Черные дыры и складки времени. Дерзкое наследие Эйнштейна
Шрифт:
и запуск в космос детекторов рентгеновского излучения, подобных фридмановским. Военно-воздушные силы Соединенных Штатов предоставили Джиаккони все требуемые средства, но мало времени. Менее чем за год он расширил свою группу рентгеновской астрономии, первоначально состоявшую из шести человек, введя в нее семьдесят новых участников, разработал, изготовил и испытал множество приборов слежения за взрывами военного назначения, запустив их в космос, достигнув 95-процентного успеха, на двадцати четырех ракетах и шести спутниках. Этот опыт сформировал из костяка его группы верную, знающую и высоко квалифицированную команду, идеально подходящую для того, чтобы обойти всех конкурентов в создании рентгеновской астрономии.
Временная команда Джиаккони сделала свои первые шаги в астрономии, начав с поиска рентгеновского
на высоте достаточной, чтобы зарегистрировать рентгеновское излучение Луны. Данные, переданные на Землю телеметрией, были загадочны: рентгеновское излучение оказалось значительно сильнее, чем ожидалось. При более внимательном изучении данные показались еще удивительней. Казалось, что рентгеновское излучение шло не от Луны, а из созвездия Скорпиона (рис. 8.6б). Два месяца Джиаккони и члены его команды (Герберт Гурский, Франк Паолини и Бруно Росси) искали ошибку в данных и в аппаратуре. А когда таковой не нашлось, объявили о своем открытии. Впервые была обнаружена рентгеновская звезда, в 5000 раз более яркая, чем предсказывали астрофизики. Десятью месяцами позже группа Фридмана подтвердила открытие, и звезде было дано имя Sco Х-1 (1 — потому что самая яркая; X — потому что источник Х-лучей63; Sco — по латинскому названию созвездия Скорпиона — Scorpius).
Почему ошиблись теоретики? Как получилось, что они в 5000 раз недооценили силу космического рентгеновского излучения? Они неверно полагали, что на небе в рентгеновском диапазоне будут преобладать объекты, уже известные по оптическим наблюдениям — такие объекты, как Луна, планеты и обычные звезды, слабые источники рентгеновских лучей. Однако Sco Х-1 и другие вскоре открытые рентгеновские звезды не были подобны ранее наблюдавшимся объектам. Они являлись нейтронными звездами и черными дырами, захватывающими газ у нормальных звезд-спутников и нагревающими его до высоких температур, как это вскоре предположат Зельдович и Новиков (рис. 8.5 сверху). Для того чтобы показать, что такова в действительности природа наблюдаемых рентгеновских звезд, однако, потребовалось еще десятилетие работы рука об руку таких экспериментаторов,
8.6. Совершенствование технологии и разрешения рентгеновских астрономических инструментов в 1962—1978-х гг. (а) Схема конструкции счетчика Гейгера, использовавшегося группой Джиаккони в 1962 г. при открытии первой рентгеновской звезды, (б) Данные, полученные с помощью счетчика Гейгера, которые показывают, что звезда находится не там где Луна; обратите внимание на плохое угловое разрешение (большую погрешность измерений), составляющую 90 градусов. (в) Рентгеновский детектор на спутнике Ухуру, 1970 г.: значительно улучшенный рентгеновский счетчик находится внутри корпуса, а перед детектором расположены пластины в виде жалюзи, препятствующие регистрации рентгеновских лучей, летящих не перпендикулярно входному окну детектора, (г) Рентгеновское излучение Cygnus Х-1, кандидата в черные дыры, измеренное Ухуру. (д) Схема и (е) фотография зеркал для фокусировки рентгеновских лучей в рентгеновском телескопе Эйнштейн, 1978 г. (ж) и (з) Фотографии двух кандидатов в черные дыры — Cygnus Х-1 и SS-433
как Фридман и Джиаккони, и таких теоретиков, как Зельдович и Новиков.
* * *
Детекторы Джиаккони образца 1962 г. были чрезвычайно просты (рис. 8.6а): камера с электродами, заполненная газом, с тонким окошком сверху. Когда рентгеновские лучи попадают в камеру через окошко, они выбивают электроны у некоторых атомов газа; эти электроны притягиваются полем к электродам и, попадая в провод, создают электрический ток, свидетельствующий о приеме рентгеновского излучения. (Такие приборы иногда называют счетчиками Гейгера, а иногда пропорциональными счетчиками.) Ракета, несущая камеру, вращалась со скоростью два оборота в секунду, а ее нос медленно качался, нацеливаясь то вверх, то вниз. Такие движения позволяли окошку камеры просканировать большую область неба, направляя его то в одном, то в другом направлении. Будучи направленной на созвездие Скорпиона, камера регистрировала много отсчетов рентгеновских лучей. Когда она нацеливалась в другую сторону, отсчетов было мало. Однако поскольку рентгеновское излучение могло попадать в камеру с широкого диапазона направлений, оценки положения Sco
Для того чтобы определить, действительно ли Sco Х-1 и другие вскоре открытые рентгеновские звезды являются черными дырами и нейтронными звездами в двойных системах, требовалось уменьшить пределы ошибок (неопределенность положения на небе) до нескольких угловых минут. Это было суровое требование: тысячекратное улучшение углового разрешения.
Требуемое и даже более значительное улучшение разрешения было шаг за шагом достигнуто в последующие шестнадцать лет несколькими конкурирующими на каждом шагу группами (Фридмана, Джиаккони и других). За чередой ракет, запускаемых то одной, то другой группой, с все улучшающимися детекторами, в декабре 1970 г. последовал Ухуру — первый рентгеновский спутник (рис. 8.6в). Созданный группой Джиаккони, Ухуру содержал заполненные газом рентгеновские счетчики, в сто раз большие тех, которые запускались на ракете в 1962 г. Перед окошками камер были установлены щели, подобные жалюзи, не дающие камере видеть лучи, исходящие из любых направлений, кроме нескольких градусов вокруг перпендикуляра (рис. 8.6г). За
Ухуру, который обнаружил и позволил занести в каталог 339 рентгеновских звезд, последовали другие такие же рентгеновские спутники специального назначения, построенные американскими, британскими и голландскими учеными. Затем в 1978 г. группа Джиаккони запустила могучего преемника Ухуру — первый настоящий рентгеновский телескоп Эйнштейн. Поскольку рентгеновские лучи легко проникают через любой объект, расположенный перпендикулярно на их пути, даже через зеркало, в телескопе Эйнштейн использовались наборы последовательных зеркал, вдоль которых рентгеновские лучи скользят, подобно салазкам, скользящим вдоль ледяного склона (рис. 8.6д,е). Такие зеркала фокусировали рентгеновские лучи, чтобы построить изображение участка рентгеновского неба размером в 1 угловую секунду — разрешение такое же, как и у лучших оптических телескопов (рис. 8.6ж,з).
Всего за шестнадцать лет, начиная с ракет Джиаккони и до телескопа Эйнштейн (с 1962 по 1978 гг.), было достигнуто 300000-кратное улучшение углового разрешения, и произошел переворот в нашем понимании Вселенной. Рентгеновские лучи обнаружили для нас нейтронные звезды и кандидатов в черные дыры, горячий диффузный газ, окружающий галактики в гигантских скоплениях, и горячий газ в
остатках сверхновых и в коронах (внешней атмосфере) некоторых типов звезд, частицы высокой энергии в ядрах галактики и квазары.
* * *
Из всех кандидатов в черные дыры, открытых с помощью рентгеновских детекторов и рентгеновских телескопов, Cygnus Х-1 [созвездие Лебедя] (для краткости Cyg Х-1) является одним из наиболее достоверных. В 1974 г., вскоре после того как Cyg Х-1 был признан хорошим кандидатом, Стивен Хокинг и я заключили пари; я ставил на то, что это черная дыра, а он — что нет.
Кароли Уинстайн, которая стала моей женой через десять лет после заключения пари, была недовольна, узнав о том, что стоит на кону (подписка на Пентхаус для меня, если выигрываю я, и на журнал Прайвэт Ай для Стивена, если выигрывает он). Недовольны были также моя мать и сестры. Им, однако, не стоило беспокоиться, что я действительно выиграю подписку на Пентхаус (так я думал в 1980 г.); наше знание о природе Cyg Х-1 хотя и улучшалось, но очень медленно. В 1990 г. мне казалось, что мы могли быть уверены только на 95%, что это действительно черная дыра, но все же недостаточно, чтобы считать, что Стивен проиграл спор. Очевидно, Стивен оценивал свидетельства иначе. Поздно вечером в июне 1990 г., пока я был в Москве, работая вместе с советскими коллегами, Стивен в окружении семьи, медсестер64и друзей вломился в мой кабинет в Калтехе, нашел наше пари и сделал приписку о своей сдаче, скрепив ее отпечатком пальца.
Свидетельство того, что Cyg Х-1 содержит черную дыру, было как раз таким, как предвидели Зельдович и Новиков, которые предложили метод поиска. Cyg Х-1 является двойной звездой, состоящей из яркой в оптическом и слабой в рентгеновском диапазоне звезды, обращающейся вокруг рентгеновски яркой, но оптически темной компоненты. Измерения массы последней показали, что она слишком велика, чтобы быть нейтронной звездой, и потому, вероятнее всего, является черной дырой.
Свидетельства того, что именно такова природа Cyg Х-1, дались нелегко. Потребовались совместные серьезные усилия, предпринятые в разных странах мира в 1960-х и 1970-х годах сотнями физиков-экспериментаторов, астрофизиков и астрономов.