Черные дыры и складки времени. Дерзкое наследие Эйнштейна

Торн Кип

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.)

Полученные с помощью VLBI в начале 1980-х изображения показали, что струи вырываются из самой внутренней части ядер галактик,

имеющей размер в несколько световых лет или, как в случае некоторых квазаров подобных 3C273, от ярко светящегося объекта размером не больше светового месяца. Главный механизм предположительно находится внутри такого светящегося объекта и обеспечивает энергией не только сам объект, но и струи, которые в свою очередь питают радиолепестки. Струи дали и другой ключ к пониманию природы основного механизма. Некоторые струи остаются совершенно прямыми на расстояниях в миллион световых лет или даже больше. Если бы их источник вращался, то подобно вращающейся воде в сливе раковины он порождал бы спиральные струи. Поэтому наблюдаемая прямолинейность струй свидетельствовала о том, что центральный механизм выстреливал их в одном и том же направлении в течение долгого времени. Насколько долгого? Поскольку газ струй не может двигаться со скоростью выше скорости света, и поскольку длина некоторых струй превышает миллион

световых лет, направление извержения должно было оставаться неизменным больше миллиона лет. Чтобы добиться такой стабильности, «сопла» механизма, испускающего струи, должны быть закреплены на чрезвычайно устойчивом объекте, на чем-то вроде долгоживущего гироскопа. (Напомню, что гироскоп представляет собой быстро вращающийся объект, в течение долгого времени удерживающий постоянное направление оси своего вращения. Такие гироскопы являются ключевыми компонентами пассивных навигационных систем самолетов и ракет.) Среди десятков предположений, выдвинутых в начале 1980-х годов для объяснения механизма квазаров, лишь одно включало гигантский супергироскоп с большим временем жизни, с размерами меньше светового месяца и возможностью генерации мощных струй. Эта уникальная гипотеза состояла в том, что это гигантская вращающаяся черная дыра.

Гигантские черные дыры

Идея о том, что квазары и радиогалактики могут питаться энергией от гигантских черных дыр, была предложена Эдвардом Салпетером и Яковом Борисовичем Зельдовичем в 1964 г. (в первый год Золотого века, глава 7). Эта идея была очевидным приложением открытия Зельдовича—Салпетера того факта, что падающие на черную дыру потоки должны сталкиваться и излучать (см. рис.8.4).

Более полное и реалистичное описание падения газовых потоков на черную дыру было дано в 1969 г. британским астрофизиком из Кембриджа Дональдом Линден-Беллом. Линден-Белл приводил убедительные доводы, что после того как газовые потоки столкнутся, они соединятся, и центробежная сила вынудит их вращаться, делая много оборотов по спирали вокруг черной дыры, пока они не упадут на нее. Вращаясь, они образуют объект в форме диска, во многом похожий на кольца вокруг планеты Сатурн — аккреционный диск, как его назвал Линден-Белл, поскольку газ собирается, аккрецируется (от латинского accretio — приращение, увеличение) черной дырой. (Справа на рис. 8.7 показан такой диск вокруг небольшой черной дыры внутри объекта Лебедь Х-1 в представлении художника.) В аккреционном диске прилегающие газовые потоки должны тереться друг о друга, и это интенсивное трение будет нагревать диск до высоких температур.

В 1980-х годах астрофизики поняли, что ярко светящийся объект в центре 3C273 размером в 1 световой месяц или даже меньше, возможно, является аккреционным диском Линден-Белла, нагретым таким трением.

Обычно мы полагаем, что трение — слабый источник теплоты. Вспомним несчастного бойскаута, тщетно пытающегося разжечь огонь трением двух палочек друг о друга. Однако бойскаут ограничен своей слабой мускульной силой, тогда как в аккреционном диске трение питается гравитационной энергией. Поскольку мощность гравитации очень велика, во много раз больше, чем у ядерной энергии, трение вполне может нагреть диск и заставить его светиться в 100 раз сильнее самых ярких галактик.

***

Каким образом черная дыра может вести себя подобно гироскопу? Джеймс Бардин и Джакобус Петтерсон из Йельского университета нашли ответ в 1975 г. Если черная дыра быстро вращается, она ведет себя в точности как гироскоп. Направление ее вращения всегда остается строго зафиксированным и неизменным, а завихрение пространства вблизи черной дыры, обусловленное вращением (рис. 7.7), остается всегда строго ориентированным в том же направлении. Бардин и Петтерсон показали с помощью математических расчетов, что это завихрение пространства вблизи черной дыры должно захватывать внутреннюю часть аккреционного диска и плотно удерживать его в экваториальной плоскости черной дыры, независимо от того, как он был ориентирован вдали от нее (рис. 9.6). При захвате нового газа из межзвездного пространства удаленные от центра части диска могут изменить свою форму, но ориентация диска вблизи поверхности черной дыры измениться из-за этого не может. Этому препятствует гирос-

действие черной дыры. Вблизи черной дыры диск всегда остается в ее экваториальной плоскости.

Без решения Керром уравнений поля Эйнштейна гироскопическое действие черной дыры оставалось бы неизвестным, и наверное, квазары оставались бы непонятными. Имея в руках решение Керра, астрофизики в середине 1970-х годов подошли к ясному и элегантному объяснению. Впервые главную роль в объяснении астрономических наблюдений играла концепция черной дыры как динамического объекта, а не просто как «дырки в космосе».