Черные дыры и складки времени. Дерзкое наследие Эйнштейна

* * *

Если объяснить происхождение радиоволн в нашем галактическом Млечном Пути было тяжело, а объяснить радиоизлучение от удаленных радиогалактик еще сложнее, то объяснение радиоизлучения от этих сверхдалеких квазаров могло оказаться суперсложным.

Сложность, как оказалось, опять состояла в существовании ментального барьера. Джесси Гринштейн, Фред Уиппл и все остальные астрономы 1930-х и 1940-х полагали, что космические радиоволны, так же как и звездный свет, испускаются разогретыми теплом, колеблющимися молекулами, атомами и электронами. Астрономы 30-х и 40-х годов не могли представить другого способа, как природа могла бы образовывать наблюдаемые радиоволны, даже тогда, когда все их расчеты недвусмысленно показывали, что этот работать не может.

Однако с начала XX века физикам был известен другой способ. Когда электрон, движущийся с высокой скоростью, встречает магнитное поле, магнитные силы этого поля закручивают траекторию электрона в спираль. Электрон оказывается вынужденным кружиться вокруг линий магнитного поля (рис. 9.4) и, двигаясь по спирали, испускать электромагнитное излучение. В 1940-х годах физики начали называть это излучение синхротронным излучением, поскольку оно образуется при спиральном движении электронов в ускорителях частиц, называемых «синхротронами», которые тогда строились. Замечательно, что в 1940-х годах, несмотря на заметный интерес физиков к синх-ротронному излучению, астрономы не обращали на него никакого внимания. Ментальный барьер сохранялся.

9.4. Космические радиоволны порождаются электронами, вращающимися по спирали с околосветовыми скоростями вокруг линий магнитного поля. Магнитное поле заставляет электрон двигаться не по прямой, а по спирали, при этом спиральное движение электрона порождает радиоволны

В 1950 г. Карл Отто Кипенхоер в Чикаго и Виталий Лазаревич Гинзбург в Москве (тот самый Гинзбург, который придумал LiD топливо для советской водородной бомбы и обнаружил первые свидетельства, что черные дыры не могут иметь «волос» [92] ) разрушили этот ментальный барьер. Развивая плодотворные идеи Ганса Альфвена и Николаи Херлофсона, Кипенхоер и Гинзбург (верно) предположили, что радиоволны Янски в нашей галактике являются синхротронным излучением электронов, движущихся по спирали вокруг линий магнитных силовых линий, заполняющих межзвездное пространство (рис. 9.4).

92

См. рис. 7.3. Все же Гинзбург больше всего известен не этими открытиями, а благодаря разработанной им вместе с Львом Ландау «теории сверхпроводимости Гинзбурга — Ландау» (т. е. объяснения того, как некоторые металлы при очень сильном охлаждении полностью теряют сопротивление электрическому току). Гинзбург является в мире представителем малого числа настоящих «ренессансных физиков», человеком, который внес существенный вклад почти во все области теоретической физики

Спустя несколько лет, когда будут открыты гигантские радиоизлучающие лепестки радиогалактик и квазары, было также вполне естественно (и правильно) предположить, что их радиоизлучение также вызывается электронами, вращающимися вокруг силовых линий магнитного поля. Исходя из физических законов, описывающих такое спиральное движение, и свойств наблюдаемых радиоволн, Джеффри Бэрбидж из Университета Калифорнии, в Сан Диего, рассчитал, какую энергию должны иметь магнитные поля лепестков и быстро вращающиеся электроны. Вот его поразительный ответ: в экстремальных случаях радиоизлучающие лепестки должны заключать в себе такое количество магнитной энергии и кинетической энергии быстрых электронов, которое можно получить при превращении в чистую энергию всей массы 10 миллионов (10⁷) Солнц со 100 %-ной эффективностью.

* * *

Такие энергетические характеристики квазаров и радиогалактик были настолько поразительными, что в поисках объяснения астрофизикам в 1963 г. пришлось перебрать все мыслимые источники энергии.

Химическая энергия (горение бензина, нефти, угля или динамита), которая является основой человеческой цивилизации, явно не подходила. Химическая эффективность преобразования вещества в массу составляет лишь одну стомиллионную долю (одна часть на 10⁸). Для того чтобы обеспечить энергией радиоизлучающий газ квазара, потребовалось бы 10⁸ х 10⁷ = 10¹⁵ солнечных масс химического горючего — в 10000 раз больше, чем количество вещества, содержащегося в нашей галактике Млечный Путь. Это совершенно бессмысленно.

Ядерная энергия, работающая в водородной бомбе и дающая солнечный свет и тепло, также плохо подходила для питания квазара. Эффективность преобразования массы в энергию для ядерного горючего составляет примерно 1 процент (1 часть на 10²), поэтому квазару, для того чтобы подпитывать радиоизлучение лепестков, понадобилось бы 10² х 10⁷ = 10⁹ (1 миллиард) солнечных масс. И этот миллиард соответствует тому случаю, когда ядерное топливо полностью выгорает и освобождающаяся энергия полностью преобразуется в энергию магнитного поля и быстрых электронов. Полное сгорание и полное преобразование энергии вызывало сомнение. Даже в тщательно сконструированных машинах человеку редко удается добиться эффективности преобразования энергии ядерного топлива в полезную мощность лучшей нескольких процентов, а в природе могло быть еще хуже. Поэтому более разумной является оценка в 10 или 100 миллиардов звезд. Это меньше, чем масса гигантской галактики, но не намного, и то, как природа могла бы добиться преобразования ядерной энергии в магнитную и кинетическую, было совершенно неясно. Поэтому ядерная энергия была возможной, но очень сомнительной кандидатурой.

Аннигиляция вещества и антивещества могла бы обеспечить 100-процентное преобразование массы в энергию, и поэтому 10 миллионов солнечных масс, аннигилирующих с 10 миллионами солнечных масс из антивещества, могли бы удовлетворить энергетические потребности квазаров. Однако нет никаких доказательств существования во Вселенной антивещества, кроме малых его крох, искусственно синтезированных человеком в ускорителях и той малости, которая возникает в природе при столкновении частиц обычного вещества. Более того, даже если бы такие большие массы вещества и антивещества аннигилировали, энергия их аннигиляции превратилась бы в гамма-излучение, а не в энергию магнитного поля или кинетическую. Поэтому аннигиляция вещества с антивеществом оказывается неудовлетворительным источником энергии для квазара.

Оставалась еще одна возможность: гравитация. схлопывание обычной звезды с образованием нейтронной звезды или черной дыры, казалось, вполне могло преобразовать 10 процентов массы в магнитную и кинетическую энергии — хотя, как это точно происходит, ясно не было. Если это возможно, то схлопывание 10 х 10⁷ = 10⁸ (100 миллионов) обычных звезд могло бы обеспечить квазар энергией, так же, впрочем, как и схлопывание одной гипотетической в 100 миллионов раз более тяжелой, чем Солнце, сверхмассивной звезды. [Правильная идея, состоящая в том, что гигантская черная дыра, получившаяся при схлопывании такой сверхмассивной звезды, может сама служить источником энергии для квазара, никому не приходила в голову вплоть до 1963 г. Черные дыры тогда еще плохо понимали. Уилер еще не пустил в оборот выражение «черная дыра» (глава 6). Салпетер и Зельдович еще не поняли того, что газ, падающий на черную дыру, может нагреваться и с высокой эффективностью излучать энергию (глава 8). Пенроуз еще не открыл, что черная дыра может до 29 процентов своей массы копить в энергии вращения и затем ее высвобождать (глава 7). Золотой век исследований черных дыр еще не начался.]

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.