Большое космическое путешествие - Дж. Ричард Готт

Невероятная энергия, заключенная в диске, примыкающем к черной дыре, провоцирует излучение высокоэнергетических частиц. Эти частицы блокируются в плоскости диска и должны извергаться из него в виде струи вещества, перпендикулярной самому диску (так называемый джет). Отчасти направление этого джета задают мощные магнитные поля. Такой узкий джет заметен как небольшая продолговатая деталь на рис. 16.4 (снимок с телескопа «Хаббл»); если сравнить изображение 3C 273 с циферблатом часов, то джет указывает примерно на цифру 5. Четкие прямые «иголочки», исходящие из квазара, – это оптические дефекты, вызванные самим телескопом.

Рис. 16.4. Квазар 3C 273 и его джет. Снимок предоставлен: космический телескоп «Хаббл», NASA

Черную дыру часто сравнивают с космическим пылесосом, который проглатывает все, что окажется поблизости. Однако вообразите, что завтра Солнце как по волшебству превратится в черную дыру (но масса этого тела останется прежней). Для нас это обернется катастрофой: мы перестанем получать от Солнца свет и тепло, и Земля замерзнет. Но орбита Земли не изменится. Момент импульса, удерживающий Землю на ее орбите, также сохранится, и Земля продолжит вращаться как на протяжении последних 4,6 миллиарда лет. Аналогично, те звезды, что вращаются по своим орбитам вокруг черной дыры, находящейся в центре Млечного Пути, в обозримом будущем в нее не упадут. Вероятно, эта черная дыра в далеком прошлом успела побывать квазаром, когда и нарастила нынешнюю массу (в 4 миллиона больше солнечной). Сегодня можно вычислить массу этой черной дыры, определив элементы орбит отдельных звезд, вращающихся вокруг нее. Однако материя больше не сливается в эту черную дыру и не образует диск; сегодня черная дыра успокоилась и не сияет, как квазар.

В близлежащих регионах Вселенной квазары – редкость. На самом деле, объект 3C 273, до которого 2 миллиарда световых лет, – один из ближайших к нам сияющих квазаров. В юной Вселенной квазары были гораздо более распространены; большинство из них обладает огромным красным смещением, и, следовательно, они очень удалены от нас. Свет от этих далеких квазаров летел к нам миллиарды лет. Поэтому мы видим, как они выглядели, когда Вселенная была гораздо моложе. Тот факт, что количество квазаров во Вселенной со временем меняется, – прямое доказательство ее эволюции, противоречащее совершенному космологическому принципу Хойла (см. главу 15); как вы помните, Хойл отстаивал гипотезу о неизменной Вселенной.

По количеству квазаров, наблюдаемых в ранней Вселенной, можно предположить, что в настоящее время сверхмассивные черные дыры повсеместно распространены. В конце концов, черные дыры могут только расти; образовавшись, черная дыра уже никуда не девается (в главе 20 будет рассказано, что черная дыра все-таки может испариться и виной тому – квантовые эффекты, но в случае сверхмассивных черных дыр этот процесс протекает очень медленно, и в масштабах нескольких миллиардов лет, о которых мы говорим здесь, им действительно можно пренебречь). Поскольку мы сегодня не видим в близлежащих галактиках таких черных дыр, сияющих, как квазары, можно заключить, что современные черные дыры «успокоились» и газ в них не поступает. Сверхмассивная черная дыра в центре Млечного Пути, присутствие которой угадывается по движению звезд вблизи от нее, – и есть один из таких примеров.

Искать черные дыры в центрах других галактик – непростая задача. Если черная дыра не подпитывается газом, текущим из аккреционного диска, то вокруг нее не будет никакого квазароподобного излучения и, соответственно, мы ее не увидим. Тем не менее можно ориентироваться на доплеровское смещение звезд вблизи от центров галактик и по этому эффекту угадывать присутствие объекта, обладающего огромной силой тяготения. Такой метод работает преимущественно с близлежащими галактиками, центральные области которых можно рассмотреть в телескоп. В этих областях движение звезд подчинено тяготению черной дыры.

К настоящему моменту астрономы прошерстили в поисках черных дыр примерно 100 галактик. В сущности, всякий раз, когда позволяла чувствительность аппаратуры, в центре галактики обнаруживалась сверхмассивная черная дыра. Насколько можно судить, в любой крупной галактике с полноценным балджем (речь идет об эллиптических и о большинстве спиральных галактик) находится черная дыра. Наш Млечный Путь с черной дырой примерно в 4 миллиона солнечных масс относительно нетипичен; наиболее массивные черные дыры в близлежащих галактиках в несколько миллиардов раз тяжелее Солнца (как, например, в галактике M87). Более того, чем крупнее эллиптическая галактика (или балдж спиральной галактики), тем массивнее будет расположенная там черная дыра. Масса черной дыры, как правило, составляет 1/500 от массы балджа окружающих ее звезд.

Поскольку квазары обладают колоссальной светимостью, они выглядят гораздо ярче галактик. Таким образом, далекий квазар намного ярче и, соответственно, заметнее, чем галактика, расположенная на том же расстоянии. Как далеко находится самый далекий квазар, который мы можем наблюдать во Вселенной? Опять же, поскольку скорость света конечна, тот свет, который мы видим, покинул квазар во времена, когда Вселенная была гораздо моложе. Когда астроном рассматривает далекие объекты, он видит их такими, какими они были в прошлом, так что телескоп подобен машине времени.

В главе 15 я рассказал о Слоановском цифровом обзоре неба – в рамках этого проекта были получены фотографии и красные смещения 2 миллионов галактик. Кроме того, он позволил узнать спектры более чем 400 000 квазаров. Эта выборка свидетельствует, что квазары были наиболее распространены в период от 2 до 3 миллиардов лет после Большого взрыва; считается, что именно в ту эпоху сверхмассивные черные дыры, обнаруживаемые сегодня в крупных галактиках, нарастили большую часть своей материи. Два миллиарда лет после Большого взрыва, то есть около 12 миллиардов лет назад, соответствуют величине красного смещения 3. Это означает, что длины волны спектральных линий в квазарах в 4 раза длиннее (то есть красное смещение + 1), чем были бы без поправки на расширение Вселенной. В данном случае красное смещение не малозаметный феномен, а серьезный эффект!

Эдвин Хаббл обнаружил линейную взаимосвязь между красным смещением галактик и расстоянием до них. Но при очень большом красном смещении это отношение немного усложняется. Оказывается, что квазар с красным смещением 3 сейчас удален от Земли примерно на 20 миллиардов световых лет. Как такое возможно, если Вселенной всего 13,8 миллиарда лет? Напоминаю, что с тех пор, как этот свет покинул квазар, Вселенная расширилась вчетверо (опять же, величина красного смещения + 1) и унесла квазар далеко. Поэтому сейчас он находится именно в 20 миллиардах световых лет от нас (такое расстояние называется сопутствующим).

На рис. 16.5 показан спектр самого далекого квазара, который удалось найти нам с коллегами при помощи Слоановского цифрового обзора неба. Очень выраженная эмиссионная линия с длиной волны 9000 Å (0,9 микрон) соответствует переходу со второго энергетического уровня к основному состоянию водорода – это водородная линия Лайман-альфа. В направлении синей части спектра (то есть в сторону коротких длин волн) спектр падает до нуля; оказывается, все дело в абсорбирующем эффекте водорода, находящегося в пространстве между квазаром и нами. Спектр характеризуется эмиссией в ближнем инфракрасном спектре, а на более коротких волнах эмиссии нет, поэтому данный объект и кажется невероятно красным.