Чтение онлайн

Чем вызваны такие высокие скорости? Если бы, как тогда думали, эти странные объекты (получившие позднее название квазары) являлись неким типом звезд, принадлежащих нашей галактике Млечный Путь, они должны были бы быть откуда-то извергнуты с невероятной силой, возможно, из галактического ядра. В это было невозможно поверить, и более пристальное изучение спектров квазаров показало, что это вряд так. Единственная разумная альтернатива, как (верно) предположили Гринштейн и Шмидт, заключается в том, что эти квазары находятся в нашей Вселенной очень далеко и удаляются от Земли с высокой скоростью в результате ее расширения.

Вспомним, что расширение Вселенной подобно растяжению поверхности надуваемого воздушного шарика. Если на его поверхности находится несколько муравьев, каждый из них увидит, что все остальные муравьи в результате расширения воздушного шарика от него

удаляются. Чем дальше находится другой муравей, тем быстрее он будет двигаться, на взгляд первого муравья. Точно так же, чем дальше находится объект от Земли, тем быстрее для нас он будет двигаться в результате расширения Вселенной. Другими словами, скорость объекта пропорциональна расстоянию до него. Поэтому из скоростей 3C273 и ЗС48 Шмидт и Гринштейн смогли вычислить расстояние до них: соответственно, 2 миллиарда и 4,5 миллиарда световых лет.

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

Фактически 3C273 был настолько ярким объектом, что с 1895 г. его уже больше 2000 раз регистрировали на фотографиях вместе с другими объектами даже с помощью телескопов среднего размера. Узнав об открытии Шмидта, Харлан Смит из Университета Техаса организовал более пристальное изучение этого архива фотографий, в основном хранящихся в Гарварде, и обнаружил, что у 3C273 за последние 70 лет постоянно происходили флуктуации яркости. Его светимость существенно менялась с периодом, не большим чем один месяц. Это означает,

что большая часть света от 3C273 должна излучаться из области размером меньшим расстояния, преодолеваемого светом за месяц, т. е. меньшим, чем 1 «световой месяц». (Если область будет больше, то не может быть такой силы, перемещающейся, конечно, со скоростью меньшей или равной скорости света, которая могла бы заставить весь излучающий газ с месячной аккуратностью одновременно вспыхивать или тускнеть.)

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

***

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

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

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

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

В 1950 г. Карл Отто Кипенхоер в Чикаго и Виталий Лазаревич Гинзбург в Москве (тот самый Гинзбург, который придумал LiD топливо для советской водородной бомбы и обнаружил первые свидетельства, что черные дыры не могут иметь «волос»66) разрушили этот ментальный барьер. Развивая плодотворные идеи Ганса Альфвена и Николаи Херлофсона, Кипенхоер и Гинзбург (верно) предположили, что радиоволны Янски в нашей галактике являются синхротронным излучением электронов, движущихся по спирали вокруг линий магнитных силовых линий, заполняющих межзвездное пространство (рис. 9.4).

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

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

***

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

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

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

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