Крис Импи - Чудовища доктора Эйнштейна [litres]

В 1950 г. был предложен новый механизм возникновения космических радиоволн [120]. Если электроны движутся в магнитном поле с околосветовой скоростью, они перемещаются по спирали и создают сильное излучение в широком диапазоне длин волн – так называемое синхротронное излучение. Синхротронное излучение было получено в лабораторных ускорителях в 1940-х гг., но неожиданно оказалось, что этот процесс может происходить и при ускорении частиц в космосе, когда они разгоняются в областях протяженностью в сотни или тысячи световых лет. В 1958 г. на международной конференции астрофизиков в Париже ученые выступили с докладами, утверждая, что синхротронное излучение может объяснить солнечные вспышки, послесвечение сверхновой 1054 г. в Крабовидной туманности, необычность эллиптической галактики М87, а также, возможно, Лебедь А.

В 1959 г. кембриджские радиоастрономы опубликовали третий каталог. Оптическая астрономия обратила внимание на самые компактные источники радиоволн – это сулило хороший шанс найти соответствующий им оптический объект [121]. Как и раньше, в центре событий оказались астрономы Калтеха. Наблюдая 48-й объект из каталога – 3С 48, Том Мэтьюс и Алан Сэндидж обнаружили в направлении источника радиоизлучения бледно-голубой объект, окруженный тусклой туманностью. Свет менялся быстро: объект не мог сильно превышать размеры звезды. Загадочным оказался его спектр с яркими широкими эмиссионными линиями, которые не удалось связать ни с одним известным элементом. Мэтьюс показал находку Джесси Гринстейну, эксперту по звездам, но и тот никогда не видел такого звездного спектра. Гринстейн, не найдя объяснений, сунул картинку в ящик стола и забыл о ней.

Следующий шаг сделал Мартен Шмидт. Молодой голландский астроном приехал в Калтех изучать образование звезд в галактиках, но непонятный источник его заинтриговал. В 1963 г. австралийские радиоастрономы во время затмения 273-го объекта каталога 3С Луной сумели очень точно измерить положение источника. Через пятиметровый телескоп Шмидт увидел похожий на звезду голубой объект со спектральными линиями, смещенными к краю спектра. Спектр объекта содержал загадочные эмиссионные линии, подобные тем, что наблюдались в 3С 48. Шмидт попытался сопоставить рисунок линий с каким-нибудь хорошо известным элементом и понял, что это линии водорода, сдвинутые в красную область на 16 %. Если объяснять красное смещение расширением пространства, то 3С 273 удаляется от нас с немыслимой скоростью – 45 000 км/с. Четыре классические статьи с описанием открытия Шмидта были опубликованы в журнале Nature [122].

Через 50 лет Мартен Шмидт вспоминал момент открытия: «Я стал интерпретировать находку как космологическое красное смещение – потому что это был очень яркий объект в небе, как оказалось, с очень высокой светимостью. Что примечательно, потому что объект был несопоставимо ярче обычных галактик, даже самых больших. Итак, у вас есть нечто далеко во Вселенной, оно ярче целой галактики и выглядит как звезда. Это было ошеломляюще» [123](илл. 21).

Благодаря находке Шмидта Гринстейн вспомнил о спектре 3С 48 и быстро опознал линии обычных химических элементов, более чем дважды смещенные в красную область – на 37 % [124]. Объект 3С 273 оказался удален на 2 млрд световых лет, а 3С 48 – на 4,5 млрд световых лет, его свет рождался, когда Земля только формировалась, и с тех пор летел сквозь космос. Оба объекта меньше Солнечной системы, но излучают в 100 раз больше света, чем целая галактика. Мартен Шмидт предложил новый термин для обозначения этого экстраординарного класса объектов – квазизвездный радиоисточник, или квазар.

Поскольку основная работа велась в Лос-Анджелесе (Пасадену давно поглотил растущий город), мы будем использовать мегаполис в качестве аналогии. Представьте, что ночью вы пролетаете высоко в небе над Лос-Анджелесом на вертолете. В городе с населением около 10 млн человек, где на каждого жителя приходится примерно десять источников света от домов, улиц и машин, получаем в сумме около 100 млн огней (для простоты я округлил числа до ближайших порядков). Если бы Лос-Анджелес был галактикой, каждый источник света представлял бы примерно 1000 звезд. Представьте теперь, что в деловом центре Лос-Анджелеса есть одиночный источник, сияющий в несколько сот раз ярче, чем весь город, хотя размером он всего несколько сантиметров – не больше любого из отдельных огней. Если бы мы могли подняться высоко над Землей и город оказался бы в тысячах километров под нами, мощный источник света в его центре оставался бы видимым долгое время после того, как отдельные огни исчезли из виду. Если смотреть на галактику из огромной дали Вселенной, она может оказаться слишком маленькой, тусклой, едва заметной, но ее яркое ядро ослепительно сверкает. Это квазар.

Самое поразительное свойство квазаров – сильное красное смещение, указывающее на большое удаление и высокую светимость. Расширение Вселенной растягивает волны движущихся в ней фотонов – этот эффект называется космологическим красным смещением [125]. Красное смещение, обозначаемое буквой z , определяется по формуле 1 + z = R o/ R e, где R o – размер Вселенной (или расстояние между любыми двумя точками пространства) на момент, когда наблюдается свет объекта, а R e – размер Вселенной (или расстояние между любыми двумя точками пространства, поскольку все пространство расширяется одинаково) на момент, когда этот свет был излучен. Точно таким же является соотношение для излучения, 1 + z = ? о/ ? е, где ? о – растянутая или смещенная в красную область спектра длина волны фотона, который мы сейчас наблюдаем в телескоп, а ? е – длина волны этого фотона в момент его первоначального появления.

Чем дальше галактика, тем быстрее она улетает от нас, в действительности любая галактика удаляется от любой другой галактики [126]. Это наблюдение, сделанное Эдвином Хабблом в 1929 г., привело к идее расширяющейся Вселенной. Если красное смещение невелико, оно примерно равно скорости удаления в долях скорости света [127]. До открытия квазаров самым далеким известным объектом была галактика в скоплении Гидры с красным смещением z = 0,2. Через два года Мартен Шмидт зарегистрировал новое красное смещение – квазар 3С 9 [128]с z = 2,0, удаляющийся со скоростью 80 % от световой. Свет, который мы видим сейчас, был излучен, когда Вселенная была в четыре раза моложе, чем сейчас (илл. 22). Поскольку дальний свет – это древний свет, астрономы используют далекие объекты как «машины времени». Квазары – это зонды для изучения далекой и древней Вселенной.