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 к к

Если объяснить происхождение радиоволн в нашем галактическом Млечном Пути было тяжело, а объяснить радиоизлучение от удаленных радиогалактик еще сложнее, то объяснение радиоизлучения от этих сверхдалеких квазаров могло оказаться суперсложным.

Сложность, как оказалось, опять состояла в существовании ментального барьера. Джесси Гринштейн, Фред Уиппл и все остальные астрономы 1930-х и 1940-х полагали, что космические радиоволны, так же как и звездный свет, испускаются разогретыми теплом, колеблющимися молекулами, атомами и электронами. Астрономы 30-х и 40-х годов не могли представить другого способа, как природа могла бы образовывать наблюдаемые радиоволны, даже тогда, когда все их расчеты недвусмысленно показывали, что этот работать не может.

Однако с начала XX века физикам был известен другой способ. Когда электрон, движущийся с высокой скоростью, встречает магнитное поле, магнитные силы этого поля закручивают траекторию электрона в спираль. Электрон оказывается вынужденным кружиться вокруг линий магнитного поля (рис. 9.4) и, двигаясь по спирали, испускать электромагнитное излучение. В 1940-х годах физики начали называть это излучение синхротроннъш излучением, поскольку оно образуется при спиральном движении электронов в ускорителях частиц,

9.4. Космические радиоволны порождаются электронами, вращающимися по спирали с околосветовыми скоростями вокруг линий магнитного поля. Магнитное поле заставляет электрон двигаться не по прямой, а по спирали, при этом спиральное движение электрона порождает радиоволны

называемых «синхротронами», которые тогда строились. Замечательно, что в 1940-х годах, несмотря на заметный интерес физиков к синх-ротронному излучению, астрономы не обращали на него никакого внимания. Ментальный барьер сохранялся.

В 1950 г. Карл Отто Кипенхоер в Чикаго и Виталий Лазаревич Гинзбург в Москве (тот самый Гинзбург, который придумал LiD топливо для советской водородной бомбы и обнаружил первые свидетельства, что черные дыры не могут иметь «волос»78) разрушили этот ментальный барьер. Развивая плодотворные идеи Ганса Альфвена и Николаи Херлофсона, Кипенхоер и Гинзбург (верно) предположили, что радиоволны Янски в нашей галактике являются синхротронным излучением электронов, движущихся по спирали вокруг линий магнитных силовых линий, заполняющих межзвездное пространство (рис. 9.4).

Спустя несколько лет, когда будут открыты гигантские радиоизлучающие лепестки радиогалактик и квазары, было также вполне естественно (и правильно) предположить, что их радиоизлучение также вызывается электронами, вращающимися вокруг силовых линий магнитного поля. Исходя из физических законов, описывающих такое спиральное движение, и свойств наблюдаемых радиоволн, Джеффри

Бэрбидж из Университета Калифорнии, в Сан Диего, рассчитал, какую энергию должны иметь магнитные поля лепестков и быстро вращающиеся электроны. Вот его поразительный ответ: в экстремальных случаях радиоизлучающие лепестки должны заключать в себе такое количество магнитной энергии и кинетической энергии быстрых электронов, которое можно получить при превращении в чистую энергию всей массы 10 миллионов (107) Солнц со 100 %-ной эффективностью.

* * *

Такие энергетические характеристики квазаров и радиогалактик были настолько поразительными, что в поисках объяснения астрофизикам в 1963 г. пришлось перебрать все мыслимые источники энергии.

Химическая энергия (горение бензина, нефти, угля или динамита), которая является основой человеческой цивилизации, явно не подходила. Химическая эффективность преобразования вещества в массу составляет лишь одну стомиллионную долю (одна часть на 108). Для того чтобы обеспечить энергией радиоизлучающий газ квазара, потребовалось бы 108 х 107 = 1015 солнечных масс химического горючего — в 10000 раз больше, чем количество вещества, содержащегося в нашей галактике Млечный Путь. Это совершенно бессмысленно.

Ядерная энергия, работающая в водородной бомбе и дающая солнечный свет и тепло, также плохо подходила для питания квазара. Эффективность преобразования массы в энергию для ядерного горючего составляет примерно 1 процент (1 часть на 102), поэтому квазару, для того чтобы подпитывать радиоизлучение лепестков, понадобилось бы 102 х 107 = 109 (1 миллиард) солнечных масс. И этот миллиард соответствует тому случаю, когда ядерное топливо полностью выгорает и освобождающаяся энергия полностью преобразуется в энергию магнитного поля и быстрых электронов. Полное сгорание и полное преобразование энергии вызывало сомнение. Даже в тщательно сконструированных машинах человеку редко удается добиться эффективности преобразования энергии ядерного топлива в полезную мощность лучшей нескольких процентов, а в природе могло быть еще хуже. Поэтому более разумной является оценка в 10 или 100 миллиардов звезд. Это меньше, чем масса гигантской галактики, но не намного, и то, как природа могла бы добиться преобразования ядерной энергии в магнитную и кинетическую, было совершенно неясно. Поэтому ядерная энергия была возможной, но очень сомнительной кандидатурой.

Аннигиляция вещества и антивещества могла бы обеспечить 100-процентное преобразование массы в энергию, и поэтому 10 миллионов солнечных масс, аннигилирующих с 10 миллионами солнечных масс из антивещества, могли бы удовлетворить энергетические потребности квазаров. Однако нет никаких доказательств существования во Вселенной антивещества, кроме малых его крох, искусственно синтезированных человеком в ускорителях и той малости, которая возникает в природе при столкновении частиц обычного вещества. Более того, даже если бы такие большие массы вещества и антивещества аннигилировали, энергия их аннигиляции превратилась бы в гамма-излучение, а не в энергию магнитного поля или кинетическую. Поэтому аннигиляция вещества с антивеществом оказывается неудовлетворительным источником энергии для квазара.

Оставалась еще одна возможность: гравитация. Охлопывание обычной звезды с образованием нейтронной звезды или черной дыры, казалось, вполне могло преобразовать 10 процентов массы в магнитную и кинетическую энергии — хотя, как это точно происходит, ясно не было. Если это возможно, то схлопывание 10 х 107 = 108 (100 миллионов) обычных звезд могло бы обеспечить квазар энергией, так же, впрочем, как и схлопывание одной гипотетической в 100 миллионов раз более тяжелой, чем Солнце, сверхмассивной звезды. [Правильная идея, состоящая в том, что гигантская черная дыра, получившаяся при схлопывании такой сверхмассивной звезды, может сама служить источником энергии для квазара, никому не приходила в голову вплоть до 1963 г. Черные дыры тогда еще плохо понимали. Уилер еще не пустил в оборот выражение «черная дыра» (глава 6). Салпетер и Зельдович еще не поняли того, что газ, падающий на черную дыру, может нагреваться и с высокой эффективностью излучать энергию (глава 8). Пенроуз еще не открыл, что черная дыра может до 29 процентов своей массы копить в энергии вращения и затем ее высвобождать (глава 7). Золотой век исследований черных дыр еще не начался.]

Мысль о том, что квазары могут получать энергию от охлопывающейся звезды, образующей черную дыру, была радикальным отходом от традиционных представлений. Впервые в истории астрономы и астрофизики почувствовали необходимость обратиться для объяснения наблюдаемых объектов к общей теории относительности. Раньше релятивисты жили в одном мире, а астрономы и астрофизики в другом, почти не связанные друг с другом. Эта разъединенность подходила к концу.

Для стимулирования диалога между релятивистами, астрономами и астрофизиками и катализации прогресса в исследовании квазаров с 16 по 18 декабря 1963 г. в Далласе, в Техасе, была организована конференция, в которой приняли участие триста ученых. Томас Голд из Корнельского университета так полушутя обрисовал в тосте на банкете обстановку на этом Первом техасском симпозиуме по релятивистской астрофизике: «[Загадка квазаров] позвляет предположить, что вычурные работы релятивистов являются не только великолепными культовыми украшениями, но могут быть действительно полезны для науки! Все довольны: релятивисты, почувствовавшие, что их оценили, стали экспертами в области, о существовании которой они вряд ли знали, и астрофизики, поскольку теперь они могут расширить свое поле деятельности, свою империю, вторгаясь в другую епархию — общую теорию относительности. Все это очень приятно, и потому давайте думать, что все это верно. Каким позором для нас будет, если нам придется снова пойти на увольнение всех релятивистов».

Выступления следовали почти непрерывно с 8:30 утра до 6 вечера с часовым перерывом на обед, плюс почти все время с 6 вечера до двух часов ночи проходило в неформальных дискуссиях и спорах. Среди других выступлений проскочило и короткое 10-минутное сообщение молодого новозеландского математика Роя Керра, неизвестного другим участникам. Керр только что обнаружил свое решение уравнений поля Эйнштейна — решение, которое, как окажется десятилетием позже, позволит описать все свойства вращающихся черных дыр, включая запасание и высвобождение вращательной энергии (главы 7 и 11); решение, которое, как мы увидим позднее, в конечном итоге заложит фундамент для объяснения происхождения энергии квазаров. Однако в 1963 г. решение Керра большинству ученых казалось лишь математическим курьезом; никто даже не знал, что оно описывает черную дыру, хотя Керр и рассуждал о том, что оно может дать представление о схлопывании вращающихся звезд.