Кип Торн - Черные дыры и складки времени. Дерзкое наследие Эйнштейна

• Название: Черные дыры и складки времени. Дерзкое наследие Эйнштейна
• Автор: Кип Торн
• Жанр: Физика
• Год: 2007

---

К 1962 г. детекторы были улучшены в 10 000 раз. Осталось добиться тысячекратного выигрыша в чувствительности, и под впечатлением достижений группы Фридмана в соревнование включились другие исследователи. Одна из команд, руководимая Риккардо Джиаккони, станет грозным конкурентом.

Странным образом, успех Джиаккони мог бы разделить Зельдович. В 1961 г. Советский Союз неожиданно прервал взаимный советско-американский трехлетний мораторий на испытание ядерного оружия, испытав самую мощную бомбу, которую когда-либо взрывал человек, — бомбу, разработанную на Объекте группами Зельдовича и Сахарова (глава 6). Американцы в панике начали подготовку новых собственных испытаний. Они должны были стать первыми американскими ядерными испытаниями эры орбитальных космических полетов. Впервые открывалась возможность измерить из космоса рентгеновское и гамма излучение, а также частицы высокой энергии, образующиеся при ядерном взрыве. Такие измерения были необходимы для того, чтобы отслеживать дальнейшие советские испытания бомб. Однако чтобы провести такие измерения в ходе предстоящей американской серии испытаний, требовалась форсированная программа. Организация и руководство были поручены Джиаккони, двадцативосьмилетнему фи-зику-экспериментатору из частной компании Американская наука и техника (Кембридж, штат Массачусетс), недавно начавшему разработ-

Слева: Герберт Фридман, примерно в то время, когда его группой было открыто рентгеновское излучение Солнца. Справа: Риккардо Джиаккони, примерно тогда, когда его группа открыла первую рентгеновскую звезду. [Слева: предоставлено Военно-морской исследовательской лабораторией США; справа: предоставлено Р. Джиаккони]

ку и запуск в космос детекторов рентгеновского излучения, подобных фридмановским. Военно-воздушные силы Соединенных Штатов предоставили Джиаккони все требуемые средства, но мало времени. Менее чем за год он расширил свою группу рентгеновской астрономии, первоначально состоявшую из шести человек, введя в нее семьдесят новых участников, разработал, изготовил и испытал множество приборов слежения за взрывами военного назначения, запустив их в космос, достигнув 95-процентного успеха, на двадцати четырех ракетах и шести спутниках. Этот опыт сформировал из костяка его группы верную, знающую и высоко квалифицированную команду, идеально подходящую для того, чтобы обойти всех конкурентов в создании рентгеновской астрономии.

Временная команда Джиаккони сделала свои первые шаги в астрономии, начав с поиска рентгеновского излучения Луны, используя детектор, сделанный по образцу фридмановского, и как и Фридман, запустив его на ракете Аэроби. Их ракета, запущенная в Вайт-Сэндз, Нью-Мексико, за одну минуту до полуночи 18 июня 1962 г., быстро набрала высоту 230 километров, а затем упала назад на Землю. В течение 350 секунд она находилась за пределами земной атмосферы, на высоте достаточной, чтобы зарегистрировать рентгеновское излучение Луны. Данные, переданные на Землю телеметрией, были загадочны: рентгеновское излучение оказалось значительно сильнее, чем ожидалось. При более внимательном изучении данные показались еще удивительней. Казалось, что рентгеновское излучение шло не от Луны, а из созвездия Скорпиона (рис. 8.6б). Два месяца Джиаккони и члены его команды (Герберт Гурский, Франк Паолини и Бруно Росси) искали ошибку в данных и в аппаратуре. А когда таковой не нашлось, объявили о своем открытии. Впервые была обнаружена рентгеновская звезда, в 5000 раз более яркая, чем предсказывали астрофизики. Десятью месяцами позже группа Фридмана подтвердила открытие, и звезде было дано имя Sco Х-1 (1 — потому что самая яркая; X — потому что источник Х-лучей1; Sco — по латинскому названию созвездия Скорпиона — Scorpius).

Почему ошиблись теоретики? Как получилось, что они в 5000 раз недооценили силу космического рентгеновского излучения? Они неверно полагали, что на небе в рентгеновском диапазоне будут преобладать объекты, уже известные по оптическим наблюдениям — такие объекты, как Луна, планеты и обычные звезды, слабые источники рентгеновских лучей. Однако Sco Х-1 и другие вскоре открытые рентгеновские звезды не были подобны ранее наблюдавшимся объектам. Они являлись нейтронными звездами и черными дырами, захватывающими газ у нормальных звезд-спутников и нагревающими его до высоких температур, как это вскоре предположат Зельдович и Новиков (рис. 8.5 сверху). Для того чтобы показать, что такова в действительности природа наблюдаемых рентгеновских звезд, однако, потребовалось еще десятилетие работы рука об руку таких экспериментаторов,

1 Рентген назвал свои лучи Х-лучами, как они и сейчас называются на многих языках. [Прим, пер.] 75

Тонкое окошко пропорционального счетчика
Катод

450г

со

н350

5Г

£250

§150 s ЕГ

Наиболее вероятное положение

Погрешность °00o0o0cv измерений 0со оэ

Счетчик 2

о

^cPcaf*о -

оА°о с

-„«Л»

50 Ir********************* Счетчик 3

0

С

60° 120° 3

180° 240° 300°360° Ю В С

0Q

<Т)

k'X

is?

X CQ

D

U

H s

5C Я <D <D CL X

1600

1400

1200

1000

800

600

400

200

0

SS £20

Spvo

G ST ^ 0

07 s о

§ -CL

«... 1 .... 1 л—. ^ i 1 .... 1. * —*— ! 00:0 99. уФл □ 1415 МГц Х V о 2695 МГцL L . . . 1 1 1 1 ^ 350 450 550 650 750Один из дней 1970 г.

Рентге- Рентгеновские новские лучи лучи

д

е

V

Параболическая

поверхность

Гиперболическая

поверхность

Точка

фокусировки

ли*c/FV
3

как Фридман и Джиаккони, и таких теоретиков, как Зельдович и Новиков.

* * *

Детекторы Джиаккони образца 1962 г. были чрезвычайно просты (рис. 8.6а): камера с электродами, заполненная газом, с тонким окошком сверху. Когда рентгеновские лучи попадают в камеру через окошко, они выбивают электроны у некоторых атомов газа; эти электроны притягиваются полем к электродам и, попадая в провод, создают электрический ток, свидетельствующий о приеме рентгеновского излучения. (Такие приборы иногда называют счетчиками Гейгера, а иногда пропорциональными счетчиками.) Ракета, несущая камеру, вращалась со скоростью два оборота в секунду, а ее нос медленно качался, нацеливаясь то вверх, то вниз. Такие движения позволяли окошку камеры просканировать большую область неба, направляя его то в одном, то в другом направлении. Будучи направленной на созвездие Скорпиона, камера регистрировала много отсчетов рентгеновских лучей. Когда она нацеливалась в другую сторону, отсчетов было мало. Однако поскольку рентгеновское излучение могло попадать в камеру с широкого диапазона направлений, оценки положения Sco Х-1 с помощью камеры были весьма неточны. Она могла указать лишь наиболее вероятное положение, с возможной погрешностью около 90' (см. рис. 8.6б).

Для того чтобы определить, действительно ли Sco Х-1 и другие вскоре открытые рентгеновские звезды являются черными дырами и нейтронными звездами в двойных системах, требовалось уменьшить пределы ошибок (неопределенность положения на небе) до нескольких угловых минут. Это было суровое требование: тысячекратное улучшение углового разрешения.

Требуемое и даже более значительное улучшение разрешения было шаг за шагом достигнуто в последующие шестнадцать лет несколькими конкурирующими на каждом шагу группами (Фридмана, Джиаккони и других). За чередой ракет, запускаемых то одной, то другой группой, с все улучшающимися детекторами, в декабре 1970 г. последовал Ухуру — первый рентгеновский спутник (рис. 8.6в). Созданный группой Джиаккони, Ухуру содержал заполненные газом рентгеновские счетчики, в сто раз большие тех, которые запускались на ракете в 1962 г. Перед окошками камер были установлены щели, подобные жалюзи, не дающие камере видеть лучи, исходящие из любых направлений, кроме нескольких градусов вокруг перпендикуляра (рис. 8.6г). За

Со&ЛлЭД Ste.f>£ferv *£04 SocK Ot Qccr^e ^viA»\tKf ca Cris+AJra,e СайхЬиЯЬ^ o^kcI ‘S&tde OLnd do.il ntk 0Lfv trssonxrcct poU'csj far\J С*Яолгол <Cp T^ow &4ci C &•<*♦ olcuv^crouil^ Coute.CbJ' OLh msorokfvce (Cs^

Tkertfore fet i> retold el fckoj-&l*ph*r> Чв-wkOj

Su^ltrtphcrv to 4r»HiOyit" ц uojm^ •C<p TCet'*v»i CvMlmtv of a.

S0CiC.rcpt.0r4 G, "TW(x 6**.* , ttvevt Cf^KUA X < otoit rvct CerctTXirv. Ol. Clottk &o€t. of rVva.it clCcvk fcfvc