Лев Шильник - Удивительная космология
Другая характерная черта квазаров – переменность их блеска с периодом несколько месяцев, что говорит о чрезвычайной компактности этих объектов. Если бы они представляли собой огромные звездные острова наподобие галактик, то их блеск ни в коем случае не мог бы меняться периодически, ибо синхронизировать «работу» миллиардов звезд принципиально невозможно. Следовательно, квазары – это сплошные небесные тела, какими, например, являются звезды. Синхронность перемен указывает также и на то, что их поперечник не может быть больше одного светового года. Вырисовывается весьма странная картина: объект уступает по размерам галактике в сотни тысяч раз, а светит при этом как добрая сотня галактик. И хотя их размеры, по всей вероятности, заметно превосходят диаметр Солнечной системы, по космическим меркам это все равно ничтожно мало. Кстати, в радиодиапазоне излучает не более 1 % квазаров, а в спектрах многих из них, как уже говорилось, можно обнаружить не только рентгеновские лучи, но и жесткие гамма-кванты. Все квазары – очень древние образования и расположены чрезвычайно далеко, на расстояниях в сотни миллионов и даже миллиарды световых лет, а возраст самых ветхих вполне сопоставим с возрастом Вселенной и достигает 13 миллиардов лет.
Галактика NGC 4319 и квазар Маркарян 205
Каков же источник столь мощного электромагнитного излучения, причем на всех длинах волн сразу? Большинство специалистов сходятся на том, что квазары представляют собой сверхмассивные черные дыры, которые жадно поглощают вещество из окружающей среды. Заряженные частицы, захваченные гравитацией черной дыры, разгоняются до больших скоростей, что приводит к интенсивному электромагнитному излучению. Вещество падает на поверхность черной дыры по суживающейся спирали, формируя аккреционный диск, внутри которого скорость частиц, разогнанных полем тяготения, приближается к скорости света, а температура в центральной части диска достигает 100 тысяч градусов по Кельвину По направлению к периферии диска температура падает, поэтому квазар одновременно излучает в широчайшем диапазоне электромагнитных волн – от инфракрасного излучения и видимого света до коротковолновых рентгеновских фотонов и жестких гамма-квантов. Мощное магнитное поле захватывает заряженные частицы и дополнительно их закручивает, формируя джеты – узконаправленные пучки, своего рода фонтаны, которые вылетают с полюсов с околосветовой скоростью и простираются на сотни тысяч световых лет. Взаимодействуя с межзвездным газом, частицы джетов становятся источником радиоволн.
В эпоху квазаров полным ходом шел процесс рождения галактик, поэтому материала вокруг было вдоволь. Сверх-массивные черные дыры питались в ту пору отменно, а потому и светились исключительно ярко. Однако через некоторое время им пришлось подтянуть ремешки и сесть на диету. Таким образом, квазары можно рассматривать как определенный этап в жизни сверхмассивных черных дыр: недаром их, как правило, обнаруживают на расстояниях в тысячи мегапарсек, у самых границ наблюдаемой Вселенной. Не следует забывать, что свет от самых далеких квазаров летел к земному наблюдателю многие миллиарды лет, поэтому мы видим их такими, какими они были в ранней юности. Надо полагать, что сегодня они уже давным-давно поумерили свои аппетиты и мирно живут в ядрах спокойных галактик. Но подобное соображение имеет и обратную силу, поэтому следует повнимательнее присмотреться к нашему ближайшему окружению – ведь Вселенная, как известно, изотропна и однородна. Глядишь, и найдутся неподалеку остывшие квазары-призраки, севшие на голодный паек. Между прочим, такие объекты действительно существуют – вспомните о сверхмассивных черных дырах в ядрах галактик.
Чтобы вы, читатель, могли себе представить запас жизненных сил юных квазаров, процитируем профессора Московского инженерно-физического института (МИФИ) С. Г. Рубина.
Кстати, энергии, которую средний квазар излучает за секунду, хватило бы для обеспечения Земли электричеством на миллиарды лет. А один рекордсмен, с номером S 50014+81, излучает свет в 60 тысяч раз интенсивнее всего нашего Млечного Пути с его сотней миллиардов звезд!
Поставим на этой мажорной ноте точку и перейдем к обсуждению вопросов, связанных с эволюцией Вселенной.
Сэр Исаак Ньютон, сформулировавший закон всемирного тяготения, полагал Вселенную однородной, бесконечной в пространстве и неизменной во времени (стационарной). Космос детерминистов представлял собой великолепно отлаженный и безукоризненно функционирующий часовой механизм, где равномерное кружение светил подчиняется строгим математическим законам. Модель стационарной Вселенной казалась простой, логичной, внутренне непротиворечивой, а потому благополучно дожила до начала XX века. Пространство, в котором совершался ход миров, мыслилось евклидовым, то есть плоским. О геометрических кунштюках нам предстоит отдельный разговор в последующих главах, здесь же напомню вам, читатель, что такое плоское пространство. В пространстве Евклида через точку, лежащую вне прямой, можно провести одну и только одну прямую, параллельную данной (знаменитый пятый постулат), а сумма углов треугольника равна 180 градусам. Это самое обычное пространство, с которым нам приходится сталкиваться ежедневно. Относительно возраста Вселенной единства в товарищах не было: одни полагали мир сотворенным в непостижимом демиурги-ческом акте, а другие думали, что он существует вечно. Одним словом, просвещенная публика на рубеже веков обитала в бескрайней стационарной Вселенной, существующей неограниченно долго.
Однако бесконечность пугает. Рассудок пасует перед подобными категориями, ибо они не только лишены наглядности, но и грешат многочисленными неувязками. Конечно, всегда можно слепить подходящую метафору, и тогда все вроде бы встанет на свои места. Была, скажем, такая красивая восточная притча: «Далеко-далеко на краю света высится огромная алмазная гора, достающая своей вершиной до самого неба. Раз в тысячу лет на вершину этой горы садится маленькая птичка, чтобы поточить клюв. Когда птичка сточит гору до основания, пройдет одно мгновение вечности». Кто спорит, сказано изящно и со вкусом, но на самом деле это всего лишь иллюзия понимания. Понятно, что рано или поздно птичка доберется до основания горы, хотя ей придется затратить очень много времени и сил. Так что невообразимость вечности никуда не делась, она просто отодвинулась в несусветную даль.
Притчи притчами, но у модели стационарной Вселенной, бесконечной во времени и пространстве, есть куда более серьезные недостатки. Если бы дело ограничивалось только психологической неприемлемостью категории бесконечного, на подобную мелочь можно было бы спокойно закрыть глаза. Беда в том, что постулат о Вселенной, существующей неограниченно долго, наталкивается на неразрешимое противоречие. Вечность можно уподобить геометрической прямой, которая простирается в обе стороны – и в прошлое, и в будущее. Другими словами, она не имеет ни начала, ни конца. Но в таком случае в любой произвольно выбранный момент времени (например, сегодня) Вселенная уже существует бесконечно долго. Следовательно, все процессы, в ней происходящие, должны давным-давно завершиться и Вселенная обязана пребывать в состоянии некоего абсолютного равновесия. Однако астрономические наблюдения неопровержимо свидетельствуют, что мир все время эволюционирует, причем эволюционирует достаточно быстро. Когда мы смотрим в телескоп, мы заглядываем в далекое прошлое Вселенной и видим, что 10 миллиардов лет назад она была совсем не такой, как сегодня. Скажите на милость, откуда взяться эволюции, если у нас за спиной неисчислимое количество лет? Мы уже не говорим о том, что вечность по определению не может быть исчерпана – на то она и вечность. Тогда как же она умудрилась доползти до наших дней?
Не лучше обстоит дело и с бесконечностью в пространстве. В 1823 году немецкий астроном Генрих Ольберс опубликовал работу с критикой модели бесконечной стационарной Вселенной. Он рассуждал следующим образом. Сначала сформулируем три предпосылки: 1) протяженность Вселенной бесконечна; 2) число звезд тоже бесконечно, и они равномерно распределены в пространстве; 3) все звезды имеют в среднем одинаковую светимость. Ну что же, вполне разумные предпосылки. А теперь посмотрим, что у нас получится. Мысленно поместив Солнечную систему в центр, Ольберс разделил все пространство за ее пределами на ряд концентрических слоев, или сфер. Вселенная стала напоминать луковицу. Пусть слой В лежит втрое дальше слоя А. Тогда объем слоя В будет в 9 раз больше, чем объем слоя А (32 = 9), так как объемы слоев возрастают пропорционально квадрату расстояния каждого слоя от центра. Если звезды равномерно «размазаны» по всем слоям (предпосылка 2), то слой В, чей объем в 9 раз больше объема слоя А, будет содержать в девять раз больше звезд. С другой стороны, светимость отдельных звезд убывает пропорционально квадрату расстояния, из чего следует, что яркость каждой звезды слоя В при условии их равной светимости (предпосылка 3) составит (1/3)2 = 1/9 яркости отдельной звезды слоя А. Но ведь звезд в слое В при этом ровно в 9 раз больше! Другими словами, светимость слоев А и В будет совершенно идентичной, и Солнечная система получит от этих слоев равное количество света.
