Текст книги "Чудовища доктора Эйнштейна"

В 1950 г. был предложен новый механизм возникновения космических радиоволн[120]120
  A. Alfven and N. Herlofson, “Cosmic Radiation and Radio Stars,” Physical Review 78 (1950): 616. Другие ранние статьи: G.R. Burbidge, “On Synchrotron Radiation from Messier 87,” Astrophysical Journal 124 (1956): 416–29; V.L. Ginzburg and I.S. Syrovatskii, “Synchrotron Radiation,” Annual Reviews of Astronomy and Astrophysics 3 (1965): 297–350.


[Закрыть]. 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]121
  Чтобы связать сильные радиоисточники с оптическими компонентами, пришлось преодолеть серьезные технические проблемы. Разные радиообзоры не всегда одинаково оценивают силу и даже существование конкретного источника. Угловые размеры радиоисточников разнятся от десятков угловых минут до нескольких угловых секунд, и то, что увидит интерферометр, зависит от количества элементов массива и дистанции между ними, а также от частоты, на которой ведется наблюдение. Кроме того, количество радиоисточников в любой области неба довольно быстро возрастает с уменьшением радиопотока. Это значит, что могут иметься множественные источники вблизи предела регистрации, «притворяющиеся» одним, более сильным. Это так называемый «предел путаницы» (confusion limit) исследования.


[Закрыть]. 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]122
  C. Hazard, M.B. Mackey, and A.J. Shimmins, “Investigation of the Radio Source 3C273 by the Method of Lunar Occultations,” Nature 197 (1963): 1037–39; M. Schmidt, “3C273: A Star-like Object with Large Redshift,” Nature 197 (1963): 1040; J.B. Oke, “Absolute Energy Distribution in the Optical Spectrum of 3C273,” Nature 1987 (1963): 1040–41; J.L. Greenstein and T.A. Matthews, “Redshift of the Unusual Radio Source: 3C48,” Nature 197 (1963): 1041–42. Современный обзор хронологии: C. Hazard, D. Jauncey, W.M. Goss, and D. Herald, “The Sequence of Events that led to the 1963 Publications in Nature of 3C273, the first Quasar and the first Extragalactic Radio Jet,” in Proceedings of IAU Symposium 313, edited by F. Massaro et al. (Dordrecht: Kluwer, 2014).


[Закрыть].

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]123
  Интервью с Мартеном Шмидтом по поводу 50-й годовщины его открытия: http://www.space.com/20244-quasar-mystery-discoverer-interview.html.


[Закрыть] (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]124
  В действительности и австралийский радиоастроном Джон Болтон, и американский астроном Алан Сэндидж имели в 1960 г. спектр 3С 48 – и оба упустили реальную возможность открыть первый квазар на три года раньше Шмидта.


[Закрыть]. 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]125
  Космологическое красное смещение является иным физическим явлением, чем доплеровское смещение. Доплеровское смещение возникает, когда волна распространяется в среде и источник волны движется относительно наблюдателя. Типичный пример – сирена, звук которой повышается, когда полицейская машина приближается, и понижается, когда машина удаляется. Космологическое красное смещение не требует среды, поскольку изменение длины волны вызывается расширением пространственно-временного континуума повсеместно во Вселенной.


[Закрыть]. 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 = λ_о / λ_е, где λ_о – растянутая или смещенная в красную область спектра длина волны фотона, который мы сейчас наблюдаем в телескоп, а λ_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]126
  Космология распространяет принцип Коперника, согласно которому мы не занимаем особого положения в Солнечной системе, на всю Вселенную. Это фундаментальное допущение современной космологии, до сих пор не опровергнутое ни одним наблюдением. Галактики возле Млечного Пути не выглядят сколько-нибудь отличающимися или иначе распределенными в сравнении с галактиками в дальних областях Вселенной (за исключением эволюционных эффектов).


[Закрыть]. 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]127
  Закон Хаббла: v = H0D, где v – скорость удаления, D – расстояние, а коэффициентом пропорциональности является постоянная Хаббла, или нынешняя скорость расширения Вселенной. Приблизительное значение малого красного смещения, выраженное в скорости удаления и скорости света, – z = v/c. Точная релятивистская формула: z = √(1 + v/c) / (1 – v/c).


[Закрыть]. 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]128
  M. Schmidt, “Large Redshifts of Five Quasi-Stellar Sources,” Astrophysical Journal 141 (1965): 1295–1300.


[Закрыть] 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.

Поначалу поиск квазаров был трудным делом. Чтобы точно их локализовать, радиоастрономам приходилось заниматься долгой монотонной работой. Типичный день за телескопом состоял из двух 12-часовых смен, поскольку радиоволны хорошо регистрируются как днем, так и ночью. Нужно было проверить и перепроверить множество электрических соединений в аппаратной. Подключения подавали сигналы от разных телескопов или элементов решетки антенн на коррелятор, и только эксперт мог разобраться в этих хитросплетениях. Вычислительные машины только появились, сигналы записывались в аналоговой форме на магнитную ленту. Штатные сотрудники в течение всего дня должны были следить за магнитофонными деками и менять бобины, чтобы лента не закончилась. Затем данные вводили в большую ЭВМ с помощью перфокарт и видели, как меняется сила радиосигнала по мере движения источника по небу, после чего соединяли эти данные с точными измерениями времени для расчета местоположения. Для точного вычисления только одной позиции требовались долгие дни и бесконечные замеры.

Что касается оптической астрономии, жизнь ученого была несколько проще и привлекательнее. Он управлял «стаканом» первичного фокуса большого телескопа, подвешенного над главным зеркалом, словно муха, угодившая в стальную паутину. Щель купола обсерватории выходила на усеянные звездами пространства. Астроном приносил в кабину «стакана» фотопластинки, заключенные в светонепроницаемую упаковку, и аккуратно помещал их в камеру, чтобы на них упал свет ночного неба. Затем с помощью кнопок на маленькой панели астроном тонко корректировал скорость движения телескопа, чтобы обеспечить максимальную четкость изображений. Романтика, но в то же время монотонная работа. Зимой – холод 12-часовых ночных дежурств: работа заключалась фактически в том, чтобы каждые несколько секунд нажимать кнопки управления и каждые несколько часов менять фотопластинки. Астроном мог провести у телескопа всю ночь, измеряя красное смещение одного-единственного объекта.

Было каталогизировано лишь несколько десятков квазаров, когда астрономы заметили, что эти квазары – более голубые (следовательно, более горячие), чем любая другая звезда. Нашлись исследователи, которые поняли, что имеются другие, столь же голубые квазизвездные объекты, не связанные ни с каким радиоисточником. Судя по спектрам, многие из этих голубых объектов имели сильное красное смещение; они тоже были квазарами. Воодушевленные открытием, астрономы провели фотографические исследования больших участков неба, чтобы «собрать урожай» самых голубых объектов. Метод оказался очень эффективным: найденных квазаров оказалось в десять раз больше, чем квазаров с сильным радиоизлучением.

Временами охота за квазарами приводила к личным конфликтам. В 1965 г. Алан Сэндидж из Института Карнеги написал статью о новом классе радиоспокойных квазаров, и, положившись на репутацию ученого, редактор Astrophysical Journal опубликовал статью без рецензирования. Это вызвало возмущение Фрица Цвикки из Калтеха – ведь ранее именно он открыл компактные галактики со свойствами квазара. Через несколько лет в предисловии к своей книге о свойствах этих удивительных галактик он желчно выразился: «Несмотря на то, что все эти факты были известны Сэндиджу в 1964 г., он пошел на одну из дичайших попыток плагиата, заявив о существовании нового важнейшего элемента Вселенной – квазизвездных галактик. Эпохальное открытие Сэндиджа заключается не более чем в переименовании компактных галактик, которые он назвал “незваными гостями” и квазизвездными галактиками, таким образом, сам оказавшись в положении незваного гостя»[129]129
  F. Zwicky and M.A. Zwicky, Catalogue of Selected Compact Galaxies and of PostEruptive Galaxies (Guemligen, Switzerland: Zwicky, 1971). Статья, ставшая причиной спора: A. Sandage, “The Existence of a Major New Constituent of the Universe: The Quasi-Stellar Galaxies,” Astrophysical Journal 141 (1965): 1560–68. Случай описан в статье: K.I. Kellerman, “The Discovery of Quasars and its Aftermath” Journal of Astronomical History and Heritage 17 (2014): 267–82.


[Закрыть]. Вот вам и благовоспитанные ученые!

Из-за соперничества Института Карнеги и Калтеха появились многие масштабные проекты, продвигающие оптическую астрономию XXI в. Калтех построил десятиметровые телескопы-близнецы в обсерватории Кека на Гавайях, а Карнеги – пару 6,5-метровых телескопов Магеллана в Чили. В настоящее время Институт Карнеги является ведущим партнером проекта Гигантского Магелланова телескопа, а Калтех – ведущий партнер проектируемого Тридцатиметрового телескопа[130]130
  Следующий этап строительства гигантских телескопов отличался такой же яростной конкуренцией, что и текущий. Каждый из планируемых к постройке 20-метровых и бóльших телескопов оценивается минимум в миллиард долларов. Гигантский Магелланов Телескоп оказался в выгодном положении, поскольку пять из семи зеркал уже имелись в Аризонском университете, а выравнивание вершины горы и строительство началось в Чили. Проект Калтеха по созданию 30-метрового телескопа остановился из-за протестов гавайских активистов-аборигенов на Мауна Кеа, но теперь к нему вернулись. В Чили отправится и 39-метровый телескоп Европейской Южной обсерватории, и этот проект хорошо финансируется благодаря международному соглашению большинства европейских партнеров. Темной лошадкой в гонке является Китай, который может перепрыгнуть через класс 8–10 м и построить гигантский телескоп на Тибетском плато.


[Закрыть]. Оба проекта являются международными и стоят миллиарды долларов. Поскольку астрономы охотятся за самыми отдаленными светящимися точками, их «игрушки» становятся сложнее и значительно дороже.

Аризонский университет производит зеркала для Гигантского Магелланова телескопа. Примерно раз в год я наведываюсь в помещение под футбольным стадионом, где в десятиметровую емкость помещают 20 тонн чистого стекла в виде отдельных мелких сегментов, нагревают до 1170 °C и начинают раскручивать. Огромная печь вращается во всполохах света и волнах жара, превращаясь в адскую карусель; стоящие вокруг инженеры в белых халатах и защитных очках напоминают безумных ученых. Три месяца спустя, когда зеркало полностью охладится, его полируют почти до идеальной гладкости. Что любопытно, если бы готовое зеркало можно было увеличить до размеров континентальной части США, самые значительные неровности его поверхности выступали бы менее чем на 2,5 см. В Гигантском Магеллановом телескопе семь таких зеркал: шесть из них окружают центральный элемент как лепестки цветка. Тем временем строится и Тридцатиметровый телескоп из 492 шестиугольных зеркал, по 1,5 м в поперечнике каждое[131]131
  Конструкция из множества тонких шестиугольных сегментов на подложке позволила значительно уменьшить массу стекла по сравнению с цельнолитым. – Прим. пер.


[Закрыть]. Оба проекта претендуют на звание нового крупнейшего телескопа в мире. В каждом проекте значительная часть времени будет уделяться изучению квазаров.

Еще до открытия квазаров имелись причины полагать, что в центре некоторых галактик происходит нечто необычное. В 1959 г. расчеты показали, что широкие эмиссионные линии сейфертовских галактик могут объясняться гравитацией компактного объекта, который в миллиард раз массивнее Солнца. Английский теоретик Джеффри Бербидж лаконично сформулировал проблему радиогалактик: энергия их магнитных полей и релятивистских частиц такова, что для ее получения необходимо полностью преобразовать в энергию до 100 млн солнечных масс[132]132
  Вычисления Сейферта были представлены в: L. Woltjer, “Emission Nuclei in Galaxies,” Astrophysical Journal 130 (1959): 38–44. Расчет энергии радиогалактик был представлен в: G. Burbidge, “Estimates of the Total Energy and Magnetic Field in the Non-Thermal Radio Sources,” Astrophysical Journal 129 (1959): 849–52.


[Закрыть]. Релятивистскими называются частицы, движущиеся с околосветовой скоростью. Армянский теоретик Виктор Амбарцумян[133]133
  Амбарцумян Виктор Амазаспович (1908–1996), академик АН СССС, основатель школы теоретической астрофизики СССР. – Прим. пер.


[Закрыть] предложил «радикально пересмотреть концепцию галактического ядра», утверждая: «Мы должны отбросить мысль, что ядра галактик состоят только из звезд»[134]134
  V. Ambartsumian, “On the Evolution of Galaxies,” in The Structure and Evolution of the Universe, edited by R. Stoops (Brussels: Coudenberg, 1958), 241–74.


[Закрыть].

Посыпались гипотезы. Возможно, источником энергии являются вспышки в плотном ядре звезды, когда одна сверхновая запускает цепную реакцию в остальных. Возможно, звездное скопление может достичь очень высокой плотности вследствие столкновений, ведущих к выбросу большого количества газа. Возможно, энергию излучает одна сверхмассивная звезда. Через год после эпохального открытия Шмидта два теоретика предположили, что источником энергии квазара является аккреция на сверхмассивную черную дыру[135]135
  E. Salpeter, “Accretion of Interstellar Matter by Massive Objects,” Astrophysical Journal 140 (1964): 796–800; Ya.B. Zeldovich, “On the Power Source for Quasars,” Soviet Physics Doklady 9 (1964): 195–205.


[Закрыть]. Они поняли, что термоядерный синтез в ядрах звезд явно недостаточен для выработки энергии квазара. Здесь нужен гравитационный двигатель. Масса, перемещающаяся по спирали на самую внутреннюю устойчивую орбиту вокруг массивной черной дыры, может быть преобразована в энергию частиц и излучения с эффективностью, близкой к 10 %. Даже при такой эффективности самые яркие квазары должны питаться черными дырами, которые в миллиарды раз массивнее Солнца.

Астрофизики не сразу приняли идею сверхмассивных черных дыр. Напомню, что в 1964 г. был предложен термин «черная дыра» и впервые зарегистрирован Лебедь Х-1. Мысль о черных дырах звездной массы все еще казалась инновационной – и тут теоретики заводят речь о черных дырах в миллиарды раз более массивных! Похоже на дикую выдумку. Можете себе представить увеличение в миллиард раз? Это разница между одной крупинкой песка и полной песочницей, между бродягой, который может позволить себе бургер, и самым богатым человеком в мире, между массой ваших ближайших родственников и массой горы Эверест. Даже видавших виды астрофизиков шокировала мысль о черных дырах весом с небольшую галактику.

Предположение о гигантской энергоемкости квазаров основывается на факте их исключительной отдаленности от Земли, следовательно, чтобы быть настолько яркими, квазары должны обладать очень высокой светимостью. Светимость – это абсолютная яркость, или показатель того, сколько фотонов в секунду излучает источник света. Если бы квазары не были удалены от нас на расстояния, о которых свидетельствует их красное смещение, то требования к их энергоемкости были бы менее жесткими. Вот как это работает. Стоваттная лампочка на расстоянии 100 м кажется тусклой, но если до лампочки 100 км, то она должна быть в миллион раз ярче, чтобы мы не увидели разницы в яркости, – то есть 100-мегаваттной. Квазары тусклые, но они удалены от нас на миллиарды световых лет и потому должны быть фантастически яркими.

Это заставило небольшую, но авторитетную группу астрономов, в том числе нескольких выдающихся ученых, подвергнуть сомнению космологическую природу красного смещения квазаров[136]136
  Главными сторонниками идеи некосмологического красного смещения в 1960-х и на протяжении 1970-х гг. были Хэлтон Арп и Билл Тиффт со стороны наблюдений и Фред Хойл и Джефф Бербидж со стороны теории. Противостояние «на поле» красного смещения квазаров вызывало бурные и непримиримые дебаты на конференциях. В значительной мере полемика улеглась к 1980-м гг. с принятием космологической интерпретации, но даже сейчас некоторые исследователи утверждают, что квазары не находятся на тех расстояниях, о которых говорят их красные смещения. С аргументами наблюдателей можно познакомиться в: H.C. Arp, “Quasar Redshifts,” Science 152 (1966): 1583, теоретиков – G. Burbidge and F. Hoyle, “The Problem of the Quasi-Stellar Objects,” Scientific American 215 (1966): 40–52.


[Закрыть]. Космологическое красное смещение в модели расширяющейся Вселенной преобразуется в расстояние. Астрономы указали на места, где наблюдались квазары вблизи галактик со значительно меньшим красным смещением; их было больше, чем можно было бы объяснить случайностью. Ученые обратили внимание на преобладание специфических красных смещений, необъяснимых при космологической интерпретации. Большинству астрономов статистические выкладки показались неубедительными, но отмахнуться от аргументов, опирающихся на физический показатель плотности энергии, оказалось сложнее. Физики утверждали, что квазары должны «захлебнуться» собственным излучением и погаснуть, не успев ярко засветиться. Квазары с очень быстро меняющимся радиосигналом настолько компактны, что релятивистские электроны, излучив фотоны радиодиапазона, должны были бы сталкиваться с этими же фотонами и разгонять их до частот оптического, затем рентгеновского и гамма-излучения. В результате радиоисточник исчез бы, превратившись в гамма-источник. В середине 1960-х гг. ученые многократно и весьма бурно обсуждали эту тему на конференциях, не приходя к консенсусу. Для решения задачи потребовались новые, более совершенные радиообсерватории.

Несложно понять, почему радиоастрономы были несколько раздосадованы. Они первыми нашли свидетельство наличия огромной энергии в ядрах галактик и точно определили их местоположение, что позволило открыть квазары. Однако понять природу квазаров невозможно без измерения красного смещения, что делается в оптическом диапазоне, к тому же в основном квазары, как оказалось, генерируют довольно слабое радиоизлучение. Создалось впечатление, что теперь действие переместится в область оптической астрономии.

Однако у радиоастрономов нашелся еще один козырь. На этапе обнаружения квазаров они пользовались «тарелками», разнесенными на сотни метров, благодаря чему погрешность позиционирования не превышала одной угловой минуты. Когда же в интерферометрах они увеличили расстояние между антеннами до километра и перешли на самые короткие волны, погрешность свелась к угловой секунде, что практически соответствует точности оптического позиционирования. Радиоастрономия стала строить такие же точные карты радионеба, как и оптическая астрономия. Детально изученные, радиоисточники оказались удивительно разнообразными. Обнаружились радиогалактики, оптический компаньон которых, очевидно, тоже был галактикой, и квазары, оптический компаньон которых был похож на звезду. Чаще других наблюдались источники с огромными лепестками радиоизлучения, охватывающими эллиптическую галактику с радиоисточником в ядре, причем в некоторых случаях эти лепестки простирались в межгалактическое пространство на несколько миллионов световых лет[137]137
  Все радиоизлучение объясняется синхротронным излучением с эмиссией электронов в горячей, но разреженной плазме. Перенос энергии должен быть очень эффективным, чтобы выйти так далеко за пределы Галактики. Пузыри являются местами, где релятивистские частицы «врезаются» в разреженную межгалактическую среду, часто создавая горячие точки усиленного излучения. Горячая плазма пронизана магнитными полями, что означает, что радиоизлучение имеет линейную поляризацию.


[Закрыть]. Многие галактики имеют необычную или возмущенную форму. Создается впечатление, что из центра галактики выбрасываются пучки частиц высоких энергий, поддерживая радиосвечение парных лепестков. Красивым примером является Лебедь А[138]138
  D.S. De Young, The Physics of Extragalactic Radio Sources (Chicago: University of Chicago Press, 2002).


[Закрыть].

Мы обнаруживали галактики с таинственными и необычными свойствами. Одни имеют мощное радиоизлучение, другие интенсивно излучают в рентгеновском диапазоне, третьи отличаются сильным оптическим излучением, а вблизи центра наблюдается быстро движущийся газ. Ни одно из этих проявлений не характерно для галактики, являющейся лишь большим скоплением звезд. Астрономы обозначают галактики с особенно интенсивными энергетическими процессами в ядре общим термином «активная галактика».

Поскольку я занимаюсь оптической астрономией, то, как правило, предпочитаю видимые данные, но для изучения активных галактик я воспользовался «Очень большой решеткой» (VLA) в Нью-Мексико: я работал в той же аппаратной, где во время съемок фильма «Контакт» Джоди Фостер получила послание от инопланетян. VLA представляет собой комплекс из 27 тарелок (каждая диаметром 25 м), которые можно конфигурировать в форме буквы Y, размещенной на плоскости в 40 км. Тарелки перемещают по железнодорожным путям, увеличивая и уменьшая расстояние между ними. Пока местные радиоастрономы охотно помогали мне с обработкой данных, я заметил, что им нравится сохранять ауру таинственности вокруг своей работы. Я был не более чем почетным гостем в их племени.

Радиоастрономы уделяли особое внимание источникам, неразличимым для существующих интерферометров. Изменчивость источников свидетельствовала об их размерах – ненамного больше нашей Солнечной системы. В 1960-х гг. ученые задумали создать радиотелескоп размером с Землю. Нужно было найти другой способ сопоставления сигналов разных телескопов, поскольку для трансконтинентальной передачи не годились кабели и линии СВЧ-связи. Радиоастрономы решили записывать сигнал каждого телескопа на магнитную пленку с указанием времени по атомным часам и далее сводить сигналы всех пленок и получать интерференционные полосы – а затем карту. Данные кропотливо обрабатывались, что требовало таких технических средств, как атомные часы, компьютеры и магнитофоны. В 1967 г. группы американских и канадских астрономов наблюдали несколько источников при помощи антенн, находящихся на расстоянии 200 км. Через год они подключили удаленные антенны в Пуэрто-Рико, Швеции и Австралии. База увеличилась до 10 000 км, или 80 % диаметра Земли. Угловое разрешение выросло в 1000 раз, до одной тысячной доли угловой секунды – это угловой размер десятицентовой монетки на вершине Эйфелевой башни, если смотреть на него из Нью-Йорка (илл. 23). Теперь радиоастрономия располагала гораздо более четкими изображениями – по сравнению с оптической астрономией.

Новую технологию назвали интерферометрией с очень длинной базой (Very Long Baseline Interferometry, VLBI). В 1970 г. радиоастрономы, изучая квазары при помощи VLBI, заметили, что самые компактные радиоисточники создают односторонние струи, в которых часто присутствуют «пузыри» – или горячие точки. Собрав данные за год, они увидели, как эти пузыри удаляются от ядра. Астрономы привыкли иметь дело с огромной временной шкалой межгалактической Вселенной, поскольку галактика совершает один оборот за сотни миллионов лет, и были счастливы, заметив изменения, происходящие от года к году[139]139
  Статьи об открытии: A.R. Whitney et al., “Quasars Revisited: Rapid Time Variations Observed Via Very Long Baseline Interferometry,” Science 173 (1971): 225–30; M.H. Cohen et al., “The Small Scale Structure of Radio Galaxies and Quasi-Stellar Sources at 3.8 Centimeters,” Astrophysical Journal 170 (1971): 207–17. Видимое движение со сверхсветовой скоростью было предсказано на основе теоретических рассуждений пятью годами раньше в статье: M.J. Rees, “Appearance of Relativistically Expanding Radio Sources,” Nature 211 (1966): 468–70.


[Закрыть]. Однако, преобразовав наблюдаемое поперечное перемещение пузырей в скорость, они были потрясены: скорость разлета в 5–10 раз превышала скорость света. Это нарушение принципа относительности? Нет, всего лишь оптическая иллюзия. Поскольку джет от компактного радиоисточника направлен практически прямо на нас, а пузыри двигаются с околосветовой скоростью, создается впечатление, что они быстро движутся в поперечном направлении. Представьте, что кто-то с Земли перемещает по поверхности Луны световое пятно очень мощного прожектора. Если луч двигается быстро, наблюдателю на Луне покажется, что он перемещается быстрее света, хотя фотоны луча летят со скоростью света – и ни на йоту быстрее. Этот феномен, называемый сверхсветовым движением, наблюдался у десятков компактных радиоисточников.

Ювелирно точное картирование радиоисточников показало, что радиоастрономы могут получать такие же прекрасные изображения, как и в оптической астрономии (илл. 24)[140]140
  A.-K. Baczko et al., “A Highly Magnetized Twin-Jet Base Pinpoints a Supermassive Black Hole,” Astronomy and Astrophysics 593 (2016): A47–58.


[Закрыть]. Данные поддерживают гипотезу сверхмассивных черных дыр. Мощное радиоизлучение свидетельствует о работе ускорителя частиц, а компактность означает, что излучение приходит из крохотной области пространства. На это способна только гравитационная машина – такая, как черная дыра. Кроме того, поскольку галактики имеют импульс, а компактный объект в центре галактики должен быть вращающимся, газ будет улетать от него над полюсами вдоль оси вращения. Черная дыра намного более мощный ускоритель частиц, чем любое творение рук человеческих. Гравитация питает парные джеты намагниченной плазмы, которые выбрасываются вовне из области вблизи черной дыры почти со скоростью света, протягиваясь далеко за границы галактики и освещая радионочь.