Джон Малоун - Нераскрытые тайны природы. Расширяющий кругозор экскурс в историю Вселенной с загадочными Большими Взрывами, частицами-волнами и запутанными явлениями, не нашедшими пока своего объяснения
Принадлежность Cyg Х-1 к черным дырам подтверждена совместными данными, полученными при помощи «Хаббла» и новых рентгеновских телескопов. Информация о других объектах иногда противоречива. Многие астрономы считают, что мы, возможно, имеем дело с двумя разными типами черных дыр. Одни из них действительно сравнимы по массе с бинарной системой Cyg Х-1, а другие имеют массу, эквивалентную миллиардам звезд типа Солнца. Более того, такие сверхмассивные черные дыры постоянно обнаруживаются в центрах галактик. К началу 2001 г. астрономы обнаружили уже не менее тридцати таких объектов, измеряя скорость газов, захватываемых центральной черной дырой и имеющих характерную спиральную форму (как вытекающая из ванны вода).
Новейшие открытия показывают, что более крупные и массивные галактики имеют в своем центре и более массивные черные дыры. Кроме того, астрономы полагают, что сверхмассивные черные дыры существуют только в галактиках эллиптической формы, обладающих плотным ядром из звезд, а галактики без центрального уплотнения, по-видимому, вообще не содержат черных дыр. Наша собственная Галактика, Млечный Путь, имеет относительно небольшое уплотнение в центре и содержит несколько небольших черных дыр (немного превышающих по массе наше Солнце). Интересно, что масса и очень больших, и очень малых черных дыр всегда составляет около 0,2% от массы всей центральной области Галактики.
Космологи сейчас тщательно изучают эти факты, так как они свидетельствуют о том, что черные дыры могут оказаться «зародышами», вокруг которых формируются галактики. Исследователи из Мичиганского университета обнаружили еще три сверхмассивные черные дыры, а их руководитель Дуглас Ричстоун заявил в январе 2000 г.: «Каким-то образом черные дыры «узнают» массу галактики, в центре которой они расположены, или, наоборот, образующаяся вокруг черных дыр галактика как-то «догадывается» о массе черной дыры в центре. В любом случае мы имеем дело с каким-то непонятным механизмом». Выше уже упоминалось, что в квантовой механике пары электронов как-то «узнают» о состоянии друг друга, поэтому космологов страшно заинтересовала возможность существования похожей взаимосвязи в космических масштабах. Разумеется, споры о том, какая из масс является «ведущей», несколько напоминают дискуссии о том, что было в начале: яйцо или курица. Некоторые ученые считают, что основным фактором служит черная дыра, а другие склонны считать, что дыры и галактики формируются в неразрывной связи.
В 1939 г., когда Оппенгеймер и Снайдер опубликовали свою первую работу с гипотезой о существовании черных дыр, многие выдающиеся астрофизики отнеслись к этой идее скептически, и понадобилось много лет, чтобы они поменяли свое мнение. Лишь в конце 1990-х годов новые данные, полученные на телескопе «Хаббл», продемонстрировали возможность существования черных дыр во многих галактиках. Черные дыры только сейчас начинают приоткрывать свои секреты и одновременно предлагают ученым целый ряд новых загадок. Долгий и интересный путь исследования их природы только начинается, но он обещает привести нас к пониманию процессов, играющих важнейшую роль в развитии Вселенной.
Литература для дальнейшего чтения1. Thorne, Kip S. Black Holes and Time Warps: Einstein's Outrageous Legacy. New York: Norton, 1994. Книга была опубликована до того, как космический телескоп «Хаббл» начал работать нормально, и поэтому не содержит новейших данных в этой области, однако она остается наиболее полным источником по истории развития теории черных дыр. Несмотря на большой объем (более 600 страниц), она читается легко и с интересом, так как Торн был лично знаком с многими из тех, кто вот уже 60 лет развивает эту теорию.
2. Pickover, Clifford A. Black Holes: A Traveler's Guide. New York: John Wiley & Sons, 1996. Очень популярно и легко написанная книга, в которой рассказывается о воображаемом путешествии двух ученых будущего внутрь черной звезды для проведения экспериментов. Иллюстрации в книге наводят ужас, но она снабжена программой компьютерной графики, позволяющей читателю самому создавать образы черных дыр на персональном компьютере.
3. Cooper, Heather. Black Holes. New York: DK Publishing, 1996. Книга предлагается «молодым, но взрослым» читателям и является достаточно сложной. Ее можно рекомендовать тем, кто хотел бы быстро получить общее представление о проблеме, но не имеет времени на чтение объемных трудов типа книги К. Торна.
4. Ferris, Timothy. The Whole Shebang. New York: Simon & Shuster, 1997. Черные дыры упоминаются в этой книге лишь наряду со многими другими проблемами физики, но Т. Ферриса отличает способность достаточно ясно и сжато излагать сложные вопросы.
5. Wheeler, John Archibald and Kenneth William Ford. Geons, Black Holes, and Quantum Foam: A Life in Physics. New York: Norton, 1998. С конца 1930-х годов Уилер был одним из крупнейших специалистов США в области квантовой механики и возглавлял очень крупные исследовательские программы, поэтому его автобиография содержит множество интересных сведений о людях и событиях, связанных с развитием космологии.
6*. Кауфман У. Космические рубежи теории относительности. — М.: Мир, 1981.
7*. Редже Т. Этюды о Вселенной. — М.: Мир, 1985.
Глава 18.
Каков возраст нашей Вселенной?
1912 год сыграл особую роль в истории астрономии. В Гарвардской обсерватории (Кембридж, штат Массачусетс) было сделано замечательное открытие, которое не только в корне изменило наши представления о строении мира, но и до сих пор служит основой исследований размеров, формы, возраста и эволюции Вселенной. Наиболее интригующей проблемой астрономии всегда был вопрос о возрасте Вселенной. В наши дни эта проблема обрела особую остроту, поскольку различные научные школы, возглавляемые авторитетными астрономами, не только дают оценки, различающиеся на миллиарды лет, но и, что еще хуже, сталкиваются с немыслимой ситуацией, когда Вселенная оказывается моложе самых старых звезд, входящих в нее.
Автором открытия, о котором рассказывается ниже, стала мало кому известная женщина-астроном Генриетта Сван Ли-вит. Это обстоятельство заслуживает особого внимания, поскольку в те годы женщины редко занимались наукой, так что знаменитая Мария Кюри, получившая с мужем Нобелевскую премию по физике в 1903 г., а затем и лично Нобелевскую премию по химии в 1911 г., была всего лишь ярким исключением из правил. Г. Ливит с группой сотрудниц занималась составлением каталога фотографий звездного неба, полученных на телескопе Гарвардского колледжа в горах Перу. Работа этих женщин была очень важной (коллеги в шутку называли их «вычислительными машинами»), но одновременно достаточно скучной и низкооплачиваемой. Однажды, изучая серию фотографий созвездия Магеллановых Облаков, Ливит заметила, что различие в блеске некоторых цефеид (звезд переменной яркости) зависит не только от их размера, но и от расстояния до Земли.
Важность этого наблюдения понял известный американский астроном Харлоу Шепли, который впоследствии более 30 лет был директором Гарвардской обсерватории (1920—1952). Наблюдаемые закономерности казались совершенно необычными. Яркость цефеид возрастала и уменьшалась в бесконечной последовательности циклов с периодом от нескольких дней до нескольких недель. Проведя измерение в течение хотя бы двух циклов, можно определить яркость каждой из звезд, называемую абсолютной яркостью. Разница между ее величиной и наблюдаемой в конкретный момент яркостью (так называемой кажущейся яркостью) зависит от расстояния до Земли. Еще Исаак Ньютон установил, что яркость объекта обратно пропорциональна квадрату расстояния до наблюдателя. Расстояние до звезды можно вычислить по простым тригонометрическим формулам, пользуясь которыми, например, моряки определяют расстояние от корабля до маяка. (В астрономии Землю можно уподобить кораблю, а звезду — удаленному маяку.)
Используя этот новый метод, Шепли продолжил наблюдения звезд Магелланова Облака ив 1916 г. обнаружил, что наша Солнечная система расположена не в центре Млечного Пути (как традиционно полагали астрономы), а на его периферии. По расчетам Шепли, расстояние до центра Млечного Пути составляло примерно 50 тысяч световых лет, однако позднее выяснилось, что оно равно 30 тысячам световых лет. Ошибка в расчетах объясняется тем, что он (как и все другие астрономы в начале прошлого века) полагал, что Млечный Путь включает всю Вселенную. Этот пример показывает, что ученым с трудом удается воссоздавать целостную картину мира даже в результате крупных научных открытий, если они не в состоянии отрешиться от традиционной системы взглядов.
Еще сильнее научное сообщество было поражено идеей Эдвина Пауэлла Хаббла, выдающегося астронома и постоянного оппонента X. Шепли. Хаббл предположил, что Млечный Путь является лишь маленьким фрагментом гигантской мозаики звездного неба. В дни новогодних торжеств 1925 г. в Вашингтоне состоялась астрономическая конференция, ставшая знаменитой из-за доклада Хаббла, прочитанного от его имени одним из ведущих астрономов США Генри Норрисом Расселом. В докладе Хаббла было показано, что Млечный Путь — это одна из бесчисленных галактик, разбросанных в космическом пространстве на огромных расстояниях друг от друга. Хаббл даже придумал для них красивый поэтический образ «островные вселенные», который позволяет любому прочувствовать пустынные просторы космоса.
