Свет во тьме. Черные дыры, Вселенная и мы

Фальке Хайно

В Австралии Джон Болтон зарегистрировал радиоисточник, посылавший сигналы со стороны объекта из каталога Мессье под номером M87, и – хотя и был убежден, что M87 – это самая настоящая галактика, – заявил, что радиоисточник скорее всего находится внутри нашего Млечного Пути. Из-за страха подвергнуться остракизму [94] он не осмелился поделиться со своими коллегами предположением о том, что это излучение преодолевает многие миллионы световых лет, – ведь если объект находится так далеко, а мы все еще можем его обнаружить, то его светимость должна быть невероятно высокой. Разве какое-нибудь небесное тело, какая-нибудь галактика или какой-нибудь неизвестный объект в космосе могли быть источником такого мощного излучения? Гипотеза была слишком революционной.

94

Ken Kellermann. The Road to Quasars (lecture, Caltech Symposium: “50 Years of Quasars”, September 9, 2013). https://sites.astro.caltech.edu/q50/pdfs/Kellermann.pdf.

Всего

через десять лет опасения Болтона улетучились, и существование так называемых радиогалактик стало признанным фактом. Среди таких объектов были галактики M87 и Лебедь A, причем последняя, если верить закону Хаббла-Леметра, должна была находиться на расстоянии около 750 миллионов световых лет от Земли. Астрономов охватило сильнейшее волнение. Еще бы! Это радиоизлучение, которое мы и измерить-то смогли всего несколько лет назад, позволило человечеству заглянуть в самые дальние уголки космоса и, соответственно, в далекое прошлое Вселенной.

Исследователи из Кембриджа составили большой каталог всех радиоисточников. Первая версия каталога была слишком короткой, вторая содержала много ошибок, но зато третья версия, названная 3С, послужила основой для многих последующих исследований. Новые радиозвезды и радиогалактики просто нумеровались последовательно. Однако никто не имел даже смутного представления о том, что представляют собой источники этих радиоволн. Изображения данных загадочных объектов на небе были еще крайне размыты, их положения определены крайне неточно. Было установлено, что само излучение создается электронами, движущимися почти со скоростью света по криволинейным траекториям в космических магнитных полях. Астрономы знали, что аналогичные процессы излучения электромагнитных волн происходят на Земле в ускорителях частиц, называемых синхротронами, и поэтому это излучение было названо синхротронным излучением.

Одни источники были вытянуты в длину и имели вид гантели, другие казались маленькими точками – как звезды. И действительно: начав изучать объект 3C 48, исследователи выяснили, что при переходе на другой диапазон длин волн света – видимый – на месте этого объекта находится нечто, напоминавшее звезду. Но спектральный анализ этого звездоподобного объекта поставил больше вопросов, чем дал ответов: в спектре излучения объекта 3C 48 были спектральные линии с необычными длинами волн, которые не получалось соотнести ни с одним известным элементом. Не обнаружили ли астрономы в космосе новый элемент?

Джон Болтон и его соавтор Джесси Гринштейн задумались – а не может ли это быть линией водорода, смещенной в красную область за счет эффекта Доплера? Но такая гипотеза показалась им слишком смелой, поскольку при подобном сильном красном смещении этот объект должен был бы находиться в космосе примерно в 4,5 миллиарда световых лет от нас. “У меня была репутация радикала, и я боялся подтвердить ее, рискнув выступить с такой экстремальной идеей”, – сказал позже Гринштейн.

Самым серьезным аргументом против гипотезы о невероятно большом расстоянии до этого источника был тот, что его светимость могла резко меняться в течение всего нескольких месяцев. Он не мог быть галактикой! Как удалось бы миллиардам звезд, расположенным на расстоянии сотен тысяч световых лет друг от друга, одновременно поменять свои периоды пульсаций так, чтобы их суммарный свет изменился от яркого к более тусклому в течение месяца?

Представьте, что все восемь миллиардов человек в мире одновременно хлопнули в ладоши. Вы бы услышали не один короткий хлопок, а продолжительный гул, потому что звук, естественно, приходил бы к вам из разных точек, разбросанных по всей Земле, не одновременно.

Зато, зная скорость звука, можно во всяком случае оценить размер источника звука по длительности гула. Чем меньше он длится, тем меньше

протяженность пространства, из которого он исходит. Если я услышу звук хлопков, который длится секунду, то скорее всего подумаю, что аплодируют люди, сидящие на стадионе, так как размер стадиона примерно равен “звуковой секунде”, то есть расстоянию, которое звук проходит за одну секунду. (Конечно, это может быть и какое-нибудь меньшее пространство.) То же самое и с переменными источниками света: если изменение происходит в пределах месяца, источник не может быть больше светового месяца. Это намного меньше, чем расстояние между нами и ближайшей звездой. Следовательно, объект 3C 48 должен быть звездой, верно?

Затем ученые обратились к следующему по яркости радиоисточнику в каталоге – 3C 273. Чтобы определить его точное положение, радиоастрономы из обсерватории Паркса в Австралии применили хитрость: они попросили о помощи Луну. Случайно вышло так, что ее орбита пересекала направление на радиоисточник. Когда Луна оказалась перед ним, сигнал от него на короткое время исчез из зоны приема большой антенны. Это было похоже на солнечное затмение, только здесь Луна закрывала не Солнце, а таинственный радиообъект.

Точно в момент исчезновения радиосигнала астрономы измерили первую угловую координату объекта: она должна была лежать где-то у ближнего края Луны. Вторую они получили, когда дальний край Луны миновал объект и снова стал пропускать радиосигнал с 3С 273. Поскольку мы знаем диаметр Луны и точное ее местоположение, оказалось возможным вычислить точное положение радиоисточника, найдя точку пересечения этих двух лучей.

Кстати, 3C 273 может быть одним из самых ярких радиоисточников в небе, хотя сигналы от него всего в пять раз мощнее, чем принимаемые на Земле сигналы мобильного телефона стандарта LTE, оказавшегося на Луне. Как только положение 3С 273 стало известно, Мартен Шмидт (голландский астроном, работавший в Калифорнийском технологическом институте в Пасадене) начал исследовать эту область неба с помощью телескопа обсерватории Маунт-Паломар и нашел довольно яркую звезду в созвездии Дева – настолько яркую, что ее мог бы рассмотреть даже астроном-любитель с телескопом приличного качества. Шмидт быстро проанализировал спектр излучаемого ею света. И снова положение эмиссионных линий оказалось очень странным. Через полтора месяца он наконец расшифровал последовательность спектральных линий и убедился, что это был спектр водорода, который принадлежал объекту, удаленному от нас на 2 миллиарда световых лет. Это расстояние даже трудно себе вообразить. Расширение Вселенной так растянуло линии водорода, что они сместились в красную сторону на 16 процентов и появились в том месте, где их никто не ожидал увидеть.

Шмидт был настолько уверен в своих данных, что осмелился их опубликовать. Возможно, он и не знал в точности, что это за яркий объект в космосе, но все-таки решил рискнуть. Поскольку объект только выглядел как звезда, но, скорее всего, ею не был, Шмидт за неимением подходящего термина назвал его просто “квазизвездным радиоисточником”, или QSR. А астрономы, часто прибегающие к сленгу, превратили эту аббревиатуру в “квазар”. “Как будто с глаз вдруг спала пелена и мы поняли, что звезда – это не звезда”, – скажет позже Шмидт [95] .

95

Maarten Schmidt. The Discovery of Quasars (lecture, Caltech Symposium: “50 Years of Quasars,” September 9, 2013). https://sites.astro.caltech.edu/q50 /Program.html.

Сегодня даже трудно представить, какой ажиотаж вызвало это открытие. Горизонт видимой Вселенной безмерно расширился, космическое пространство буквально взорвалось.

Казалось, что Вселенная прямо на глазах менялась и развивалась. Десять миллиардов лет назад была эпоха квазаров – тогда их активность достигла своего пика. В течение первых четырех миллиардов лет существования нашей Вселенной их число быстро увеличилось и они осветили все пространство. Но позже, в последующие эпохи развития Вселенной, квазары стали один за другим выгорать.