Свет во тьме. Черные дыры, Вселенная и мы

Фальке Хайно

С тех пор команда GRAVITY регулярно получала изображения, позволяющие рассмотреть окрестности черной дыры почти до горизонта событий и увидеть завораживающие вспышки излучения, испускаемого Стрельцом A*. Кажется, что горячий газ, вспыхивающий молниями, движется почти со скоростью света и обращается вокруг какого-то объекта, подобно карусели, вращающейся с головокружительной скоростью. И такое поведение вполне соответствовало тому, что мы ожидали увидеть вблизи черной дыры [111] .

111

Gravity Collaboration and R. Abuter, et al. Detection of Orbital Motions Near the Last Stable Circular Orbit of the Massive Black Hole Sgr A*. // Astronomy and Astrophysics 618 (2018): L10. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2018 A&A…618L..10G.

Четыреста

лет назад мы обнаружили, что наши планеты обращаются вокруг Солнца. Сто лет назад мы узнали, что Солнце обращается вокруг центра Млечного Пути. Десять лет назад мы увидели звезды, которые как планеты обращались вокруг Стрельца A*, а теперь на расстоянии 27 000 световых лет от нас мы видим газ, который вращается со скоростью, близкой к скорости света, вокруг черной дыры. Снова и снова гравитация не дает небесным телам и газовым облакам освободиться от своего влияния и вынуждает их возвращаться на неизменные эллиптические орбиты. Какое замечательное путешествие в глубины Вселенной! Неудивительно, что в 2020 году Андреа Гез и Рейнхард Гензель получили за открытие темной массы в центре нашей галактики Нобелевскую премию по физике.

Но действительно ли этот загадочный невидимый объект в центре – черная дыра? Мы так близко подобрались к нему, и все же нам было отказано в возможности заглянуть в эту кажущуюся извечной бездну. Мы нуждались в еще большем телескопе.

В конце 90-х, когда я жил в США, мне представилась возможность принять активное участие в работе космического телескопа “Хаббл” и в проектировании его возможного преемника. Но я хотел работать в радиоастрономии и потому, надеясь на лучшее, в 1997 году вернулся с семьей домой. Новым директором Института Макса Планка в Бонне стал тогда Антон Зенсус, возглавивший группу РСДБ-исследований, и он неожиданно предложил мне работу. Именно в этом институте были спроектированы самые большие глобальные сети телескопов.

В 1999 году в Бонне я встретил своих коллег Джеффа Бауэра, Серу Маркофф и Фэн Юаня. Джефф, получивший докторскую степень в Беркли, был экспертом в области РСДБ-исследований. Мы внимательно изучили свойства радиоизлучения галактического центра и позже смогли продемонстрировать, среди прочего, что на самом деле эта черная дыра почти никогда не поглощала материю [112] . Сера была теоретиком и получила докторскую степень в Аризоне. Совместными усилиями мы объединили модели, описывающие радиоизлучение меньших и больших черных дыр, в единую модель [113] . С помощью моего китайского коллеги Фэн Юаня мы связали идею Рамеша Нараяна о горячем диске с нашей моделью струй [114] . Так началось продуктивное многолетнее сотрудничество, и у меня возникло ощущение, что мы действительно приблизились к пониманию фундаментальных астрофизических принципов функционирования голодающих черных дыр, – как больших, так и малых.

112

Geoffrey C. Bower, Melvyn C. H. Wright, Heino Falcke, and Donald C. Backer. Interferometric Detection of Linear Polarization from Sagittarius A* at 230 GHz. // The Astrophysical Journal 588 (2003): 331–37. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2003ApJ…588..331B.

113

H. Falcke, E. Kording, and S. Marko. A Scheme to Unify Low-Power Accreting Black Holes: Jet-Dominated Accretion Flows and the Radio/X-Ray Correlation. // Astronomy and Astrophysics 414 (2004): 895–903. https://ui.adsabs.harvard.edu /abs/2004A&A…414..895F.

114

F. Yuan, S. Marko, and H. Falcke. A Jet-ADAF Model for Sgr A*. // Astronomy and Astrophysics 383 (2002): 854–63. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2002 A&A…383..854Y.

Великая благодать

В середине 1990-х годов мы накинули на нашу добычу сеть и стали постепенно ее затягивать… хотя в ней еще и оставались прорехи. Говоря юридическим языком,

когда мы пытались доказать, что черные дыры сеют хаос в центрах галактик, мы полагались только на косвенные улики. Но, как это обычно бывает (и наука тут не исключение), таких улик оказывается недостаточно. Вы должны продолжать собирать факты в поддержку своей гипотезы до тех пор, пока либо все другие теории в какой-то момент обнаружат свою несостоятельность, либо ваша гипотеза будет опровергнута. И многие астрономы – особенно представители старой гвардии – оставались настроенными скептически в отношении нашей идеи и даже наслаждались поднявшимся ажиотажем. “Не хватает доказательств, – повторяли они. – Вы еще слишком далеки от цели”. Снова и снова появлялись статьи, в которых утверждалось, что сверхмассивные черные дыры вообще не могут существовать. Чтобы отбиться от критиков, мы – астрономы – мечтали застукать подозреваемого на месте преступления и получить снимок, на котором было бы видно, что он все еще держит свою жертву. Как это было бы здорово!

Я хотел определенности! Больше всего на свете я хотел увидеть черные дыры!

Должно быть, стремление увидеть то, что скрыто, – это врожденная потребность человека, потребность, таящаяся глубоко в нас. Как ученый я верю только в то, что вижу, но прежде всего я должен верить в то, что в конце концов я это увижу.

8

Как получить изображение

Желание увидеть снова и снова овладевает моей душой, когда я слушаю старый духовный гимн “О, благодать”. Есть всего несколько песен, трогающих меня столь же сильно, как эта… в особенности один стих из нее, который часто заставляет меня прослезиться: “Был мёртв и чудом стал живой, Был слеп и вижу свет”.

Момент, когда наши глаза открываются, когда нам внезапно является истина, бесценен. Выйти из тьмы на свет, когда на тебя сходит благодать постижения новой истины, – один из самых ценных опытов нашей жизни. Иногда я думаю, что тот момент озарения, когда я говорю себе: “Наконец-то я вижу!” – это именно то, ради чего живу. Если я знаю, что такой момент наступит когда-нибудь в будущем, у меня появляются силы и я готов трудиться без устали.

Наверное, именно к этому все и сводится и в вере, и в науке: упорно надеяться, что вам будет дозволено обнаружить нечто новое. “Блаженны те, кто не видел, но уверовал” [115] . Так Иисус выразил свое отношение к вере, но я всегда считал, что в этом высказывании заключен смысл, который можно выразить словами “Блаженны те, кто пока еще не увидел”.

115

Евангелие от Иоанна 20:29 (Библия короля Иакова).

В повседневной жизни люди иногда лучше видят сердцем, но в науке нам требуются инструменты, и инструменты большие. Сегодня в астрономии изображения с самым высоким разрешением получаются с помощью метода радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой (РСДБ), который мы все – и мой коллега Томас Кричбаум в Бонне, и я, и многие другие радиоастрономы – используем уже несколько десятилетий.

Начиная с 1960-х годов, ученые принялись соединять отдельные радиотелескопы в интерферометры, чтобы увеличить разрешение изображений. Этот метод в одночасье позволил увидеть детали, которые не мог зарегистрировать ни один отдельный телескоп. В результате получился гигантский инструмент с виртуальной антенной размером с Землю. При использовании этой виртуальной антенны сигналы с отдельных антенн могут быть записаны в компьютер, а затем совмещены.

Совместить радиосигналы нужно так, чтобы их фазы были идеально синхронизированы, а для этого необходимо с точностью почти до миллиметра определить положение отдельных обсерваторий и измерить время прихода сигналов атомными часами. Эти часы работают с пикосекундной точностью, так что через 30 000 лет они отстанут всего на одну секунду. Зарегистрированные радиосигналы преобразуются в цифровые и передаются на носитель информации. В прошлом это видеомагнитофонная лента, позже – большие катушки с магнитной лентой, а в настоящее время – жесткие диски, сохраняющие сигналы в виде битов и байтов. Чем больше информации вы можете хранить, тем больше радиосигналов вы сможете зарегистрировать одновременно и тем ценнее будут сохраненные и защищенные материалы. Виртуальный телескоп собирается на компьютере, и – при наличии достаточного количества данных – изображение строится с помощью специальных алгоритмов.

Такие измерения требуют предельной точности, но зато позволяют получить чрезвычайно четкие изображения. По этой причине континентальную интерферометрию используют не только астрономы для исследования небесных объектов. Для съемок и измерений объектов на земле РСДБ-телескопы полезны еще и геодезистам. Однако нам, астрономам, результаты этих наземных съемок тоже нужны, поскольку, как выяснилось, для наших целей стабильность Земли недостаточна высока – ее флуктуации деформируют виртуальный телескоп, а геодезисты отслеживают эти изменения.