Искривления пространства и времени

 

Черную дыру определяют также как место, где структура пространства и времени сильно искривлена. Прямая линия — ее в физике определяют как путь, по которому свет движется в вакууме, — вблизи черной дыры становится кривой. И по мере приближения объекта к черной дыре с самим временем тоже происходят странные вещи, по крайней мере с точки зрения наблюдателя, находящегося на безопасном расстоянии.

Предположим, что, находясь на безопасном расстоянии, вы запустили автоматический космический зонд в черную дыру. На большой электронной панели сбоку от зонда высвечивается время, которое показывают его бортовые часы.

По мере того как зонд движется к черной дыре, вы наблюдаете за этими часами в телескоп. И вот вы видите, что чем ближе зонд подходит к черной дыре, тем все больше и больше отстают часы, замедляется время. На самом деле вы никогда не увидите момент, когда зонд попадет в черную дыру. Вы увидите, что он становится все краснее и краснее, поскольку мощная гравитация черной дыры смещает свет в красную область спектра. Через некоторое время свет от электронной панели будет смещен в инфракрасный диапазон, который ваши глаза уже не воспримут. (Об эффекте Допплера и красном смещении читайте в главе 11.)

А теперь давайте представим, что вы увидели бы, находясь в самом зонде, направляющемся к черной дыре. (Только не пытайтесь это осуществить на самом деле.) Предположим, вы можете наблюдать за часами внутри зонда. И вот вы, несчастный астронавт, видите, что часы идут вполне нормально. И вам вовсе не кажется, что они хоть немного отстают. Когда вы выглядываете в иллюминатор, чтобы посмотреть на космический корабль-носитель и на звезды, то вам кажется, что на все вокруг действует фиолетовое смещение. И вам самому грустно от мысли о том, что вы никогда не вернетесь домой. Вы очень быстро, почти незаметно для себя, пересекаете невидимую границу вокруг черной дыры. Эта граница — горизонт событий; попав внутрь него, вы уже никогда не увидите ничего, что находится снаружи, как и никто снаружи никогда не увидит вас.

Наблюдателям на корабле-носителе будет казаться, что вы никогда не войдете в черную дыру; им кажется, что вы просто подлетаете все ближе и ближе. Но вы, находясь на космическом зонде, можете сказать, что попали прямо в черную дыру. Конечно, если к этому моменту вы еще сможете что-то сказать (т. е. останетесь в живых). В конце концов, все, что попадает в черную дыру, разрывается на части приливными силами, результатом действия мощнейшей гравитации черной дыры. Вы будете разорваны на части, по меньшей мере, в одном измерении. И, что еще хуже, в двух других пространственных измерениях приливные силы безжалостно вас сожмут.

Если вы войдете в черную дыру "вперед ногами", то вас растянет (если еще не разорвало на части), пока вы не станете достаточно высоким, чтобы стать центральным нападающим баскетбольной сборной (шутка). Но от живота до спины и от одного бока до другого вас сожмет так же, как невероятное давление в глубинах Земли сжимает уголь, превращая его в алмаз. И даже сильнее.

Черные дыры малой или звездной массы — самые смертоносные, так же как некоторые маленькие паучки ядовитее больших тарантулов. Если вы движетесь в черную дыру звездной массы, то вас разорвет на части и сожмет еще до того, как вы упадете внутрь, и вам не удастся увидеть исчезающую Вселенную перед тем, как все будет кончено. Попасть в сверхмассивную черную дыру совсем не так страшно. Начав падать внутрь горизонта событий, вы увидите меркнущий свет Вселенной, прежде чем вас накроют приливные силы.

Учитывая, что черные дыры окружают нас во Вселенной со всех сторон, становится понятно, почему ученые стараются обнаружить и изучить их, оставаясь при этом на безопасном расстоянии.

 

Определения квазаров

 

 

Существует по меньшей мере два определения квазаров — первоначальное и современное.

 

Первоначальное определение. Квазар (quasar) — это сложносокращенное слово от выражения "квазизвездный источник радиоизлучения". Под этим термином имеется в виду небесный объект, который излучает сильные радиоволны, но в обычный телескоп (работающий в видимом диапазоне) выглядит как звезда (рис. 13.2).

 

 

Рис. 13.2. Квазар (ниже и левее центра)

 

 

В этом первоначальном определении квазара нет ничего неправильного, за исключением следующего факта. Как оказалось, изо всех объектов, которые мы сегодня называем квазарами, этому определению соответствуют максимум 10 %. А остальные 90 % не излучают сильных радиоволн. Такие объекты астрономы называют радиоспокойными квазарами.

 

Современное определение. Квазар — это яркий объект в центре галактики, который производит примерно в 10 триллионов раз больше энергии в секунду, чем наше Солнце, и чье излучение очень изменчиво во всем диапазоне длин волн.

 

Через несколько десятилетий поисков ответа на вопрос, что же такое квазары, астрономы пришли к выводу, что они являются "полномочными представителями" гигантских черных дыр в центре галактик. Вещество, попадающее в черную дыру, выделяет колоссальную энергию, и именно эти наблюдаемые источники энергии астрономы и называют квазарами.

Все квазары — мощные источники рентгеновского излучения. Примерно 10 % из них излучают сильные радиоволны, и все они излучают в ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном диапазоне. Причем эти излучения меняются с течением недель, месяцев, лет, а иногда даже в течение одного дня.

 

Тот факт, что блеск квазаров существенно меняется в течение одного дня, дает в руки ученых чрезвычайно важную информацию: это значит, что размер квазара не больше одного светового дня (light-day), т. е. расстояния, которое проходит свет в вакууме за один день. А один световой день — это всего 26 миллиардов километров. Другими словами, квазар, который дает в 10 триллионов раз больше света, чем Солнце, или в 100 раз больше света, чем Млечный Путь, по размерам ненамного больше нашей Солнечной системы, которая составляет крошечную долю галактики.

 

Если бы размеры квазара намного превышали световой день, то с ним не происходили бы заметные изменения всего за такое короткое время — по аналогии, слон не может хлопать ушами так же быстро, как колибри взмахивает крыльями.

Квазары — это мощные источники радиоволн, в которых часто наблюдаются струйные выбросы частиц (или джеты) (Jets), т. е. длинные узкие лучи, в которых энергия выбрасывается из квазаров в виде скоростных потоков электронов и, вероятно, других быстрых частиц. Как правило, эти выбросы неравномерны; по всей их длине видны выступающие пятна вещества. И иногда кажется, что эти пятна движутся быстрее скорости света. Это движение со сверхсветовой скоростью (superluminal motion) — иллюзия, связанная с тем, что эти потоки в подобных случаях почти в точности направлены на Землю; вещество в них действительно движется со скоростью, близкой к световой, но не быстрее света.

 

Во многих книгах говорится, что у квазара очень широкие линии в спектре, соответствующие красному и фиолетовому смещениям газа, движущегося внутри квазара со скоростью до 10 000 км/с. Но это утверждение не всегда верно. Существуют разные типы квазаров, и у некоторых нет широких спектральных линий.

 

Но широкие спектральные линии — это важная особенность многих квазаров и ключ к разгадке их отношений с другими объектами. (Более подробно об этом я расскажу в следующем разделе.)

 

 

Активные галактические ядра

 

В течение многих лет после открытия квазаров астрономы спорили о том, расположены ли они в галактиках. Сегодня мы знаем, что это действительно так, но только потому, что технологии усовершенствовались и можно с помощью телескопа получить изображение, на котором видны и квазар, и галактика вокруг него. Последняя называется материнской галактикой (host galaxy) этого квазара. Поскольку квазар может быть в 100 раз ярче, чем его материнская галактика, или даже еще ярче, он обычно затмевает свою галактику. Исследовать такие галактики можно с помощью цифровых фотоаппаратов, которые позволяют регистрировать звезды в более широком диапазоне яркости, чем обычные "пленочные" фотоаппараты.

Квазары — это высшая форма того, что астрономы сегодня называют активными галактическими ядрами (Active Galactic Nuclei — AGN). Этим термином обозначают центральный объект галактики, когда у него есть, так сказать, свойства квазара: внешний вид очень яркой звезды, очень широкие спектральные линии и заметные изменения блеска.

 

Вот основные термины, используемые для описания активных галактических ядер.

 

Радиогромкие квазары ("первоначальные квазары") и радиоспокойные квазары (90 % квазаров или больше). Это квазары, о которых говорилось в предыдущем разделе. Они похожи между собой и отличаются только наличием либо отсутствием сильного радиоволнового излучения. Эти квазары расположены в спиральных галактиках, таких как Млечный Путь. Правда, в Млечном Пути квазары пока не обнаружены, но есть доказательства наличия в центре галактики черной дыры, масса которой составляет примерно миллион солнечных масс.

 

Квазизвездные объекты (Quasistellar Objects — QSO). Это общий термин для обозначения радиогромких и радиоспокойных квазаров. Некоторые астрономы называют и те, и другие квазары просто QSO.

 

Сейфертовские [38] галактики (Seyfert galaxies). В центрах этих спиральных галактик находятся активные галактические ядра (AGN). Сейфертовское AGN во многом напоминает квазар, так как для него характерны широкие спектральные линии и быстрое изменение блеска. Активное галактическое ядро может быть таким же ярким, как его материнская галактика, но не может быть в 100 раз ярче ее, как квазар. Поэтому сияние сейфертовского AGN не затмевает материнскую галактику.

 

Оптически переменные квазары (Optically Violently Variable Quasars — OVV). Это квазары со струйными выбросами, направленными прямо в сторону Земли, для которых характерны еще более быстрые и резко выраженные изменения блеска, чем для обычных квазаров. Представьте, что несколько пожарных стараются направить шланг на человека в горящей одежде. Допустим, давление воды непостоянно, отчего вода выходит толчками, "импульсами". Наблюдателям со стороны кажется, что струя воды бьет довольно равномерно, но человек, которого поливают из шланга, чувствует каждое колебание напора воды. Так вот: OVV — это пожарные шланги в царстве квазаров.

 

Объекты типа BL Ящерицы (лацертиды) (BL Lacertae objects). Объекты типа BL Ящерицы — это AGN, похожие на звезду BL Ящерицы. Блеск звезды BL Ящерицы меняется, и поэтому долгие годы считалось, что это еще одна переменная звезда в созвездии Ящерицы (на фотографиях звездного неба этот объект выглядит, как звезда). Затем выяснилось, что данный объект — мощный источник радиоволн; в конце концов его определили как активное ядро материнской галактики, которую оно затмевало своим сиянием.

В отличие от большинства квазаров, в спектрах объектов типа BL Ящерицы нет широких линий. И их радиоволны поляризованы сильнее, чем радиоволны обычных радиогромких квазаров. Термин "поляризация" означает, что колебания волн во время их движения через космическое пространство имеют определенное направление. В то же время неполяризованные волны колеблются одинаково во всех направлениях. Поэтому, чтобы отличить радиогромкий квазар от объекта типа BL Ящерицы, нужно проверить поляризацию.

 

Блазары (blazars). Это OVV и объекты типа BL Ящерицы вместе. Этот термин придумали, чтобы описывать с его помощью объекты обоих типов. Дело в том, что у OVV и объектов типа BL Ящерицы много общего. И у тех, и у других наблюдается сильное изменение блеска, и их потоки, видимо, направлены прямо в сторону Земли. И все они радиогромкие.

Действительно ли нам нужен термин "блазары"? Я в этом не уверен. Мой друг д-р Хон-И Чу стал известным в научной среде после того, как придумал термин "квазар". А его друг, профессор Эдвард Шпигель, через несколько лет изобрел термин "блазар". Если вы откроете новый тип объектов или напишете о нем серьезный научный труд, то тоже сможете дать ему имя. Только предупреждаю заранее: делать это, просто добавляя окончание "-ар" к своему имени не разрешается. Термин должен описывать свойства объекта, а не астронома.

 

Радиогалактики (radio galaxies). Существуют галактики с активными галактическими ядрами, которые не особенно яркие, но излучают сильные радиоволны. Большинство галактик с самым сильным радиоизлучением — это гигантские эллиптические галактики. Во многих случаях у них есть лучи или выбросы, которые переносят энергию от AGN к гигантским "выступам" радиоизлучения, где нет звезд, и которые намного дальше и намного больше самой материнской галактики.

 

Все эти различные типы активных галактических ядер имеют одну общую черту: их питает энергия, которая каким-то образом генерируется вблизи сверхмассивной черной дыры в центре галактики.

Рядом со сверхмассивной черной дырой звезды вращаются вокруг центра материнской галактики на огромной скорости. На основании этих скоростей астрономы определяют массу черной дыры. С помощью телескопов, таких как "Хаббл", они определяют скорости вращающихся звезд, а иногда — вращающихся газовых облаков, используя эффект Допплера. А затем, зная скорости, определяют массу центрального объекта. Если бы черная дыра была менее массивной, то звезды на определенном расстоянии от центра вращались бы медленнее.

В случае квазара или гигантской радиогалактики эллиптического типа черная дыра обычно достигает миллиарда солнечных масс или даже в несколько раз больше. В сейфертовских галактиках масса черной дыры обычно составляет около миллиона солнечных масс.

Свет AGN возможен только за счет черной дыры, а точнее, за счет массы вещества, попадающего в нее. Чтобы квазар светился, черная дыра должна потреблять 10 солнечных масс вещества в год.

Если же вещество не попадает внутрь черной дыры, то она не обнаружит себя ярким сиянием, радиоизлучением или мощными рентгеновскими лучами. Итак, черные дыры дают свет только тогда, когда они сыты. В центре большинства галактик могут таиться сверхмассивные черные дыры, но в большинстве случаев им не хватает питания. Наверное, поэтому астрономы видят квазары или другие виды AGN в очень немногих галактиках.

Единая модель активного галактического ядра (Unified Model of Active Galactic Nuclei) — это теория, согласно которой все AGN одинаковы, но астрономы наблюдают их с различных стороны относительно аккреционных дисков и струйных выбросов. Кроме того, черные дыры "питаются" с разной скоростью; только по одной этой причине некоторые AGN ярче других. Десятки астрономов пишут статьи о единой модели каждый год, причем одни находят доказательства "за", а другие — "против".

Я думаю, что между различными типами AGN есть реальные отличия, но у них есть и много общих основных свойств. Поэтому, чтобы астрономы могли в конце концов объединиться вокруг теории единой модели или какой-нибудь другой, необходима дополнительная информация.

 

Часть IV

Эта удивительная Вселенная

 

 

В этой части

Читайте эту часть, когда вам надоест повседневность и захочется увлечься идеями, будоражащими ум и подстегивающими воображение. Потягивая сок через соломинку, почитайте про SEU, т. е. программу поиска внеземного разума. Интересно, есть ли у ученых какие-то доказательства того, что эти маленькие зеленые человечки где-то рядом с нами? Почитайте про темную материю и антиматерию (да-да, антиматерия существует в реальном мире, а не только в научно-фантастических книгах). А потом охватите мысленным взором всю Вселенную и поразмышляйте о том, как она родилась, какая ее нынешняя форма и что с ней будет дальше.

Глава 14

SETI и планеты других солнц

 

В этой главе…

 

Поиски внеземного разума

 

Участие в программах SETI

 

Поиски планет других звезд

Вселенная и безбрежна, и разнообразна. Но есть ли в этом звездном царстве, помимо нас, другие мыслящие существа? Все, кто смотрел "Звездные войны" и другие фильмы на эту тему, знают, как ответил на этот вопрос Голливуд: в космосе полно инопланетян (причем многие из них ухитрились довольно неплохо выучить английский).

Короче говоря, с Голливудом все ясно. Но что по этому поводу говорят ученые? Действительно ли инопланетяне где-то рядом с нами? Очень многие исследователи дают утвердительный ответ, причем некоторые из них даже занимаются поиском фактов и доказательств. Это называется программой SETI (Search for Extraterrestrial Intelligence), т. е. поиском внеземного разума. Другие ученые ищут или собираются искать свидетельства существования жизни на Марсе, но программа SETI предполагает поиск развитых цивилизаций, способных посылать сигналы в космос.

 

Есть тут кто-нибудь?

 

Почему многие ученые разделяют оптимистическую точку зрения о возможности существования инопланетян?

По большей части этот оптимизм основан на следующем факте: наше место во Вселенной ничем не примечательно. Конечно, для нас Солнце — это важная звезда, но во Вселенной оно далеко не на главных ролях. В одной только галактике Млечный Путь таких солнц — десятки миллиардов. Если же эта цифра вас не впечатляет, подумайте о том, что в пределах досягаемости наших телескопов больше сотни миллиардов других галактик. Отсюда следует вывод: в видимой Вселенной солнцеподобных звезд больше, чем на Земле — травинок. И считать, что наша травинка — единственная, где происходит что-то интересное, было бы, мягко говоря, слишком дерзко и самонадеянно. И каким бы это ни было ударом по нашему самолюбию, планета Земля, скорее всего, не является разумным центром Вселенной.

Как же землянам найти своих братьев по разуму? Увы, мы не можем посетить их вероятные планеты. Полет к далеким звездным системам, хотя и стал обычным делом в научно-фантастических книгах, в жизни осуществить довольно сложно. Впечатляющая скорость наших земных ракет — 48 000 км/с, уже не так впечатляет, если учесть, что этой ракете понадобится сотня тысяч лет, чтобы долететь всего лишь до Альфы Центавра, ближайшей к Солнцу звезды. Что уж говорить о путешествии в глубины Вселенной! Конечно, более скоростные ракеты летели бы быстрее, но и потребляли бы больше энергии — причем намного больше.

 

SETI и уравнение Дрейка

 

Что ж, мы выяснили, что в гости к инопланетянам слетать не можем. Но зато мы можем найти доказательства существования технически высокоразвитых инопланетных цивилизаций, занимаясь "перехватом" их радиосигналов.

В 1960 году годах астроном Фрэнк Дрейк пытался прислушиваться к космическим сообщениям, используя радиотелескоп диаметром 26 м в Западной Вирджинии, направленный на пару солнцеподобных звезд. Телескоп был настроен на частоту 1420 МГц (СВЧ-диапазон радиочастот). Если вы смотрели фантастические фильмы, то знаете, что радиотелескоп похож на спутниковую тарелку, только он намного больше (рис. 14.1).

 

Рис. 14.1. Радиотелескоп

Фото Сета Шостака

 

 

Хотя в ходе реализации своего проекта "Озма" Дрейк не услышал никаких сигналов от инопланетян, это вызвало большой интерес и энтузиазм в научном сообществе. Через год, в 1961 году была проведена первая крупная конференция по SETI, и Дрейк попытался связать все неизвестные параметры в одном уравнении, которое теперь называют уравнением Дрейка. (Для тех, кто интересуется математикой, я приведу эту простую формулу во врезке "Уравнение Дрейка".) Его логика проста. Идея заключается в том, чтобы оценить N, количество цивилизаций в нашей галактике, которые в настоящее время используют радиосвязь. Очевидно, что N зависит от количества подходящих звезд в галактике, умноженного на долю тех звезд, у которых есть планеты, умноженное на… Более подробно об этом можно прочитать во врезке.

Уравнение Дрейка обычно вызывает большой интерес, поэтому вы можете произвести впечатление на друзей и знакомых, щегольнув им на вечеринке. Но хотя ученые примерно знают или могут надежно оценить значения первых нескольких параметров этой формулы (таких как скорость образования звезд и доля звезд, действительно имеющих планеты), у нас нет никаких достоверных сведений о таких составляющих, как доля планет, на которых развивается разумная жизнь, или продолжительность жизни технологических цивилизаций. Поэтому уравнение Дрейка по-прежнему не дает никакого ответа на интересующий нас вопрос. Это просто отличный способ организовать дискуссию о SETI.

 

Уравнение Дрейка

Изящную компактную формулу Фрэнка Дрейка часто используют в качестве основы для дискуссий на тему SETI и вероятности того, что когда-нибудь произойдет контакт человеческих существ с разумными инопланетянами. Это уравнение достаточно простое, понять его способен даже школьник.

Попробуем вычислить N, количество цивилизаций в галактике Млечный Путь, способных посылать радиосигналы. Существует несколько вариантов уравнений Дрейка, но мы рассмотрим самый распространенный и знаменитый из них:

N = R^* × f_p × n_e × f_l × f_j × f_c × L

где R^* — это скорость образования в галактике долгоживущих звезд, у которых могут быть обитаемые планеты. Поскольку в Млечном Пути примерно 400 миллиардов звезд, а его возраст — около 10 миллиардов лет, R^* составляет приблизительно 40 звезд в год;

(Помните: примерно одна из 10 звезд по размерам и светимости достаточно похожа на Солнце, чтобы ее можно было считать подходящей на роль звезды (солнца), вокруг которой вращаются обитаемые планеты.)

f_p — это доля подходящих звезд, у которых есть планеты. Никто не знает, чему равно это значение, но оно составляет по меньшей мере 3 %, а может быть, и больше;

n_e — это количество планет в "солнечной системе" (имеется в виду не наша, а другие солнечные системы), на которых возможно возникновение жизни. Для нашей Солнечной системы это значение равно, по меньшей мере, единице (Земля), но кто знает, чему оно равно для других солнечных систем. Обычно это значение принимают равным 1;

f_l — это доля пригодных для жизни планет, на которых уже развивается жизнь. Вполне разумно предположить, что это справедливо для большинства таких планет;

f_j — это доля "жизненных" планет, на которых развивается разумная жизнь. Это очень спорный вопрос, потому что разум, вполне возможно, — редкая случайность в биологической эволюции;

f_c — это доля разумных сообществ, которые технологически развиты и используют радиосвязь. Вероятно, это справедливо для большинства разумных цивилизаций;

L — это продолжительность жизни цивилизаций, использующих радиосвязь. Конечно, это вопрос скорее. социологии, а не астрономии, и понятно, что оценить этот параметр очень сложно.

Таким образом, значение N, вычисленное по формуле Дрейка, зависит от выбора значений перечисленных параметров. Пессимисты считают, что N равно всего единице, т. е. мы одиноки в галактике Млечный Путь. А вот знаменитый астроном Карл Саган считал, что N приблизительно равно миллиону. А что же говорит по этому поводу сам Фрэнк Дрейк? Его вывод: "Около десяти тысяч". Ну что ж, да здравствует умеренность во всем!