Помоги проекту - поделись книгой:
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
Подсчитаем величину
Эта величина получила название гравитационного радиуса. Если
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 Fэ на расстояниях, еще меньших, чем rg? Ведь уже при rg 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 rg — 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
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 3
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 3
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 3
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 2
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!
Поделиться книгой: