Все началось в 1963 году, когда были открыты квазары. История квазаров на самом деле началась в последний день 1960 года. В 1950-е астрономы при помощи телескопов, регистрировавших не видимый свет, а радиоволны, обнаружили во Вселенной много объектов, испускавших радиошум. Некоторые такие объекты были видны как яркие галактики и получили название радиогалактик, но были и такие, которые не удавалось отождествить ни с какими известными видимыми объектами. Потом, в конце 1960 года, американский астроном Аллан Сэндидж сообщил, что один из радиоисточников, открытых во время обзора, проведенного кембриджскими радиоастрономами (так называемый источник 48), можно отождествить не с далекой галактикой, а с яркой звездой. В ближайшие несколько лет были обнаружены и другие радиозвезды, но никто не мог объяснить, как им удается испускать радиошум. Затем, уже в 1963 году, Мартен Шмидт, который работал в обсерватории Маунт-Паломар в Калифорнии, объяснил, почему другой такой объект – 3C 273 – обладает весьма необычным спектром.
Состав любой звезды (и вообще любого горячего объекта) выдает природа испускаемого ей света. Каждый элемент – водород, гелий, кислород – поглощает и испускает энергию лишь с конкретными длинами волн из-за квантовых эффектов, о которых мы говорили во второй главе. Поэтому, когда свет от звезды или галактики при помощи призмы разлагается на спектр, мы видим, что этот спектр пересекают темные и светлые полосы разной длины волн, которые соответствуют атомам тех или иных элементов в атмосфере звезды (или звезд, из которых состоит галактика). Спектральные линии индивидуальны, как отпечатки пальцев, и у атомов одного элемента всегда один и тот же набор длин волн. Однако астрономы уже знали, что у галактик вне Млечного Пути эти спектральные линии слегка сдвинуты к красному концу спектра. Знаменитое «красное смещение» вызвано расширением Вселенной, которое растягивает пространство, а следовательно, и длину волн света, идущего к нам от далекой галактики. Именно открытие «красного смещения» и подсказало астрономам, что Вселенная расширяется, однако этому поначалу не поверил даже сам Эйнштейн.
То, что свет от 3C 273 тоже подвергся красному смещению (собственно, это и открыл Мартен Шмидт), было неудивительно, однако в 1963 году астрономы впервые увидели смещение таких масштабов – почти на 16 % к красному пределу. Обычно красные смещения у галактик значительно меньше, примерно 1 % (то есть 0,01). Но, когда стало ясно, что возможны даже такие огромные смещения, ученые пересмотрели остальные «радиозвезды», и оказалось, что у всех у них такие же большие смещения, а иногда даже больше. Например, у источника 3C 48 красное смещение составляет 0,368 (почти 37 %), то есть в два с лишним раза больше, чем у 3C 273, а рекордное красное смещение на сегодня – больше четырех, то есть первоначальная длина волны света от самых далеких известных нам квазаров растянута в четыре с лишним раза.
В расширяющейся Вселенной красное смещение служит мерой расстояния (чем дальше источник доходящего до нас света, тем сильнее этот свет растянут расширением Вселенной). Так что эти объекты, как выяснилось, вообще не звезды, а неизвестное ранее явление – объекты, которые выглядят как звезды, но находятся очень далеко, в большинстве случаев даже дальше, чем известные галактики. Вскоре они получили название «квазары» – квази-звездные объекты.
Чтобы быть видимыми с такого огромного расстояния, на которое указывает красное смещение, квазары должны вырабатывать колоссальное количество энергии. Яркость типичного квазара превышает яркость звезды вроде Солнца в 300 миллиардов раз, то есть он светит втрое ярче, чем вся наша галактика Млечный Путь. Некоторое время астрономы безуспешно искали альтернативные объяснения мощности квазаров, но потом были вынуждены признать, что квазары, вероятно, – это черные дыры. В наши дни известно, что каждый квазар – это черная дыра массой как минимум в сто миллионов раз больше массы Солнца, которая заключена в объем диаметром примерно с Солнечную систему (именно о такой большой черной дыре с низкой плотностью и шла речь в главе 5). Каждый из них лежит в центре обычной галактики и питается веществом ее звезд. Наши телескопы становятся все совершеннее благодаря достижениям науки и техники, и во многих случаях мы имеем возможность сфотографировать галактику, окружающую квазар и очень бледную на его фоне.
По меркам повседневной жизни масса в сто миллионов солнечных – это, конечно, много, но на самом деле это лишь 0,1 %–1 % массы родительской галактики, где таится квазар. Когда подобный объект поглощает вещество, примерно половина массы этого вещества конвертируется в энергию в соответствии со знаменитой формулой Эйнштейна E = mc2. Из главы 5 мы знаем, что множитель c2 так велик, что соответствует огромному количеству энергии. Процесс выработки энергии настолько производителен, что, даже если в энергию преобразуется всего 10 % массы, падающей в черную дыру, квазару достаточно пожирать всего одну-две массы Солнца в год, и при этом он будет сиять как три миллиарда Солнц, так ярко, что его видно с огромного межгалактического расстояния. Вещество формирует вокруг черной дыры огромный раскаленный крутящийся диск. И в этом-то диске энергия и порождает радиошум и видимый свет, которые излучает квазар, хотя сама черная дыра и в самом деле черная, как ясно из названия. А поскольку в запасе у квазара сотня миллиардов звезд, квазар может сиять с прежней яркостью миллиард лет, даже если за это время съест всего 1 % массы родительской галактики.
* * *
Раз в природе есть квазары, значит, огромные черные дыры с низкой плотностью и в самом деле существуют. В 1967 году, всего через четыре года после того, как было измерено красное смещение источника 3C 273, кембриджские радиоастрономы совершили еще одно революционное открытие – обнаружили радиоисточники, излучающие быстро меняющиеся радиоволны, так называемые пульсары. Сами по себе пульсары – не черные дыры, однако большинству астрономов они открыли глаза на то, что могут существовать и сверхплотные компактные черные дыры, в точности как предсказывает ОТО.
Первые пульсары открыла студентка Джоселин Белл, когда испытывала новый радиотелескоп. Самое поразительное свойство этих объектов – способность мерцать с частотой несколько раз (а то и несколько сотен раз) в секунду с поразительной точностью. Это настолько похоже на искусственный сигнал, своего рода космический метроном, что ученые даже не шутили, когда прозвали первые открытые пульсары «LGM 1» и «LGM 2», где аббревиатура LGM означает «Little Green Man» – «маленький зеленый человечек». Но затем, когда ученые обнаружили новые пульсары, стало ясно, что их слишком много, чтобы считать их маяками для межзвездных полетов, установленными какой-то сверхцивилизацией, и прижилось название «пульсар» – «пульсирующий радиоисточник». К тому же это название рифмовалось со словом «квазар».
Но какое же природное явление способно порождать такие частые и регулярные всплески радиошума? Вариантов было только два. Импульсы свидетельствовали либо о вращении, либо о вибрации очень компактной звезды. Все крупнее белого карлика вращалось или вибрировало бы гораздо медленнее, и это не объясняло бы скорости известных нам пульсаров, а вариант вращающегося белого карлика быстро исключили: простые расчеты показывают, что белый карлик, вращающийся с подобной быстротой, просто разрушился бы.
