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

• Название: Черные дыры и складки времени. Дерзкое наследие Эйнштейна
• Автор: Кип Торн
• Издательство: Издательство физико-математической литературы
• Жанр: Науки о космосе
• Год: 2007
• ISBN: 9875-94052-144-4

Предлагаемая монография является популярным изложением новейших достижений в области астрофизики и гравитации, которые тесно связаны с фундаментальными предсказаниями А. Эйнштейна. Читатель найдет в книге много интересного о вкладе ученых разных стран в эту область науки, а также в близких к ней областях.

Эта книга переведена с английского на французский, немецкий, японский, китайский, польский, греческий языки. Несколько глав ее были ранее переведены на русский и опубликованы в журнале «Природа».

Книга рассчитана на широкий круг читателей, включая школьников старших классов.

---

Это были чудовищные расстояния, практически самые большие расстояния из зарегистрированных когда-либо. Это означало, что для того чтобы 3C273 и ЗС48 имели достаточную яркость, чтобы выглядеть так, как они регистрировались с помощью 5-метрового телескопа, они должны были излучать невообразимую мощность: в 100 раз большую, чем самые яркие из наблюдавшихся галактик.

Фактически 3C273 был настолько ярким объектом, что с 1895 г. его уже больше 2000 раз регистрировали на фотографиях вместе с другими объектами даже с помощью телескопов среднего размера. Узнав об открытии Шмидта, Харлан Смит из Университета Техаса организовал более пристальное изучение этого архива фотографий, в основном хранящихся в Гарварде, и обнаружил, что у 3C273 за последние 70 лет постоянно происходили флуктуации яркости. Его светимость существенно менялась с периодом, не большим чем один месяц. Это означает, что большая часть света от 3C273 должна излучаться из области размером меньшим расстояния, преодолеваемого светом за месяц, т. е. меньшим, чем 1 «световой месяц». (Если область будет больше, то не может быть такой силы, перемещающейся, конечно, со скоростью меньшей или равной скорости света, которая могла бы заставить весь излучающий газ с месячной аккуратностью одновременно вспыхивать или тускнеть.)

Во все это было чрезвычайно трудно поверить. Этот странный квазар, этот 3C273, светил в 100 раз ярче, чем самые яркие во Вселенной галактики. Но если галактики излучают свет из областей размером в 100000 световых лет, 3C273 давал свет из области, по крайней мере, в миллион раз меньшей в диаметре и в 1018 раз меньшей по объему: всего в 1 световой месяц или даже меньше. Свет должен исходить от массивного компактного газового объекта, нагреваемого какой-то невероятно мощной машиной. Эта машина, в конце концов, с высокой, но не абсолютной достоверностью окажется гигантской черной дырой, но прочные свидетельства будут получены лишь в последующие пятнадцать лет.

* * *

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 синхротронным излучением, поскольку оно образуется при спиральном движении электронов в ускорителях частиц, 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.

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

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»[92]) 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. схлопывание 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.]