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

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.

Это были чудовищные расстояния, практически самые большие расстояния из зарегистрированных когда-либо. Это означало, что для того чтобы 3C273 и ЗС48 имели достаточную яркость, чтобы выглядеть так, как они регистрировались с помощью 5-метрового телескопа, они должны были излучать невообразимую мощность: в 100 раз большую, чем самые яркие из наблюдавшихся галактик.

Фактически 3C273 был настолько ярким объектом, что с 1895 г. его уже больше 2000 раз регистрировали на фотографиях вместе с другими объектами даже с помощью телескопов среднего размера. Узнав об открытии Шмидта, Харлан Смит из Университета Техаса организовал более пристальное изучение этого архива фотографий, в основном хранящихся в Гарварде, и обнаружил, что у 3C273 за последние 70 лет постоянно происходили флуктуации яркости. Его светимость существенно менялась с периодом, не большим чем один месяц. Это означает, что большая часть света от 3C273 должна излучаться из области размером меньшим расстояния, преодолеваемого светом за месяц, т. е. меньшим, чем 1 «световой месяц». (Если область будет больше, то не может быть такой силы, перемещающейся, конечно, со скоростью меньшей или равной скорости света, которая могла бы заставить весь излучающий газ с месячной аккуратностью одновременно вспыхивать или тускнеть.)

Во все это было чрезвычайно трудно поверить. Этот странный квазар, этот 3C273, светил в 100 раз ярче, чем самые яркие во Вселенной галактики. Но если галактики излучают свет из областей размером в 100000 световых лет, 3C273 давал свет из области, по крайней мере, в миллион раз меньшей в диаметре и в 1018 раз меньшей по объему: всего в 1 световой месяц или даже меньше. Свет должен исходить от массивного компактного газового объекта, нагреваемого какой-то невероятно мощной машиной. Эта машина, в конце концов, с высокой, но не абсолютной достоверностью окажется гигантской черной дырой, но прочные свидетельства будут получены лишь в последующие пятнадцать лет.

* * *

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.