Почему наш мир таков, каков он есть. Природа. Человек. Общество (сборник)

Все это мы пока не видим по двум причинам: во-первых, это далеко. У нас во Вселенной все просто: есть скорость света, поэтому от далеких объектов сигнал к нам приходит спустя какое-то время – расстояние поделить на скорость света. На самом деле есть хитрость, потому что Вселенная расширяется, и расстояние увеличивается. В результате события, которые происходили давно, трудно увидеть – даже если в тот момент, когда они происходили, они были ближе, то сейчас они далеко.

Во-вторых, это связано с явлением, которое называется «красное смещение». Вселенная растягивается, и вместе с ней расширяются все несвязанные объекты. Расширяется свет: вы испустили зеленый луч, а он летит далеко-далеко во Вселенную и превращается в красный – вытягивается. Дальше он может превратиться в инфракрасный, а инфракрасный с Земли уже не видно. Чтобы все это увидеть, придется запускать телескоп в космос. Нет никакого дешевого способа с Земли увидеть инфракрасное излучение или, наоборот, рентгеновское. Поэтому нужно строить новые инструменты, которые, как все надеются, покажут нам самые первые звезды и галактики.

Как видеть далеко

Сейчас самые большие запущенные на орбиту телескопы имеют диаметр под четыре метра. Телескопы большего размера не влезают в ракету. Если нужен телескоп больше, его надо делать раскладным, как зонтик.

Телескоп – очень хитрое, сложное, высокотехнологическое устройство. В космосе его надо защищать от солнца, чтобы он не нагревался, на него влияют заряженные частицы и много что еще. В результате он получается очень сложный и в изготовлении, и в эксплуатации. Астрономические приборы такого уровня очень дороги по двум основным причинам; третья добавляется, если прибор надо отправлять в космос. Первая причина в том, что они делаются в одном экземпляре – все, что вы делаете в одном экземпляре, дорого. Если болид «Формулы-1» делать миллионными партиями, он будет гораздо дешевле, чем сейчас. Вторая причина состоит в необходимости разработки новых технологий. Третья причина в том, что в космосе все дороже.

Есть проекты наземных телескопов, которые покажут нам первые звезды и галактики. Самый большой из них – система радиотелескопов SKA [17] . Если проект будет реализован, он будет стоить несколько миллиардов долларов. Для наземной астрономии это фантастические деньги. Есть также миллиметровые телескопы на Земле, например, в пустыне Атакама. Телескопы нужно строить высоко в горах, где очень сухо, так как пары воды мешают наблюдениям в этом диапазоне спектра.

Как ни странно, про первые галактики нам могут рассказать и новые рентгеновские спутники. Эти спутники запускают в космос, потому что рентгеновское излучение, к счастью, не проходит сквозь земную атмосферу. Излучение это хорошо тем, что это почти что самые «жирные» кванты. Если вам нужно убежать и унести с собой пару миллионов долларов, все знают – надо брать крупными купюрами, потому что купюрами по доллару вы физически не унесете два миллиона. Природа мудра и поступает точно так же. Если в одном месте выделяется очень много энергии, надо уносить ее большими квантами – рентгеновскими. Когда идут какие-то бурные процессы, энергия испускается в рентгеновском диапазоне. Такие процессы происходят, например, когда вы кидаете предметы в черную дыру.

17

SKA (от Square Kilometre Array – «квадратная километровая решетка») – разрабатываемый радиоинтерферометр, состоящий из приемных антенн, разнесенных на расстояние более 3000 километров, и потому обеспечивающий очень высокое разрешение. Строительство SKA должно начаться в 2016 г. в Новой Зеландии, Австралии или Южной Африке. В проекте участвует около двадцати стран.

Идея очень простая. Все боятся, что на нас упадет астероид, потому что при этом происходит огромный взрыв. Это просто камень (не бомба!), но выделяется очень много энергии. Астероид падает с очень большой скоростью – если помните, есть такая формула: 1/2 mv^2. Если из космоса кинуть предмет на Землю, он падает со скоростью несколько километров в секунду, влетает в атмосферу, дальше тормозится и выделяет энергию.

Другое дело, если предмет кинуть не на Землю, а в черную дыру. В черную дыру предмет падает со скоростью света, и если перед этим он с чем-то сталкивается, выделяется огромное количество энергии, на единицу массы гораздо больше, чем при ядерном взрыве. Самые первые черные дыры образовались из самых первых огромных звезд и начали поглощать вещество. Падая, вещество нагревалось и испускало рентгеновские лучи. Так с помощью рентгеновских спутников можно увидеть самые первые черные дыры.

Существуют ли черные дыры?

Самые естественные черные дыры возникают из звезд. Звезда живет, пока в ее недрах легкие элементы превращаются в тяжелые. Так она поддерживает устойчивость. Гравитация стремится схлопнуть звезду, а внутреннее давление этому противодействует. Чтобы было внутреннее давление, нужно, чтобы была энергия. Ее звезда берет из термоядерного синтеза. Когда эта энергия заканчивается, звезда начинает схлопываться. Если масса очень большая, то она схлопнется в черную дыру – это и есть самый естественный процесс образования черных дыр.

Я думаю, что черные дыры есть. Я бы не задумываясь поклялся правой рукой директора своего института в том, что черные дыры существуют. Считается, что в центрах галактик, в том числе и в нашей, есть очень массивные черные дыры. Пока не совсем понятно, откуда они взялись. Скорее всего, часть из них развилась из самых первых черных дыр, образованных из самых первых звезд. Они поглощали вещество и таким образом нарастили массу. Есть предсказание о первичных черных дырах, промежуточных черных дырах, но их пока никто не наблюдал.

Самые лучшие кандидаты в черные дыры появились в 1970-е годы в системах двойных звезд. Звезды, особенно массивные, по большей части рождаются парами. Идея тоже очень проста, все мы помним, как образовывалась Солнечная система: было облако газа и пыли, оно сжималось. Мы все смотрим фигурное катание и помним, что, когда объект сжимается, он начинает вращаться быстрее. Сжимаясь, это облако может начать вращаться настолько быстро, что разделится на две части: его разрывает вращением, и тогда образуются две звезды. Это общий случай, он часто встречается в природе.

В двойной звезде нет ничего необычного. Если на небе ясно, их можно наблюдать, и особенно красиво, когда они разного цвета. Как и глаза у людей, звезды тоже бывают разных цветов. Две звезды живут, и одна из них – та, которая быстрее эволюционирует, – может превратиться в черную дыру. Дальше, чтобы ее стало видно, вещество второй звезды должно начать перетекать на первую. Это происходит, если звезда раздулась и вещество с нее захватывается черной дырой. Образуется красивый диск, в котором у самой внутренней его границы вещество двигается с половиной скорости света. Вещество разогревается до миллионов градусов, и мы видим яркий рентгеновский источник.

Именно такие явления стали открывать в 1970-е годы, когда начали запускать спутники с рентгеновскими детекторами. Таких двойных звездных систем сейчас известно множество. Часто это большие системы с гигантскими звездами, которые в десятки раз тяжелее Солнца и намного ярче. В названиях звезд использовались названия спутников, их открывших, координаты звезды, созвездий; часто фигурирует буква Х (икс), потому что на всех языках, кроме русского и немецкого, рентгеновские лучи называются Х-лучами. Есть замечательная история о том, как в советские времена ученый отправил из-за границы телеграмму в свой институт, потому что было сообщение о вспышке в одной из таких двойных систем. Телеграмма не дошла, а в КГБ долго изучали сообщение: «Следите за Лебедем Х-3».

Сегодня считается, что в таких системах невидимым объектом является черная дыра. Для этого есть причины. В первую очередь это связано с отсутствием пульсаций. Если в рентгеновской системе находится не черная дыра, то это должна быть нейтронная звезда. В двойных с такими объектами часто наблюдают пульсации излучения. На самом деле они не пульсируют так, как пульсирует сердце, просто на поверхности нейтронной звезды есть яркое пятно, а звезда вращается. Периодически, как в маяке, сигнал попадает на Землю, и тогда мы видим объект, регулярно меняющий свою яркость – пульсар [18] . Чтобы объект пульсировал, у него должна быть поверхность. Если рентгеновский объект не пульсирует, скорее всего, у него нет поверхности, а единственный объект, у которого нет поверхности, – это черная дыра.

18

Пульсар – космический источник излучения, достигающего Земли в виде отдельных импульсов. Первый пульсар был открыт в 1967 г.; результаты были засекречены на несколько месяцев, поскольку предполагалось, что сигнал может иметь искусственное происхождение. Источник был назван LGM-1 (от Little Green Men – «маленькие зеленые человечки»). По современным представлениям, пульсары – вращающиеся нейтронные звезды.

Есть также некоторые особенности излучения, которые говорят нам о том, что объект, скорее всего, является черной дырой. Но главное – они очень тяжелые. Мы представляем себе примерно, до какой степени можем издеваться над веществом и пытаться его сжать. При некотором усилии вещество отказывается дальше сопротивляться и проваливается в никуда, в черную дыру. Нижняя граница массы черных дыр соответствует трем массам Солнца. Если мы видим темный объект с массой четыре массы Солнца, то это не может быть тяжелая нейтронная звезда. Вы можете сделать кресло, но если вы сделаете кресло с массой в три массы Солнца, оно схлопнется в черную дыру. Такого предмета существовать просто не может, и его нельзя придумать. Это главная причина, почему мы считаем эти объекты черными дырами. Никаких других хороших моделей, позволяющих объяснить тяжелый темный объект, у нас сегодня нет.