Этюды о Вселенной - Тулио Редже

Согласно теории Ньютона, которой пользовался Лаплас, вся масса звезды окажется в конце концов сосредоточенной в не имеющей размеров точке с бесконечной плотностью. Расчеты для таких экстремальных условий выполняются на основе общей теории относительности, созданной Эйнштейном в 1916 г.

Вклад общей теории относительности

Посмотрим, что говорит Эйнштейн. Бросив вверх камень, мы увидим, как он замедляется; следовательно, он теряет кинетическую энергию (энергию движения), в то время как его потенциальная энергия (энергия, зависящая от положения) увеличивается. Сумма этих двух энергий остается постоянной. Теперь направим вверх луч света. Так же, как и камень, он должен терять энергию движения, приобретая энергию потенциальную. Но поскольку, согласно принципу относительности, скорость света не может меняться и обязана оставаться постоянной и равной 300000 км/с, свет теряет энергию, уменьшая свою частоту, т.е. увеличивая длину волны. Из-за этого цвета радуги смещены в сторону красного. на Земле это смещение столь незначительно, что заметить его практически невозможно даже с помощью сверхчувствительной оптической аппаратуры. Такой эффект был обнаружен лишь при использовании γ-лучей (атомных часов), о которых говорилось в предыдущем разделе.

Свет так же, как и радиоволны, рентгеновские лучи и γ-излучение, представляет собой колебания электромагнитного поля, а звук, как известно, – это колебания воздуха. Все мы знаем, что звук испускается колеблющимся предметом, например струной рояля; мы знаем также, что частота звука совпадает с частотой колебания самой струны: звук «повторяет» колебания инструмента. а световые волны «повторяют» колебания электронов в атомах, радиоволны повторяют колебания электронов в излучающей антенне и т.д.

Допустим теперь, что мы повисли на воздушном шаре и смотрим вниз на источник света. Свет приходит к нам с уменьшенной частотой, соответствующей замедленным колебаниям в атоме. Таким образом, создается впечатление, что движения атомов, расположенных на уровне моря, замедленны, хоть и ненамного. Наши рассуждения можно распространить на любое движение; отсюда следует результат, имеющий универсальное значение: течение времени кажется замедленным внизу, на малой высоте над Землей, и ускоренным на большой высоте.

Течение времени рядом с черной дырой

Эффект усиливается, если часы находятся в кабине спутника, движущегося по орбите вокруг Земли, и учитывается при создании современных навигационных систем. на нейтронной звезде (также называемой пульсаром) замедление времени достигает ощутимых 10%. в предельном случае, как мы уже говорили, когда звезда находится в состоянии гравитационного коллапса, оказывается, что с точки зрения внешнего наблюдателя время на ее поверхности совсем останавливается. Следовательно, как это ни парадоксально, окончательный коллапс не наступает или, лучше сказать, откладывается навечно. Поэтому черная дыра не доходит до стадии сжатия в точку, предсказанной теорией Ньютона: время на поверхности «замораживается», играя космическую шутку, достойную Боргеса.

Если же читатель примет точку зрения наблюдателя, находящегося на поверхности такой звезды, то для него коллапс за считанные доли секунды приведет к невообразимой картине, увидеть которую сможет только сам наблюдатель; даже если он попытается послать сообщение по радио, радиоволны все равно не смогут оставить это небесное тело. Такому наблюдателю покажется, что во внешнем пространстве время летит ускоренно и мигом доходит до самого «конца всех времен».

Как же выглядит черная дыра извне? Ответ сложен и зависит от многих обстоятельств. Изолированная черная дыра – это темный объект, который, однако, обладает сильнейшим гравитационным полем; она проглатывает все (даже свет) и представляет собой превосходный космический пылесос. Известен источник рентгеновского излучения Лебедь Х-1, наличие которого может быть объяснено, если допустить существование черной дыры, вращающейся на орбите вокруг гигантской синей звезды. Вещество этой звезды втягивается в черную дыру чудовищным раскаленным вихрем, где оно стремительно сжимается силами тяготения и нагревается до температур в миллионы градусов. Именно при таких условиях излучаются наблюдаемые рентгеновские лучи.

Описанная модель кажется вполне приемлемой, несмотря на то что она еще не получила всеобщего признания. Имеются веские указания на то, что в центре многих галактик существуют огромные черные дыры, в которые низвергаются целые звездные системы со своими планетами. Важная информация об этих явлениях уже получена с помощью рентгеновского телескопа «Эйнштейн», недавно выведенного на орбиту искусственного спутника Земли.

Физика черных дыр представляет собой такой раздел астрофизики, где теория относительности приводит к результатам удивительным и крайне интересным. Но для более глубокого понимания роли черных дыр необходимо расширить изучаемое нами пространство до космических масштабов.

Галактики

В нашу Галактику входит примерно сто миллиардов звезд; одна из них – наше Солнце – служит нам домом, и то, что она занимает заведомо нецентральное положение, позволяет нам обозревать как всю гигантскую структуру нашей Галактики, так и остальную часть Вселенной, не подвергая себя излишней опасности. на небесах Юга, свободных от загрязнения и городского освещения, центральная часть Галактики, расположенная в созвездии Стрельца, представляет собой ни с чем не сравнимое зрелище.

В 20-е годы между астрономами Шепли и Куртисом разгорелся ожесточенный спор о природе Галактики и других объектов, видимых с помощью телескопов. в числе этих объектов находится знаменитая туманность Андромеды (М31), которая видна невооруженным глазом всего лишь как звезда четвертой величины, но разворачивается в величественную спираль, если разглядывать ее в большой телескоп. Согласно Шепли, вся Вселенная состоит из одной нашей Галактики, а спиральные туманности типа М31 представляют собой более мелкие объекты, рассыпанные внутри ее, как изюм в куличе.

Куртис, напротив, считал, что М31 представляет собой самостоятельную галактику-остров, не уступающую в достоинстве нашей Галактике и отдаленную от нее на несколько сотен тысяч световых лет. Создание больших телескопов и прогресс астрофизики привели к признанию правоты Куртиса. Измерения, проделанные Шепли, оказались ошибочными: по его оценкам, диаметр нашей Галактики порядка 300000 световых лет (в три раза больше действительной величины), и он очень сильно недооценил расстояние до М31. Это не меняет того факта, что Шепли был выдающимся ученым, первым, кто дерзнул описать в общих чертах структуру Галактики, не говоря уже о его многочисленных основополагающих вкладах в самые различные разделы астрофизики. Куртис, впрочем, также ошибался: теперь мы знаем, что расстояние до М31 – целых два миллиона световых лет.

Как можно вообразить столь гигантские расстояния? Один световой год немногим меньше десяти тысяч миллиардов километров; воздушный лайнер летит со скоростью, в миллион раз меньшей, чем скорость света (300000 км/с), и расстояние в один световой год он мог бы преодолеть за один миллион лет. в фильме «Звездные войны» расстояния такого порядка покрываются запросто в течение нескольких часов. Мало кто из фантастов пытался разобраться, нет ли разумного пути для развития современной технической мысли, который позволил бы достичь звезд, а не только планет нашей системы, до которых теперь уж рукой подать. Некоторые из таких предложений, кажущиеся не слишком фантастическими, мы рассмотрим ниже.

Как мы уже говорили, Вселенная не исчерпывается нашей Галактикой даже вместе с галактикой М31. Новый общий каталог (NGC) содержит перечень около десяти тысяч галактик вместе с их важнейшими характеристиками (светимость, форма, отдаленность и т.д.) – и это лишь малая толика из десяти миллиардов галактик, в принципе различимых с Земли. Сказочный гигант, способный охватить взглядом сотню-другую миллионов световых лет, разглядывая Вселенную, увидел бы, что она заполнена космическим туманом, капельками которого являются галактики. Временами встречаются скопления, состоящие из тысяч галактик, собранных вместе; одно такое гигантское скопление находится в созвездии Девы.

В центре галактик

Внутри галактик происходят весьма внушительные явления. Мы уже говорили о сверхновых – звездах, которые взрываются с невероятной силой. Еще более впечатляющими являются некоторые катастрофические процессы, связанные с присутствием в центре Галактики «таинственных объектов» (правда, теперь не столь уж таинственных). Огромные облака межзвездной пыли делают невидимой центральную часть нашей Галактики. Только с помощью радиотелескопов можно проникнуть сквозь пыль и получить информацию «из первых рук» об этом интереснейшем районе, расположенном в направлении Стрельца. Дополнительные сведения дает наблюдение середины других галактик. Общая картина еще не завершена, но из уже имеющихся данных извлечена очень интересная информация.