Майкл Уайт - Стивен Хокинг. Жизнь среди звезд

То, что свет от 3C 273 тоже подвергся красному смещению (собственно, это и открыл Мартен Шмидт), было неудивительно, однако в 1963 году астрономы впервые увидели смещение таких масштабов – почти на 16 % к красному пределу. Обычно красные смещения у галактик значительно меньше, примерно 1 % (то есть 0,01). Но, когда стало ясно, что возможны даже такие огромные смещения, ученые пересмотрели остальные «радиозвезды», и оказалось, что у всех у них такие же большие смещения, а иногда даже больше. Например, у источника 3C 48 красное смещение составляет 0,368 (почти 37 %), то есть в два с лишним раза больше, чем у 3C 273, а рекордное красное смещение на сегодня – больше четырех, то есть первоначальная длина волны света от самых далеких известных нам квазаров растянута в четыре с лишним раза.

В расширяющейся Вселенной красное смещение служит мерой расстояния (чем дальше источник доходящего до нас света, тем сильнее этот свет растянут расширением Вселенной). Так что эти объекты, как выяснилось, вообще не звезды, а неизвестное ранее явление – объекты, которые выглядят как звезды, но находятся очень далеко, в большинстве случаев даже дальше, чем известные галактики. Вскоре они получили название «квазары» – квази-звездные объекты.

Чтобы быть видимыми с такого огромного расстояния, на которое указывает красное смещение, квазары должны вырабатывать колоссальное количество энергии. Яркость типичного квазара превышает яркость звезды вроде Солнца в 300 миллиардов раз, то есть он светит втрое ярче, чем вся наша галактика Млечный Путь. Некоторое время астрономы безуспешно искали альтернативные объяснения мощности квазаров, но потом были вынуждены признать, что квазары, вероятно, – это черные дыры. В наши дни известно, что каждый квазар – это черная дыра массой как минимум в сто миллионов раз больше массы Солнца, которая заключена в объем диаметром примерно с Солнечную систему (именно о такой большой черной дыре с низкой плотностью и шла речь в главе 5). Каждый из них лежит в центре обычной галактики и питается веществом ее звезд. Наши телескопы становятся все совершеннее благодаря достижениям науки и техники, и во многих случаях мы имеем возможность сфотографировать галактику, окружающую квазар и очень бледную на его фоне.

По меркам повседневной жизни масса в сто миллионов солнечных – это, конечно, много, но на самом деле это лишь 0,1 %–1 % массы родительской галактики, где таится квазар. Когда подобный объект поглощает вещество, примерно половина массы этого вещества конвертируется в энергию в соответствии со знаменитой формулой Эйнштейна E = mc 2 . Из главы 5 мы знаем, что множитель c 2 так велик, что соответствует огромному количеству энергии. Процесс выработки энергии настолько производителен, что, даже если в энергию преобразуется всего 10 % массы, падающей в черную дыру, квазару достаточно пожирать всего одну-две массы Солнца в год, и при этом он будет сиять как три миллиарда Солнц, так ярко, что его видно с огромного межгалактического расстояния. Вещество формирует вокруг черной дыры огромный раскаленный крутящийся диск. И в этом-то диске энергия и порождает радиошум и видимый свет, которые излучает квазар, хотя сама черная дыра и в самом деле черная, как ясно из названия. А поскольку в запасе у квазара сотня миллиардов звезд, квазар может сиять с прежней яркостью миллиард лет, даже если за это время съест всего 1 % массы родительской галактики.

Раз в природе есть квазары, значит, огромные черные дыры с низкой плотностью и в самом деле существуют. В 1967 году, всего через четыре года после того, как было измерено красное смещение источника 3C 273, кембриджские радиоастрономы совершили еще одно революционное открытие – обнаружили радиоисточники, излучающие быстро меняющиеся радиоволны, так называемые пульсары. Сами по себе пульсары – не черные дыры, однако большинству астрономов они открыли глаза на то, что могут существовать и сверхплотные компактные черные дыры, в точности как предсказывает ОТО.

Первые пульсары открыла студентка Джоселин Белл, когда испытывала новый радиотелескоп. Самое поразительное свойство этих объектов – способность мерцать с частотой несколько раз (а то и несколько сотен раз) в секунду с поразительной точностью. Это настолько похоже на искусственный сигнал, своего рода космический метроном, что ученые даже не шутили, когда прозвали первые открытые пульсары «LGM 1» и «LGM 2», где аббревиатура LGM означает «Little Green Man» – «маленький зеленый человечек». Но затем, когда ученые обнаружили новые пульсары, стало ясно, что их слишком много, чтобы считать их маяками для межзвездных полетов, установленными какой-то сверхцивилизацией, и прижилось название «пульсар» – «пульсирующий радиоисточник». К тому же это название рифмовалось со словом «квазар».

Но какое же природное явление способно порождать такие частые и регулярные всплески радиошума? Вариантов было только два. Импульсы свидетельствовали либо о вращении, либо о вибрации очень компактной звезды. Все крупнее белого карлика вращалось или вибрировало бы гораздо медленнее, и это не объясняло бы скорости известных нам пульсаров, а вариант вращающегося белого карлика быстро исключили: простые расчеты показывают, что белый карлик, вращающийся с подобной быстротой, просто разрушился бы.

В начале 1968 года ученые некоторое время считали, что колебания радиошума, которые испускают пульсары, объясняются именно вибрациями белого карлика, который буквально пульсирует – сокращается и расширяется. Однако было несложно рассчитать максимальную частоту, с которой белый карлик может пульсировать, не разрушаясь. Более того, один из авторов (Дж. Г.) даже занимался этими расчетами, когда писал диссертацию. Ответ был неутешительный (для него), но обжалованию не подлежал: белые карлики неспособны пульсировать так быстро, а значит, звезды, обеспечивающие феномен пульсара, должны быть компактнее и плотнее белых карликов.

Короче говоря, это были нейтронные звезды, которые ученые предсказывали теоретически, но до сих пор не наблюдали. Через несколько месяцев после того, как было объявлено об открытии пульсаров, было установлено, что эти объекты и в самом деле представляют собой вращающиеся нейтронные звезды, несомненно, расположенные за пределами нашей галактики и испускающие направленный радиолуч, который проносится мимо нас, подобно лучу маяка. Нейтронные звезды возникают в результате взрывов сверхновых – гибели гигантских звезд. И, как уже давно прекрасно знали теоретики, та же теория, которая предсказывала существование нейтронных звезд – а практики игнорировали этот прогноз добрых тридцать лет с лишним, – предсказывала и то, что, если прибавить к нейтронной звезде совсем немного массы (или если после взрыва сверхновой останется чуть больше мусора), получится коллапсар.