Занимательная астрофизика

Видимый космос

В предыдущей главе мы познакомились с различными носителями информации о космических явлениях — носителями, регистрация и исследование которых позволяют астрономам изучать космические объекты и космические процессы.

Мы выяснили также, что каждый из этих носителей порождается вполне определенными физическими процессами. Поэтому нет ничего удивительного в том, что «оптическая Вселенная» непохожа на «радиовселенную», а «радиовселенная», скажем, на «рентгеновскую». Как образно заметил один известный советский физик, вид нашей Галактики в рентгеновском излучении отличается от ее «оптического образа» не менее чем рентгеновский снимок Брижжит Бардо от ее цветной фотографии.

Но если так, то из этого следует, что освоение каждого нового вестника Вселенной обязательно должно приносить новые факты — информацию о неизвестных ранее свойствах уже известных объектов и явлениях до этого вообще неизвестных.

Начнем, однако, с оптического диапазона, освоение которого заложило фундамент наших знаний о Вселенной. Как выглядит Вселенная в видимом свете?

Основными структурными единицами Вселенной являются «звездные острова» — галактики, подобные нашей. Одна из них находится в созвездии Андромеды. Это — гигантская галактика, похожая по своему строению на нашу и состоящая из сотен миллиардов звезд. Свет от нее до Земли идет 2 млн. лет.

Галактика Андромеды вместе с нашей Галактикой и еще несколькими галактиками меньшей массы образуют так называемую Местную группу. Некоторые из звездных систем этой группы, в том числе Большое и Малое Магеллановы Облака, галактики в созвездиях Скульптора, Малой Медведицы, Дракона, Ориона, являются спутниками нашей Галактики. Вместе с ней они обращаются вокруг общего центра масс.

Местная группа со скоростью, равной нескольким сотням километров в секунду, движется по направлению к еще одному скоплению галактик в созвездии Девы.

Скопление в Деве является центром еще более гигантской системы звездных островов — Сверхскопления галактик, которое включает в себя и Местную группу вместе с нашей Галактикой.

Согласно наблюдательным данным, сверхскопления включают в себя свыше 90 % всех (Существующих галактик и занимают около 10 % всего объема пространства нашей Вселенной. Сверхскопления обладают массами порядка 10¹⁵ масс Солнца.

Современным средствам астрономических исследований доступна колоссальная область пространства радиусом около 10–12 млрд. световых лет. В этой области, по современным оценкам, расположено 10¹⁰ галактик. Их совокупность получила название Метагалактики.

По своему внешнему виду галактики разделяются на три основных типа: эллиптические, спиральные и неправильной формы.

Эллиптические галактики различаются по степени сжатия. Они могут быть как шаровыми, так и достаточно сильно «сплюснутыми».

Что же касается спиральных галактик, то они различаются по характеру строения спиральных ветвей. В основной плоскости спиральных галактик, как правило, присутствуют темные массы поглощающей материи. На основе многочисленных наблюдений в настоящее время установлено, что спиральные галактики состоят из двух компонентов — сфероидального и диска. Если диск отсутствует, такая галактика принадлежит к числу эллиптических.

Неправильные галактики лишены определенной формы, они несимметричны и обычно не имеют ядер.

Кроме того, следует выделить так называемые взаимодействующие — галактики, детальное исследование которых было проведено советским астрономом проф. Б. А. Воронцовым-Вельяминовым.

Существуют также переходные формы между эллиптическими и спиральными звездными системами.

Возможно, что галактики окружены своеобразными «коронами», состоящими из слабосветящихся, а потому невидимых звезд. Если подобное предположение подтвердится, то это будет означать, что реальная масса «звёздных островов» примерно в 10 раз больше, чем та, что определена по их светящейся части.

Внешние формы галактик в определенной степени отражают характер происходящих в них физических процессов. Поэтому классификация звездных систем представляет большой научный интерес. Она не только позволяет выяснить состав «населения» нашей Вселенной, но и понять пути эволюции звездных систем.

В 1922 г. советский математик А. А. Фридман, анализируя уравнения общей теории относительности Эйнштейна, пришел к выводу, что Вселенная не может находиться в стационарном состоянии — она должна либо расширяться, либо пульсировать.

В дальнейшем выводы Фридмана получили подтверждение в астрономических наблюдениях, обнаруживших в спектрах галактик так называемое красное смещение спектральных линий, что соответствует взаимному удалению этих звездных систем.

Поскольку все галактики от нас удаляются, невольно складывается впечатление, что наша Галактика находится в центре расширения, в неподвижной центральной точке расширяющейся Вселенной. В действительности же мы имеем дело с одной из астрономических иллюзий. Расширение Вселенной происходит таким образом, что в нем нет «преимущественной» неподвижной точки. Какие бы две галактики мы ни выбрали, расстояние между ними с течением времени будет возрастать. А это значит, что на какой бы из галактик ни оказался наблюдатель, он также увидит картину разбегания звездных островов, аналогичную той, какую видим и мы.

Итак, мы живем в нестационарной, расширяющейся Вселенной, которая изменяется со временем и прошлое которой нетождественно ее современному состоянию, а современное — будущему.

«Соты» Вселенной

Наблюдая с помощью все более совершенных телескопов все более далекие космические объекты, мы не только проникаем все дальше в глубины мирового пространства, но и получаем возможность изучать ранние стадии эволюции Вселенной. Ведь чем дальше от нас находится тот или иной космический объект, тем больше времени затрачивают световые лучи, чтобы преодолеть расстояние, отделяющее его от Земли, и, следовательно, в тем более отдаленное прошлое мы заглядываем.

Но далекое прошлое проявляет себя и в современных состояниях космических объектов и их систем. Эти состояния — как бы «следы минувшего». Их изучение — ключ к познанию истории нашей Вселенной.

В современной астрофизике существует несколько гипотез или, как сейчас стало модно говорить, «сценариев» происхождения галактик. Один из них можно назвать сценарием фрагментации. Его разрабатывает группа советских ученых под руководством академика Я. Б. Зельдовича. Согласно этому сценарию, звездные острова сформировались в результате существования неоднородностей плотности, возникших на одной из ранних стадий эволюции Вселенной, когда еще не было ни звезд, ни галактик, а среда представляла собой нейтральную смесь водорода и гелия, достаточно равномерно распределенную в пространстве. Тем не менее в различных точках плотность среды могла несколько различаться. Возникшие на еще более ранней стадии расширения, когда во Вселенной доминировало излучение, а плазма была ионизована, небольшие возмущения плотности теперь стали расти. Как считает группа Я. Б. Зельдовича, сперва эти возмущения представляли собой плоские волны очень большой длины. Под действием сил тяготения гребни этих волн становились все круче и круче, вследствие чего возникали плоские и плотные газовые образования дискообразной форумы.

Газ в трехмерном пространстве можно сжать в любом из трех взаимно перпендикулярных направлений. Однако в природе одновременное сжатие газа вдоль трех или даже двух осей — явление маловероятное. Как правило, в каждом элементарном объеме имеется одно преимущественное направление сжатия.

В результате такого сжатия должны были образоваться тонкие плотные слои, которые в шутку назвали «блинами» (рис. 5). Это были первые обособленные объекты Вселенной. С течением времени внутри «блинов» складывались условия для рождения галактик и звезд. Сначала формировались сверхскопления галактик, потом они дробились на галактики и шаровые звездные скопления. Этим сценарий фрагментации отличается от другого сценария — сценария скучивания, сторонники которого полагают, что сперва возникали шаровые скопления, которые затем объединялись в галактики, а те, в свою очередь, — в скопления галактик и сверхскопления. Какой из этих сценариев ближе к действительности? Математические расчеты расчетами, но ответ могут дать только наблюдения. Только они, в конечном счете, могут либо подтвердить выводы теоретиков, либо их опровергнуть.

Что же предсказывает гипотеза фрагментации? Из нее следовало, что вне «блинов», в пространстве между ними, газ был настолько сильно разрежен, что в таких областях галактики формироваться не могли. Для этого потребовалось бы время, превосходящее продолжительность существования Вселенной. А отсюда следовал довольно неожиданный вывод: в процессе увеличения размеров «блинов» и их взаимных пересечений должна была образоваться сложная «пористая» структура, состоящая из ячеек, по стенкам которых сконцентрированы галактики. А во внутренних областях этих ячеек галактик быть не должно. (Иногда эти области образно называют «черными областями».)

Однако осуществить наблюдательную проверку этого предсказания далеко не так просто, как может показаться на первый взгляд.

Представим себе на минуту, что о нашего земного неба исчезли все звезды нашей Галактики, и мы невооруженным глазом можем наблюдать далекие «звездные острова». Мы обнаружим, что в одних местах их больше, в других меньше, хотя в общем галактики заполняют все небо. Но это картина, которую мы наблюдаем в проекции на небесную сферу.

А какие «узоры» образуют галактики в пространстве? Чтобы ответить на этот вопрос, т. е. составить представление о пространственном распределении звездных островов, необходимо знать расстояния до каждого из них. Но определение расстояний до отдельных галактик — задача очень сложная. Обычно она решается путем измерения величины красного смещения в спектрах этих звездных систем. Мы уже говорили о том, что наша Вселенная расширяется, что галактики удаляются друг от друга. Но если источник светового излучения от нас удаляется, то возникает так называемый эффект Доплера — смещение спектральных линий к красному концу спектра, пропорциональное скорости удаления (в случае приближения источника света линии в спектре смещаются к фиолетовому концу).

В 1929 г. американский астроном Э. Хаббл показал, что красное смещение галактик возрастает с увеличением расстояния до этих объектов. Чем дальше от нас находится та или иная галактика, тем быстрее она удаляется. Оказалось, что эта зависимость носит линейный характер, т. е. значение одной величины прямо пропорционально значению другой,

где R — расстояние до наблюдаемого объекта, a V_R — скорость удаления галактики, находящейся на расстоянии R. Коэффициент пропорциональности Н получил название постоянной Хаббла.

Зная доплеровское красное смещение того или иного внегалактического объекта, можно определить его скорость V_R,

где с — скорость света, λ — фактически наблюдаемая длина волны, а λ₀ — длина волны той же спектральной линии, излучаемой неподвижным источником.

Таким образом, если нам известно значение постоянной Хаббла, то, определив скорость удаления интересующего нас внегалактического объекта по формуле (2), мы можем по формуле (1) вычислить расстояние до нею.

Выражение

которое входит в формулу (2), обозначается буквой z,

Приравнивая правые части формул (1) и (3), получим для z,

Таким образом, в первом приближении величина z прямо пропорциональна расстоянию до внегалактического объекта и скорости его удаления. (Заметим, кстати, что в первом приближении z значительно меньше единицы, поскольку V_R значительно меньше с).

Таким образом, чем больше г, тем дальше от нас находится тот или иной внегалактический объект и тем быстрее он удаляется.

Но точное измерение расстояний до галактик по красному смещению, т. е. с помощью постоянной Хаббла, требует весьма сложных наблюдений. Поэтому те данные, которыми располагали на этот счет астрономы, долгое время не отличались точностью. А неточные наблюдения — это бич естественных наук, ибо на основе неточных наблюдений легко можно сделать ошибочные выводы. Как говорил академик Л. А. Арцимович, нет ничего хуже неточных наблюдений, подтверждающих неточную теорию…

В середине 60-х годов наиболее далекому объекту, обнаруженному астрономами, соответствовало z = 0,46. Однако в последние годы совершенствование методов астрономических наблюдений позволило измерять красное смещение для чрезвычайно слабых оптических объектов и благодаря этому приступить к поиску еще более далеких галактик. Для этой цели применялась современная электронная аппаратура.

Было использовано то обстоятельство, что существуют галактики g очень яркими линиями излучения — эмиссионными линиями, которые удается обнаруживать раньше, чем остальной спектр. Таким методом было зарегистрировано свыше 10 галактик, для которых Δλ/λ₀ больше, чем 0,5. Четыре из этих галактик оказались наиболее далекими. Это объекты ЗС 13 (z=1,050), ЗС 356 (z=,079), ЗС 368 (z=1,132) и ЗС 4271 (z=1,175)…

В 1977 г. эстонские астрономы — группа под руководством члена-корреспондента АН ЭССР Я. Э. Эйнасто — установили, что в созвездии Персея есть большая область, свободная от галактик («черная область»).

В настоящее время, с помощью новейших методов астрономических наблюдений, оценены расстояния примерно до 10 тысяч галактик. Это позволяет воспроизвести картину их распределения уже не только на небесной сфере, но и в трехмерном пространстве. Статистическая обработка полученных данных позволила обнаружить несколько достаточно больших областей, внутри которых галактики практически отсутствуют.

Выяснилось, что галактики в сверхскоплениях действительно образуют своеобразные «сети» в виде дуг, перемычек и стенок гигантских ячеек, напоминающих пчелиные соты. Протяженность каждой стороны такой ячейки — порядка 100 млн. световых лет.

В частности, американские астрономы сообщили о том, что им удалось обнаружить свободную от звезд и галактик область с поперечником около 300 млн. световых лет. Они изучали распределение звездных островов вдоль трех, близко расположенных прямых линий, направленных в глубины Вселенной. В результате такого зондирования обнаружилось, что по избранным направлениям в промежутке между «отметками» 240 и 360 мегапарсеков[5]) (соответственно около 500 млн. и 800 млн. световых лет) находится одна-единственная галактика. Наоборот, вблизи указанных «отметок» галактики расположены достаточно густо. Ориентировочный объем открытой учеными полости составляет около 1 млн. кубических мегапарсеков или 3·10⁶⁴ см³.

Открытие сетевой структуры сверхскоплений галактик, если ее повсеместный характер подтвердится дальнейшими наблюдениями, имеет чрезвычайно важное значение для понимания особенностей строения и эволюции нашей Вселенной.

Дело в том, что сетевая структура неустойчива. Это, возможно, и служит причиной того, что систем более высокого порядка, чем сверхскопления, в нашей Вселенной не существует. Не исключено, что именно поэтому иерархия звездных систем обрывается на сверхскоплениях. Устойчивыми образованиями наиболее крупного масштаба являются скопления галактик. Правда, в современной Вселенной существует и следующая ступень иерархии — сверхскопления галактик. Но они рассеиваются и представляют собой временную фазу пространственного распределения звездных систем.

По-видимому, это говорит о том, что мы живем на некоем промежуточном этапе эволюции нашей Вселенной, этапе не слишком молодом, но и не слишком старом, когда структуре Вселенной еще предстоит измениться весьма существенным образом. По некоторым оценкам продолжительность этапа эволюции, на протяжении которого сохраняется сетевая структура в распределении галактик, — порядка 10 млрд. лет.

С другой стороны, сетевая структура сверхскоплений галактик как-то возникла. Она сформировалась из какого-то предшествующего состояния, которое, в свою очередь, тоже образовалось не на «пустом месте». Эта «цепочка» последовательных состояний, в конце концов, приведет нас к тому отдаленному этапу эволюции нашей Вселенной, когда складывались «зародыши» будущих космических объектов и их систем, которые составляют структуру современной Вселенной. Иными словами, сетевая структура сверхскоплений галактик отражает определенные начальные условия, которые и привели к подобному положению вещей. Какие? Возможно, ответ на этот вопрос сможет дать теория «блинов».

Правда, между этой теорией и наблюдаемой сетевой структурой обнаружились и некоторые несоответствия. Дело в том, что во всех обнаруженных полостях встречаются так называемые галактики Маркаряна — активные галактики с избыточным ультрафиолетовым излучением[6]). Между тем с точки зрения «блинной» теории должны существовать и полости, которые заполняет только ионизованный газ, но нет условий для образования галактик.

Таким образом, соотношение между «блинной» теорией и наблюдениями оказывается достаточно сложным. С одной стороны, теория предсказывает существование сетевой структуры, а с другой — не все ее выводы подтверждаются наблюдениями, а некоторые факты даже вступают с нею и в противоречия.

Но, вообще говоря, было бы трудно ожидать, чтобы сравнительно молодая теория, описывающая столь сложный процесс, как формирование галактик, к тому же процесс, удаленный от нас во времени на миллиарды лет, не стал иным излучением космической среды. На этом фоне выделяются отдельные дискретные источники — это второй класс космических «радиостанций».

Одним из важнейших открытий астрономии второй половины XX в., значительно расширившим наши представления о Вселенной, было обнаружение внегалактических источников радиоизлучения — радиогалактик. Большинство внегалактических радиообъектов составляют звездные системы, подобные нашей, — их называют нормальными галактиками. Радиоизлучение ближайших нормальных галактик (в частности, знаменитой галактики в Андромеде) имеет такие же свойства, как и радиоизлучение нашего звездного острова.

Однако есть галактики, которые резко отличаются от нормальных своим исключительно мощным радиоизлучением. Они излучают в радиодианазоне в сотни и даже миллионы раз больше энергии, чем нормальные. Один из самых известных объектов такого рода — радиоисточник в созвездии Лебедя. Подобные галактики и получили название радиогалактик. Поток радиоизлучения от галактики в Лебеде, принимаемый на Земле, такой же, как и от одного из самых интенсивных галактических радиоисточников — остатка сверхновой в Кассиопее. Но при этом расстояние до источника в Лебеде в 50 000 раз больше.

Как выяснилось, излучение радиогалактик, подобно радиоизлучению Крабовидной туманности, имеет синхротронную природу. Но если в Крабовидной туманности электроны приобрели околосветовые скорости в результате взрыва сверхновой звезды, то какие источники энергии работают в радиогалактиках? Источники, способные поддерживать их мощное радиоизлучение на протяжении многих миллионов лет?

Сейчас уже мало кто сомневается в том, что таким источником являются очень мощные физические процессы, протекающие в центральных частях радиогалактик — их ядрах.

Среди космических радиостанций особое внимание привлекают к себе уже известные нам квазары. В настоящее время зарегистрировано свыше 1500 квазаров. Внешне, для неспециалиста, квазары — довольно невзрачные объекты. На чувствительных астрономических фотопластинках они выглядят как крошечные звездообразные объекты (рис. 7). Однако астрономы были поражены, когда выяснилось, что эти объекты находятся от нас на огромных расстояниях — в миллиарды световых лет.

Одним из самых близких к нам квазаров является квазар ЗС 273[7]). Именно этот квазар и был открыт первым. Но даже он находится от нас на столь большом расстоянии, что мы наблюдаем его таким, каким он был несколько миллиардов лет назад. Одиночная звезда при таком удалении наблюдаться не может.

Исходя из этого, можно заключить, что энерговыделение квазаров огромно. Светимость всей нашей Галактики составляет около 10³⁷ Вт. У квазаров она на несколько порядков выше! А общее количество энергии, выделяемой квазарами, оценивается в 10⁵⁴ Дж. Это в 10 триллионов раз больше, чем выделило Солнце за все время своего существования. Такого количества энергии вполне достаточно, чтобы поддерживать наблюдаемое энерговыделение квазаров на протяжении сотен тысяч лет.

К этому следует добавить, что оптическое излучение многих, квазаров является переменным. И в максимуме оно может достигать фантастической величины. Так, например, квазар ЗС 279 несколько десятков лет тому назад обладал светимостью, в 10 тысяч раз превосходящей светимость нашей Галактики! Когда же были определены размеры компактных, радиоисточников, связанных с квазарами, астрономы удивились еще больше. Выяснилось, что эти объекты гораздо меньше даже одиночных галактик. Их диаметры не превышают одного светового года. Напомним, что поперечник нашей Галактики — около 100 тыс. световых лет.

Тем не менее имеются серьезные основания предполагать, что квазары и галактики эволюционно связаны. Во всяком случае есть одно очень весомое соображение в пользу того, что квазары — объекты, которые характерны для более ранних стадий истории нашей астрономической Вселенной, чем галактики. В самом деле, все квазары находятся от нас на огромных расстояниях в миллиарды световых лет. Следовательно мы видим их такими, какими они были много миллиардов лет назад. На этом основании можно сделать вывод, что квазары — образования, которые были характерны для Вселенной много миллиардов лет тому назад и не свойственны ее современному состоянию.

Однако, по вопросу о характере связи между квазарами и ядрами галактик существуют две точки зрения. Согласно одной из них, в центре галактики, в совокупности большого количества звезд и газа образуется сравнительно не-¹ большое (размером 10¹⁶-10¹⁷ см), но гигантское по масса (порядка 10⁸-10⁹ масс Солнца) ядро. Если галактика медленно вращается, то формирование такого ядра представляется довольно естественным: газ и звезды как бы «стекают» в «потенциальную яму», т. е. в ограниченную область, расположенную в центральной части галактики, в которой потенциальная энергия частиц меньше, чем вне ее. С точки зрения подобной гипотезы колоссальная светимость квазаров объясняется выделением при гравитационном сжатии огромного количества энергии.

Согласно другой гипотезе, квазары могут быть ранней стадией эволюции звездных систем — «голыми ядрами» еще не родившихся активных галактик. Они образовались раньше, чем галактики, и уже затем «обрастали» звездами.

Космические выбросы

Астрономические наблюдения в радиодиапазоне, проведенные в последние годы с помощью радиоинтерферометров, позволили значительно уточнить наши представления о характере активных процессов, происходящих в центральных частях некоторых галактик.

Как выяснилось, эта активность в очень многих случаях проявляется в форме узких выбросов плазмы — ионизованного газа, исходящих из центра галактики и являющихся источниками радиоизлучения.

Еще при изучении радиогалактики в созвездии Лебедя (радиоисточник Лебедь А) было установлено, что источником ее радиоизлучения является не сама эта галактика, а две диффузные области, расположенные по обе ее стороны.

В дальнейшем оказалось, что такую же двойную структуру имеет и большинство известных нам внегалактических источников радиоизлучения (см. рис. 6).

Протяженность выбросов может быть весьма велика. Так, например, в галактике М 87 (NGC 4486) протяженность выброса в проекции на плоскость, перпендикулярную лучу зрения, составляет около 5 тыс. световых лет (радиоисточник Дева А — рис. 8). Как показывают наблюдения и теоретические исследования, яркое оптическое излучение этого выброса порождается релятивистскими электронами, движущимися в магнитных полях со скоростями, близкими к скорости света. Таким образом, и это излучение имеет синхротронную природу. Очевидно, в ядре галактики М 87 происходят какие-то мощные физические процессы, сопровождающиеся выделением огромного количества энергии.

Иногда выбросы вытягиваются на расстояние до миллиона световых лет, заканчиваясь в своеобразных округлых, протяженных «радиооблаках», расположенных за пределами изображения галактики, наблюдаемого в оптическом диапазоне (рис. 9). В таких радиооблаках заключена колоссальная энергия — до 10⁶³ Дж и даже выше. Чтобы оценить количество этой энергии, достаточно сказать, что для ее выделения пришлось бы полностью превратить в излучение массу десятков и даже сотен миллионов звезд.

А у галактики NGC 6251, расположенной от нас на расстоянии 300 млн. световых лет, выброс тянется на 4 млн. световых лет.

Высказывается предположение, что радиоизлучающая субстанция выбрасывается из ядра радиогалактики в двух диаметрально противоположных направлениях вдоль оси вращения ядра. Особого внимания заслуживает тот факт, что выброшенное вещество на протяжении многих миллионов лет не рассеивается. Видимо, это объясняется тем, что сгустки выброшенной намагниченной плазмы проходят со сверхзвуковой скоростью через межгалактическую среду. Поэтому расширение сгустка за счет внутреннего давления происходит лишь до тех пор, пока это давление не будет уравновешено внешним давлением. При этом внутреннее давление складывается из обычного газового давления, пропорционального температуре, и плотности сгустка, магнитного давления и давления космических лучей, а внешнее равно половине произведения плотности окружающей среды ρ_cp на квадрат скорости V_сг движения сгустка:

Однако после того, как движение сгустков оказывается заторможенным внешней средой, они постепенно начинают рассеиваться.

Вообще же семейство космических выбросов довольно разнообразно. Они бывают мощными и мелкомасштабными, двойными и односторонними, прямолинейными и искривленными, зеркально-симметричными и обладающими обращенной симметрией (т. е. изгибу в одну сторону у одного из выбросов соответствует изгиб в противоположную сторону у другого).

Из числа известных в настоящее время двойных радиоисточников более 70 имеют крупномасштабные выбросы. И вот что особенно любопытно: как правило, такие выбросы наблюдаются у слабых двойных радиоисточников. В какой-то мере это, возможно, связано с условиями наблюдения. Дело в том, что большинство мощных радиоисточников — это объекты сравнительно молодой Вселенной, и поэтому находятся на столь больших расстояниях от нас, что связанные с ними выбросы трудно обнаружить.

Но дело, по-видимому, не только в этом. Возможно, явление, о котором, идет речь, связано с различной ориентацией магнитных полей в слабых и сильных выбросах. Однако эта проблема требует дальнейшего исследования.

Что же представляют собой космические выбросы? Какова их физическая природа? Имеющиеся в распоряжении современных астрономов данные говорят о том, что это струи газа, которые, подобно струям воды из шланга, выбрасываются из центра галактики. Они пронизывают межзвездную, а затем и межгалактическую среду, неся с собой массу, энергию, импульс и магнитный поток. Преодолевая сопротивление среды., головная часть выброса постепенно теряет скорость и движется медленнее, чем газ в средней его части. Благодаря этому в головной части выброса накапливается энергия.

Не исключено, что движение газа в выбросах происходит со сверхзвуковой скоростью. В этом случае должна возникать ударная волна, которая распространяется по поперечному сечению выброса. Когда газ проходит через фронт этой волны, кинетическая энергия его движения переходит в энергию магнитного поля — и энергию движения электронов, которые разгоняются до околосветовых скоростей. Благодаря этому складываются благоприятные условия для генерации синхротронного радиоизлучения. При этом наибольшей интенсивности оно достигает как раз в местах торможения выброса. В этих местах возникают так называемые горячие пятна.

Испытав торможение, вещество выброса поворачивает вспять и растекается в большие облака, унося с собой релятивистские электроны и силовые линии магнитного поля.

Основываясь на результатах наблюдений, астрономы пришли к выводу, что в горячих пятнах газ с электронами и магнитным полем находится от десяти тысяч до миллиона лет — срок по космическим масштабам сравнительно небольшой. А в облаках этот срок достигает ста миллионов лет. За это время в них накапливается чудовищная энергия. Например, в источнике Лебедь А она эквивалентна полной энергии, заключенной в массе ста миллионов звезд.

У некоторых галактик в радиодиапазоне интенсивно излучает центральная часть звездной системы — ядро. Вокруг такой компактной области может располагаться гало — гигантский радиоореол. А если наряду с компактным источником в центре имеются и «боковые» радиокомпоненты, то мы наблюдаем тройной радиоисточник на небе. В настоящее время методы радиоинтерферометрии позволяют с необыкновенной точностью исследовать структуру многих внегалактических радиоисточников.

Примером источника с весьма сложной структурой является космическая «радиостанция» в созвездии Персея. У этого источника очень маленькое компактное «радиоядро», окруженное «оболочкой» сравнительно небольших размеров. Эти детали в свою очередь погружены в более протяженную радиоизлучающую область — гало, которое охватывает еще две соседние небольшие радиогалактики. Предполагается, что возникновение столь сложной структуры связано о тем, что основная активная галактика, которая является ядром радиоисточника, движется с высокой скоростью через плотный межгалактический газ в скоплении галактик. Выброшенное активной галактикой вещество дробится по мере того, как оно «пробивается» через межгалактическую среду.

С помощью радиоинтерферометров удалось установить, что ядра радиоисточников — это не какие-то однородные образования: они обладают внутренней структурой, имеют определенные детали. К сожалению, размеры этих деталей настолько невелики, что для их выявления нужны были бы радиоинтерферометры с разрешающей способностью до нескольких тысячных долей секунды дуги.

Любопытно, что у горячих пятен, о которых говорилось выше, какие-либо мелкомасштабные детали отсутствуют.

И наблюдатели и теоретики много работают над тем, чтобы объяснить явления, происходящие в выбросах, определенными физическими причинами. Но главное — поиски ответа на вопрос о том, какие физические процессы порождают выделение колоссальных количеств энергии в ядрах активных галактик и квазарах, в частности, порождают выбросы и на протяжении длительного времени питают их все новыми и новыми порциями газа. Это одна из фундаментальных проблем современной астрофизики.

У наиболее мощных радиоисточников интенсивность выбросов настолько велика, что для их поддержания ежегодно требуется энергия, эквивалентная энергии, которая выделилась бы при полном превращении в излучение массы нескольких звезд.

Если иметь в виду обычные эволюционные процессы, происходящие в галактиках, то они, по-видимому, способны обеспечить не более десятой части этой энергии.

Поэтому приходится предположить, что процессы, ответственные за возникновение выбросов, связаны с какими-то необычными физическими явлениями.

По мнению члена-корреспондента АН СССР И. С. Шкловского активные процессы «порождаются какими-то особенностями (сингулярностями) в ядрах галактик. Выяснение природы этих сингулярностей — одна из важнейших, пока еще окончательно не решенных проблем современной астрофизики»[8]).

Есть веские основания предполагать, что физические процессы, порождающие выбросы, происходят в сравнительно небольших областях размером всего в несколько световых лет. Например, было замечено, что некоторые из наиболее активных источников космического радиоизлучения изо дня в день изменяют свою оптическую яркость. Но это значит, что поперечник такого источника должен быть сравнительно небольшим — не больше того расстояния, на которое физический процесс может распространиться в течение суток. Если учесть, что максимальная скорость такого распространения — это скорость света, то получается, что поперечник источника радиоизлучения весьма невелик.

В настоящее время большинство ученых считают, что основными источниками грандиозных физических процессов, происходящих в активных ядрах галактик и квазарах, являются компактные массивные тела с поперечником не более-0,1 светового года. Таковы, например, размеры компактного объекта, расположенного в ядре галактики М 87. Его масса — около 6 млрд. солнечных масс. Аналогичный объект с массой в несколько миллиардов солнечных масс обнаружен и в радиогалактике NGC6251.

Возможно, что на такое тело происходит натекание газа. В результате вокруг компактного объекта образуется вращающийся намагниченный газовый диск. Дальнейшее падение струй вещества на такой диск приводит к его разогреву до очень высокой температуры, выбрасыванию сгустков плазмы и релятивистских частиц. Если эта модель справедлива, то источником энергии квазаров и ядер галактик является энергия взаимодействия плазмы и компактных массивных образований, расположенных внутри этих объектов.

Что же касается физической природы подобных образований, то она все еще остается неясной. К этому вопросу мы еще вернемся.

Другим возможным механизмом, способным обеспечивать «подпитывание» космических выбросов, является «всасывание» одной из галактик вещества соседней, менее массивной галактики. Явление это получило название «каннибализма». Галактика-«каннибал» уничтожает соседнюю галактику-«миссионера». О возможности существования подобного процесса говорят наблюдения галактик с двойными ядрами.

Вообще замечено, что далекие радиогалактики, как правило, объединяются друг с другом. Не говорит ли это о том, что развитие в центральных частях галактик активных и физических процессов, порождающих радиоизлучение, есть в какой-то мере результат взаимодействия соседних звездных, систем?

В самом деле, как показывают статистические подсчеты, вероятность того, что та или иная галактика может оказаться источником радиоизлучения, значительно возрастает, когда мы обращаемся к более ранним этапам эволюции Вселенной. Например, для Вселенной, вчетверо более молодой, чем современная, эта вероятность в 1000 раз выше. Но ведь в прошлом галактики были расположены ближе друг к другу.

В заключение заметим, что сравнительно недавно в центральной области нашей Галактики был обнаружен точечный радиоисточник неизвестной природы с очень высокой радиосветимостью. Не исключена возможность, что этот источник связан с каким-то массивным компактным объектом в ядре. Правда, такое предположение пока что не получило подтверждения в радиоастрономических наблюдениях. Однако следует иметь в виду, что интерпретация результатов астрономических наблюдений, в особенности наблюдений за пределами оптического диапазона электромагнитных волн, всегда обладает некоторой степенью неопределенности. Это связано прежде всего с тем, что в принципе различные физические процессы могут порождать электромагнитные излучения с приблизительно одинаковыми свойствами. Возможны и другие причины, ведущие к неоднозначности в истолковании астрономических данных.

Это заставляет с определенной осторожностью относиться к выводам, сделанным на основе, скажем, радионаблюдений в тех случаях, когда речь идет об исследовании сложных и неясных космических процессов. В подобных ситуациях необходима многократная тщательная проверка полученных данных, а также их интерпретации, независимыми методами.

Очередная загадка!

Вселенная неистощима на сюрпризы! Особенно щедро она их нам преподносит в последние десятилетия с развитием всеволновой астрономии. Но даже на этом впечатляющем фоне выделяется загадочный объект, обнаруженный в 1978 г. в созвездии Водолея и получивший обозначение SS 433.

Первая загадка, связанная с SS 433, возникла тогда, когда астрономы занялись тщательным изучением его спектра. Необычное состояло в том, что у SS 433 часть линий была смещена к красному концу спектра, а часть — к фиолетовому. Это было удивительно и на первый взгляд необъяснимо, так как означало, что объект SS 433 удаляется от нас со скоростью около 80 000 ^км/_с и одновременно… приближается к нам со столь же высокой скоростью.

Но материальное тело в реальном мире не может в одно и то же время перемещаться в двух противоположных направлениях. Так способна вести себя только сложная система, различные части которой движутся по-разному.

Вскоре обнаружился новый, не менее удивительный факт. Оказалось, что линии в спектре SS 433 меняют свое положение с периодом, равным 164 суткам.

Выяснилось также, что загадочный объект интенсивно излучает в рентгеновском диапазоне, является переменным источником инфракрасного излучения и радиоисточником с чрезвычайно сложной структурой…

Что же представляет собой SS 433? Какова физическая природа этого загадочного объекта?

Наиболее привлекательна так называемая кинематическая модель. Суть ее состоит в следующем. Из центральной части объекта с большой скоростью выбрасываются две струи газа. Одна из них движется по направлению к земному наблюдателю, другая — от нас. Именно этим объясняется таинственное «раздвоение» SS 433, о котором шла речь выше.

В центральной же части объекта находится плотное аккреционное[9] облако — газовый диск, вращающийся вокруг центрального массивного тела. При этом струи газа движутся в направлении, образующем с осью вращения диска угол около 20 градусов. Таким образом, вся система приобретает свойства наклонного волчка.

Из механики известно, что ось вращения такой системы должна медленно менять свое положение в пространстве — испытывать так называемую прецессию. Благодаря этому положение газовых струй относительно земного наблюдателя будет с течением времени медленно изменяться. Таково возможное объяснение второй загадки SS 433 — 164-суточной периодичности в перемещении спектральных линий в его спектре…

Остается, однако, не вполне ясным вопрос, за счет каких сил движение газа в струях оказывается таким постоянным и упорядоченным. Не исключено, что здесь существенную роль играют мощные магнитные поля. А массивное тело, находящееся в центре аккреционного диска, представляет собой двойную систему — комбинацию нейтронной звезды или черной дыры и обычной массивной звезды-гиганта.

Загадок очень много. Не выяснено, в частности, даже точное расстояние до объекта. Оценки колеблются от 3500 парсеков (11 000 световых лет) до 5000 парсеков (17 000 световых лет), что, впрочем, свидетельствует о том, что объект находится в нашей Галактике.

Бросается в глаза и определенное сходство между тем, что происходит в SS 433, и явлениями, протекающими в радиогалактиках и некоторых квазарах, где, как мы уже знаем, тоже наблюдаются выбросы газовых струй. А ведь SS 433 — не ядро галактики, обладающее массой порядка миллиарда солнечных масс, а всего лишь двойная система! Это говорит о том, что космические выбросы — явление достаточно распространенное во Вселенной и что масштабы подобных процессов могут колебаться в весьма широких пределах.

Впрочем, расход массы у SS 433 очень велик. Ежегодно в струях здесь выбрасывается около 10^-6 солнечной массы. Поэтому современная стадия SS 433 вряд ли может быть достаточно продолжительной. Возможно, именно этим объясняется уникальность SS 433. Других подобных объектов обнаружить не удалось.

Не исключено, что нам просто повезло и мы оказались современниками редчайшего явления, изучение которого может пролить свет на природу физических процессов, порождающих многие активные явления, происходящие во Вселенной.

Излучение из прошлого

В 1947 г. известный физик-теоретик Г. Гамов выдвинул идею, согласно которой наша Вселенная на начальной стадии своего существования была «горячей». Она возникла в результате расширения сверхплотной горячей плазмы, обладавшей колоссальной температурой порядка десятков, а возможно, и сотен миллиардов кельвинов и чудовищной плотностью около 10⁹⁵ г/см³, что на 81 порядок выше плотности атомного ядра.

Это был не обычный взрыв, который начинается из определенного центра и постепенно охватывает все большие области пространства, а взрыв, который, по образному выражению известного американского физика-теоретика С. Вайнберга, произошел одновременно везде, заполнив с самого начала все пространство, причем каждая частица материи устремилась прочь от любой другой частицы [10]).

Иными словами, другого пространства, кроме того, которое было первоначально занято исходным веществом, не существовало. И начальный взрыв был не расширением материи в окружающее пространство, а расширением самого пространства.

Дальнейшее формирование структуры Вселенной связано с расширением сверхплотного состояния — расширением, которое началось около 15–20 млрд. лет назад — и с теми физическими процессами, которыми оно сопровождалось.

Об эпохе, закончившейся примерно через миллион лет после «Большого взрыва», мы получаем прямую информацию благодаря открытию реликтового излучения, возникшего на ранней стадии расширения.

История обнаружения этого излучения довольно любопытна. Его в некотором смысле случайно впервые зарегистрировали американские радиофизики А. Пензиас и Р. Вильсон, которым 13 лет спустя за это открытие была присуждена Нобелевская премия.

Первые попытки обнаружить радиоизлучение, идущее из глубины времен, и тем самым подтвердить теорию горячей расширяющейся Вселенной относятся к началу шестидесятых годов. Осенью 1964 г. известный американский физик Р. Дикке и его сотрудники в Принстонском университете приступили к созданию установки для обнаружения реликтового излучения.

В то же самое время Пензиас и Вильсон по заданию известной радиотелефонной фирмы «Белл» занимались изучением характеристик новой радиоастрономической антенны, предназначавшейся для системы радиосвязи через искусственные спутники Земли. Эта система и связанная с ней аппаратура отличались очень хорошей защитой от помех и низкой шумовой температурой, т. е. сами приемные устройства вносили в результаты измерений минимальные искажения. Такого результата удалось достичь благодаря специальной конструкции приемной аппаратуры с усилителем на рубиновом кристалле, охлажденном жидким гелием.

В процессе работы ученые обнаружили неожиданную помеху — непонятный шумовой фон на волне длиной 7,3 см. Дальнейшие измерения показали, что загадочный радиошум не зависит ни от направления системы, ни от времени суток и года. Это указывало на его космическое происхождение.

В мае 1965 г. статья Пензиаса и Вильсона, в которой сообщались результаты исследований неизвестного излучения, однако без объяснения его физической природы, была опубликована в «Астрофизическом журнале». Объяснение в том же номере журнала дала группа Р. Дикке, истолковавшая таинственный шумовой фон как реликтовое излучение.

Кстати сказать, образный термин «реликтовое» был предложен И. С. Шкловским.

Справедливость, однако, требует отметить, что еще до появления статей в «Астрофизическом журнале» была опубликована весьма интересная работа советских астрофизиков И. Д. Новикова и А. Г. Дорошкевича, в которой обосновывается возможность практической регистрации реликтового радиоизлучения. Авторы статьи впервые рассчитали весь спектр излучения от известных в то время источников радиоизлучения во Вселенной с учетом их эволюции в процессе расширения и показали, как на их фоне должно выглядеть реликтовое излучение. При этом они пришли к выводу, что в области сантиметровых и миллиметровых волн это излучение может быть практически обнаружено. Как мы видели, действительность подтвердила это предсказание.

Таким образом, открытие реликтового излучения является еще одним блестящим примером научного предвидения, которыми так богата история естествознания, в особенности физики и астрономии.

По мере расширения Вселенной реликтовое излучение постепенно остывало, и его современная температура составляет около 3 кельвинов.

В настоящее время его исследованиями занимаются радиоастрономы на многих радиотелескопах мира, в том числе на гигантском советском радиотелескопе РАТАН-600. Оно зарегистрировано на волнах длиной 20,7; 3,2; 1,5; 0,26 см. Температура реликтового излучения на всех длинах волн оказалась равна 3 К, максимум интенсивности лежит в области миллиметровых волн.

Многократные измерения интенсивности реликтового излучения в различных направлениях показали, что с точностью до десятых долей процента оно и изотропно. Это значит, что куда бы мы ни направили наш радиотелескоп, интенсивность реликтового излучения окажется практически одинаковой. Этот факт как раз и свидетельствует о том, что излучение, о котором идет речь, действительно является реликтовым, а не возникшим в каких-либо обособленных дискретных источниках.

Исследование физических характеристик реликтового излучения показало, что первоначальная плазма обладала чрезвычайно высокой температурой. Тем самым было получено важное подтверждение справедливости теории горячей расширяющейся Вселенной.

Однако всем сказанным значение реликтового излучения для познания окружающего нас мира не ограничивается. Так, например, исследование этого излучения позволило получить данные, которые являются независимым подтверждением фундаментального вывода современной астрофизики об однородности нашей Вселенной в больших масштабах, об отсутствии систем большего масштаба; чем сверхскопления галактик. Если бы в окружающем нас мире существовали достаточно большие регионы с повышенной плотностью вещества, сравнимые по своим размерам со всей наблюдаемой областью пространства, то в этих регионах реликтовое излучение испытывало бы определенные изменения.

Дело в том, что согласно общей теории относительности Эйнштейна должно, существовать так называемое гравитационное красное смещение. — Электромагнитное излучение в сильных гравитационных полях испытывает определенный сдвиг в сторону более длинных волн и низких частот. Этот эффект с большой точностью проверен экспериментально.

Если бы во Вселенной существовали сгущения вещества столь больших масштабов, то их тяготение должно было бы, согласно общей теории относительности, вызвать увеличение длины волны реликтового излучения (гравитационное красное смещение). Иными словами, реликтовое излучение, приходящее к нам с некоторых направлений, было бы «покрасневшим». В общей картине его распределения по всему небу должны были бы существовать «пятна» пониженной интенсивности.

Расчеты показывают: для того чтобы подобные пятна могли быть замечены наиболее крупными современными радиотелескопами, такими, например, как РАТАН-600, размеры сгущений вещества должны иметь масштаб порядка миллиарда световых лет, а их плотность, как можно полагать, должна превосходить средний уровень по меньшей мере на 10 %.

Однако современные радиоастрономические наблюдения соответствующих «пятен» интенсивности реликтового излучения не обнаружили. Видимо, это означает, что сгущений, о которых идет речь, не существует.

Следовательно, в пределах той области пространства, откуда доходит к нам реликтовое излучение, самыми большими структурными образованиями являются сверхскопления галактик поперечником приблизительно до ста миллионов световых лет. В больших масштабах распределение вещества во Вселенной представляется достаточно однородным.

С учетом достигнутой точности наблюдений можно считать, что средняя плотность вещества по достаточно большим областям Вселенной различается не больше, чем на десятые доли процента.

Если верна гипотеза Я. Б. Зельдовича о возникновении скоплений галактик из образований типа «блинов», то, сформировавшись на определенном этапе, такие «блины», определившие ячеистую структуру Вселенной, неизбежно должны были повлиять и на характер реликтового излучения. В его распределении по небесной сфере должны в этом случае наблюдаться определенные мелкомасштабные колебания (флуктуации) радиояркости. Однако таких флуктуаций пока обнаружить не удалось.

Разумеется и в этом случае требуются дальнейшие тщательные исследования с помощью еще более чувствительной аппаратуры.

Наблюдения реликтового излучения позволяют решить еще одну интереснейшую задачу. Все космические объекты находятся в постоянном движении. Планеты обращаются вокруг Солнца. Солнце вместе с другими звездами движется вокруг центра Галактики. Галактики, в свою очередь, не только участвуют в расширении Вселенной, но и перемещаются друг относительно друга.

Для того чтобы обнаружить и изучить любое движение, измерить его физические характеристики: скорость, ускорение, направление — необходима определенная система отсчета, связанная с теми или иными материальными объектами. Так, движение Земли и планет мы обычно отсчитываем относительно системы координат, связанной с Солнцем, а движение Солнца и звезд относительно галактической системы координат.

Но все дело в том, что космические тела, с которыми мы связываем те или иные системы отсчета, сами движутся. Иными словами, любой космический объект одновременно участвует в целом ряде различных движений. И для того, чтобы определить суммарное движение, нужна была некая «независимая» система отсчета, не связанная с перемещающимися небесными телами. Такой в определенном смысле «абсолютной» или, точнее говоря, физически преимущественной системой может служить система отсчета, жестко связанная с реликтовым излучением.

Мы введем эту систему таким образом, чтобы в каждой точке пространства по отношению к ней поток излучения был равен нулю. В этом и заключается физическая преимущественность построенной нами системы.

Если Земля движется относительно реликтового излучения, реликтового фона Вселенной, то плотность энергии этого излучения, а следовательно и его «радиояркость», в направлении движения будет соответственно выше, чем в противоположном. В самом деле, представим себе реликтовое излучение как поток фотонов. Тогда, очевидно, за одно и то же время Земля будет «сталкиваться» с большим числом встречных фотонов, чем догоняющие.

Как мы уже говорили, реликтовое излучение практически изотропно, но из-за того, что Земля обладает собственным движением, эта изотропия должна несколько нарушаться. Нарушения эти, разумеется, весьма незначительны и не меняют общую картину благодаря тому, что скорость движения нашей планеты ничтожна в сравнении со скоростью распространения электромагнитных волн. Но тем не менее такие нарушения существуют, и их можно в принципе обнаружить. Измерив разницу в интенсивности реликтового фона в диаметрально противоположных направлениях, мы определим скорость движения Земли по отношению к введенной нами преимущественной системе отсчета.

Точнейшие измерения с помощью современных радиотелескопов на волне длиной 9 мм показали, что радиояркость реликтового фона в направлении на созвездие Льва (это созвездие расположено на небе несколько ниже «донышка ковша» Большой Медведицы) чуть больше, а в противоположном направлении чуть меньше средней для всего неба величины. Различие едва уловимо: всего на одну тысячную. Но из этого следует, что наша планета вместе с Солнцем и всей Солнечной системой движется по направлению к созвездию Льва (к точке с координатами: прямое восхождение α=10±0,12 ч, склонение σ= 6±3°) со скоростью 372 ^км/_с относительно системы отсчета, связанной с реликтовым излучением. (Возможная ошибка в определении указанной скорости составила при этом около 25 ^км/_с в ту или другую сторону.) Зная эту величину, а также скорость движения нашей Галактики относительно Местной группы галактик, можно определить скорость относительно реликтового фона и всей Местной группы… Она равна 610 ^км/_с плюс-минус 50 ^км/_с и направлена к точке с координатами α= 10,5 ± 0,4 ч, σ=−26 ± 5°.

Изотропна ли Вселенная?

Одним из основных положений современной науки о Вселенной всегда считалось представление об ее однородности и изотропности. Однородность означает, что свойства достаточно больших по масштабам областей Вселенной в основных чертах одинаковы.

Все наблюдательные данные, имевшиеся в распоряжении астрономов до самого последнего времени, не противоречили подобному представлению. В частности, вывод об однородности Вселенной в больших масштабах не опровергается и открытием гигантских космических «пустот». Ведь их размеры не идут ни в какое сравнение с размерами Метагалактики — области пространства, которая охвачена астрономическими наблюдениями.

При современных методах исследования «горизонт видимости» (о нем подробнее говорится на с. 148) равен примерно 10–12 млрд. световых лет. В ограниченной им области пространства можно разместить не менее 1000 ячеек, для каждой из которых имеет место однородность. Однако не так давно были получены весьма интересные и неожиданные результаты, которые, может быть, заставят пересмотреть представление об изотропии Вселенной. Проводились наблюдения двойных радиоисточников — радиогалактик, каждая из которых состоит из двух связанных между собой радиокомпонентов. Таких источников зарегистрировано достаточно много, и они распределены по всей небесной сфере. Английский астроном П. Берч на радиотелескопе обсерватории Джодрелл Бэнк изучил 100 таких радиогалактик, расположенных в северном и южном полушариях неба.

Как известно, электромагнитные волны, в том числе и радиоволны, в отличие, например, от звуковых волк, — поперечные. Если у звуковой волны направление колебаний совпадает с направлением распространения волны, то у электромагнитных волн направление колебаний перпендикулярно направлению распространения. Если к тому же поперечные колебания происходят в одной плоскости, то электромагнитная волна называется линейнополяризованной, а плоскость, перпендикулярная плоскости колебаний, называется плоскостью поляризации.

В процессе наблюдений, о которых идет речь, измерялся угол между линией, соединяющей компоненты двойных радиоисточников, и направлением плоскости поляризации их радиоизлучения. При этом было обнаружено удивительное явление: оказалось, что для радиоисточников, расположенных в одной полусфере неба, этот угол имеет один знак, а для радиоисточников, расположенных в другой полусфере, — противоположный!

Естественно возникает вопрос: связан ли обнаруженный эффект с условиями наблюдения? Вопрос, который всегда задают себе наблюдатели и экспериментаторы для того, чтобы убедиться, что изучаемое ими явление носит реальный характер, а не искажается какими-либо побочными обстоятельствами. В ситуации, о которой идет речь, такое побочное влияние мог бы оказывать так называемый эффект Фарадея — эффект вращения плоскости поляризации под воздействием внешнего магнитного поля. Не вызвано ли обнаруженное различие свойств двойных радиоисточников, расположенных в противоположных областях небесной сферы, влиянием магнитного поля нашей Галактики?

Однако эта возможность была весьма тщательно учтена исследователями и последствия, связанные с эффектом Фарадея, были исключены из результатов наблюдений. Таким образом, обнаруженное различие свойств носит явно внегалактический характер, и, следовательно, породившая его причина кроется в самых общих закономерностях нашей Вселенной.

Попутно был зарегистрирован еще один интересный факт. Радиоизлучающие компоненты двойных радиоисточников связаны друг с другом газовыми перемычками. Наблюдения показали, что в одной полусфере эти перемычки изогнуты в одну сторону, а в противоположной — в другую. Наконец, двойные радиоисточники вращаются вокруг собственных осей. И эти оси имеют некое преимущественное направление в пространстве.

О чем говорят все эти факты? Видимо, о том, что существуют некоторые весьма общие свойства нашей Вселенной, которые нарушают ее изотропию. В частности, одной из причин обнаруженных явлений могло бы служить вращение Вселенной с угловой скоростью, обеспечивающей один оборот за 100 триллионов лет.

Небезынтересно заметить, что в свое время советский ученый Р. М. Мурадян разработал оригинальную гипотезу, согласно которой наша Метагалактика произошла в результате взрыва сверхмассивного суперадрона (с массой порядка 10⁵⁶ г) — элементарной частицы из числа участвующих в так называемых сильных взаимодействиях[11]). Его распад на относительно более мелкие адроны привел к образованию протоскоплений галактик, а последующие распады на адроны еще меньшей массы — к образованию галактик. Если эта гипотеза верна, то Метагалактика должна обладать собственным вращением. Правда, такое вращение является лишь необходимым, но еще недостаточным условием справедливости того механизма образования галактик, который предложен Мурадяном. Поэтому вращение Метагалактики само по себе еще не может служить доказательством того, что его гипотеза верна.

Однако возможность объяснения тех фактов, которые были обнаружены в связи с наблюдением двойных радиоисточников, вращением нашей Вселенной заставляет об этой гипотезе вспомнить.

Правда, справедливость требует заметить, что в научной печати появились сообщения, авторы которых подвергают результаты Берча сомнению. Сам Берч настаивает на их обоснованности. Впрочем, в этой дискуссии нет ничего удивительного. Когда речь идет о научных результатах, способных заметно повлиять на существующие фундаментальные представления о мироздании, необходимо их всестороннее обсуждение. Поэтому факты, свидетельствующие об отсутствии во Вселенной изотропии, нуждаются в самой тщательной проверке и перепроверке. Но если они подтвердятся, то это будет иметь огромное значение для современного естествознания.

И звезда с звездою «говорит»

В последние, годы в центре внимания современной астрофизики оказались так называемые «сильные» явления, во Вселенной, т. е. такие явления, которые сопровождаются выделением чрезвычайно большого количества энергии. Их исследование позволяет глубже понять особенности строения Вселенной, обнаружить неизвестные физические эффекты, познать новые фундаментальные законы.

Несколько лет назад аппаратура, установленная на искусственных спутниках Земли и высотных аэростатах, зарегистрировала загадочное явление — мощные вспышки гамма-излучения, идущего из глубин космического пространства. Эти вспышки носили характер коротких всплесков продолжительностью от долей секунды до нескольких десятков секунд. За год отмечалось от пяти до восьми подобных вспышек. Поражала их огромная мощность: мощность, выделяемая во время вспышек таинственными источниками, примерно в миллион раз превосходила мощность светового излучения Солнца и в десять раз мощность гамма-излучения всей нашей звездной системы — Галактики, в состав которой входят сотни миллиардов звезд. И это при том предположении, что неизвестные космические объекты, порождающие гамма-вспышки, расположены сравнительно недалеко в пределах нашего звездного острова. А если бы оказалось, что они находятся где-то в других галактиках, то выделяемая ими мощность достигала бы фантастического значения.

Довольно долго природа космических объектов, «ответственных» за возникновение гамма-вспышек, оставалась неизвестной. И только сравнительно недавно кое-что начало проясняться…

В конце 1978 г. к нашей космической соседке Венере были направлены две советские автоматические межпланетные станции — «Венера-11» и «Венера-12». На каждой из них, кроме аппаратуры для исследования планеты, были установлены специальные устройства для регистрации космического гамма-излучения — аппараты «Конус», созданные учеными Физико-технического института имени А. Ф. Иоффе АН СССР. Чувствительность этих приборов примерно в пятьдесят раз превосходила чувствительность гамма-аппаратуры, применявшейся раньше. Каждые два-три дня приборы отмечали всплески гамма-излучения глубин Вселенной. Всего за три месяца путешествия по маршруту Земля-Венера удалось зарегистрировать тридцать шесть гамма-вспышек — больше, чем за несколько предыдущих лет наблюдений.

Но самое интересное открытие было сделано 5 и 6 марта 1979 г. В эти дни аппаратура космических станций и искусственных спутников зарегистрировала две гамма-вспышки от одного и того же источника в созвездии Золотой Рыбы. Особенно любопытной оказалась первая из них: по своей мощности она примерно в тысячу раз превосходила все вспышки, отмечавшиеся когда-либо прежде. Излучение максимальной мощности длилось всего около четверти секунды. Однако чувствительный «Конус» сумел достаточно подробно зафиксировать всю картину — не только максимум, но и, как его называют астрофизики, «хвост» всплеска.

Когда ученые взглянули на график, они с изумлением увидели хорошо знакомую картину излучения рентгеновского пульсара…

Применение космических аппаратов, как уже было отмечено в гл. I, дало возможность приподняться над плотными слоями земной атмосферы, задерживающими подавляющее большинство космических электромагнитных излучений, и получить доступ к богатейшей информации, содержащейся в инфракрасных, ультрафиолетовых, рентгеновских и гамма-излучениях.

Особенно большой интерес представили астрофизические исследования в рентгеновском и гамма-диапазонах электромагнитных волн.

Изучение «рентгеновской Вселенной» началось в 1962 г., и к настоящему времени обнаружено уже большое число космических рентгеновских источников. Что они собой представляют? Какие космические объекты за ними скрываются? Какие физические процессы их порождают?

Оказалось, довольно разнообразные. Например, рентгеновское излучение может возникать при вспышках сверхновых звезд. Расширяющаяся оболочка «вспыхнувшей» звезды нагревает окружающую среду до очень высокой температуры, при которой возникает рентгеновское излучение.

Рентгеновское излучение порождается также перемещениями сгустков вещества в межзвездных магнитных полях и некоторыми другими физическими процессами в космосе.

Но, пожалуй, наибольший интерес представляют явления, происходящие в двойных системах. Как показывают наблюдения, почти половина всех звезд образует пары. Особенно любопытен тот случай, когда один из компонентов пары является нейтронной звездой.

Как известно, чтобы преодолеть земное притяжение, любое тело должно развить вторую космическую скорость 11.2 ^км/_с. И наоборот, если неподвижное тело начнет издалека свободно падать на нашу планету, то у поверхности оно разовьет как раз вторую космическую скорость — 11.2 ^км/_с. При ударе выделится энергия, равная той потенциальной энергии, которую тело имело в начальный момент.

Нейтронная звезда в сотни тысяч раз массивнее Земли, и вторая космическая скорость достигает для нее огромной величины — примерно 100 тыс. ^км/_с. Поэтому и энергия, которая должна выделиться при аккреции вещества на такую звезду, колоссальна.

Откуда же это вещество берется? Его поставляет второй Член двойной системы — обычная звезда. Выброшенные ею заряженные частицы плазмы вырываются в магнитосферу нейтронной звезды и выпадают на ее поверхность в районе магнитных полюсов. В этих местах происходит выделение гравитационной энергии, и на поверхности нейтронной звезды возникают «горячие пятна» с температурой в миллионы кельвинов. А при таких температурах генерируется электромагнитное излучение в рентгеновском диапазоне. Так как нейтронная звезда вращается, то эти излучающие зоны могут попадать в поле зрения земного наблюдателя попеременно через промежутки времени, зависящие от периода вращения звезды.

Так явления, о которых идет речь, выглядят в теории, А в действительности — во Вселенной?

Рентгеновские пульсары были в самом деле обнаружены в 1972 г. с помощью специальной аппаратуры, установленной на одном из искусственных спутников Земли. Но правомерен вопрос: а может быть, это одиночные объекты и механизм генерации рентгеновского излучения у них совсем иной?

Однако по меньшей мере два факта говорили в пользу изложенной выше модели.

Во-первых, оказалось, что излучение некоторых рентгеновских пульсаров иногда «выключается», а потом появляется вновь. Это явление можно объяснить затмениями в двойной системе, когда обычная звезда закрывает от нас нейтронную, преграждая путь ее рентгеновскому излучению. Разумеется, такие затмения могут происходить только в тех случаях, когда Земля расположена в той же плоскости, в которой движутся вокруг центра масс оба члена двойной системы.

Второе свидетельство в пользу двойных систем — периодические изменения частоты импульсов, испускаемых рентгеновским пульсаром. Обращаясь в двойной системе, нейтринная звезда то приближается к нам, то удаляется. Поэтому и рентгеновские импульсы приходят то чаще, то реже.

Правда, оба эти свидетельства являются в какой-то мере косвенными, однако в дальнейшем были получены и прямые подтверждения. С помощью оптических телескопов удалось обнаружить светящиеся звезды, составляющие пары с невидимыми нейтронными источниками рентгеновского излучения.

Не надо думать, что рентгеновский пульсар в двойной системе — это нечто абсолютно стабильное, раз навсегда данное. Как считают астрофизики, взаимодействие вещества, выброшенного обычной звездой, с магнитосферой нейтронной звезды проходит ряд последовательных этапов. Сперва генерируется импульсное радиоизлучение, похожее на радиоизлучение одиночного пульсара.

Но, видимо, развитие физических процессов в двойных системах далеко не всегда протекает строго последовательно.

В 1967 г. в созвездии Центавра неожиданно вспыхнул новый рентгеновский источник. В течение некоторого времени интенсивность его излучения постепенно нарастала, а затем стала также постепенно убывать. Затем тот же источник обнаружил себя еще дважды — в 1969 и 1974 гг. В последнем случае он наблюдался на протяжении десяти суток. При этом были обнаружены периодические колебания его «рентгеновской яркости» с периодом около семи минут. Иными словами, был открыт «кратковременный» рентгеновский пульсар.

Но самый интересный «кратковременный» рентгеновский источник был зарегистрирован в созвездии Единорога 3 августа 1975 г. Сперва он был едва заметен, однако уже через пять суток его блеск в рентгеновских лучах превзошел блеск самого яркого объекта рентгеновского неба — источника Скорпион Х-1, а через следующие пять суток он светил еще в пять раз ярче. Ничего подобного за все годы рентгеновских наблюдений Вселенной астрономы не отмечали.

А еще через несколько дней в том же месте была обнаружена слабенькая звездочка. Ее стали усиленно изучать и пришли к выводу, что и возникновение «кратковременных» рентгеновских источников также связано с какими-то физическими явлениями именно в двойных системах, где одним из компонентов является компактный объект, собирающий на себя вещество, выбрасываемое второй звездой. Вероятно, время от времени в силу еще не известных нам причин скорость аккреции может изменяться. В тех случаях, когда она резко возрастает, создаются условия, способствующие кратковременной вспышке рентгеновского излучения.

Правда, наблюдательных данных, прямо доказывающих, что все «кратковременные» источники рентгеновского излучения связаны с двойными системами, пока нет. И все же большинство астрономов склонны придерживаться именно такого объяснения. Тем более что мы не знаем вообще ни одного источника рентгеновского космического излучения в нашей Галактике, о котором можно было бы с уверенностью утверждать, что он является «одиночкой», т. е. не входит в двойную систему.

Но какие события в двойной системе могут вызвать усиление аккреции и кратковременную вспышку рентгеновского излучения?

Одно из возможных объяснений состоит в том, что соседом нейтронной звезды в двойной системе является пульсирующая звезда, которая то сжимается, то расширяется. В момент расширения такая звезда выбрасывает большое количество вещества, которое, попадая на нейтронную звезду, генерирует излучение в рентгеновском диапазоне.

Возможно также, что нейтронная звезда движется вокруг обычной по сильно вытянутой орбите, то удаляясь от нее, то приближаясь, вызывая тем самым периодические усиления и ослабления аккреции.

Таким образом, появление космических аппаратов, сделавших возможными наблюдения в рентгеновских и гамма-лучах, привело к открытию нового физического эффекта — механизма аккреции в двойных системах, который может оказаться ключом к объяснению целого ряда необычных явлений во Вселенной. Наблюдения с помощью гамма-аппаратуры на борту межпланетных станций «Венера-11» и «Венера-12» подтвердили это предположение.

Как уже говорилось, гамма-всплеск 5 марта оказался очень мощным — в течение четверти секунды поток гамма-излучения из созвездия Золотой Рыбы в несколько тысяч раз превосходил свечение в гамма-диапазоне всего неба! Затем в течение следующих шести минут излучение сделалось примерно в сто раз слабее, и в этот промежуток времени была отмечена его пульсация с периодом 8,1 с.

Таким образом, к тем одиннадцати рентгеновским пульсарам, которые считались надежно зарегистрированными к марту 1979 г., прибавился еще один пульсар, открытый советскими учеными. Но пульсар совершенно особого типа, первый космический объект подобного рода, обнаруженный астрофизиками.

Многое из того, что относится к этому объекту, связано со словом «впервые». Впервые зарегистрирована гамма-вспышка, при которой светимость источника нарастала столь стремительно — за тысячные доли секунды она увеличилась в три тысячи раз! Впервые был зафиксирован повторный гамма-всплеск от одного и того же объекта с интервалом всего четырнадцать часов! И наконец, впервые удалось прояснить физическую природу источника гамма-вспышки. Анализ полученных данных не оставлял никакого сомнения в том, что во время вспышки 5 марта действовал тот же самый физический механизм, который порождает и рентгеновские пульсары, — аккреция вещества, выброшенного одной из звезд в двойной системе, на нейтронную звезду.

Что же касается повторной вспышки, которая была примерно в сто раз слабее первой, то ее возникновение, по-видимому, связано с термоядерным процессом. При падении на нейтронную звезду вещество может разгоняться до огромных скоростей, достигающих одной трети скорости света. В результате удара вещества с такой скоростью о поверхность звезды выделяется колоссальная энергия. Вероятно, этот процесс аккреции и породил гамма-излучение, зарегистрированное 5 марта. Но вещество обычной звезды, падающее на нейтронную, — это главным образом водород и гелий. Оказавшись на поверхности нейтронной звезды, они нагреваются до очень высоких температур, при которых возникают термоядерные реакции. Правда, водородная реакция протекает довольно медленно, зато гелиевая может приводить к кратковременному выделению энергии, как раз примерно в сто раз меньшей, чем энергия, выделяющаяся при аккреции. Вполне возможно, что именно гелиевая термоядерная вспышка и породила повторный гамма-всплеск 6 марта.

В эти дни был впервые получен еще один чрезвычайно интересный результат. Дело в том, что одновременные наблюдения с борта нескольких космических станций, находящихся на значительных расстояниях друг от друга, позволяют намного повысить точность, с которой определяются положения источников гамма-излучения на небесной сфере.

Кроме «Венер» в космосе в это же время находился и советский искусственный спутник Земли «Прогноз-7», также оснащенный гамма-аппаратурой.

Гамма-всплеск 5 марта был отмечен всеми тремя космическими аппаратами. Благодаря этому удалось выяснить, что источник излучения находится в районе созвездия Золотой Рыбы и проецируется на окраинный район одной из ближайших к нам галактик — Большого Магелланова Облака. Но где источник расположен на самом деле — в нашей Галактике или в соседней?

Современные приборы еще не позволяют получить прямой ответ на этот вопрос. Поэтому приходится прибегнуть к логическим соображениям. Предположим, что источник гамма-всплеска 5 марта находится в Большом Магеллановом Облаке. Исходя из мощности зарегистрированного сигнала и зная расстояние до Большого Магелланова Облака, нетрудно подсчитать, что в подобном случае этот источник во время вспышки должен был излучать 10^{44 эрг}/_с (10³⁷ Вт) — чудовищную энергию, в несколько тысяч раз превосходящую энергию излучения Большого Магелланова Облака во всех диапазонах электромагнитных волн, вместе взятых! А ведь эта галактика состоит из миллиардов звезд. Очевидно, что подобное предположение выглядит весьма фантастично. Таким образом, скорее всего, счастливым обладателем этого феномена является наша собственная Галактика.

Итак, накапливается все больше данных, говорящих о том, что механизм аккреции в двойных системах является весьма универсальным, порождающим многие явления, наблюдаемые во Вселенной. Причем такие явления, которые сопровождаются выделением огромного количества энергии и, следовательно, оказывают особое воздействие на состояние космической среды.

Действие этого механизма может в разных конкретных условиях вызывать различные следствия. Этим, видимо, объясняется и различный характер возникающего электромагнитного излучения: в одних случаях правильно-переменное рентгеновское излучение (рентгеновские пульсары), в других — кратковременные вспышки в рентгеновском диапазоне, в третьих — мощные всплески гамма-излучения. При этом различие в физических условиях, влияющих на картину явления, должно быть очень заметным. Это видно хотя бы из того, что рентгеновские пульсары излучают на протяжении миллионов лет, а при гамма-вспышках вся энергия выплескивается почти мгновенно.

Для объяснения явлений, о которых идет речь, было предложено немало других гипотез, не связанных с двойными системами, Оригинальную попытку объяснить природу гамма-вспышек предприняла группа советских ученых из Института прикладной математики АН СССР и Института космических исследований АН СССР.

По современным представлениям, нейтронная звезда в момент образования имеет очень высокую температуру — порядка 10¹¹ кельвинов. Затем в результате бурного выброса нейтрино происходит довольно быстрое остывание звезды — буквально за несколько дней температура ее поверхности снижается до 10¹⁰, а за десяток лет — до 10⁹ кельвинов. Потом этот процесс протекает несколько медленнее. Когда температура снизится до 10⁸-10⁹ кельвинов, поверхностные слои нейтронной звезды становятся твердыми, возникает своеобразная кристаллическая корка. Иногда она может растрескиваться.

Таковы существующие представления. А гипотеза, о которой идет речь, состоит в следующем. Время от времени в подкорковом слое накапливается потенциально радиоактивное вещество. «Потенциально радиоактивное» — потому что, по предположению авторов гипотезы, в недрах нейтронной звезды в силу некоторых причин радиоактивный распад не идет. Однако при землетрясениях такое вещество по трещинам может выплескиваться на поверхность. Оказавшись снаружи, оно бурно распадается, этот распад сопровождается мощным гамма-излучением, которое и регистрируется на Земле как гамма-вспышка.

И все же объяснение, связанное с аккрецией вещества в двойных системах, выглядит более убедительно. Особенно после результата, полученного межпланетными станциями «Венера». А также потому, что с помощью механизма аккреции удается с единой точки зрения объяснить целый комплекс хотя и внешне разнородных явлений, но вызывающих сходные следствия — рентгеновское и гамма-излучение.

Разумеется, еще предстоит ответить на ряд фундаментальных вопросов. Какой физический процесс способен вызвать усиление рентгеновской светимости источника в десятки тысяч раз за тысячные доли секунды? Связаны ли гамма-вспышки с изменением скорости аккреции? Если да, то почему эта скорость может изменяться?

И так далее…

Разумеется, отдельные космические объекты, расположенные на огромных расстояниях от Земли, практически не оказывают на земные условия никакого влияния. Но Вселенная — это совокупность колоссального множества различных объектов, в том числе и проявляющих разные степени активности. Их совокупная «деятельность» во многом определяет физическое состояние космической среды нашего обитания. Поэтому изучение подобных объектов представляет для нас особый интерес.

Загадочный фон

Наблюдая Вселенную в световых лучах, мы видим звезды, галактики, скопления галактик. Оптические объекты нашей Вселенной сгруппированы в определенные структурные образования. Аналогичную картину мы обнаруживаем в инфракрасном, ультрафиолетовом и радиодиапазонах электромагнитных волн. Исключение составляет уже знакомое нам реликтовое излучение, обладающее изотропным характером.

Однако существует и еще одно исключение подобного же рода — фоновое рентгеновское излучение. Это излучение, обнаруженное в 60-е годы, подобно реликтовому, также равномерно заполняет все небо.

Невольно напрашивается предположение о какой-либо связи, существующей между этими двумя изотропными «свечениями» Вселенной. Однако подобное предположение приходится сразу отвергнуть — ведь ультракоротковолновое радиоизлучение и рентгеновское излучение порождаются в природе совершенно различными физическими процессами.

Происхождение реликтового излучения к настоящему времени изучено достаточно хорошо. Что же касается рентгеновского фона, то его природа до сих пор остается загадкой.

Проще всего было бы предположить, что диффузный рентгеновский фон обязан своим происхождением тормозному излучению электронов в разреженной высокотемпературной плазме, заполняющей межгалактическое пространство. Однако непосредственные доказательства того, что такая плазма существует, в распоряжении современной астрономии отсутствуют.

Кстати, если бы подобный механизм в самом деле действовал, то это привело бы нас к фундаментальным выводам относительно дальнейшей эволюции нашей Вселенной. Предварительные подсчеты показывают, что межгалактическая плазма, порождающая фактически наблюдаемое рентгеновское фоновое излучение, должна была бы обладать плотностью, близкой к «критической», т. е. к тому значению средней плотности материи во Вселенной, которое согласно общей теории относительности необходимо для того, чтобы остановить разбегание галактик.

Если источник того или иного излучения нам неизвестен, и мы вынуждены судить о его природе косвенным путем, то прежде всего необходимо обратить внимание на свойства этого излучения. В пределах точности, доступной лучшим современным приемникам рентгеновского излучения, никаких колебаний интенсивности рентгеновского фона обнаружить не удалось. О чем говорит подобная изотропия излучения? О том, что его источник либо расположен в непосредственной близости от нас, и мы находимся «внутри» его излучения, либо на очень и очень большом удалении. Поскольку наличие мощного рентгеновского источника в окрестностях Солнечной системы заведомо исключается, то остается только вторая возможность.

Но вспомним: чем с больших космических расстояний приходит к нам то или иное излучение, тем более отдаленные в прошлое явления оно отражает. Поэтому есть веские основания предполагать, что возникновение рентгеновского фона (подобно возникновению реликтового излучения) связано с какими-то космологическими процессами, обусловившими формирование крупномасштабной структуры Вселенной.

В частности, существует гипотеза, согласно которой диффузное рентгеновское излучение порождается большим числом достаточно мощных дискретных рентгеновских источников, более или менее равномерно распределенных на небесной сфере и расположенных на очень больших расстояниях от Земли.

Но тогда возникает новый вопрос: что могут представлять собой эти источники, какова их природа? Галактики здесь не годятся. Они состоят из звезд, а изучение Солнца показало, что обычные, нормальные звезды являются весьма слабыми источниками рентгеновского излучения. Поэтому даже сотни миллиардов звезд, входящих в галактики, не могли бы обеспечить наблюдаемой интенсивности рентгеновского фона. Правда, в последние годы было установлено, что богатые скопления галактик являются источниками рентгеновского излучения, которое порождается механизмом тормозного излучения в горячей плазме, заполняющей объем таких скоплений. Однако, если учесть концентрацию скоплений галактик во Вселенной, то и этот источник оказывается явно недостаточным… Значит — не галактики.

Больше всего на роль дискретных рентгеновских источников, необходимых для генерирования диффузного рентгеновского фона, подходят квазары. Как показывают наблюдения, большинство квазаров являются мощными генераторами рентгеновского излучения. Достаточно сказать, что один квазар излучает в рентгеновском диапазоне в 1000 раз больше энергии, чем ее излучают в оптическом диапазоне все звезды нашей Галактики.

Квазары — весьма удаленные объекты. Некоторые из них расположены на расстояниях, намного превосходящих расстояния до самых далеких галактик. Поэтому, вероятно, большинство квазаров недоступно наблюдению современными средствами. Однако статистические подсчеты, основанные на распределении в пространстве известных нам квазаров, говорят о том, что значительная доля рентгеновского фона (а возможно, и весь этот фон) генерируется именно далекими квазарами, которые мы по отдельности наблюдать пока не можем.

В нейтринном «свете»

В этой главе мы познакомились с некоторыми результатами изучения Вселенной в различных диапазонах электромагнитных волн и могли убедиться в том, что освоение каждого нового канала космической информации вело к новым интереснейшим открытиям.

На фоне этих открытий достижения нейтринной астрофизики выглядят, быть может, намного скромнее. В сущности говоря, пока что получен только один реальный результат: поток солнечных нейтрино, которые должны рождаться в недрах нашего дневного светила в ходе термоядерных реакций, оказался значительно менее интенсивным, чем следует из теоретических соображений.

Результат, что и говорить, весьма интригующий и все еще ожидающий своего объяснения. В чем тут дело — в несовершенстве ли наших представлений о внутреннем строении Солнца или в том, что не учитываются некоторые свойства самих нейтрино, в частности, возможность того, что эти частицы обладают массой покоя, пока неясно.

Но изучение Солнца отнюдь не исчерпывает заманчивых возможностей нейтринной астрономии. Вообще, нормальные звезды являются источниками нейтрино низких энергий, и если учесть огромные расстояния до этих небесных тел, то регистрация потоков нейтрино от отдельных звезд представляется весьма трудноразрешимой в техническом отношении задачей: ведь эти частицы очень слабо взаимодействуют с веществом.

Правда, на заключительных этапах существования массивных звезд с массой в 20 — 30 масс Солнца при гравитационном коллапсе этих объектов, как показал Я, Б. Зельдович, могут возникать условия, при которых генерируются кратковременные нейтринные вспышки длительностью около 20 секунд. При этом испускаются нейтрино с энергией порядка 10–15 МэВ. Такие вспышки в принципе могут быть зарегистрированы.

Но, пожалуй, наиболее перспективна нейтринная астрономия высоких энергий — от 50 — 100 ГэВ и выше. Эта астрономия пока еще только зарождается, но о том, какого рода сведения она способна нам принести, можно судить уже сейчас, поскольку физические процессы, способные порождать нейтрино подобных энергий, нам известны. Такие нейтрино должны рождаться в результате взаимодействия ускоренных высокоэнергичных частиц с газом или электромагнитным излучением.

Где во Вселенной это может происходить? Например, при прохождении протонов высоких энергий, которые входят в состав космических лучей, через большие толщи газа. Столкновение таких протонов с атомными ядрами приводит к рождению заряженных пи-мезонов (пионов), при распаде которых появляются нейтрино.

Возможен и другой процесс. Многие космические объекты являются источниками интенсивных электромагнитных излучений. Вблизи этих объектов плотность фотонов может быть настолько велика, что протоны высоких энергий, многократно сталкиваясь с ними, растрачивают всю свою энергию. Это также приводит к рождению пионов, а затем и появлению нейтрино.

Важно отметить, что механизмы, о которых идет речь, рождают не только нейтрино, но и гамма-излучение. Однако при всей своей энергии гамма-фотоны не всегда достигают Земли. Потому ли, что объект, где они возникают, для гамма-излучения непрозрачен, или же в связи с расстоянием, столь большим, что гамма-фотоны поглощаются в межгалактическом пространстве прежде, чем дойдут до нас. В подобных случаях нейтринный вестник космических процессов может принести особенно интересную информацию.

Что же касается тех космических объектов, которые способны ускорять заряженные частицы и порождать протоны высоких энергий, то они могут иметь различную природу. Вообще говоря, ускорителями частиц являются все сколько-нибудь активные космические объекты. Частицы могут ускоряться в межзвездной и межпланетной среде, на Солнце, в магнитосфере Юпитера и даже Земли. Но особенно мощными ускорителями заряженных частиц являются вспышки сверхновых звезд и активные физические процессы, происходящие в ядрах галактик и квазарах.

Большой интерес представила бы также регистрация реликтовых нейтрино, которые согласно существующей теории могли возникать на некоторых этапах ранней стадии эволюции Вселенной. Изучение подобных нейтрино не только позволило бы еще раз проверить справедливость этой теории, но и помогло бы глубже разобраться в тонкостях происходивших в отдаленном прошлом физических процессов.

Новое тело в Солнечной системе

До сих пор в этой главе речь шла о тех новых данных, которые принесло современной астрономии овладение методами наблюдений в различных диапазонах электромагнитных излучений. Конечно, и эти данные, как и любые данные наблюдений, «вливаются» в общую картину Вселенной только тогда, когда их удаётся осмыслить с позиций определенных научных теорий. Но есть и такие проблемы, в которых теоретические исследования играют особенно важную роль, и именно они ведут к новым открытиям.

Одной из таких проблем является вопрос о «пределах» планетной семьи Солнца.

Как известно, каждая из планет Солнечной системы, перемещаясь по своей орбите, испытывает притяжение не только со стороны Солнца, но и со стороны других планет, обращающихся вокруг дневного светила. Благодаря этому наблюдаются так называемые возмущения — небольшие отклонения планетных орбит от тех, по которым двигалась бы каждая из планет, находись она в одиночестве.

Так как взаимное расположение планет постоянно изменяется, то и картина возмущений планетных движений весьма сложна и в целом не поддается абсолютно точному расчету. Однако при некоторых упрощающих предположениях возмущения, по крайней мере со стороны ближайших планет, могут быть вычислены. Возможно решение и обратной задачи — по наблюдениям возмущений орбиты той или иной планеты можно определить массу и положение в пространстве возмущающего тела.

Именно таким путем была в свое время открыта восьмая планета Солнечной системы — Нептун. К концу первой половины XIX в. в движении седьмой планеты — Урана были обнаружены такие отклонения, которые никак нельзя было объяснить притяжением уже известных планет, обращающихся вокруг Солнца. Оставалось предположить, что на Уран влияет какая-то еще неизвестная «заурановая» планета. Исходя из этого, французский ученый У. Леверье и английский ученый Дж. Адамс рассчитали, где и когда должна находиться неизвестная планета. Следуя этим указаниям, немецкий астроном И. Галле действительно обнаружил новую планету, которая и получила название Нептун. В начале текущего века американский астроном П. Ловелл по возмущениям орбиты Нептуна вычислил орбиту девятой планеты — Плутона, которая и была открыта в 1930 г.

Однако возмущения, вызываемые Плутоном, не могут объяснить всех тех возмущений, которые наблюдаются в движении Нептуна. Зарегистрированы «незапланированные» возмущения и у орбиты самого Плутона. Это давало основания предполагать, что за орбитой 9-й планеты Солнечной системы существует еще какое-то неизвестное тело. Тем не менее обнаружить это тело или получить о нем какие-либо более точные сведения долгое время не удавалось. Однако наблюдения за траекториями движения американских космических аппаратов «Пионер» и «Вояджер» обнаружили довольно значительные отклонения от расчетных орбит. Последующие вычисления показали, что эти отклонения с большой степенью вероятности могут быть объяснены воздействием со стороны неизвестного объекта, расположенного за орбитой Плутона, с массой, превосходящей массу Земли и, быть может, достигающей массы Солнца. Согласно предварительным данным находится это тело на расстоянии от нескольких сотен миллиардов до триллиона километров от Солнца. Это в несколько десятков тысяч раз больше, чем расстояние Земли от Солнца.

Интересно отметить, что несколько лет назад был обнаружен еще один любопытный эффект, возможно, также указывающий на существование в окрестностях Солнечной системы какого-то массивного тела. Этот эффект связан с наблюдением пульсаров. Пульсары — это быстровращающиеся нейтронные звезды. Вследствие вращения регистрируемое радиотелескопами остронаправленное радиоизлучение таких звезд представляет собой серии радиоимпульсов, следующих один за другим (рис. 10). Но так как со временем скорость вращения пульсаров изменяется, то изменяется и частота принимаемых на Земле радиоимпульсов.

Было замечено, что у пульсаров, расположенных в одной половине небесной сферы, эта частота изменяется медленнее, чем у пульсаров, расположенных в другой ее половине. Совершенно очевидно, что подобный эффект не может быть присущ самим пульсарам, а как-то связан с условиями их наблюдения. Одной из возможных причин и является присутствие в окрестностях Солнечной системы достаточно массивного тела. Если такое тело действительно существует, то Солнечная система должна определенным образом смещаться относительно центра масс системы «Солнце — массивное тело». Именно это ускоренное движение и может вызывать тот эффект в наблюдаемом радиоизлучении пульсаров, о котором идет речь.

Естественно возникает вопрос: что представляет собой неизвестное тело, какова его физическая природа? Пока на этот счет можно только строить предположения. В частности, не исключено, что загадочный объект является черной дырой.

Согласно расчетам И. Д. Новикова и Н. С. Кардашева, одна из черных дыр, возможно, образовавшихся на ранней стадии эволюции Вселенной и обладающих сравнительно небольшими массами, может находиться как раз на таком расстоянии от Солнца, на каком предположительно расположено то неизвестное тело, о котором мы только что говорили. Но черные дыры можно наблюдать только по некоторым побочным эффектам, например по эффектам, возникающим вследствие падения на них окружающего вещества. Однако в той области пространства, где находится неизвестное тело, межзвездная среда настолько сильно разрежена, что обнаружить подобный эффект практически невозможно.

Прежде всего, астрономам предстоит по имеющимся данным определить, в каком направлении относительно Солнца находится неизвестный объект, и постараться его непосредственно обнаружить. Если это не черная дыра, а обычное космическое тело — такая задача в принципе вполне разрешима.

Если предварительные выводы ученых подтвердятся, изменит ли это что-либо в окружающем нас мире? Внешне как будто ничего. Но это позволит лучше понять прошлое нашей Солнечной системы, историю ее образования. В частности, академик О. Ю. Шмидт — автор широко известной теории происхождения Земли и планет из холодного газово-пылевого облака — первоначально считал, что это облако было захвачено Солнцем во время его «путешествия» по Галактике. Однако в дальнейшем Шмидт отказался от этой идеи, поскольку, согласно законам механики, захват в системе двух тел невозможен, а в те годы, когда Шмидт создавал свою теорию, реального кандидата на роль «третьего» тела, которое обладало бы необходимой массой и находилось на достаточно близком расстоянии от Солнца и облака, в науке не существовало.

Но если подтвердится, что Солнце в самом деле является одним из компонентов двойной системы и неизвестное тело сравнимо с ним по массе, то положение кардинальным образом изменится и захват облака в принципе может оказаться возможным…

Присутствие массивного тела в Солнечной системе должно оказать определенное влияние на ее дальнейшую эволюцию, и хотя это влияние, скорее всего, может сказаться лишь в очень отдаленном будущем, а может и вообще оказаться несущественным, астрономам в своих расчетах придется принимать его во внимание. Это сделает прогнозирование будущих состояний Солнечной системы более точным и надежным.

Черные дыры

«Первый свой опыт я проделал над куском белой шерстяной материи. До чего же странно было видеть, как эта белая материя постепенно таяла, как струя пара, и затем совершенно исчезла! Мне не верилось, что я это сделал. Я сунул руку в пустоту и нащупал материю, столь же плотную, как и раньше. Я нечаянно дернул ее и она упала на пол. Я не сразу ее нашел»[12]).

Так герой научно-фантастического романа знаменитого английского писателя Герберта Уэллса осуществляет свой первый опыт. Он изобрел способ делать невидимыми различные тела, а затем превратил в невидимку и самого себя.

Любой предмет мы видим потому, что он отражает некоторую часть падающего на него света. Предмет, который бы никаких лучей не отражал, а был для них абсолютно прозрачен, оказался бы невидимым. Однако материальных объектов, удовлетворяющих подобным условиям и существующих в нашем обыденном мире, мы не знаем.

Тем не менее объекты-невидимки, полностью поглощающие любые излучения, а сами абсолютно ничего не излучающие, в принципе могут существовать!..

Двадцатый век принес с собой целый ряд удивительных открытий в области физики и астрономии. Многие из них с трудом укладываются в наши обыденные представления об устройстве окружающего мира, а иногда и вступают с этими представлениями в прямое противоречие.

Но таков закономерный путь развития естествознания. Идет своеобразная цепная реакция: обнаруживаются диковинные явления, а их дальнейшее изучение и осмысление приводит к открытию явлений еще более поразительных…

К числу таких явлений, оказавшихся в последние годы в центре внимания современной астрофизики, относятся и черные дыры. Одно название чего стоит: дыры во Вселенной, да еще черные!..

В начале века А. Эйнштейн разработал одну из наиболее фундаментальных физических теорий — теорию относительности. Собственно говоря, существуют две теории относительности: специальная и общая. Специальная теория (СТО) занимается изучением явлений, происходящих при больших скоростях, близких к скорости света. Общая теория относительности (ОТО) — ее иногда называют эйнштейновской гравитационной теорией — это теория тяготения, пространства и времени, представляющая собой обобщение ньютоновской теории тяготения.

Одним из главных выводов этой теории является вывод о тесной связи между геометрическими свойствами пространства, темпом течения времени и распределением массы. В частности, любые массы искривляют пространство и тем сильнее, чем эти массы больше.

Как известно, классическая физика Ньютона рассматривала пространство Вселенной как пустое «вместилище», в котором расположены небесные тела, взаимодействующие по закону всемирного тяготения.

Если бы из мира исчезла вся материя, говорил Эйнштейн, формулируя для широкой публики различие между классической физикой и общей теорией относительности, то с точки зрения физики Ньютона пространство и время сохранились бы. С точки зрения общей теории относительности с исчезновением материи исчезли-бы пространство и время.

Нет абсолютного пространства и абсолютного времени, единых для всей Вселенной. И пространство, и время — формы существования материи.

Еще в довоенные годы физики рассмотрели любопытную теоретическую возможность: если очень большая масса вещества оказывается в сравнительно небольшом объеме, то под действием собственного тяготения это вещество начинает неудержимо сжиматься. Наступает катастрофа — гравитационный коллапс — падение вещества в точку, где плотность в принципе может достигнуть чуть ли не бес конечной величины…

В процессе коллапса растет концентрация массы, растет в соответствии с общей теорией относительности и кривизна. Дело в том, что сильные поля тяготения существенным образом искривляют пространство в сфере своего действия. Это может проявляться, например, в отклонении от прямолинейного распространения световых лучей вблизи каких-либо масс, в частности, в отклонении света далеких звезд при его прохождении вблизи Солнца.

В конце концов, в результате сжатия наступает момент, начиная с которого ни один физический сигнал не может «вырваться» изнутри коллапсирующего образования наружу, и для внешнего наблюдателя оно как бы перестает существовать. Вот такой объект и называется черной дырой. От него к нам не поступает никакая информация. Ведь любая информация должна иметь «материального носителя» — она не может распространяться сама собой.

Правда, тут следует сделать оговорку. Хотя непосредственно обнаружить черную дыру невозможно, она, строго говоря, невидимкой в том смысле, который вкладывал в это понятие Уэллс, все же не является: мы не можем видеть сквозь нее. Отсюда и название — черная дыра.

Возможно, именно по этой причине теоретическое исследование, о котором шла речь выше, было выполнено по принципу: «рассмотрим некоторую воображаемую ситуацию и попытаемся выяснить, что из нее получается….». О существовании во Вселенной реальных черных дыр в то время не было никаких фактических данных.

Заметим, кстати, что принципиальная возможность существования объектов типа черных дыр вытекает и из обычной классической механики. На это обратил внимание в конце XVIII в. П. Лаплас. Но полная теория физических процессов, происходящих в черных дырах, может быть построена только с позиций общей теории относительности.

В последние десятилетия в глубинах космоса был открыт целый ряд явлений, которые говорят о возможности концентрации огромных масс вещества в сравнительно небольших областях пространства. В связи с этим астрофизики снова вспомнили о гравитационном коллапсе и пришли к выводу, что существует ряд космических процессов, которые в принципе могут приводить к образованию черных дыр.

Черные дыры привлекают к себе внимание не только потому, что в них могут достигаться чудовищно большие плотности, но и потому, что в районе этих объектов, возможно, приобретают совершенно удивительные, экзотические свойства пространство и время.

Одно из существенных различий между теориями тяготения Ньютона и Эйнштейна состоит в том, что гравитационные силы определяются в этих теориях различными формулами. Формула, выражающая закон тяготения Ньютона, общеизвестна:

где G — постоянная тяготения, Mm — массы взаимодействующих тел, a R — расстояние между их центрами. Именно с такой силой, например, звезда массы М, с точки зрения классической теории тяготения, притягивает тело массы m, расположенное на ее поверхности.

В теории тяготения Эйнштейна сила тяготения определяется иной формулой:

где с — скорость света в пустоте.

Различие этих формул определяет и разный характер поведения силы тяготения в тех или иных ситуациях. Рассмотрим, например, случай, когда звезда массы М сжимается в точку, т. е. расстояние между ее центром и центром тела массы т сокращается.

Согласно формуле (4), сила тяготения при этом будет соответственно расти, оставаясь в то же время конечной при любом конечном расстоянии.

Иным будет поведение силы тяготения, рассчитанной по формуле (5). При определенной величине R=r_g выражение под корнем в знаменателе обращается в нуль, а F_э — в бесконечность.

Подсчитаем величину r_g:

Эта величина получила название гравитационного радиуса. Если R намного больше, чем r_g, то выражение под корнем в знаменателе формулы (5) мало отличается от единицы, так как с² — величина очень большая и дробь пренебрежимо мала. В этом случае формула (5) практически совпадает с формулой (4). Однако по мере того, как R приближается к r_g, различие становится все более существенным. И при R = r_g сила тяготения, как мы уже знаем, становится бесконечно большой.

Можно подсчитать, что для массы Солнца гравитационный радиус равен 3 км, для массы Земли — 0,9 см; а для массы нашей Галактики — 10¹¹ км, в то время как действительные радиусы этих объектов соответственно равны 700 тыс. км, 6400 км и 9·10¹⁷ км. Таким образом, размеры «обыкновенных» космических объектов — планет, звезд, галактик, как правило, в миллионы и миллиарды раз больше их гравитационных радиусов. Отсюда, между прочим, следует, что для небесных тел, сходных с Землей или Солнцем, эффекты общей теории относительности (ОТО) весьма невелики, и практически их можно не принимать во внимание.

Отметим одно любопытное обстоятельство. Хотя гравитационные радиусы Земли и Солнца весьма заметно отличаются от их реальных радиусов, тем не менее они имеют конечные значения. Возникает вопрос: чему равна сила тяготения F_э на расстояниях, еще меньших, чем r_g? Ведь уже при r_g она равна бесконечности. Все дело в том, что в наших расчетах мы вычисляли силу тяготения, действующую на покоящееся «пробное» тело массы М. В действительности же сфера радиуса r_g — так называемая сфера Шварцшильда — обладает тем свойством, что любое тело, оказавшееся на ее поверхности или внутри нее, не может оставаться неподвижным — оно должно падать внутрь…

Следовательно, если любое тело окажется на сфере Шварцшильда (иногда ее называют «горизонтом черной дыры»), то оно будет двигаться только внутрь черной дыры.

Свойства невращающихся черных дыр, образовавшихся в результате коллапса, зависят только от двух параметров: массы и электрического заряда. Все остальные возможные различия, связанные с распределением коллапсирующей массы в пространстве, вещественным составом и т. п., в процессе коллапса полностью исчезают. Поэтому по состоянию такой черной дыры в данный момент невозможно восстановить ее предысторию.

Рассмотрим ситуацию, которую нередко используют авторы научно-фантастических произведений в качестве «физической предпосылки» для развития событий. Звездолет неосторожно приблизился на критическое расстояние к черной дыре, и его «затянуло» под сферу Шварцшильда. Может ли в такой ситуации экипаж предпринять какие-либо эффективные меры для своего спасения? К сожалению, таких мер не существует. И не более чем через 10^-5 (М/Мс) секунд (где М — масса черной дыры, а Мс — масса Солнца) звездолет попадет в центр черной дыры.

Более того, любая попытка с помощью двигателей затормозить падение приведет к противоположному результату. Дело в том, что согласно специальной теории относительности ускоренное движение приводит к так называемому лоренцеву замедлению времени. И по часам экипажа звездолет достигнет сингулярности за еще более короткий промежуток времени.

А может ли какое-либо тело обращаться вокруг черной дыры по окружности? Для этого, очевидно, необходимо, чтобы падение тела к центру черной дыры под действием ее притяжения в каждый данный момент компенсировалось соответствующим его перемещением в направлении, перпендикулярном радиусу орбиты. Как показывают расчеты, для обеспечения кругового движения на расстоянии, равном 3r_g от центра черной дыры, тело должно обладать орбитальной скоростью, равной половине скорости света, а на расстоянии, равном 1,5r_g, орбитальная скорость должна равняться световой.

Из этого следует, что на еще более близком расстоянии круговое движение вообще оказывается невозможным — ведь для его поддержания потребовалась бы сверхсветовая скорость.

В действительности круговое движение оказывается невозможным уже даже на расстоянии 3r_g, так как на подобном расстоянии движение по окружности вокруг черной дыры является неустойчивым. Это значит, что сколь угодно малые возмущения должны привести к тому, что тело покинет круговую орбиту и либо упадет в черную дыру, либо улетит от нее. Впрочем, прежде чем это произойдет, тело может совершить большое число оборотов вокруг черной дыры.

Одной из причин, которая может заставить тело, обращающееся вокруг черной дыры, покинуть круговую орбиту, является излучение уже знакомых нам (см. гл. I) гравитационных волн, существование которых предсказано ОТО. Согласно этой теории, гравитационные волны должны возникать при любом ускоренном движении тел и уносить определенное количество энергии. При обычных взаимных движениях астрономических тел, происходящих в соответствии с законом тяготения Ньютона, излучение гравитационных волн обладает чрезвычайно слабой интенсивностью. Однако при круговом движении тела вокруг черной дыры на достаточно близком расстоянии от нее оно становится существенным. Теряя энергию на гравитационное излучение, тело будет постепенно приближаться к черной дыре и, достигнув расстояния, равного 3r_g, окажется на неустойчивой орбите. Дальнейшее излучение гравитационных волн приведет к тому, что тело сойдет с круговой орбиты и «провалится» в черную дыру.

В рамках теории тяготения Ньютона захват в системе двух тел, как уже было отмечено в предыдущем разделе, невозможен. Тело, приближающееся извне к некоторой массе, обладающей гравитационным полем, должно либо упасть на нее, либо пройти мимо неё по гиперболе или параболе. Иная картина возникает в том случае, если какое-либо тело приближается со стороны к черной дыре со скоростью, значительно уступающей скорости света. Если при этом оно подойдет к окружности, радиус которой равен 2r_g, то прежде, чем улететь обратно в космос, это тело совершит вокруг черной дыры большое число оборотов — произойдет как бы «временный захват». Но может произойти и полный — в том случае, если движущееся тело подойдет к окружности с радиусом 2r_g вплотную. При такой ситуации орбита движущегося тела будет неограниченно навиваться на эту окружность.

Итак, черные дыры — это объекты, радиус которых равен гравитационному радиусу для данной массы. Иначе можно сказать, что все вещество черной дыры находится внутри сферы Шварцшильда. Поэтому эффекты ОТО играют для таких объектов решающую роль. В столь сильных гравитационных полях свойства пространства описываются уже не привычной нам евклидовой геометрией, а так называемой римановой геометрией, в которой хорошо знакомые нам геометрические соотношения оказываются недействительными.

В области черных дыр совершенно необычным образом протекают и временные процессы. Согласно общей теории относительности, в сильных гравитационных полях течение времени замедляется. Поэтому ход физических процессов в черной дыре и вблизи нее для наблюдателя, находящегося на большом расстоянии в обыкновенной среде, и для наблюдателя «вблизи» и «внутри» черной дыры будет выглядеть по-разному. Для внешнего наблюдателя процесс сжатия коллапсирующего вещества будет протекать бесконечно длительное время. А момента вхождения массы «под» гравитационный радиус он вообще не дождется, так как вблизи границы черной дыры время останавливается.

Иную картину увидел бы воображаемый наблюдатель, падающий вместе с веществом в черную дыру. Он за конечный промежуток времени достиг бы гравитационного радиуса и продолжал падение к центру черной дыры.

Таким образом, ход времени вне черной дыры и внутри нее оказывается качественно различным. С точки зрения обычной «земной» логики и здравого смысла, опирающегося на круг явлений, привычных для человека и протекающих в привычной для него среде обитания, эти рассуждения о неодинаковом ходе времени могут показаться странными и противоречивыми. Тем не менее они соответствуют реальности.

Еще одно принципиальное отличие между теорией тяготения Ньютона и ОТО состоит в следующем. С точки зрения классической теории гравитационное поле центральносимметричного тела, например шара, не зависит от того, неподвижен этот шар или он вращается. Другими словами, в классической физике поле тяготения полностью определяется распределением масс в данный момент.

Иначе обстоит дело в гравитационной теории Эйнштейна. Как мы уже знаем, при отсутствии вращения сила тяготения обращается в бесконечность на сфере Шварцшильда. Однако, если черная дыра (будем для простоты считать ее сферической) вращается, то обращение силы тяготения в бесконечность происходит на некоторой поверхности, охватывающей сферу Шварцшильда. Эта поверхность получила название границы эргосферы, а пространство, заключенное между нею и сферой Шварцшильда, называется эргосферой.

Любое движущееся тело, оказавшееся внутри эргосферы или на ее поверхности, будет увлекаться в движение вокруг черной дыры. При этом оно может как приближаться к сфере Шварцшильда, так и удаляться от нее, а также пересекать границу эргосферы в разных направлениях.

В частности, если какая-нибудь частица, оказавшаяся в эргосфере, распадается на две частицы, то одна из них может быть поглощена черной дырой, а другая вылететь наружу, увеличив за этот счет свою кинетическую энергию. Таким образом, из области эргосферы может происходить частичный возврат энергии, накопленной черной дырой. Хотя, как показывают расчеты, подобный механизм «выкачивания» энергии не слишком эффективен.

Во вращающихся и заряженных коллапсирующих объектах фаза сжатия может смениться фазой расширения. А это, в свою очередь, может привести к образованию «белой дыры». Н. С. Кардашев предложил «мысленный эксперимент», наглядно иллюстрирующий свойства черных и белых дыр. Он рассмотрел ощущения воображаемого наблюдателя, погружающегося на космическом корабле в заряженную черную дыру. Оказывается, такой «путешественник» никогда не возвратится в свой мир. Проникновение в заряженную черную дыру с последующим выходом в белую дыру будет соответствовать путешествию на «машине времени», которая проходит бесконечно большие расстояния за конечные промежутки времени и преодолевает в конечном интервале собственного времени (времени, протекающего для наблюдателя) бесконечно большие интервалы времени для «внешних» наблюдателей. В этом путешествии наблюдатель «выныривает» как бы в «абсолютном будущем» — в мире, которым, может быть, станет наш мир через невообразимо огромные промежутки времени. Мало того, возможно, что этот «новый» мир не связан с нашим миром никаким простым пространственно-временным образом, а отделен от него бесконечным интервалом времени. И в него обычным способом нельзя попасть никогда.

Очень интересны эффекты, сопутствующие такому воображаемому путешествию. Н. С. Кардашев отмечает, что наблюдатель на космическом корабле во время погружения в черную дыру увидит все будущее нашей Вселенной, а при выходе из белой дыры — все прошлое «новой» Вселенной.

А как обстоит дело с «захоронением» вещества внутри черных дыр? Так ли оно бесповоротно? Или при каких-то обстоятельствах это вещество все же может «возвращаться» во Вселенную?

В 1974 г. было теоретически показано, что квантовые эффекты, связанные с черными дырами, должны приводить к тому, что и эти объекты излучают подобно абсолютно черному телу с температурой, не равной нулю, и тем самым теряют свою массу (испаряются). Однако более или менее ощутимым такое излучение может быть только для черных «мини-дыр», т. е. дыр с массой в миллиарды миллиардов раз меньше солнечной. Так, дыра с массой порядка нескольких миллиардов тонн может полностью испариться за 10 млрд. лет, т. е. за срок, сравнимый с возрастом нашей Вселенной. В современную эпоху подобные «мини-дыры» в нашей Вселенной вряд ли могут возникать, по крайней мере для этого не видно соответствующих физических процессов. Но на ранней стадии расширения их возникновение, вероятно, было возможно. Однако к нашему времени такие реликтовые черные дыры должны были полностью испариться. Что же касается черных дыр с несколько большими массами, то они в принципе могли «дожить» и до нашего времени. Сейчас подобные объекты должны переживать заключительную стадию своей эволюции, а именно бурно «испаряться». Однако поиски подобных объектов пока что не принесли успеха.

До сих пор речь шла, так сказать, о теоретической стороне дела. Однако для того, чтобы убедиться в том, что черные дыры не просто «теоретическая возможность», а действительно существующие во Вселенной объекты, надо обнаружить хотя бы одну реальную черную дыру.

Как показывают теоретические расчеты, в черные дыры в принципе могут на заключительных стадиях своей эволюции превращаться звезды с массой в 3 и более раз превосходящей массу Солнца. Есть несколько космических объектов, которые находятся «на подозрении». Однако даже относительно наиболее вероятного кандидата в черные дыры такого рода — рентгеновского источника в созвездии Лебедя полной уверенности все же нет, хотя наблюдения этого объекта и не противоречат гипотезе о черной дыре.

Дело в том, что картина, которая наблюдается, в принципе может иметь и другие объяснения. По мнению некоторых ученых, образование черных дыр в результате «умирания» массивных звезд вообще представляет собой довольно редкое явление.

«Звезда, — пишет академик В. Л. Гинзбург, — может окончить свой жизненный путь одним из четырех способов: взорваться без остатка, превратиться в белый карлик, превратиться в нейтронную звезду и, наконец, стать черной дырой. Возможно, и некоторые известные из литературы расчеты подкрепляют это предположение, что конечное состояние в форме черной дыры достигается лишь при редком стечении условий и параметров»[13]).

Впрочем, коллапс массивных звезд — не единственная возможность образования черных дыр во Вселенной. Вернемся к обсуждавшемуся в предыдущей главе вопросу о природе квазаров и ядер галактик.

Прибегая к известной кибернетической терминологии, можно сказать, что «сердцевины» или, как их называют, «керны» этих объектов представляют собой «черные ящики», т. е. образования, внутреннее устройство которых нам неизвестно, и мы можем судить о нем лишь по «входным» и «выходным» сигналам. По мнению некоторых исследователей, основанному на существующих наблюдательных данных, керны не находятся в каких-то особых, экстраординарных условиях, и протекающие в них явления можно в принципе объяснить в рамках известных нам физических закономерностей и физических процессов. Высказывается, например, предположение, согласно которому керн представляет собой вращающееся магнитоплазменное образование магнитоид (иногда его называют спинаром). Согласно другой гипотезе, керны квазаров и ядер галактик являются массивными черными дырами.

По мнению некоторых ученых, их масса может достигать миллиардов солнечных масс. Такие черные дыры способны «заглатывать» окружающее вещество, в том числе небольшие небесные тела, разрывать приближающиеся к ним звезды или срывать с них атмосферные оболочки и «питаться» образующимся при этом газом.

Благодаря мощной концентрации массы в небольшом объеме черная дыра может с очень высокой степенью эффективности преобразовывать энергию падающего на нее газа в энергию излучения или кинетическую энергию.

В частности, если черная дыра вращается, то, как показывают расчеты, она должна вовлечь во вращение и окружающий ее газ. А это, в свою очередь, может привести к выбрасыванию газовых струй вдоль направлений, параллельных оси вращения черной дыры.

Следует, однако, подчеркнуть, что и это предположение является только гипотезой, которая должна быть подтверждена наблюдениями. Вообще говоря, существует целый ряд причин, которые могут препятствовать превращению больших сжимающихся масс вещества в черные дыры. С точки зрения теории достаточно большая компактная масса вещества действительно должна коллапсировать и может превратиться в черную дыру. Но является ли подобный финиш коллапса практически неизбежным — еще вопрос! Имеется ряд факторов, которые в принципе способны помешать образованию в процессе сжатия массивных черных дыр.

В частности, при коллапсе быстровращающегося тела на его экваторе развиваются центробежные силы, препятствующие дальнейшему сжатию. Оно продолжается только вдоль линии, соединяющей полюса. В результате может сформироваться «блин» с радиусом значительно больше гравитационного и образования черной дыры не произойдет. Коллапсирующие массы могут фрагментировать — распадаться на части. На определенной стадии сжатия возможно возникновение ядерных процессов, способных вызвать разлет газовых масс. Эти и некоторые другие физические явления могут помешать «коллапсу до конца» или по крайней мере сильно его замедлить, настолько, что стадия черной дыры будет достигнута лишь через несколько миллиардов лет. А если это так, то образование черных дыр в квазарах и ядрах галактик должно представлять собой весьма редкое явление. Следовательно, высокую активность и огромное энерговыделение этих объектов присутствием черных дыр объяснить трудно!

Во всяком случае, до сих пор астрономические наблюдения реальных указаний на существование черных дыр как в ядре нашей Галактики, так и в ядрах других звездных систем не принесли.

Разумеется, все эти соображения не являются, как отмечает В. Л. Гинзбург, «…решительным возражением против возможности связать активность в квазарах и галактических ядрах с массивными черными дырами. Речь идет лишь о том, что нельзя без дальнейших доказательств принимать такую гипотезу как нечто почти обязательное или даже наиболее вероятное. Проблема состоит в том, чтобы выяснить природу кернов квазаров и активных галактических ядер путем наблюдений»[14]).

Нельзя, в частности, сбрасывать со счета и предположение, высказанное академиком В. А. Амбарцумяном, согласно которому компактные образования в ядрах галактик и квазарах представляют собой очень плотные сгустки так называемой дозвездной материи, физическая природа которой, однако, тоже остается неясной.

Видимо, истинное положение вещей удастся выяснить лишь в результате дальнейших исследований.

Таким образом, в современной астрофизике по вопросу о реальном существовании черных дыр во Вселенной и их роли в различных космических процессах существуют разные мнения. Однако удивляться тому, что в процессе изучения некоторых сложных научных проблем возникают различные концепции, иногда даже прямо противоречащие друг другу, не следует.

«… при движении в неизведанной области, — пишет В. Л. Гинзбург, — только достигнутый успех подтверждает правильность выбранного пути. Поэтому никто не может на серьезном уровне заранее объявлять те или иные подходы „идейными“ или „безыдейными“. Вместе с тем при рождении новых гипотез и предложений каждый заинтересованный наблюдатель выносит для себя определенное интуитивное суждение, делает какой-то прогноз. В дальнейшем, естественно, такой наблюдатель радуется, если оказался прав, и огорчается в случае ошибки»[15]).

Открытие реальных черных дыр имело бы фундаментальное теоретическое значение. Существование подобных объектов явилось бы важным подтверждением справедливости ОТО в сильных гравитационных полях. И не только качественным, но и (если удастся осуществить соответствующие измерения вблизи черных дыр) количественным. В настоящее время ОТО широко применяется физиками и астрофизиками и для тех случаев, когда речь идет о сильных гравитационных полях (при условии, что квантовые эффекты в рассматриваемой области малы). Тем не менее нельзя сбрасывать со счета то обстоятельство, что справедливость ОТО для сильных полей проверена все же недостаточно. К тому же существуют теории гравитационного поля, отличающиеся от эйнштейновской теории, с точки зрения которых определенные явления (например, поведение гравитационных волн) должны протекать иначе, чем предсказывает ОТО.

И хотя непротиворечивость этих теорий, — отмечает В. Л. Гинзбург, — и их «внутренняя последовательность не всегда доказаны, было бы, как я убежден, неправильно без доказательств принимать, что черные дыры заведомо могут существовать» [16]).

Поэтому обнаружение во Вселенной реальных черных дыр и изучение их свойств явилось бы очень важной проверкой ОТО в сильных гравитационных полях, представляющей первостепенный интерес для понимания физики Вселенной.

Космические иллюзии

Знаменитый английский мыслитель Бертран Рассел как-то сказал: математики обычно говорят так — если верно то, то верно и это; таким образом, математики никогда не знают, о чем они говорят, и верно ли то, о чем они говорят. Разумеется, Бертран Рассел несколько сгустил краски — он вообще был склонен к парадоксальным высказываниям. Но бесспорно одно — многие теоретические построения, и не только в математике, но и в астрофизике, конструируются именно по тому самому формальнологическому принципу, о котором упомянул Рассел. Выдвигается некоторое предположение или допущение, затем чисто теоретическим путем из него выводятся всевозможные следствия.

И тем не менее было бы неправильно утверждать, что физики и астрономы «не знают, о чем они говорят». Ведь исходные предположения строятся либо на фундаменте существующей теории, либо на почве тех или иных конкретных фактов. А выводы с помощью наблюдений и экспериментов сопоставляются с реальностью.

Но что верно, то верно: логическая машина обладает завидной способностью перерабатывать любую заложенную в нее информацию, независимо от того, чему именно она соответствует в реальной действительности. Вероятно, это обстоятельство в какой-то мере побуждает ученых к теоретической разработке даже самых экстравагантных предположений, и нередко подобные усилия оправдываются, приводят к открытию новых явлений, новых закономерностей окружающего мира. Даже в тех случаях, когда полученный результат не подтверждается наблюдениями, он все равно приносит немалую пользу, способствуя выяснению того, «как в природе не бывает», и тем самым отсекая бесперспективные пути исследования, сужая круг возможных объяснений.

Поэтому попытки применения разнообразных теоретических подходов к тому или иному еще недостаточно хорошо изученному явлению отнюдь не бесполезны. Особенно в тех случаях, когда ни один из предлагаемых теоретических вариантов объяснения подобных явлений нельзя признать достаточно убедительным. Именно с такого рода ситуациями то и дело сталкиваются современные астрономы.

Как мы уже говорили, астрономия — наука дистанционная, изучаются не сами космические объекты непосредственно, а их излучения. Свойства этих излучений зависят от свойств их источников — таким образом природа вкладывает в них информацию о тех физических процессах, которые их порождают.

Однако связь между тем, что регистрирует прибор, установленный на поверхности Земли или на борту искусственного спутника, и космическим явлением далеко не прямая. Показания прибора необходимо истолковать, интерпретировать. А сделать это можно лишь в рамках определенных теоретических представлений.

Но далеко не всегда теоретические представления о тех или иных космических процессах являются однозначными. Особенно в тех случаях, когда речь идет о новой области исследований. Отсюда могут возникать всевозможные неопределенности. Речь, разумеется, идет не о том, что астрономические методы исследования вообще недостоверны, а лишь о тех специфических затруднениях, которые нередко возникают в астрономии на пути к желаемому.

Вспомним хотя бы нашумевшую в свое время историю открытия пульсаров. Это произошло в 1967 году…

Подходила к концу ничем не примечательная августовская ночь. На радиоастрономической обсерватории неподалеку от Кембриджа велись обычные наблюдения. И вдруг на ленте регистрирующего прибора появилась странная запись. Импульсы радиоизлучения, следующие один за другим через равные промежутки времени. И с такой точностью, что по ним можно было бы с успехом проверять не только обычные, но даже атомные часы!.. Объяснение напрашивалось само собой — обнаружен искусственный радиопередатчик неведомой внеземной цивилизации. Английские ученые были настолько ошарашены этим поразительным открытием, что на протяжении нескольких месяцев хранили его в строжайшей тайне и даже окрестили своих предполагаемых далеких корреспондентов «зелеными человечками».

Сегодня природа загадочных импульсных сигналов уже ни для кого не составляет секрета: их порождают пульсары — быстровращающиеся нейтронные звезды, т. е. физические объекты в космосе, не имеющие никакого отношения к деятельности гипотетических разумных существ.

Таким образом, оказалось, что во Вселенной возможны физические процессы, порождающие правильно организованное радиоизлучение и тем самым как бы «маскирующиеся» под искусственные радиопередачи.

Другой пример связан с черными дырами. Как уже говорилось, непосредственно наблюдать черные дыры нельзя. Обнаружить их можно лишь косвенным путем.

Я. Б. Зельдович предложил оригинальный метод — искать подобные экзотические образования в двойных системах. Если один из компонентов такой системы света не излучает, а его масса превосходит пять солнечных масс, то можно предполагать, что это — звезда, закончившая в полном соответствии с теорией свое существование в стадии черной дыры. В этом случае, как показывают расчеты, из области такой двойной системы должно исходить интенсивное рентгеновское излучение.

Объект, обладающий всеми перечисленными свойствами, был обнаружен в созвездии Лебедя. Его масса равна 14 солнечным, и из этой области идет рентгеновское излучение. Казалось бы, все признаки черной дыры налицо! Но когда астрофизиков спрашивают, уверены ли они в том, что объект в созвездии Лебедя действительно черная дыра, они с неопределенной улыбкой говорят примерно следующее: «Весьма вероятно, но голову на отсечение я бы пока все-таки не дал. Разве что… палец».

Неопределенность улыбки в данном случае отражает астрономическую неопределенность. Да, эффекты, предсказываемые теорией, в самом деле зарегистрированы. Однако не исключена возможность, что причиной этих эффектов является не черная дыра, а совсем иной физический процесс.

Случаются в астрофизике и неопределенности несколько иного рода. Они возникают в связи с тем, что полученные в результате наблюдений данные могут оказаться недостоверными благодаря… оптическим иллюзиям. Иными словами, иногда при астрономических исследованиях из-за особенностей распространения световых лучей в мировом пространстве возникают своеобразные обманы зрения, способные вводить в заблуждение наблюдателей…

В словаре В. И. Даля понятие «иллюзия» расшифровывается так: «видимость, мнимое, обманчивость, обман чувств, обман воображения, надежд…».

А в Советском энциклопедическом словаре мы читаем: «Иллюзии (от латинского illusio — обман), искаженное восприятие действительности, обман восприятия…».

И далее: иллюзии оптические (обманы зрения), ошибки зрительного восприятия объектов — их цвета, величины, формы, удаленности и др. Иллюзии оптические связаны с влиянием цветового контраста, освещенности окружающих предметов, движения объекта и др.

Хорошо известна классическая астрономическая иллюзия, жертвой которой оказались наши предки, — иллюзия суточного обращения всех небесных светил вокруг Земли. Земной шар вращается вокруг своей оси с запада на восток, а нам кажется, что Солнце, Луна, планеты и звезды перемещаются в обратном направлении с востока на запад. Эта иллюзия сыграла исключительно важную роль в истории человечества: она способствовала построению ошибочной геоцентрической картины мира, господствовавшей на протяжении многих столетий. До тех пор, пока Копернику не удалось раскрыть ее иллюзорный характер.

Еще одну космическую иллюзию мы тоже наблюдаем чуть ли не каждый день. Нам представляется, что диск Солнца обладает таким же поперечником, как и диск Луны. В действительности же диаметр Солнца примерно в 450 раз больше лунного. Но Солнце находится в 400 раз дальше от Земли, и по этой причине, видимые угловые размеры обоих светил для земного наблюдателя почти совпадают. Кстати, именно по этой причине маленькая Луна может (это происходит во время солнечных затмений) полностью закрыть огромный диск дневного светила.

Но это еще сравнительно простые случаи. Встречаются ситуации и гораздо более сложные.

В середине 1979 г. в созвездии Большой Медведицы был открыт очередной необычный космический объект — двойной квазар. Два квазара, расположенные на небе на очень небольшом угловом расстоянии друг от друга, соответствующем фактическому расстоянию всего в 500 световых лет (рис. 11).

Этот квазар зарегистрирован в соответствующем астрономическом каталоге под индексом Q 0957+ 561 А, В. Буква Q означает «квазар», цифры — небесные координаты, буквы А и В — двойной характер, объект а.

Столь близкое расположение квазаров уже само по себе удивительно, поскольку эти объекты распределены на небесной сфере более или менее равномерно и находятся друг от друга на значительных расстояниях.

Но еще удивительнее было то, что оба квазара, о которых идет речь, оказались похожими один на другой словно близнецы-братья. Спектры их излучения совершенно одинаковы: совпадают и химический состав и даже интенсивности соответствующих спектральных линий. А последующие наблюдения показали, что спектры обоих компонентов совпадают не только в диапазоне видимого света, но и в ультрафиолетовой области. Более того, и тот и другой квазары удаляются от нас с совершенно одинаковыми скоростями, составляющими около 0,7 скорости света. А это, между прочим, означает, что оба объекта не просто проектируются в одну и ту же область небесной сферы, а находятся от нас на совершенно одинаковых расстояниях порядка 10 млрд. световых лет.

Что же в таком случае представляет собой загадочный двойной квазар? Редчайшее случайное совпадение? Однако, как известно, вероятность случайных совпадений в природе весьма невелика. А может быть, никакого двойного квазара на самом деле и не существует, и мы столкнулись со своеобразной «космической иллюзией» — своего рода космическим миражом?

Ничего невероятного в подобном предположении нет. Еще в 1936 г. А. Эйнштейн высказал предположение о возможности отклонения световых лучей в полях тяготения массивных космических тел, играющих таким образом роль своеобразных гравитационных линз. Он, в частности, рассмотрел случай, когда на одном луче зрения расположены две звезды — более далекая и более близкая. Эйнштейн показал, что в этой ситуации гравитационное поле ближней звезды может действовать как собирательная линза, фокусирующая свет дальней звезды. В результате видимый блеск этой звезды значительно возрастет (рис. 12).

Когда были открыты квазары с их необычайно мощным излучением, намного превосходящим все, что было известно ранее, некоторые астрономы предприняли попытку объяснить это явление не реальными свойствами квазаров, а действием космических «гравитационных линз», в фокусе которых случайно оказалась наша Земля. Однако дальнейшие исследования со всей убедительностью показали, что квазары в самом деле являются чрезвычайно мощными источниками энергии и гравитационные линзы здесь ни при чем.

Однако это вовсе не означает, что отклонение световых лучей в сильных гравитационных полях вообще не может приводить к космическим иллюзиям. Открытие двойного квазара вновь заставило вспомнить об идее Эйнштейна. Представим себе, что между каким-либо космическим объектом, например квазаром, и Землей расположен компактный массивный объект — черная дыра большой массы или галактика (рис. 13).

Если бы этого объекта не существовало, то световые лучи квазара распространялись бы прямолинейно. И те из них, которые направлены в сторону наблюдателя, создали бы обычное одиночное его изображение. Однако при наличии массивного объекта картина оказалась бы иной. Под воздействием сильного гравитационного поля световые лучи испытали бы искривление, и на прежнем месте наблюдатель квазара бы не увидел. Зато к нему пришли бы световые лучи, «обогнувшие» гравитационную линзу справа и слева, подобно тому, как струи водного потока огибают встретившееся на их пути препятствие. В этом случае наблюдатель увидел бы вместо одного два «мнимых» изображения квазара, несколько отстоящие одно от другого. Мнимых потому, что они находились бы не в том месте, где в действительности расположен квазар, а по направлениям касательных к искривленным световым лучам, пришедшим в точку, откуда ведутся наблюдения. Иными словами, в этом случае сработал бы тот же самый физический механизм, который приводит к возникновению хорошо известных земных миражей.

Как показывают теоретические расчеты, в зависимости от взаимного расположения наблюдаемого космического объекта, гравитационной линзы и наблюдателя могут возникать и более сложные картины.

Вернемся, однако, к обнаруженному астрономами двойному квазару в созвездии Большой Медведицы. Что это — реальная двойная система или оптический обман?

Как это выяснить? Вычисления показывают, что расщепленные гравитационной линзой световые лучи, создающие двойное изображение, по дороге к наблюдателю должны пройти пути разной длины. Следовательно, один из них придет на Землю с некоторым опозданием.

Запаздывание, о котором идет речь, т. е. возникновение разности фаз в поведении различных компонентов изображения, образованного гравитационной линзой, обусловлено еще и одним из эффектов общей теории относительности — замедлением течения времени в сильных гравитационных полях. Этот эффект вызывает дополнительное «торможение» электромагнитных сигналов, испытавших воздействие гравитационной линзы. И если двойной космический объект действительно космическая иллюзия, то все изменения, происходящие с одним из компонентов подобной «системы», должны через некоторые определенные промежутки времени совершенно точно повторяться со вторым компонентом: ведь это один и тот же объект, который мы наблюдаем с различной степенью запаздывания! В том случае, когда все наблюдаемые изменения будут повторяться с одним и тем же «сдвигом фазы», предположение о расщеплении света и возникновении «космического миража» получит весомое подтверждение.

В результате наблюдений, проведенных в 1980 г. на 6-метровом телескопе Специальной астрофизической обсерватории АН СССР, было установлено, что с течением времени яркость компонента А постепенно ослабевает, а компонента В — возрастает.

В дальнейшем обнаружилось, что аналогичные изменения происходят также в радио- и ультрафиолетовом диапазонах. Полученные данные позволяют предполагать, что двойственность квазара, о котором идет речь, в самом деле представляет собой оптический эффект, вызванный отклонением световых лучей в сильном гравитационном поле. Однако окончательный ответ о природе двойного квазара дадут лишь дальнейшие исследования.

Теоретические подсчеты показали, что ожидаемый сдвиг фаз в поведении компонентов А и В квазара Q 0957+561 А, В составляет около 5 — 6 лет. Таким образом, ответ на вопрос о том, совпадает ли характер изменений обоих компонентов, должен быть получен в ближайшем будущем.

Пока что положение остается неопределенным — есть аргументы и «за», и «против». В частности, против объяснения двойственности квазара Q 0957+561 А, В, вызванной действием гравитационной линзы, казалось, говорило и то обстоятельство, что согласно астрономическим наблюдениям компонент А оказался несколько краснее компонента В. Различными по своей структуре оказались и радиоизображения загадочной пары, полученные в результате радиоинтерферометрических наблюдений.

Однако исследования, проведенные на 5-метровом телескопе обсерватории Маунт Паломар, оборудованном специальной телевизионной системой с электронно-вычислительным устройством, как будто разрешили эти недоразумения.

Анализ полученных данных показал, что в красных лучах компонент В обладает несколько более протяженным профилем, чем компонент А., Ученые предположили: это различие вызвано тем, что компонент В сливается с галактикой-линзой, искажающей его очертания. Исходя из этого, они осуществили своеобразную операцию — «вычли» из компонента В компонент А и таким способом выделили ту часть компонента В, которая, возможно, и представляет собой искомую галактику-линзу.

Если это действительно так, то, как показывают измерения, ее угловое расстояние от компонента В очень мало — всего 0,8 угловой секунды. Следовательно, излучение, идущее от компонента В, по дороге к земному наблюдателю проходит через среду галактики-линзы. Благодаря этому, к излучению компонента В в красной части спектра добавляется красное излучение звезд галактики-линзы.

Таково возможное объяснение различной яркости компонентов А и В в красных лучах, не противоречащее объяснению двойственности квазара Q 0957+561 А, В с точки зрения гипотезы гравитационной линзы.

В принципе космические иллюзии могут возникать и по несколько иной схеме. Если объект, играющий роль гравитационной линзы, обладает очень большой массой (например, массивная черная дыра), то он способен не только искривить световые лучи, идущие от того или иного светила, но и повернуть их на значительный угол. Это может привести к весьма любопытному иллюзионному эффекту.

Луч звезды, расположенной в стороне от черной дыры, обогнув ее, придет к нам на Землю, и мы увидим эту звезду на его продолжении, т. е. как раз в том направлении, где находится черная дыра, играющая роль гравитационной линзы. Но то же самое может произойти и со световыми лучами многих других звезд. Испытав в районе черной дыры, играющей роль гравитационной линзы, отклонения различной степени, эти лучи сольются вместе и создадут мнимое изображение объекта чрезвычайно высокой яркости. Хотя в действительности в этом месте небесной сферы расположена черная дыра, которая вообще ничего не излучает!

Невольно возникает вопрос: а не являются ли вообще квазары просто-напросто одной из возможных форм оптических иллюзий в космосе — результатом фокусировки света звезд черными дырами?

И еще один вопрос: что будет, если черная дыра расположена как раз между Землей и наблюдаемой звездой, т. е. в случае, аналогичном рассмотренному Эйнштейном?

Тогда к наблюдателю придут не только лучи, искривленные гравитационной линзой, но и множество лучей, совершивших вокруг черной дыры один или несколько оборотов прежде, чем им удастся вырваться из поля ее тяготения и двинуться дальше. Что увидит в этом случае земной наблюдатель? Расчеты показывают, что звезда предстанет перед ним как система концентрических светящихся колечек. Вследствие огромного расстояния эти колечки сольются, и звезда покажется наблюдателю значительно более яркой, чем она есть в действительности.

А теперь представим себе такую картину. Некая звезда, совершающая свое движение вокруг центра Галактики, в какой-то момент оказывается на продолжении прямой линии, соединяющей Землю с черной дырой. Тогда создается только что описанная ситуация, и в течение некоторого времени мы будем воспринимать звезду, о которой идет речь, как сверхъяркий космический объект. Иными словами, эта ничем не примечательная звезда как бы вспыхнет, а затем вновь возвратится в прежнее состояние. Но ведь подобная картина весьма напоминает явление, хорошо известное в астрономии, — вспышку сверхновой звезды!

Разумеется, и квазары и сверхновые звезды — это вполне реальные физические объекты во Вселенной. Что касается квазаров, то с ним связан целый комплекс физических явлений, которые никак нельзя свести к одним лишь оптическим эффектам. А при вспышках сверхновых звезд, как мы уже знаем, образуются газовые туманности — остатки выброшенного звездой вещества.

Стоит ли в таком случае вообще говорить о каких-то космических иллюзиях? Но если оптические эффекты, подобные описанным выше, теоретически возможны, то при определенных условиях они в принципе могут возникать. И об этом нельзя забывать. Ведь не исключено, что некоторые явления, наблюдаемые во Вселенной, в той или иной степени связаны с действием гравитационных линз.

Любопытно отметить, что гравитационные линзы по сравнению с обычными обладают целым рядом удивительных свойств. Так, например, согласно теоретическим выкладкам, видимая яркость космического объекта, усиленная гравитационной линзой, с увеличением расстояния между ней и наблюдателем, не только не должна уменьшаться, а наоборот, будет возрастать. Кроме того, гравитационная линза не имеет фиксированного фокусного расстояния: она собирает лучи не в одной точке — фокусе, а на поверхности некоторого конуса, начиная в определенного минимального расстояния от данной линзы и до бесконечности.

Наблюдатель, который находится вне такого конуса, увидит только сам реальный космический объект в том направлении, в котором он действительно находится. Если же наблюдатель располагается внутри конуса, то он будет видеть как минимум три изображения. А при определенном строении объекта, играющего роль гравитационной линзы, — даже пять и больше.

Почему же в случае двойного квазара Q 0957+561 А, В наблюдается только двойное изображение? Ведь если двойственность этого объекта — иллюзия, вызванная искривлением лучей гравитационной линзой, то согласно теории должно наблюдаться тройное изображение. Как считают некоторые специалисты, третий компонент изображения не удается в данном случае увидеть потому, что он сливается либо с компонентом В, либо с галактикой, играющей роль гравитационной линзы.

Разумеется, упомянутые выше свойства гравитационных линз практически реализуются только до определенной степени. С одной стороны, при расчетах, в результате которых они выведены, допускаются известные упрощения, а с другой — на ход лучей, прошедших через гравитационную линзу, оказывают влияние гравитационные поля и других небесных тел.

Но, пожалуй, самая интересная особенность гравитационных линз состоит в том, что их воздействие на электромагнитные излучения не зависит от длины волны. Это значит, что они одинаковым образом фокусируют как лучи видимого света, так и радиоволны и ультрафиолетовые и рентгеновские лучи и гамма-излучение.

Согласно современным представлениям, наблюдаемая нами часть материального мира представляет собой сферическую область, заполненную галактиками, квазарами и другими космическими объектами. Вследствие разбегания галактик радиус этой сферы быстро увеличивается.

Однако наши представления о расположении космических объектов в пространстве основываются на предположении о прямолинейном распространении электромагнитных волн, в том числе лучей видимого света. Но ведь мы живем не в пустой Вселенной, а во Вселенной, заполненной различными массами. А там, где есть массы, пространство, согласно общей теории относительности, искривляется. Иными словами, распространение электромагнитных излучений перестает быть прямолинейным. Вследствие этого действительные положения космических объектов могут весьма существенно отличаться от наблюдаемых. И эти отклонения будут тем сильнее, чем больше расстояния.

Вообще, геометрическая структура Вселенной может оказаться чрезвычайно сложной, а ход световых лучей в ней весьма замысловатым. В некоторых теоретических моделях световые лучи могут приходить к земному наблюдателю не только непосредственно от того или иного далекого космического объекта, но и обежав несколько раз пространство Вселенной! В результате наблюдатель увидит примерно такую же картину, какую мы видим, оказавшись между двумя обращенными друг к другу параллельными зеркалами, т. е. бесконечный ряд последовательных отражений.

Иными словами, один и тот же космический объект земной наблюдатель может увидеть многократно: вместо одного объекта целую цепочку абсолютно одинаковых. И только самый близкий из них существует реально, остальные — мираж. Теоретики изобрели для них впечатляющее название — «духи».

Опять-таки то, о чем идет речь, — теоретическая возможность. Реализуется ли она? Тщательное изучение и сравнение известных космических объектов показало, что на расстояниях вплоть до 30 световых лет цепочек, состоящих из одинаковых объектов, нет. А на больших расстояниях? Вопрос пока остается открытым…

Не составляют «цепочки» и знакомые нам близнецы — квазары. Во-первых, их только два, а во-вторых, они находятся от нас на одинаковых расстояниях и, что самое главное, обладают одинаковой яркостью. Что же касается миражей — «духов», то они должны быть созданы лучами, прошедшими столь различные пути, что их изображения одинаковой яркостью обладать заведомо не могут.

Весьма заманчива также возможность уточнения о помощью космических гравитационных линз, если они действительно существуют, постоянной Хаббла (см. с. 41).

Определение значения постоянной Хаббла связано о очень большими трудностями, так как для этого необходимо точно знать расстояния до удаленных «космических объектов. А прямых методов определения этих расстояний в распоряжении современной астрономии, к сожалению, все еще не имеется. Поэтому неудивительно, что значение постоянной Хаббла не раз подвергалось существенному пересмотру. Так, еще сравнительно недавно она считалась равной примерно 100 километрам в секунду на один мега-парсек. Затем значение постоянной было уменьшено вдвое. Однако в последнее время известный астроном Ж. де Вокулер на основе анализа обширного материала наблюдений галактик и их скоплений произвел очередной пересмотр постоянной Хаббла, приняв ее прежнее значение, т. е вновь увеличив ее в два раза.

Если это значение соответствует действительности, то все космические расстояния должны быть пересмотрены в сторону их уменьшения. Мало того, должен быть пересмотрен в сторону уменьшения и возраст Вселенной, т. е. продолжительность ее расширения от начального состояния до нашей эпохи.

Чем же могут помочь гравитационные линзы? Если наблюдения позволят в дальнейшем определить величину запаздывания луча, искривленного гравитационной линзой, то можно будет вычислить время хода прямого, неискривленного луча, а следовательно, и определить точное расстояние до наблюдаемого объекта. Зная это расстояние, а также величину красного смещения в спектре объекта, можно рассчитать и постоянную Хаббла.

Наконец, по степени задержки искривленного луча можно будет вычислить истинную массу галактики, играющей роль гравитационной линзы, и тем самым выяснить, какой вклад в нее вносят нейтрино (см. раздел „Великое объединение“, с. 133).

В заключение следует отметить, что в непосредственной близости от квазара PC И15-08 обнаружено два очень слабых объекта, спектры которых совпадают со спектром этого квазара. Не исключено, что открыта еще одна космическая иллюзия, обязанная своим возникновением эффекту гравитационной линзы.

Несколько лет тому назад астрономы столкнулись с весьма загадочным явлением. Начиная с июля 1977 г. и до июля 1980 г. в результате радиоинтерференционных наблюдений была получена серия последовательных изображений квазара ЗС 273, расположенного на расстоянии около 2 млрд. световых лет от Земли. На этих изображениях был отчетливо виден компактный сгусток, выброшенный из ядра квазара, который постепенно удалялся от него и за три года отошел от своего первоначального положения в плоскости, перпендикулярной лучу зрения, на угол, соответствующий (для расстояния, на котором находится ЗС 273) реальному расстоянию в 25 световых лет.

Но согласно одному из наиболее фундаментальных положений современной физики никакой физический процесс не может распространяться со скоростью, превосходящей скорость света. Таким образом, максимальная возможная скорость движения выброса — это один световой год за год. А за три года, в течение которых велись наблюдения, — три световых года.

Три, а не двадцать пять!

Не значит ли это, что обнаружено явление, подрывающее основы основ наших физических представлений о мире? Однако хоронить современную физику мы все-таки подождем, а лучше зададимся вопросом: нет ли у „сверхсветового“ выброса другого объяснения? Оказывается, есть!

Рассмотрим схему, изображенную на рис. 14.

Представим себе следующую ситуацию. Квазар, расположенный в точке О, выбросил компактный сгусток плазмы по направлению к Земле ОВ₁, отличающемуся от направления луча А₁О на малый угол а. Предположим, что скорость движения сгустка близка к скорости света и за 300 лет он проходит расстояние в 297 световых лет.

Луч света, вышедший из точки О, спустя 300 световых лет придет в точку A₁. За это время сам сгусток приблизится к Земле на 297 световых лет. Линии A₁B₂ он достигнет с опозданием (по сравнению со световым лучом, вышедшим из точки О) примерно на 3 года.

Следовательно, когда луч света, вышедший из точки О, достигнет точки A₂, где расположен земной наблюдатель, луч света, вышедший из точки В₁ отстанет на три световых года и достигнет земного наблюдателя с опозданием на эти 3 года.

Таким образом, в июле 1977 г. земной наблюдатель зарегистрировал луч от компактного выброса, вышедший из точки О, а в 1980 г. он зафиксировал луч от того же источника, пришедший из точки В₁.

Внешне это выглядит так, будто в плоскости, перпендикулярной лучу зрения, источник переместился из точки А₁ в точку В₂, отстоящую от А₁ на 25 световых лет. В действительности же произошло совсем иное: сам источник приблизился к нам, удалившись от точки О на значительно большее расстояние в 297 световых лет. Но преодолел он это расстояние за 300 лет, а не за 3 года, как могло показаться на первый взгляд.

Иными словами, источник фактически перемещался, хотя и о очень большой, но все же досветовой скоростью, а его удаление» со скоростью, превосходящей скорость света, оказалось явлением иллюзорным, возникшим вследствие условий наблюдения.

Весьма любопытная ситуация, показывающая, что о выводами, ставящими под сомнение фундаментальные основы наших научных знаний, никогда не следует торопиться!