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

Мысль о том, что квазары могут получать энергию от схлопывающейся звезды, образующей черную дыру, была радикальным отходом от традиционных представлений. Впервые в истории астрономы и астрофизики почувствовали необходимость обратиться для объяснения наблюдаемых объектов к общей теории относительности. Раньше релятивисты жили в одном мире, а астрономы и астрофизики в другом, почти не связанные друг с другом. Эта разъединенность подходила к концу.

Для стимулирования диалога между релятивистами, астрономами и астрофизиками и катализации прогресса в исследовании квазаров с 16 по 18 декабря 1963 г. в Далласе, в Техасе, была организована конференция, в которой приняли участие триста ученых. Томас Голд из Корнельского университета так полушутя обрисовал в тосте на банкете обстановку на этом Первом техасском симпозиуме по релятивистской астрофизике: «[Загадка квазаров] позволяет предположить, что вычурные работы релятивистов являются не только великолепными культовыми украшениями, но могут быть действительно полезны для науки! Все довольны: релятивисты, почувствовавшие, что их оценили, стали экспертами в области, о существовании которой они вряд ли знали, и астрофизики, поскольку теперь они могут расширить свое поле деятельности, свою империю, вторгаясь в другую епархию — общую теорию относительности. Все это очень приятно, и потому давайте думать, что все это верно. Каким позором для нас будет, если нам придется снова пойти на увольнение всех релятивистов».

Выступления следовали почти непрерывно с 8:30 утра до 6 вечера с часовым перерывом на обед, плюс почти все время с 6 вечера до двух часов ночи проходило в неформальных дискуссиях и спорах. Среди других выступлений проскочило и короткое 10-минутное сообщение молодого новозеландского математика Роя Керра, неизвестного другим участникам. Керр только что обнаружил свое решение уравнений поля Эйнштейна — решение, которое, как окажется десятилетием позже, позволит описать все свойства вращающихся черных дыр, включая запасание и высвобождение вращательной энергии (главы 7 и 11); решение, которое, как мы увидим позднее, в конечном итоге заложит фундамент для объяснения происхождения энергии квазаров. Однако в 1963 г. решение Керра большинству ученых казалось лишь математическим курьезом; никто даже не знал, что оно описывает черную дыру, хотя Керр и рассуждал о том, что оно может дать представление о схлопывании вращающихся звезд.

Астрономы и астрофизики приехали в Даллас обсуждать квазары; их не интересовали эзотерические математические изыски Керра. Поэтому, как только Керр начал свое выступление, многие выскользнули из конференц-зала, чтобы в фойе поспорить друг с другом о своих любимых теориях квазаров. Многие другие решили вздремнуть, тщетно пытаясь восполнить дефицит сна из-за ночных научных бдений. Лишь горстка релятивистов пристально вслушивалась в каждое слово.

Это было больше, чем мог вынести Ахилл Папапетроу, один из ведущих мировых релятивистов. Как только Керр закончил, Папапетроу потребовал слова, встал и с глубоким чувством объяснил собравшимся важность работы Керра. В течение 30 лет Папапетроу пытался найти решение уравнений Эйнштейна, но, как и многим другим релятивистам, ему это сделать не удалось. Астрономы и астрофизики вежливо кивали, но затем, как только следующий оратор начал развивать свои теории о квазарах, переключили свое внимание на него и все пошло своим чередом.

* * *

1960-й год стал поворотной точкой в изучении радиоисточников. Ранее в исследованиях полностью доминировали астрономы-наблюдатели, т. е. оптические астрономы, и наблюдающие за радиоизлучением физики-экспериментаторы, которые теперь влились в семью астрономов и назывались радиоастрономами. Астрофизики-теоретики, наоборот, вносили в исследования небольшой вклад, поскольку радионаблюдения были еще недостаточно точны, чтобы существенно влиять на их теории. Их единственный вклад состоял в том, что они поняли, что радиоволны производятся высокоскоростными электронами, вращающимися вокруг магнитных силовых линий гигантских радиоизлучающих лепестков, и в том, что они смогли рассчитать, сколько магнитной и кинетической энергии на это требуется.

В 1960-х, когда разрешение радиотелескопов все продолжало улучшаться, а оптические наблюдения начали обнаруживать новые особенности радиоисточников (например, крошечные размеры излучающих свет ядер квазаров), нарастающий объем информации стал пищей для ума астрофизиков. Основываясь на этой богатой информации, астрофизики предложили десятки детальных моделей для объяснения радиогалактик и квазаров, и одна за другой эти модели опровергались при накоплении данных наблюдений. Наконец-то все заработало, как положено в науке!

Одним из ключевых моментов в новых данных было открытие радиоастрономами того факта, что радиогалактики излучают радиоволны не только своими гигантскими двойными лепестками, расположенными с обеих сторон от центральной галактики, но и ядром в центре самой галактики. В 1971 г. это подсказало Мартину Рису, недавнему ученику Денниса Сиамы из Кембриджа, радикально новую идею об источнике энергии двойных лепестков. Возможно, за излучение всех радиоволн в ядрах галактик отвечал единственный механизм. Возможно, этот механизм непосредственно передавал энергию электронам и магнитным полям, излучаемым из центра; возможно, он также излучал эту энергию по направлению к гигантским лепесткам, чтобы на месте насыщать энергией поля и электроны; и, возможно, механизм в ядрах радиогалактик (каким бы он ни был) был того же типа, что и тот, который дает энергию квазарам.

Вначале Рис подозревал, что лучи, переносящие энергию от ядра к лепесткам, состоят из ультранизкочастотных электромагнитных волн. Однако после теоретических расчетов стало ясно, что подобные лучи при любых условиях не смогли бы пробиться через межгалактический газ.

Как это часто бывает, не вполне верное предположение Риса стимулировало верное. Малкольм Лонгэйр, Мартин Райль и Питер Шеуер в Кембридже взяли эту идею за основу и модифицировали ее очень простым способом: они оставили лучи Риса, но предположили, что лучи состоят из горячего намагниченного газа, а не из электромагнитных волн. Рис быстро согласился, что газовые струи (джеты) будут работать, и вместе со своим студентом Роджером Блэндфордом рассчитал свойства, которые должны иметь эти струи.

Несколькими годами позже это предсказание газовых струй, вырывающихся из центрального объекта как источника энергии радиоизлучающих лепестков, было эффектно подтверждено при помощи новых гигантских интерферометров в Англии, Голландии и Америке, особенно с помощью американского очень большого антенного многоэлементного телескопа VLA (Very Large Array — очень большой массив) на равнинах Св. Августина в Нью-Мексико (рис. 9.5). Интерферометры увидели джеты, и они имели предсказанные свойства. Они простирались от ядра галактики до обоих лепестков, и можно даже было видеть, как они врезаются в газ и тормозятся до полной остановки.

VLA использует ту же технику «пятен на тарелке», что и радиоинтерферометры 1940-х и 1950-х (рис. 9.2), но их тарелка во много раз больше и использует гораздо больше пятен (гораздо больше связанных радиотелескопов). Они достигают разрешения в одну угловую секунду, примерно такого же, как в лучших оптических телескопах, — громадное достижение, если сравнивать с первыми грубыми инструментами Янски и Ребера, сделанными за сорок лет до этого. Но совершенствования на этом не остановились. К началу 1980-х годов с помощью интерферометров со сверхдлинной базой VLBI (Very Long Baseline Interferometer), состоящих из радиотелескопов на противоположных концах континента или мира, были получены картины ядер радиогалактик и квазаров с разрешением в 1000 раз лучшим, чем у оптических телескопов. (Выходные сигналы каждого телескопа в VLBI записывались на магнитной ленте вместе с временными метками от атомных часов, а затем с помощью компьютера после считывания и объединения данных всех лент получали общее изображение.)

9.5. Вверху: VLA радиоинтерферометр на равнине Св. Августина в Нью-Мексико.

Внизу: Изображение радиогалактики Cygnus А, сделанное с помощью этого интерферометра Р.А.Перли, Дж. В.Дрейером и Дж. Дж. Коуэном. Совершенно отчетливо видна струя, питающая правый лепесток; струя, питающая левый лепесток, видна гораздо хуже. Обратите внимание на колоссальное улучшение разрешения на этой картине радиоизлучения по сравнению с контурной картой Ребера 1944 г., которая вообще не показывала лепестков (рис 9.1 г), с радиокартой 1953 г. Дженнисона и Дас Гупты, на которой едва проявилось существование лепестков (два прямоугольника на рис. 9.3 г), а также с картой Райля 1969 г. (рис. 9.3 г). [Обе фотографии предоставлены NRAO/AUI]