Глазами физика. От края радуги к границе времени Левин Уолтер

Нейтронные звезды находятся в самом центре истории рентгеновской астрономии. И они действительно, как говорят, горячие штучки. И не только с точки зрения температуры, хотя их поверхностные температуры нередко достигают свыше миллиона кельвинов, а это более чем в сто раз горячее, чем поверхность Солнца.

Джеймс Чедвик открыл нейтрон в 1932 году, за что получил Нобелевскую премию по физике в 1935-м. После этого экстраординарного открытия, которое, по мнению многих физиков, стало завершающим мазком в картине атомной структуры, Вальтер Бааде и Фриц Цвикки выдвинули гипотезу, что нейтронные звезды формируются в результате вспышек сверхновых. И как впоследствии оказалось, были совершенно правы. Нейтронные звезды возникают в результате поистине катастрофических событий в самом конце жизни массивной звезды, одного из самых быстрых, потрясающих и жестоких происшествий в изученной нами Вселенной – коллапса ядра сверхновой.

Нейтронная звезда начинается не со звезды, похожей на наше Солнце, а со звезды как минимум в восемь раз массивнее. В нашей Галактике приблизительно миллиард нейтронных звезд, но в ней так много звезд самых разных видов, что миллиард следует считать редкостью. Звезды, как и многие другие объекты в мире и во Вселенной, могут «жить» только благодаря своей способности обеспечивать приблизительный баланс безмерно мощных сил. В звездах со сгорающим ядром, в котором термоядерные реакции, проходящие при температурах в десятки миллионов градусов по Кельвину, вырабатывают колоссальное количество энергии, создается огромное внутреннее давление. Температура в ядре Солнца, например, около 15 миллионов кельвинов, и оно вырабатывает за одну секунду энергию, эквивалентную энергии более миллиарда водородных бомб.

В стабильной звезде это давление сбалансировано действием силы тяготения, генерируемой огромной массой звезды. Если же эти две силы – направленное наружу давление термоядерного реактора и направленная внутрь сила гравитации – не сбалансированы, звезда не будет стабильной. Мы знаем, что Солнце существует в известном нам виде уже около пяти миллиардов лет и будет продолжать так жить еще пять миллиардов. Когда звезда собирается умирать, она меняется, и весьма существенно. Если звезда израсходовала большую часть ядерного топлива в ядре, она, как правило, приближается к заключительному этапу своей жизни и показывает настоящее огненное шоу. Это особенно верно в отношении массивных звезд. В некотором смысле сверхновые напоминают трагических театральных героев, которые обычно заканчивают свою великую жизнь в пароксизме катарсических эмоций, пламенно и зачастую весьма громко взывая к жалости аудитории.

Самая экстравагантная гибель звезды – гибель в результате коллапса ядра сверхновой, одно из самых энергетических явлений во Вселенной. Постараюсь отдать ей должное. Когда реакция в ядерном реакторе в ядре массивной звезды начинает сходить на нет – в конце концов, никакое топливо не может гореть вечно! – и генерируемое ею давление ослабевает, неустанное и вечное гравитационное притяжение остальной массы решительно берет над ним верх.

Процесс истощения топлива на самом деле довольно сложен, тем не менее весьма увлекателен. Как и большинство звезд, действительно массивные звезды начинают со сжигания водорода и создания гелия. Звезды питаются ядерной энергией – но не деления, а синтеза: при экстремально высоких температурах четыре ядра водорода (протоны) сплавляются в ядро гелия, в результате чего выделяется тепло. Когда у этих звезд заканчивается водород, из-за гравитации их ядра сжимаются, что повышает температуру до показателей, достаточно высоких, чтобы начать связывать гелий до углерода. Звезды с массами, примерно в десять раз превышающими массу Солнца, после сжигания углерода начинают сжигать кислород, потом неон, затем кремний, и в конечном счете у них получается железное ядро.

После каждого цикла горения ядро сжимается, его температура повышается, и запускается следующий цикл. Каждый очередной цикл вырабатывает меньше энергии, чем предыдущий, и короче предыдущего. Для примера скажу, что, в зависимости от точной массы звезды, цикл сжигания водорода может длиться 10 миллионов лет при температуре около 35 миллионов кельвинов, но последний цикл, цикл кремния, продолжается всего несколько дней при температуре около трех миллиардов кельвинов! Во время каждого цикла звезды сжигают большинство продуктов, образовавшихся в предыдущем цикле. Вот что я называю серьезным подходом к переработке!

Конец наступает, когда в результате синтеза кремния получается железо – химический элемент с самым устойчивым ядром из всех элементов периодической таблицы. При синтезе железа в более тяжелые ядра энергия не вырабатывается: этот процесс сам требует энергии, и генерирующий ее реактор останавливается. Железное ядро быстро растет по мере того, как звезда вырабатывает все больше и больше железа.

Когда железное ядро вырастает до примерно 1,4 солнечной массы, оно достигает своего рода магического предела, известного в астрономии как предел Чандрасекара[25] (кстати, его фамилия связана с именем индийского бога Луны Чандры). В этот момент давление в ядре уже не может противодействовать мощному давлению силы тяготения, и ядро схлопывается, приводя к направленной вовне вспышке сверхновой.

Представьте себе огромную армию, осаждающую некогда гордый замок, внешние стены которого начинают разрушаться. (Мне лично вспоминаются сцены из фильма «Властелин колец», в которых бесчисленные армии орков прорываются через стены крепости.) Ядро схлопывается за миллисекунды, и падающая при этом в центр звезды материя – на самом деле она влетает на фантастической скорости, равной четвертой части скорости света, – повышает температуру внутри ядра до невообразимых 100 миллиардов кельвинов, что почти в десять тысяч раз горячее ядра Солнца.

Если масса одиночной звезды меньше двадцати пяти масс Солнца (но больше десяти его масс), коллапс создает в ее центре объект совершенно нового вида – нейтронную звезду. Одиночные звезды с массами от восьми до десяти масс Солнца тоже в конечном итоге рождают нейтронные звезды, но их ядерная эволюция (ее мы обсуждать не будем) несколько отличается от описанного сценария.

При высокой плотности коллапсирующего ядра электроны и протоны сливаются друг с другом. Отрицательный заряд отдельного электрона нейтрализует положительный заряд протона, и они объединяются, создавая нейтрон и нейтрино. Отдельных ядер больше не существует, они исчезают, превращаясь в массу того, что известно как вырожденная нейтронная материя (ну наконец-то впечатляющее название!). Еще мне очень нравится название противодействующего давления – давление нейтронного вырождения. Если масса этой потенциально нейтронной звезды начинает превышать массу трех Солнц, что случается, когда масса одиночной звезды (прародитель) примерно в 25 раз больше массы Солнца, сила тяготения превосходит даже давление нейтронного вырождения. Как думаете, что тогда происходит? Попробуйте угадать.

Верно. Я так и знал, что вы догадаетесь. Что же еще, как не черная дыра – место, где материя не может существовать в любой понятной нам форме, где, если приблизиться, гравитация настолько сильна, что не излучается ничего: ни свет, ни рентгеновские лучи, ни гамма-лучи, ни нейтрино, ничего. Эволюция в двойных системах звезд (подробнее об этом поговорим в следующей главе) может происходить совершенно иначе, потому что в такой системе оболочка массивной звезды нередко удаляется на ранней стадии и масса ядра не может вырасти так сильно, как в одиночной звезде. В этом случае даже звезда, которая изначально была в сорок раз массивнее Солнца, может все еще оставаться нейтронной звездой.

Тут следует отметить, что граница между прародителями, формирующими нейтронные звезды, и черными дырами, нечеткая; все зависит от множества факторов, а не только от массы прародителя – например, большое значение имеет вращение звезд.

Но черные дыры действительно существуют – это не плод воспаленного воображения сумасшедших ученых и фантастов, – и это невероятно. Черные дыры связаны с рентгеновской Вселенной – и я к ним еще вернусь, обещаю. Сейчас просто скажу, что черные дыры не только реальны, но и, по всей вероятности, составляют ядро всех достаточно массивных галактик во Вселенной.

Однако вернемся к коллапсу ядра. Как только нейтронная звезда сформировалась – помните, что мы говорим о миллисекундах, – звездное вещество, до этого пытавшееся проникнуть в нее с огромной скоростью, буквально отскакивает, образуя направленную наружу ударную волну, которая со временем ослабляется из-за энергии, потребляемой распадающимися оставшимися ядрами железа. (Помните, что, когда легкие элементы сливаются, формируя ядро железа, энергия высвобождается, а его распад потребляет энергию.) Когда электроны и протоны сливаются друг с другом во время коллапса ядра и становятся нейтронами, формируются также нейтрино. Кроме того, при высокой температуре ядра, около 100 миллиардов кельвинов, образуются так называемые термические нейтрино, переносящие примерно 99 процентов (что составляет около 10⁴⁶ джоулей) всей энергии, вырабатываемой в результате коллапса ядра. Оставшийся один процент (10⁴⁴ джоулей) представлен в основном кинетической энергией извергнутого звездного вещества.

Практически не имеющие массы и нейтральные нейтрино обычно легко проходят через любое вещество, и большинство из них покидают ядро. Тем не менее из-за чрезвычайно высокой плотности окружающего вещества они передают около одного процента своей энергии материи, которая затем вырывается наружу со скоростью до 20 тысяч километров в секунду. Часть этой материи может быть видна в течение тысячелетий после взрыва; мы называем это остатками сверхновой (пример – Крабовидная туманность).

Вспышка сверхновой ослепительна: оптическая светимость при максимальной яркости составляет около 1035 джоулей в секунду. Это в 300 миллионов раз больше светимости Солнца. Когда такая сверхновая встречается в нашей Галактике (что в среднем происходит всего пару раз за сто лет), мы наблюдаем одну из самых впечатляющих картин в небе. В настоящее время благодаря полностью автоматизированным роботизированным телескопам астрономы каждый год обнаруживают в большом «зоопарке» относительно близких к нам галактик сотни и тысячи сверхновых.

Коллапсирующее ядро сверхновой выделяет в 200 раз больше энергии, чем наше Солнце выработало за последние пять миллиардов лет, и вся она высвобождается примерно за одну секунду, причем 99 процентов – в виде нейтрино!

Именно это произошло в 1054 году, и в результате на небе появилась самая яркая звезда за последние тысячу лет – настолько яркая, что ее на протяжении нескольких недель было видно даже в дневное время. Будучи просто краткой космической вспышкой в межзвездном пространстве, сверхновая за несколько лет исчезает – по мере того как газ охлаждается и рассеивается. Но сам газ не исчезает. Взрыв в 1054 году создал не только одиночную нейтронную звезду, но и Крабовидную туманность, один из самых замечательных и до сих пор меняющихся объектов на небе и практически неисчерпаемый источник новых данных, потрясающих изображений и экспериментальных открытий. В астрономии многое происходит в масштабах времени, которые более привычны нам в связи с геологией – это миллионы и миллиарды лет, – поэтому, когда астрономы обнаруживают нечто происходящее очень быстро, за секунды, минуты или даже годы, это впечатляет особенно сильно. Отдельные части Крабовидной туманности меняют форму каждые несколько дней; кроме того, и космический телескоп «Хаббл», и Космическая рентгеновская обсерватория «Чандра» обнаружили, что остаток Сверхновой 1987А (находится в Большом Магеллановом Облаке) также изменяет свою форму с такой скоростью, что мы можем непосредственно наблюдать этот процесс.

Три разные нейтринные обсерватории зафиксировали одновременные нейтринные вспышки Сверхновой 1987A, свет от которой достиг нашей планеты 23 февраля 1987 года. Нейтрино настолько трудно обнаружить, что эти три мощных прибора выявили в общей сложности всего 25 штук за 13 секунд – и это из почти 300 триллионов (3  10¹⁴) нейтрино, «вылившихся» за эти 13 секунд на каждый квадратный метр поверхности Земли, повернутой к сверхновой. Изначально она выбросила порядка 10⁵⁸ нейтрино, то есть почти невообразимое количество, но из-за ее значительной удаленности (около 170 тысяч световых лет) от нашей планеты ее достигли «всего» около 4  10²⁸ нейтрино, то есть на 30 порядков меньше. Более чем 99,9999999 % из них свободно прошли прямо сквозь Землю; чтобы остановить половину этих нейтрино, потребовался бы брусок свинца длиной в световой год (около 10¹³ километров).

Звезда-прародитель Сверхновой 1987А сбросила оболочку газа около двадцати тысяч лет назад, в результате чего вокруг нее появились кольца, которые оставались невидимыми еще почти восемь месяцев после вспышки сверхновой. Скорость выбрасываемого газа была относительно невысокой, около 8 километров в секунду, но за прошедшие годы радиус оболочки достиг расстояния около двух третей светового года, приблизительно восьми световых месяцев.

Итак, сверхновая взорвалась, а восемь месяцев спустя ультрафиолетовый свет от этого взрыва (двигаясь, конечно же, со скоростью света) догнал кольцо материи и, так сказать, включил его – и оно начало излучать видимый свет.

Но есть еще кое-что интересное, что связано с рентгеновским излучением. Газ, извергнутый сверхновой во время вспышки, распространялся со скоростью примерно 20 тысяч километров в секунду, то есть почти в 15 раз медленнее скорости света. Поскольку нам было известно, как далеко находилось кольцо к этому времени, мы могли прогнозировать, когда приблизительно исторгнутая материя достигнет его; это произошло чуть более чем через одиннадцать лет, породив рентгеновское излучение. Конечно, нельзя забывать, что хотя мы говорим об этом так, будто все случилось в последние несколько десятилетий, на самом деле, так как SN 1987A находится в Большм Магеллановом Облаке, начало этого процесса имело место около 170 тысяч лет назад.

До сегодняшнего дня нейтронная звезда в остатке SN 1987A не обнаружена. Некоторые астрофизики считают, что во время коллапса ядра после первоначального образования нейтронной звезды сформировалась черная дыра. В 1990 году я заключил пари со Стэном Вусли из Калифорнийского университета в городе Санта-Круз, одним из мировых экспертов по сверхновым. Мы поспорили о том, будет ли нейтронная звезда найдена в течение ближайших пяти лет. В итоге я проиграл Стэну сотню.

В результате этих замечательных явлений происходят и другие удивительные вещи. В супергорячем реакторе сверхновой ядерный синтез высшего порядка сталкивает ядра друг с другом, и создаются элементы, гораздо более тяжелые, чем железо, которые в конечном итоге превращаются в газовые облака, а те со временем сливаются и образуют новые звезды и планеты. Мы все, и люди, и животные, сделаны из элементов, изначально состряпанных в звездах. Без этих звездных печей для обжига и без этих невероятно мощных взрывов, первым из которых был, безусловно, Большой взрыв, мы никогда не имели бы того богатства химических элементов, которое представлено в периодической таблице. Судя по всему, мы можем сравнить сверхновую с коллапсом ядра с чем-то вроде небесного лесного пожара (маленького, конечно же), который, сжигая одну звезду, создает условия для рождения новых звезд и планет.

По любым меркам, нейтронные звезды представляют собой поистине потрясающие, экстремальные небесные тела. Их размер – всего десятка полтора километров от края до края (меньше некоторых астероидов, вращающихся на орбите между Марсом и Юпитером), в сотни тысяч раз меньше Солнца, и при этом они в 300 триллионов (3  10¹⁴) раз плотнее его средней плотности. Чайная ложка вещества нейтронной звезды весила бы на Земле 100 миллионов тонн.

В нейтронных звездах мне, помимо всего прочего, очень нравится то, что, просто произнося их название, ты соединяешь две крайности физики, крошечное и огромное, нечто настолько маленькое, что мы никогда не сможем увидеть, но при этом такое плотное, что, для того чтобы представить это, потребуется напрячь воображение.

А еще нейтронные звезды вращаются, причем некоторые с поразительной скоростью – особенно сразу после появления на свет. Почему? По той же причине, по которой фигуристка, вращаясь с раскинутыми руками, начинает вращаться быстрее, если прижмет их к телу. Описывая это явление, физики говорят, что момент импульса сохраняется. Детальное объяснение физической природы момента импульса несколько сложное, но саму идею понять нетрудно.

Какое отношение все это имеет к нейтронным звездам? А вот какое: каждый объект во Вселенной вращается. Так что звезда, которая коллапсирует в нейтронную звезду, тоже вращалась. В результате взрыва она сбросила большую часть своего вещества, но осталась с массой, равной одной-двум солнечным массам, теперь сосредоточенной в объекте в несколько тысяч раз меньшем размера ядра до распада. Поскольку момент импульса сохраняется, частота вращения нейтронных звезд возрастает по меньшей мере в миллион раз.

Первые две нейтронные звезды, открытые Джоселин Белл (см. ниже), обращаются вокруг своих осей, делая один оборот примерно за 1,3 секунды. Нейтронная звезда в Крабовидной туманности делает около тридцати оборотов в секунду, а самая быстрая из всех до сих пор обнаруженных нейтронных звезд вращается с поистине потрясающей скоростью – 716 оборотов в секунду! Это означает, что скорость движения точки на ее экваторе составляет около 15 процентов от скорости света!

Благодаря тому, что все нейтронные звезды вращаются и многие из них имеют сильные магнитные поля, появляются пульсары – сокращение от «пульсирующих звезд». Пульсары представляют собой нейтронные звезды, испускающие пучки радиоволн со своих магнитных полюсов, которые, как и в случае с Землей, заметно отличаются от географических полюсов – точек на концах оси, вокруг которой вращается звезда. Пока звезда вращается, пучки электромагнитного излучения пульсара носятся по небу. С точки зрения наблюдателя, находящегося на пути такого пучка, звезда испускает импульсы излучения через регулярные промежутки времени, и он видит луч только короткое время. Астрономы иногда называют это эффектом маяка, что вполне понятно. Нам известно с полдесятка одиночных нейтронных звезд – не путать с нейтронными звездами в двойных системах! – пульсирующих в чрезвычайно большом диапазоне электромагнитного спектра, включающем радиоволны, видимый свет, рентгеновское излучение и гамма-лучи. Один из них – пульсар в Крабовидной туманности.

Джоселин Белл открыла первый пульсар в 1967 году, будучи аспиранткой Кембриджского университета. Она и ее руководитель Энтони Хьюиш сначала не знали, как объяснить регулярность пульсаций, которые длились всего около 0,04 секунды с промежутком в 1,3373 секунды (сейчас это называется периодом пульсара). Сначала они назвали пульсар LGM-1 (аббревиатура от Little Green Men – маленькие зеленые человечки), намекая на то, что регулярная пульсация может быть результатом деятельности внеземной цивилизации. Вскоре Белл обнаружила второй LGM с периодом около 1,2 секунды, и тут уже стало ясно, что это не происки инопланетян. С какой стати две совершенно разные внеземные цивилизации стали бы посылать на Землю сигналы с примерно одинаковой периодичностью? Вскоре после того, как Белл и Хьюиш опубликовали результаты своих исследований, Томас Голд из Корнельского университета сделал вывод, что пульсары – это вращающиеся нейтронные звезды.

Черные дыры

Я же обещал вам, что мы о них поговорим. Вот теперь самое время. Я понимаю, почему некоторые люди боятся этих странных объектов – если провести немного времени на YouTube, вы увидите десятки «воссозданий» того, как могут выглядеть черные дыры, и большинство из них оказываются в категории «звезд смерти» или «звезд-пожирателей». В воображении неосведомленного человека черные дыры – это сверхмощные космические воронки, втягивающие в себя всех и вся.

Однако представление о том, что сверхмассивная черная дыра поглощает все, что находится в пределах ее досягаемости, – абсолютное заблуждение. Все виды небесных тел, главным образом звезды, вращаются на орбите черной дыры с массой звезды или даже сверхмассивной черной дыры с завидной стабильностью. В противном случае Млечный Путь давно бы исчез в огромной черной дыре массой четырех миллионов солнц, находящейся в его центре.

Что же это такое, черные дыры? Когда масса нейтронной звезды достигает примерно трех солнечных масс, гравитационное притяжение может привести к ее коллапсу с образованием черной дыры. Если масса исходной одиночной звезды с выгоревшим ядром в 25 раз превышает массу Солнца, при коллапсе ядра материя продолжит разрушаться, а не остановится на стадии нейтронной звезды. И что же получится в итоге? Правильно, черная дыра.

Если у черных дыр есть звезды-компаньоны в двойных системах, мы можем измерить влияние их гравитации на их видимых партнеров, а в некоторых редких случаях даже определить их массы. (О двойных системах я расскажу в следующей главе.)

Вместо поверхности черная дыра имеет то, что астрономы называют «горизонтом событий», – пространственную границу, в пределах которой гравитационная сила черной дыры настолько велика, что ничто, даже неэлектромагнитное излучение, не может выйти из гравитационного поля. Я понимаю, что это звучит бессмысленно, так что попробуйте представить себе черную дыру в виде тяжелого шара, лежащего посередине листа резины. Центр будет провисать, верно? Если ваше воображение отказывается рисовать лист резины, попробуйте заменить его старым чулком или колготами. Вырежьте из них как можно больший квадрат и положите в середину камешек. Теперь поднимите квадрат, держа за стороны. Тяжелый камешек сразу же создаст воронкообразную впадину, напоминающую воронку смерча. Поздравляю: вы только что создали трехмерную версию того, что происходит в пространстве-времени в четырех измерениях. Физики называют эту впадину гравитационным колодцем, потому чт она имитирует эффект, оказываемый гравитацией на пространство-время. Если вы замените камешек большим камнем, колодец получится глубже, что позволяет сделать вывод, что более массивный объект искажает пространство-время сильнее.

Поскольку человек способен мыслить только трехмерно, мы не можем в полной мере визуализировать картину того, как массивная звезда сделает воронку из четырехмерного пространства-времени. Думать о гравитации как об искривлении пространства-времени нас научил Альберт Эйнштейн, превратив ее в вопрос геометрии, хотя и не той, которую вы учили в средней школе.

Следует признать, пример с колготками неидеален – я уверен, многие из вас, услышав это, вздохнут с облегчением – по целому ряду причин. Главная из них – невозможность представить маленький шарик, вращающийся по стабильной орбите вокруг созданного большущим камнем гравитационного колодца. Однако в реальном астрономическом мире многие объекты находятся на стабильных орбитах вокруг массивных тел миллионы, даже миллиарды лет. Подумайте хотя бы о Луне, вращающейся вокруг Земли, о Земле, вращающейся вокруг Солнца, о Солнце и еще сотне миллиардах звезд, вращающихся в нашей Галактике.

Впрочем, эта простая демонстрация действительно помогает представить себе черную дыру. Мы можем, например, наглядно убедиться в том, что чем массивнее объект, тем глубже воронка и более круты ее склоны, и, следовательно, тем больше энергии потребуется, чтобы из нее выбраться. Уменьшается даже энергия электромагнитного излучения, которому удается преодолеть силу тяжести массивной звезды, а это значит, что уменьшается частота излучения, а волны становятся длиннее. Вы уже знаете, что сдвиг к менее энергетическому концу электромагнитного спектра называется красным смещением. Так вот, в случае с компактной звездой (массивной и малого размера) имеет место красное смещение, вызванное действием силы тяжести, которое мы называем гравитационным красным смещением, – не следует путать его красным смещением вследствие доплеровского сдвига (см. главу 2 и следующую главу).

Чтобы покинуть поверхность планеты или звезды, нужна минимальная скорость, которая не позволит упасть на нее обратно. Она называется скоростью убегания и на Земле составляет около 11 километров в секунду. Следовательно, скорость любого спутника Земли не может превышать это значение. Чем выше скорость убегания, тем больше энергии понадобится для того, чтобы покинуть поверхность, так как она зависит как от скорости убегания, так и от массы m объектов, желающих совершить побег (требуемая кинетическая энергия равна mv/2).

Надеюсь, вы понимаете, что если гравитационный колодец становится очень, очень глубоким, скорость убегания из его нижней части может стать больше скорости света. Но поскольку это невозможно, то, стало быть, из очень глубокого гравитационного колодца не может вырваться ничто, даже электромагнитное излучение.

Физик по имени Карл Шварцшильд решил уравнения общей теории относительности Эйнштейна и вычислил, каким должен быть радиус сферы с заданной массой, чтобы создать такой колодец, то есть черную дыру. Этот радиус называется радиусом Шварцшильда, и его размер зависит от массы объекта. По сути, это и есть радиус того, что астрономы нарекли горизонтом событий.

Само уравнение умопомрачительно простое, но оно подходит только для невращающихся черных дыр, часто называемых черными дырами Шварцшильда[26]. Уравнение включает в себя хорошо известные константы и выдает радиус немногим менее трех километров в расчете на одну солнечную массу. С его помощью мы можем рассчитать, что размер, вернее радиус, горизонта событий черной дыры, скажем с массой 10 солнечных масс, составляет около 30 километров. Мы можем также вычислить радиус горизонта событий черной дыры с массой Земли – он будет меньше одного сантиметра, – однако никаких доказательств того, что такие черные дыры существуют, нет. Стало быть, если бы масса Солнца сконцентрировалась в сферу с радиусом около 6 километров, было бы это похоже на нейтронную звезду? Нет, под действием гравитационного притяжения такой большой массы, утрамбованной в столь маленькую сферу, материя Солнца свернулась бы в черную дыру.

Еще задолго до Эйнштейна, в 1748 году, английский философ и геолог Джон Мичелл показал, что в небе могут быть звезды, гравитационное притяжение которых настолько велико, что свет не может покинуть их поверхность. Используя простую ньютоновскую механику (сегодня любой из моих первокурсников сделает это за 30 секунд), Мичелл пришел к тому же выводу, что и Шварцшильд: если масса звезды в N раз превышает массу Солнца, а ее радиус меньше 3N километров, свет не может ее покинуть. Поразительно: общая теория относительности Эйнштейна дает тот же результат, что и простой ньютоновский подход.

В центре сферического горизонта событий лежит так называемая сингулярность, точка с нулевым объемом и бесконечной плотностью – нечто весьма странное, представляющее собой лишь решение уравнений, но непонятное и непостижимое умом. Никто в мире не имеет ни малейшего представления о том, как выглядит сингулярность, хотя некоторые с удовольствием фантазируют об этом. Физика пока даже не пыталась растолковать это понятие.

В интернете размещена масса анимированных видеороликов, изображающих черные дыры; большинство выглядят красиво и грозно, но почти все они фантастические и явно намекают на причастность к уничтожению мироздания в космическом масштабе. Поэтому когда журналисты начали писать о том, что крупнейший в мире ускоритель, Большой адронный коллайдер (БАК) Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН), установленный недалеко от Женевы, может создать черную дыру, это вызвало мощную волну возмущения среди обывателей, утверждавших, что тамошние физики играют в кости на будущее нашей планеты.

Но так ли это на самом деле? Предположим, они действительно случайно создали бы черную дыру – начала бы она пожирать Землю? Мы можем без особого труда ответить на этот вопрос. Уровень энергии, при котором противонаправленные пучки протонов столкнулись в БАК 30 марта 2010 года, составлял 7 тераэлектрон-вольт (ТэВ), 7 триллионов электрон-вольт, 3,5 триллиона на каждый пучок. Со временем ученые, работающие с БАК, планируют достичь мощности 14 ТэВ, что в настоящее время не представляется возможным. Масса протона составляет примерно 1,6  10²⁴ грамма. Физики часто говорят, что масса m протона равна около 1 миллиарда электрон-вольт, 1 ГэВ. Конечно, ГэВ – это энергия, а не масса, но поскольку E = mc (где с – скорость света), Е часто называют «массой». На Массачусетской платной магистрали висят плакаты: «Информацию для туристов можно получить по номеру 511». Так вот, каждый раз, глядя на такой плакат, я вспоминаю об электронах, потому что масса электрона – 511 кэВ.

Если предположить, что вся энергия от столкновения пучков протонов мощностью 14 ТэВ пойдет на создание черной дыры, она будет иметь массу почти в 14 тысяч раз большую, чем масса протона, или около 2  10²⁰ граммов. Так вот, многочисленные команды физиков и наблюдательных комитетов проанализировали целую гору литературы по этому вопросу, опубликовали свои результаты и пришли к выводу, что нам просто не о чем беспокоиться. Вы хотите знать, почему, не так ли? Справедливо. Хорошо, вот их аргументы.

Во-первых, сценарии, по которым БАК получит достаточно энергии для создания таких крошечных черных дыр (известных как черные микродыры), зависят от теории так называемых дополнительных измерений, которая по сей день считается спекулятивной, если не сказать больше. Эта теория выходит далеко за рамки того, что было когда-либо и как-либо подтверждено экспериментально. Так что начнем с того, что даже вероятность создания черных микродыр исключительно эфемерна.

Очевидно, некоторых людей беспокоит, что эти черные микродыры каким-то образом могут оказаться стабильными «аккреторами» – объектами, которые способны собирать материю, втягивать ее в себя и расти, – и начнут пожирать близлежащую материю, а о временем и Землю. Но если бы стабильные черные микродыры существовали, они бы уже были созданы чрезвычайно высокоэнергетическими космическими лучами (которые действительно существуют), врезающимися в нейтронные звезды и белых карликов, – где они и поселялись бы. А поскольку белые карлики и нейтронные звезды стабильны на временной шкале в сотни миллионов, если не миллиардов лет, то, судя по всему, внутри них никаких крошечных черных дыр нет. Иными словами, стабильные черные микродыры, по всей видимости, не несут для человечества никакой угрозы.

Без теории дополнительных измерений черные дыры с массой менее 2  10⁵ граммов (масса Планка) вообще не могли бы быть созданы. И (пока) не существует раздела физики, который мог бы заняться изучением черных дыр такой малой массы; для этого необходима теория квантовой гравитации, а ее тоже не существует. Значит, вопрос, каким был бы радиус Шварцшильда черной микродыры массой 2  10²⁰ граммов, также лишен смысла.

Кроме того, Стивен Хокинг показал, что черные дыры могут испаряться, причем чем меньше масса черной дыры, тем быстрее она испарится. Черные дыры массой в 30 солнечных масс испаряются примерно за 10⁷¹ лет. У сверхмассивной черной дыры в один миллиард солнечных масс на это уйдет около 10⁹³ лет! Тут вы можете спросить, а сколько же времени будет испаряться черная микродыра массой 2  10²⁰ граммов? Отличный вопрос, но никто вам не него не ответит: теория Хокинга не работает в отношении черных дыр массой меньше массы Планка. Но, просто чтобы удовлетворить ваше любопытство, скажу, что жизнь черной дыры массой 2  10⁵ граммов длится около 10³⁹ секунд. Иными словами, на их испарение уходит меньше времени, чем на создание. Словом, их появление на свет попросту невозможно. Так что у нас действительно нет никаких причин беспокоиться о черных микродырах массой 2  10²⁰ граммов, которые может создать БАК.

Я понимаю, что это не помешало людям обращаться в суд, добиваясь отказа от запуска БАК. Однако меня сильно беспокоит огромная пропасть между учеными и остальной частью человечества, и наше неумение объяснить людям, чем мы на самом деле занимаемся. Даже несмотря на то что некоторые лучшие физики в мире изучили этот вопрос и вполне доходчиво растолковали, почему БАК не угрожает человечеству, журналисты и политики выдумывают новые сценарии и продолжают раздувать общественные страхи на пустом месте. Что ж, на определенном уровне научная фантастика оказывается мощнее и влиятельнее, чем наука.

По-моему, в мире нет ничего более странного и загадочного, чем черная дыра. Нейтронные звезды хотя бы дают о себе знать своей поверхностью. Нейтронная звезда, по сути, говорит: «Я здесь и могу показать вам, что у меня есть поверхность». А у черной дыры нет даже поверхности, и она ничего не излучает (кроме излучения Хокинга, которого никто никогда не наблюдал).

Почему некоторые черные дыры, окруженные плоским кольцом материи, известным как аккреционный диск (см. следующую главу), испускают чрезвычайно высокоэнергетические струи частиц перпендикулярно к плоскости аккреционного диска, хотя и не изнутри горизонта событий, – одна из величайших неразгаданных тайн Вселенной. Посмотрите на изображение этого зрелища: www.wired.com/wiredscience/2009/01/spectacular-new/.

Все сведения о внутренности черной дыры в рамках горизонта событий нам приходится получать исключительно благодаря математическим вычислениям. Поскольку ничто не может выйти из черной дыры, мы не получаем об ее «интерьере» никакой фактической информации – некоторые физики с юмором называют это «космической цензурой». Черная дыра спрятана внутри собственной пещеры. После того как вы переваливаете через горизонт событий, вам оттуда уже никогда не выбраться – вы даже не можете послать оттуда сигнал. Оказавшись за горизонтом событий сверхмассивной черной дыры, вы бы даже не знали, что уже там. Там нет ни границы, ни рва, ни стены, ни уступа, через который надо переступить, чтобы оказаться внутри. Когда вы пересекаете этот горизонт, ничто в вашем локальном окружении резко не меняется. Несмотря на всю релятивистскую физику, посмотрев на часы, вы не увидите, что они остановились либо начали идти быстрее или медленнее.

Но для кого-то, кто смотрит на вас с расстояния, ситуация будет совершенно иной. Он видит не вас, его глаза принимают ваше изображение, уносимое светом, которое покидает ваше тело и поднимается вверх, к выходу из гравитационного колодца черной дыры. По мере приближения к горизонту колодец становится все глубже. Свет должен затрачивать все больше энергии, чтобы выбраться из колодца, и испытывает все большее и большее гравитационное красное смещение. Все испускаемое электромагнитное излучение смещается в сторону все более длинных волн (более низких частот). Вы кажетесь все краснее и краснее, а потом и вовсе исчезаете, поскольку излучение смещается ко все более и более длинным волнам, таким как инфракрасный свет, а затем к все удлиняющимся радиоволнам, и как только вы пересекаете горизонт событий, длины всех волн становятся бесконечностью. Таким образом, еще до того, как вы переступите порог черной дыры, для удаленного наблюдателя вы, по сути, уже исчезли.

Он видит также нечто совершенно непредвиденное: свет распространяется медленнее, когда выходит из области, близкой к черной дыре! Однако это не нарушает постулатов относительности: локальные наблюдатели вблизи черной дыры всегда видят свет, распространяющийся с одной и той же скоростью с (300 тысяч километров в секунду). Но удаленные наблюдатели оценивают скорость света как меньшую, чем с. Вашему изображению, уносимому светом, который вы излучаете (или отражаете) в сторону удаленного наблюдателя, требуется больше времени, чтобы до него добраться, чем если были бы вы находились не вблизи черной дыры. Это приводит к одному весьма любопытному последствию: наблюдатель видит, как по мере приближения к горизонту вы замедляетесь! По сути, ваше изображение добирается до него все больше и больше времени, поэтому все связанное с вами видится в замедленном движении. Для наблюдателя на Земле ваша скорость, ваши движения, ваши наручные часы, даже ваш пульс замедляются по мере приближения к горизонту событий и полностью останавливаются к моменту, когда вы его достигаете. Если бы не тот факт, что свет, который покидает вас вблизи горизонта, становится невидимым из-за гравитационного красного смещения, наблюдатель увидел бы вас «застывшим» на поверхности горизонта навеки.

Для простоты я не учитываю тут доплеровский сдвиг, который будет огромным из-за вашей постоянно увеличивающейся скорости по мере приближения к горизонту событий. В сущности, как только вы его пересекаете, вы начинаете двигаться со скоростью света. (Для наблюдателя на Земле эффект этого доплеровского сдвига будет похож на эффект гравитационного красного смещения.)

После того как вы пересечете горизонт событий и больше не сможете общаться с внешним миром, вы все равно будете видеть, что происходит там, снаружи. Световые лучи, поступающие из-за пределов горизонта событий, из-за гравитации будут сдвигаться к более высоким частотам и более коротким длинам волн, так что вы увидите Вселенную, смещенную в фиолетовую область. (То же самое и по той же причине случилось бы, если бы вы могли стоять на поверхности нейтронной звезды.) Тем не менее, поскольку вы падаете с огромной скоростью, внешний мир будет двигаться от вас и, следовательно, одновременно будет наблюдаться и красное смещение (как следствие эффекта Доплера). И что же получится в результате? Что победит – фиолетовое смещение или красное? Или победителей не будет?

Я спросил об этом Эндрю Гамильтона из университета Колорадо (Объединенный институт лабораторной астрофизики), который считается общепризнанным в мире экспертом в области черных дыр, и, как я и ожидал, его ответ был довольно сложным. Красное и фиолетовое смещение более или менее сходят на нет для свободно падающего объекта, но внешний мирвыглядит как имеющий красное смещение вверху и внизу и фиолетовое – в горизонтальных направлениях. (Если хотите почувствовать, что значит быть объектом, падающим в черную дыру, и одновременно получить огромное удовольствие, посмотрите потрясающий фильм Гамильтона «Путешествие в черную дыру Шварцшильда» на сайте: http://jila.colorado.edu/~ajsh/insidebh/schw.html.)

Однако встать вам будет негде, так как там нет поверхности. Вся материя, создавшая черную дыру, свернута в точку, в сингулярность. А как насчет приливных сил? Не разорвет ли вас на куски из-за разницы между силой гравитационного притяжения, действующей на вашу голову и пальцы ног? (Под влиянием этого эффекта на сторону Земли, обращенную к Луне, действует большая сила притяжения, чем на сторону Земли, находящейся дальше от Луны; именно это и вызывает океанские приливы и отливы на нашей планете.)

Конечно же, вас разорвало бы: черная дыра Шварцшильда весом в три солнечных массы разорвет вас в клочья за 0,15 секунды до того, как вы пересечете горизонт событий. Это явление весьма символически названо спагеттификацией; оно предполагает, что тело растягивается за пределы, выходящие за рамки нашего воображения. Как только вы пересечете горизонт событий, различные куски вашего тела достигнут точки сингулярности примерно за 0,00001 секунды – за это время вы будете раздавлены в точку бесконечной плотности. А если говорить о черной дыре массой четырех миллионов Солнц, вроде той, которая находится в центре нашей Галактики, то вы пересечете горизонт событий беспрепятственно (по крайней мере на первых порах), но рано или поздно вам не миновать судьбы спагетти! (И поверьте, это случится скорее рано, чем поздно, потому что у вас будет лишь около 13 секунд до того, как это произойдет, а затем через 0,15 секунды вы достигнете точки сингулярности.)

Идея черных дыр кажется экстравагантной всем, и особенно тем астрофизикам, которые их наблюдают – например, моим бывшим аспирантам Джеффри Мак-Клинтоку и Джону Миллеру. Мы знаем, что черные дыры звездной массы существуют. Они были обнаружены в 1971 году, когда оптические астрономы показали, что Cyg X-1 является системой двойной звезды и что одна из двух звезд – черная дыра! Я расскажу вам об этом в следующей главе. Готовы?

Думаю, теперь вас не удивит, что многие звезды, которые вы видите на небе – с телескопом любого типа или невооруженным глазом, – куда более сложны, чем просто удаленные версии нашего собственного, такого знакомого нам Солнца. Но вы, возможно, еще не знаете, что около трети звезд на небе вовсе не одиночные, а двойные. Это пары звезд, которые связаны силой гравитации и вращаются друг вокруг друга. Иначе говоря, когда вы смотрите на ночное небо, около трети звезд, которые вы там видите, представляют собой двойные системы, даже если кажутся вам одиночной звездой. Во Вселенной существуют даже системы тройных звезд – три звезды, вращающиеся друг вокруг друга, – но они менее распространены. Поскольку многие яркие источники рентгеновского излучения в нашей Галактике оказались двойными звездами, мне довольно часто приходилось иметь с ними дело. И они, признаться, завораживают.

Каждая звезда в двойной системе путешествует вокруг того, что мы называем центром массы двойной системы, то есть точки, расположенной между этими двумя звездами. Если обе звезды имеют одинаковую массу, то центр массы находится на равном расстоянии от центра обеих. Если их массы не совпадают, то центр масс находится ближе к более крупной звезде. Поскольку обе звезды полностью оборачиваются вокруг орбиты за совершенно одинаковый промежуток времени, более массивная звезда должна иметь меньшую орбитальную скорость, чем менее массивная.

Чтобы визуализировать этот принцип, представьте гантель с грифом, соединяющим два веса одинаковой массы, вращающуюся вокруг своей средней точки. А теперь представьте вторую гантель, с весом один килограмм на одном конце и пять килограммов на другом. Центр массы такой гантели находится ближе к более тяжелому концу, поэтому, если она начнет вращаться, вы увидите, что сторона с большей массой имеет меньшую орбиту, а стороне с меньшей массой приходится пройти за то же время большее расстояние. Если же вместо концов этой гантели будут две звезды, то звезда с меньшей массой будет вращаться на своей орбите со скоростью, в пять раз превышающей скорость своей громоздкой компаньонки.

Если одна из звезд гораздо крупнее второй, центр массы системы может даже находиться в самой массивной звезде. Например, в случае с Землей и Луной (которые представляют собой двойную систему) центр массы расположен почти на 1700 километров ниже поверхности Земли. (Я еще вернусь к этому вопросу в приложении II.)

Сириус, самая яркая звезда на небе (расположена на расстоянии около 8,6 световых года от Земли), тоже представляет собой систему из двух звезд, известных как Сириус А и Сириус Б. Они обращаются вокруг общего центра масс один раз за пятьдесят лет (мы называем это периодом орбитального движения).

Как же определить, что смотришь именно на двойную звезду? Увидеть эти звезды отдельно невооруженным глазом невозможно. Но, в зависимости от того, на каком расстоянии двойная звезда находится от Земли, и от мощности используемых телескопов, иногда можно получить визуальное подтверждение, увидев две такие звезды как отдельные небесные тела.

Известный немецкий математик и астроном Фридрих Вильгельм Бессель полагал, что самая яркая звезда на небе, Сириус, является двойной системой, состоящей из видимой и невидимой звезд. Он пришел к такому выводу на основании точных астрономических наблюдений: Бессель первым в 1838 году начал проводить параллакс-наблюдения (совсем чуть-чуть опередив Хендерсона – см. главу 2). В 1844 году он написал Александру фон Гумбольдту знаменитое письмо: «Я придерживаюсь убеждения, что звезда Сириус представляет собой двойную звезду, состоящую из видимой и невидимой звезд. Нет никаких оснований полагать, что светимость является неотъемлемым качеством космических тел. Видимость бесчисленных звезд не следует считать аргументом против невидимости столь же бесчисленного множества других». Это утверждение поистине огромной глубины, ведь мы, как правило, действительно не верим в то, что не можем увидеть. Бессель основал направление, которое сегодня называется астрономией невидимого.

Никто не видел «невидимого» спутника (Сириус Б) до 1862 года, пока Элвин Кларк не испытал совершенно новый 18,5-дюймовый телескоп (самый большой на то время, изготовленный компанией отца Кларка) в своем родном городе Кембридже. Ученый направил телескоп на Сириус, который как раз вставал над горизонтом Бостона, просто чтобы протестировать аппаратуру, и обнаружил на небе Сириус Б, который оказался в 10 тысяч раз менее ярким, чем Сириус А.

Боже, благослови астроспектроскопию: фиолетовое и красное смещение

Проще всего выяснить, является ли звезда двойной, особенно если она находится очень далеко, прибегнув к помощи спектроскопии и измерению доплеровского сдвига. На свете, наверное, нет более мощного астрофизического инструмента, чем спектроскоп, и более важного открытия в астрономии за последние несколько столетий, чем доплеровский сдвиг.

Вы уже знаете, что достаточно горячие небесные объекты излучают видимый свет (излучение черного тела). Разложение солнечного света на составные части так, как это делает призма, капель дождя, из которых состоит радуга (глава 5), показывает нам континуум цветов от красного на одном конце до фиолетового на другом, называемый спектром. Если разложить на части свет звезды, тоже увидишь спектр, но цвета в нем могут быть не равной насыщенности. Например, чем холоднее звезда, тем она (и ее спектр) краснее. Температура Бетельгейзе (в созвездии Орион) всего 2000 К – это самая красная звезда в небе. А температура Беллатрикс, тоже из Ориона, 28 000 К – это самая фиолетовая и яркая звезда в небе (ее часто называют «Звездой амазонок»).

При пристальном взгляде на звездный спектр видны узкие промежутки, где цвета урезаны или даже полностью отсутствуют; это линии поглощения. В спектре Солнца, например, тысячи таких линий. Они вызваны наличием многих различных элементов в атмосферах звезд. Атомы, как известно, состоят из ядер и электронов. Электроны не могут обладать произвольной энергией: у них дискретные энергетические уровни, и они не могут иметь энергию, промежуточную между этими уровнями. Иными словами, их энергии «квантованы» – этот термин лег в основу такой области физики, как квантовая механика.

У нейтрального водорода один электрон. Если в него ударяет фотон, электрон сможет перейти с одного энергетического уровня на более высокий, поглощая энергию фотона. Но из-за квантования уровней энергии электрона это не может произойти с фотонами любой энергии. Подойдут только фотоны с нужной энергией (с конкретной частотой и длиной волны), позволяющей электрону совершить квантовый скачок с одного уровня на другой. Данный процесс (так называемое резонансное поглощение) убивает фотоны и создает на этой частоте отсутствие цвета в спектре, которое мы называем линией поглощения.

В видимой части спектра звезды имеются четыре линии поглощения водорода (на точно известных длинах волн, или цветах). Большинство элементов могут произвести гораздо большее число линий, потому что у них намного больше электронов, чем у водорода. По сути, у каждого элемента есть собственная уникальная комбинация линий поглощения, нечто вроде отпечатка пальцев. Мы точно знаем это благодаря исследованиям в лаборатории. Таким образом, тщательное изучение линий поглощения в спектре звезды может нам сказать, какие элементы присутствуют в ее атмосфере.

Однако когда звезда удаляется от нас, явление, известное как доплеровский сдвиг, заставляет весь ее спектр (в том числе и линии поглощения) смещаться в сторону красной части спектра (красное смещение). Если же спектр, наоборот, сдвинут в фиолетовую сторону, значит, звезда движется по направлению к нам. Тщательно измерив величину сдвига в длине волны линий поглощения звезды, можно вычислить скорость ее движется по отношению к нам.

Например, если мы наблюдаем двойную систему, каждая звезда будет двигаться половину своей орбиты в нашу сторону и вторую половину от нас. А ее спутник – наоборот. Если обе звезды достаточно яркие, мы увидим линии поглощения, смещенные и в красную, и в фиолетовую стороны спектра. Это укажет нам на то, что мы наблюдаем двойную звезду. Но из-за орбитального движения звезд линии поглощения будут двигаться вдоль спектра. Скажем, если орбитальный период составляет двадцать лет, каждая линия поглощения сделает полный проход по спектру за двадцать лет (десять лет на красное смещение и десять лет на фиолетовое).

Когда мы видим только красное смещение (или только фиолетовое) линий поглощения, мы все равно знаем, что это двойная система, если линии двигаются по спектру туда-сюда; а замер времени, которое требуется для совершения линиями полного цикла, позволит нам определить орбитальный период звезды. В каких случаях такое бывает? Например, тогда, когда одна из звезд слишком тусклая, чтобы ее было видно с Земли в оптическом диапазоне.

А теперь вернемся к источникам рентгеновского излучения.

Шкловский и другие

Еще в 1967 году советский физик Иосиф Самуилович Шкловский предложил модель для Sco X-1. «По всем своим характеристикам данная модель соответствует нейтронной звезде в состоянии аккреции[27]… естественным и очень эффективным источником поставки газа для такой аккреции является поток газа, вытекающий из вторичного компонента тесной двойной системы в сторону основного компонента, представляющего собой нейтронную звезду».

Я понимаю, что эти строки вряд ли потрясут вас до глубины души. Этому отнюдь не способствует и то, что сформулированы они довольно сухим техническим языком астрофизики. Но именно так общаются между собой специалисты практически в любой сфере деятельности. Моя же цель в учебной аудитории и главная причина, по которой я написал эту книгу, – перевести поистине поразительные, новаторские, иногда даже революционные открытия моих коллег-физиков на язык, понятный умному, любознательному неспециалисту. Иными словами, моя цель – навести мосты между миром ученых и вашим миром. Очень многие предпочитают говорить о деле исключительно с коллегами, что усложняет большинству людей – даже тем, кто действительно хочет разобраться в нашей науке, – задачу вхождения в этот мир.

Итак, давайте возьмем идею Шкловского и посмотрим, что же он предлагал. Система двойной звезды состоит из нейтронной звезды и спутника, материя из которого перетекает к нейтронной звезде. Таким образом, нейтронная звезда находится «в состоянии аккреции» – иными словами, она аккрецируется (накапливается) за счет материи своего спутника, звезды-донора. Какая странная идея, не так ли?

Как показало время, Шкловский был прав. Но вот что самое любопытное: он говорил только о Sco X-1, и многие астрономы отнеслись к его идее не слишком серьезно. Впрочем, для теорий это не редкость. Я не думаю, что обижу кого-либо из своих коллег-теоретиков, если скажу, что в астрофизике подавляющее большинство теорий оказываются неверными. И вполне логично, что многие люди, работающие в сфере наблюдательной астрофизики, их игнорируют.

Как оказалось, аккрецирующие нейтронные звезды представляют собой фактически идеальную среду для выработки рентгеновского излучения. А как же мы узнали, что Шкловский прав?

Только в начале 1970-х годов астрономы признали и приняли идею о двойной природе некоторых рентгеновских источников. Впрочем, это не означало, что эти источники непременно являются аккрецирующими нейтронными звездами. Первым источником, открывшим нам свои тайны, стал Cyg Х-1, и он оказался одним из самых важных в рентгеновской астрономии. Cyg Х-1 был обнаружен во время исследовательского полета ракеты в 1964 году; это очень яркий и мощный источник рентгеновского излучения, поэтому он и сегодня привлекает к себе огромное внимание рентгеновских астрономов.

Затем, в 1971 году, радиоастрономы обнаружили радиоволны от Cyg Х-1. Их радиотелескопы точно определили, что Cyg Х-1 расположен на участке неба (в окне ошибки) в 350 квадратных угловых секунд, то есть почти в 20 раз меньшем, чем возможное окно ошибки при отслеживании рентгеновского излучения. Затем исследователи начали искать его оптический аналог. Они хотели увидеть в видимом свете звезду, которая испускала эти загадочные рентгеновские лучи.

В том же радиоокне ошибки находился ярко-фиолетовый сверхгигант, известный как HDE 226868. Учитывая его вид, астрономы могли сравнить его с другими очень похожими звездами и довольно точно оценить массу. В итоге сразу пять астрономов, в том числе всемирно известный Аллан Сандаж, пришли к выводу, что HDE 226868 – просто «обычный сверхгигант B₀, без каких-либо особенностей», отказавшись от идеи, что это оптический аналог Cyg Х-1. Но другие (в те времена менее известные) представители оптической астрономии изучили звезду более внимательно и сделали ряд поистине эпохальных открытий.

Они обнаружили, что эта звезда – член двойной системы с периодом орбитального движения 5,6 дня, и доказали, что сильный рентгеновский поток от этой двойной системы обусловлен аккрецией газа из оптической звезды (донора) очень маленьким – компактным – объектом. Только потоком газа, направленного в сторону массивного, но очень маленького объекта, можно было объяснить обильное рентгеновское излучение.

Астрономы провели измерения доплеровского сдвига линий поглощения в спектре звезды-донора, вращающейся по своей орбите (помните, что когда звезда движется в направлении Земли, спектр смещается в сторону фиолетового конца, а когда от Земли – в сторону красного), и пришли к выводу, что генерирующая рентгеновское излучение звезда-спутник слишком массивна, чтобы быть нейтронной звездой или белым карликом (еще одна компактная, очень плотная звезда, как Сириус Б). Но если объект не был ни тем ни другим и если он массивнее нейтронной звезды, то чем еще он мог быть? Конечно же, черной дырой! Именно этот вывод и сделали астрономы.

Однако, будучи учеными-наблюдателями, они высказали эти идеи с большой осмотрительностью. Например, Луиза Уэбстер и Пол Мердин, отчет которых был опубликован в журнале Nature 7 января 1972 года, сформулировали свой вывод следующим образом: «Масса звезды-спутника, по всей видимости, больше двух масс Солнца, следовательно, мы неизбежно должны предположить, что данный объект может быть черной дырой». А вот что написал Том Болтон месяц спустя в том же Nature: «В связи с этим возникает весьма явная вероятность, что спутник [аккретор] является черной дырой».

Таким образом, три замечательных астронома – Уэбстер и Мердин из Англии и Болтон из Торонто – разделили между собой честь открытия рентгеновских двойных систем и обнаружения первой черной дыры в нашей Галактике. (Болтон так гордился этим открытием, что даже много лет ездил на машине с номерными знаками Cyg X-1.)

Я всегда считал странным, что эти ученые не получили главного приза за это абсолютно феноменальное открытие. В конце концов, они попали в самую точку целой области науки – и были первыми! Это они обнаружили первую рентгеновскую двойную систему. И это они заявили, что аккретор, вероятно, является черной дырой. Просто отличная работа!

В 1975 году не кто иной, как сам Стивен Хокинг, побился об заклад со своим другом, физиком-теоретиком Кипом Торном, что Cyg Х-1 вовсе не черная дыра, хотя большинство астрономов к тому времени считали именно так. В конце концов, пятнадцать лет спустя Стивен признался, что проиграл, – я думаю, с немалым удовольствием, поскольку значительная часть его работы была связана с черными дырами. Согласно последним и наиболее точным измерениям, масса черной дыры в Cyg Х-1 составляет около пятнадцати солнечных масс (я это знаю из личного общения с Джерри Оросом и моим бывшим студентом Джеффом Мак-Клинтоком).

Если вы человек внимательный, то наверняка сейчас подумали: «Погодите-ка! Вы же говорили, что черные дыры ничего не излучают, что ничто не может покинуть их гравитационное поле. Как же они могут излучать рентгеновские лучи?» Хороший вопрос, и я обещаю позже на него ответить, а пока скажу только: рентгеновские лучи, испускаемые черной дырой, выходят не изнутри горизонта событий – их испускает материя на пути в черную дыру. Черная дыра объяснила то, что мы видели при наблюдении Cyg Х-1, но она не могла объяснить то, что мы наблюдали в форме рентгеновского излучения, исходящего от других двойных звезд. Для этого требовались нейронные двойные звезды, которые и были вскоре открыты благодаря замечательному спутнику «Ухуру».

Состояние дел в рентгеновской астрономии резко изменилось в декабре 1970 года, когда на орбиту вышел первый спутник, использовавшийся исключительно для соответствующих исследований. Запущенный из Кении в седьмую годовщину кенийской независимости, он получил свое имя от слова uhuru, что в переводе с суахили означает «свобода».

«Ухуру» начал в астрофизике революцию, которая продолжается по сей день. Только представьте, что может делать спутник: наблюдения 365 дней в году, двадцать четыре часа в день, при полном отсутствии атмосферы! «Ухуру» имел возможность осуществлять наблюдения разными способами, о которых около полутора десятков лет назад мы могли только мечтать. Чуть больше чем за два года спутник составил карту рентгеновского неба, используя для этого датчики, способные улавливать источники радиации, в 500 раз более слабые, чем Крабовидная туманность, и в 10 тысяч раз слабее, чем Sco X-1. Спутник нашел 339 таких источников (мы же до этого – всего несколько десятков) и составил первую в истории астрономии рентгеновскую карту всего неба.

Освободив нас от ненавистных атмосферных ограничений, спутниковые обсерватории в корне изменили наше представление о Вселенной, потому что благодаря им мы научились видеть глубокий космос – и удивительные объекты в нем – в любой части электромагнитного спектра. Космический телескоп «Хаббл» расширил обзор оптической вселенной, а рентгеновские обсерватории сделали то же самое для вселенной рентгеновской. А в настоящее время существуют еще и гамма-обсерватории, позволяющие наблюдать еще более высокоэнергетическую вселенную.

В 1971 году «Ухуру» обнаружил 4,84-секундные пульсации от Cen Х-3 (в созвездии Центавр). На протяжении однодневного интервала спутник наблюдал десятикратное изменение потока рентгеновского излучения примерно за один час. Период пульсаций сначала уменьшался, а затем увеличивался приблизительно на 0,02–0,04 процента; каждое изменение имело место где-то в течение часа. Все это было чрезвычайно интересно, но сильно озадачивало. Такая пульсация не могла быть результатом вращения нейтронной звезды; их периоды вращения отличаются потрясающей стабильностью. Ни один из известных пульсаров не мог менять свой период пульсации на 0,04 процента в час.

Пазл сложился, когда группа операторов «Ухуру» несколько позже выяснила, что Cen X-3 – двойная система с периодом орбитального движения 2,09 дня, а 4,84-секундные пульсации – следствие вращения аккрецирующей нейтронной звезды. Очевидность этого была поистине ошеломляющей. Во-первых, астрономы ясно видели повторяющиеся затмения (каждые 2,09 дня), когда нейтронная звезда пряталась за звезду-донора, блокирующего рентгеновские лучи. И во-вторых, они смогли измерить доплеровский сдвиг в периоды пульсаций. Когда нейтронная звезда движется по направлению к нам, период пульсации немного короче, а при удалении немного дольше. Эти невероятной важности результаты были опубликованы в марте 1972 года и логично объяснили явления, которые еще в 1971 году казались неимоверно загадочными. Все было точно так, как предсказывал Шкловский относительно Sco X-1: исследуемый объект оказался двойной системой, состоящей из звезды-донора и аккрецирующей нейтронной звезды.

Позднее в том же году группа Джаккони нашла еще один источник с пульсациями и затмениями – Her X-1 (от названия Гекулес). Еще одна рентгеновская двойная система нейтронной звезды!

Это были совершенно потрясающие открытия, в корне изменившие рентгеновскую астрономию и определившие доминирующие в этой области представления на несколько ближайших десятилетий. Рентгеновские двойные чрезвычайно редки: возможно, только одна из ста миллионов двойных звезд в нашей Галактике является рентгеновской двойной. Тем не менее теперь мы знаем о существовании нескольких сотен таких звезд. В большинстве случаев компактный объект, аккретор, представлен белым карликом или нейтронной звездой, но есть по крайней мере два десятка известных систем, в которых аккретором является черная дыра.

Помните 2,3-минутную периодичность, которую моя группа обнаружила в 1970 году (еще до запуска «Ухуру»)? В то время мы понятия не имели, что означали эти периодические изменения. Что ж, теперь мы знаем, что GX 1 + 4 – это рентгеновская двойная с орбитальным периодом около 304 дней, а аккрецирующая нейтронная звезда вращается с периодом примерно 2,3 минуты.

Рентгеновские двойные: как это работает

Когда нейтронная звезда спаривается со звездой-донором нужного размера на нужном расстоянии, она может выдавать потрясающие фейерверки. Где-то там, в бесконечном пространстве, звезды, которых сэр Исаак Ньютон не мог себе даже представить, исполняют прекрасный танец, в то же время неразрывно привязанный к законам классической механики, которые знает и понимает любой студент-естественник.

Чтобы было понятнее, предлагаю начать с очень близкого нам примера. Земля и Луна – двойная система. Если провести линию от центра Земли к центру Луны, на ней будет точка, в которой гравитационная сила, направленная в сторону Луны, равна, но противоположно направлена силе гравитации Земли. Если бы вы там оказались, результирующая сила, действующая на вас, равнялась бы нулю. Если бы вы сделали шаг в одну сторону от этой точки, то свалились бы на Землю, если бы ступили в другую – упали бы на Луну. У этой точки есть имя – внутренняя точка Лагранжа. Конечно, она находится намного ближе к Луне, ведь масса Луны почти в 80 раз меньше массы Земли.

Теперь вернемся к рентгеновским двойным системам, состоящим из аккрецирующей нейтронной звезды и значительно большей звезды-донора. Когда две звезды находятся очень близко друг к другу, внутренняя точка Лагранжа может лежать ниже поверхности звезды-донора. Если это так, то некоторая материя звезды-донора будет испытывать на себе гравитационную силу, направленную к нейтронной звезде, превышающую силы гравитации, направленную к центру звезды-донора. Следовательно, материя – горячий газ-водород – будет перетекать со звезды-донора на нейтронную звезду. Поскольку эти звезды вращаются вокруг общего центра масс, материя не может упасть прямо на нейтронную звезду. Прежде чем достичь ее поверхности, она падает на орбиту вокруг нейтронной звезды, создавая вращающийся диск горячего газа, или аккреционный диск. Часть этого газа на внутреннем кольце диска в конечном счете находит свой путь далее вниз, к поверхности нейтронной звезды.

Тут в дело вступает интересная часть физики, с которой вы знакомы в несколько ином контексте. Поскольку газ очень горячий, он ионизирован и состоит из положительно заряженных протонов и отрицательно заряженных электронов. Но из-за того что у нейтронных звезд очень сильные магнитные поля, эти заряженные частицы вынуждены держаться линии магнитного поля звезды, в результате чего большая часть этой плазмы попадает на магнитные полюса нейтронной звезды (как в полярном сиянии на Земле). Эти магнитные полюса (где материя буквально обрушивается на нейтронную звезду) становятся горячими точками с температурой в миллионы градусов Кельвина, излучающими рентгеновские лучи. А учитывая, что магнитные полюса, как правило, не совпадают с полюсами оси вращения (см. главу 12), мы на Земле получим высокоэнергетический поток рентгеновского излучения, только когда это горячее пятно повернуто в нашу сторону. И так как нейтронная звезда вращается, нам она кажется пульсирующей.

Каждая двойная рентгеновская система имеет аккреционный диск, вращающийся по орбите вокруг аккретора, будь то нейтронная звезда, белый карлик или, как в случае с Cyg Х-1, черная дыра. Аккреционные диски – одни из самых необычных объектов во Вселенной, и почти никто, кроме профессиональных астрономов, о них никогда не слышал.

Аккреционные диски есть вокруг всех черных дыр рентгеновских двойных звезд. Аккреционные диски, вращающиеся вокруг сверхмассивных черных дыр, есть в центре многих галактик, хотя, как выясняется, такого диска вокруг сверхмассивной черной дыры в центре нашей Галактики, судя по всему, нет.

Исследование аккреционных дисков сегодня стало отдельной областью астрофизики. Вы можете увидеть их удивительные образы, введя в поисковую строку фразу «Xray binaries». Существует множество аккреционных дисков, о которых мы не знаем. Одна из самых сложных проблем науки заключается в том, что она до сих пор до конца не понимает, как материя в них находит свой путь к компактным объектам. Другой пока еще нерешенной проблемой является отсутствие понимания природы нестабильности в аккреционных дисках, приводящей к изменчивости в потоке этой материи на компактный объект и изменчивости рентгеновской светимости. Знание радиопотоков, присутствующих в некоторых рентгеновских двойных, также пока оставляет желать лучшего.

Звезда-донор может передавать аккрецирующей нейтронной звезде до примерно 10¹⁸ граммов материи в секунду. Это кажется довольно большой величиной, но даже при такой огромной скорости для передачи количества материи, равного массе Земли, потребовалось бы 200 лет. Материя с диска течет по направлению к аккретору под воздействием его мощного гравитационного поля, разгоняющего газ до чрезвычайно высокой скорости – от трети до половины скорости света. Гравитационная потенциальная энергия, освобождаемая этой материей, преобразуется в кинетическую энергию (примерно 5  10³⁰ Вт) и нагревает стремительно летящий водород до температуры в миллионы градусов.

Вы уже знаете, что, нагреваясь, материя испускает излучение черного тела (см. главу 14). Чем выше температура, тем высокоэнергетичнее это излучение, из-за чего его волны становятся короче, а частота повышается. Когда материя достигает температуры 10–100 миллионов кельвинов, генерируемое ею излучение представлено в основном рентгеновскими лучами. Почти все 5  10³⁰ Вт испускаются в виде рентгеновского излучения; сравните это с полной светимостью Солнца (4  10²⁶ Вт), которое генерирует в виде рентгеновских лучей всего около 10²⁰ Вт. Да поверхность нашего Солнца по сравнению с этой материей просто ледяная!

Сами нейтронные звезды слишком малы, чтобы быть увиденными оптическими методами, но с помощью оптического телескопа мы можем наблюдать гораздо большие звезды-доноры и аккреционные диски. Диски сами могут излучать немного света – отчасти вследствие процесса, который называется нагреванием рентгеновским излучением. Когда материя с диска обрушивается на поверхность нейтронной звезды, получившиеся в результате рентгеновские лучи расходятся во всех направлениях и, следовательно, проходят через сам диск, нагревая его до еще более высоких температур. Я расскажу об этом подробнее в следующей главе, посвященной рентгеновским вспышкам.

Открытие рентгеновских двойных стало разгадкой первой загадки рентгеновского излучения вне Солнечной системы. Теперь мы понимаем, почему рентгеновская светимость источника, например Sco X-1, в 10 тысяч раз больше его оптической светимости. Рентгеновские лучи испускаются очень горячей нейтронной звездой (ее температура составляет несколько десятков миллионов кельвинов), а видимый свет – намного более холодной звездой-донором и аккреционным диском.

И вот, когда мы решили, что наконец-то полностью поняли, как работают рентгеновские двойные звезды, природа преподнесла нам очередной сюрприз. Рентгеновские астрономы начали делать открытия, явно опережавшие теоретические модели.

В 1975 году открытие действительно странного явления привело меня к наивысшей точке научной карьеры. Я полностью погрузился в наблюдения, изучение и попытки объяснить это замечательное и загадочное явление – рентгеновские вспышки.

История рентгеновских вспышек, между прочим, включает мою борьбу с русскими учеными, которые неверно толковали собственные данные, а также с некоторыми из моих коллег из Гарварда, полагавшими, что рентгеновские вспышки – результат деятельности очень массивных черных дыр (бедные черные дыры, их несправедливо обвиняли в очень многих бедах!). Хотите верьте, хотите нет, мне даже приказывали (и не раз) не публиковать кое-какие данные о вспышках из соображений национальной безопасности.