излучения и во многих других. Мало кто может быть профессионалом во всех этих вопросах и одновременно владеть сложной математикой искривленного пространства-времени. Человеческие ограничения обусловливают разделение в сообществе исследователей. Либо вы специализируетесь в теоретической физике черных дыр, в выведении из общей теории относительности свойств, которыми должна обладать черная дыра, либо вы специализируетесь в астрофизике двойных систем, раскаленном газе, падающем на черную дыру, и излучении, производимом газом. Вы были либо релятивистом, либо астрофизиком.

Некоторые из нас пытались быть и теми и другими, но со скромным успехом. Превосходному астрофизику Зельдовичу иногда удавалось проникнуть в самую суть черных дыр. Я, в общем-то, одаренный релятивист, пытался построить модели потока газа вблизи черной дыры в Cyg Х-1, основываясь на общей теории относительности. Но Зельдович не понимал глубоко общую теорию относительности, а я не достаточно хорошо знал астрономическую науку. Барьер, который нужно преодолеть, слишком велик. Из всех исследователей, работавших в Золотой век, которых я знал, лишь Новиков и Чандрасекар твердо стояли одной ногой в астрофизике, а другой в релятивизме.

Физики-экспериментаторы подобные Джиаккони, которые разрабатывали и запускали рентгеновские детекторы и спутники, наталкивались на тот же самой барьер. Но существовала и разница. Релятивисты не требовались для поиска черных дыр, тогда как без физиков-экспериментаторов было не обойтись. Астрономы и астрофизики со всем их мастерством и пониманием двойных звезд, течения газов, распространения рентгеновских лучей ничего не могли сделать, пока экспериментаторы не предоставили в их распоряжение подробные рентгеновские данные. Физики-экспериментаторы часто сами пытались расшифровать то, что говорили их собственные данные о потоках газа и о порождающей их возможной черной дыре, но успехи были не велики. Астрономы и астрофизики брали их данные, благодарили и затем интерпретировали их по-своему, более изощренным и надежным образом.

Эта зависимость астрономов и астрофизиков от физиков-экспериментаторов показывает лишь один пример тесных взаимосвязей, которые были необходимы для достижения успеха в поисках черных дыр. Фактически, успех стал продуктом объединенных, взаимозависимых усилий шести различных групп людей. Каждая группа играла свою существенную роль. Релятивисты с помощью законов общей теории относительности показали, что черные дыры должны существовать. Астрофизики предложили метод поиска и показали несколько конкретных шагов, которые было необходимо предпринять. Астрономы идентифицировали HDE 226868, спутник Cyg Х-1, используя периодические сдвиги спектральных линий, вычислили массу Cyg Х-1 и провели другие обширные наблюдения, чтобы подтвердить эту оценку массы. Физики-экспериментаторы создали технику и инструменты, сделавшие возможным поиск рентгеновских звезд, и провели такой поиск, идентифицировав Cyg Х-1. Инженеры и менеджеры НАСА создали ракеты и спутники, выведшие рентгеновские детекторы на орбиту Земли. И, что не менее важно, американские налогоплательщики обеспечили финансирование в несколько сотен миллионов долларов на создание ракет, спутников, рентгеновских детекторов и рентгеновских телескопов, а также зарплату для инженеров, менеджеров и ученых, работавших с ними.

Благодаря такой замечательной коллективной работе сегодня, в 1990-х, мы почти на 100 % уверены, что черные дыры существуют не только в Cyg Х-1, но и во многих других двойных системах нашей галактики.

9 НАИТИЕ

глава, в которой астрономы оказываются вынужденными признать, что в ядрах галактик могут находиться непредсказанные черные дыры, в миллионы раз массивнее Солнца

Если бы в 1962 г. (когда физики-теоретики только начинали свыкаться с концепцией черных дыр) кто-нибудь заявил, что во Вселенной существуют гигантские черные дыры в миллионы и миллиарды раз более тяжелые, чем наше Солнце, астрономы его бы просто осмеяли. Тем не менее, не зная о том, астрономы наблюдали такие черные дыры с помощью радиоволн, начиная с 1939 г. По крайней мере, сегодня мы имеем все основания подозревать, что это так.

Радиоволны являются противоположностью рентгеновским лучам. Рентгеновское излучение — это электромагнитные волны с чрезвычайно короткой длиной волны, обычно в 10000 раз меньше, чем длина волны света (рис. П.2 в Прологе). Радиоволны также имеют электромагнитную природу, но имеют много большую длину волны — обычно расстояние от одной пучности до другой составляет несколько метров, что в миллион раз больше, чем длина волны видимого света. Рентгеновские лучи и радиоволны противоположны друг другу и с точки зрения корпускулярно-волнового дуализма (Врезка 4.1) — склонности электромагнитных волн вести себя то подобно волне, а то подобно частице-корпускуле (фотону). Рентгеновское излучение обычно ведет себя как поток частиц (фотонов) с высокой энергией, и поэтому его можно обнаружить с помощью счетчиков Гейгера, в которых рентгеновские фотоны ударяются об атомы, выбивая из них электроны (глава 8). Радиоволны почти всегда ведут себя как волны электрической и магнитной силы, и поэтому их проще всего обнаруживать с помощью проволочных или сплошных металлических антенн, в которых колебания электрической силы волн толкают электроны в разные стороны и, тем самым, вызывают переменный ток в присоединенном к антенне радиоприемнике.

Космические радиоволны (радиоволны, имеющие внеземное происхождение) были по счастливой случайности открыты в 1932 г. Карлом Янски, радиоинженером из Лаборатории Белл Телефон в Хомделе, в Нью-Джерси. Молодому выпускнику колледжа Янски поручили идентифицировать шумы, мешавшие телефонным разговорам с Европой. В то время телефонные разговоры через Атлантику осуществлялись с помощью радио, и поэтому для поиска таких шумов Янски сконструировал из большого числа металлических труб специальную радиоантенну (рис. 9.1а). Большая часть шумов вызывалась грозами, но даже когда гроз не было, оставались слабое постоянное шипение и свист. К 1935 г. ему удалось обнаружить источник шипения — в основном, оно приходило из центральных областей нашей галактики, Млечного Пути. Когда центральные области находились над головой, шипение было сильным, когда же скрывались за горизонтом, шипение ослаблялось, хотя и не пропадало совсем.