Поиски свидетелей

И Ньютон, и Эйнштейн, и Фридман лишь в малой степени ответили на вопрос, "как" развивалась Вселенная. Но почему все произошло так, а не иначе, есть ли в природе свидетель возникновения мира - на эти вопросы все еще нет ответа.

Вселенная задает ученым все новые и новые загадки. Но разум человека мужает, и на многие вопросы уже найдены ответы. А если не найдены, то нащупаны пути, которые должны привести к ним. По одному из них ученых повела радиоастрономия. Возникновение радиоастрономии, исследующей радиоволны, приходящие к нам из глубин Вселенной, привело к обнаружению удивительных объектов, получивших название квазаров. Квазар - это квази-звездный источник. Размеры его схожи с размером отдельной звезды, а излучаемая энергия близка к излучению огромных звездных скоплений. Природа квазаров и причина извержений столь колоссальных количеств энергии все еще не поддаются пониманию. Пока астрономы делились догадками по поводу этого нового вида звезд, был открыт еще один класс таинственных объектов, заставивших ученых вернуться к одной из гипотез, считавшейся ошибочной. Группа английских радиоастрономов обнаружила при помощи радиотелескопа неожиданные сигналы, приходящие из космоса один за другим с периодичностью, превосходящей точность хода большинства часов. Прежде чем думать о природе этих сигналов, нужно было убедиться в том, не вызваны ли они помехами промышленного происхождения или не излучаются ли какой-либо специальной радиостанцией. Проверки показали, что сигналы приходят из космоса.

Нельзя было сразу исключить и волнующую возможность того, что сигналы были искусственными и приходили от планеты, обращающейся вокруг одной из отдаленных звезд. Но в этом случае, при наблюдении в течении нескольких недель, в этих сигналах должны были бы обнаружиться характерные изменения, обусловленные движением планеты. Доктор Хьюиш, руководитель группы астрономов, проводившей эти наблюдения, сказал: "Эти недели в декабре 1967 года были, несомненно, самыми волнующими в моей жизни".

Ожидаемые изменения сигнала не были обнаружены. Гипотеза о контакте с внеземной цивилизацией отпала.

После недолгих сомнений астрономы поняли, что им удалось найти экспериментальное подтверждение одной из мало популярных космологических гипотез, представлявших сплав теории относительности и физики элементарных частиц. Корни этой гипотезы уходят в глубь проблемы источника энергии, поддерживающей свечение Солнца и звезд.

Первоначально, в соответствии с гипотезой Канта - Лапласа, казалось, что этим источником являются силы тяготения. При сжатии туманностей и при дальнейшем сжатии звезд силы тяготения вызывают нагревание сжимающегося вещества. Однако по мере уточнения теории и накопления экспериментальных данных выяснилось, что сил тяготения недостаточно для объяснения эволюции звезд.

Геологи установили, что возраст Земли много больше, чем время, за которое Солнце должно было бы излучить все запасы энергии, могущие образоваться за счет сил тяготения. Значит, внутри Солнца действуют какие-то другие источники энергии.

Попытка объяснить длительное свечение звезд энергией радиоактивного распада, вселившая поначалу большие надежды, окончилась неудачей, когда были достаточно точно изучены законы радиоактивных превращений и подсчитана относительная доля различных элементов во Вселенной.

На смену пришла гипотеза термоядерного синтеза.

Эта гипотеза, сыгравшая роль и при создании водородной бомбы, казалась надежно подтвержденной, в частности, опытами с этим страшным оружием.

Однако в самое последнее время уверенность в справедливости этой теории, во всяком случае в верности лежащей в ее основе цепочки ядерных реакций, была поколеблена экспериментом.

Дело в том, что в ходе предполагаемых ядерных реакций в недрах Солнца должно выделяться огромное количество нейтрино. Оставалось одно - проверить эго предположение, поймать нейтрино. Но нейтрино - удивительные элементарные частицы. Нейтрино, как и фотон, не может находиться в покое, всегда движется со скоростью света, не имеет заряда и, в отличие от фотонов, почти не взаимодействует с веществом! Вернее, это взаимодействие столь слабо, что нейтрино может почти наверняка проскочить сквозь толщу Земли, ни за что не "зацепившись". Лишь малая часть всего потока нейтрино, исходящих из Солнца, может задержаться в земной толще из-за взаимодействий с ядрами атомов, образующих земные породы.

Неуловимость нейтрино долго мешала экспериментальному подтверждению их существования. Прошло много лет после того как Паули, физик-теоретик, в 1931 году постулировал их существование, а нейтрино все еще оставались неуловимыми. Лишь в 1956 году были наконец зафиксированы нейтрино, исходящие из ядерного реактора. Но солнечных нейтрино по-прежнему ни в одной лаборатории мира изловить не удавалось.

Надо было изучить свойства, характер, все особенности этих элементарных частиц, чтобы понять, каким прямым или косвенным образом можно опознать их. Большой опыт в этой области физики имеет советский ученый академик Понтекорво. Он внес значительный вклад в изучение нейтрино. Он же предложил и схему эксперимента для поимки солнечных нейтрино. Понтекорво решил использовать для этой цели перхлорэтилен - вещество, широко применяемое для чистки одежды. Нейтрино должны превращать ядра хлора-37, содержащиеся в этой жидкости, в ядра аргона-37, присутствие которых можно затем обнаружить. Расчеты Понтекорво показали, что надежду на успех можно получить, только создав установку огромных размеров, упрятанную глубоко в толщу Земли (для защиты от влияния других космических частиц).

Одним из первых решил попытать удачу американский физик Дэвис. Он соорудил в заброшенной шахте на глубине полутора километров в толще североамериканского материка колоссальную установку, содержащую 610 тонн перхлорэтилена. Длительные и тщательные опыты не обнаружили нейтрино, приходящих от Солнца.

Такого потрясения физики не испытывали в течение многих лет. Пришлось пересмотреть многие гипотезы и теории. Но, прежде чем создавать новые, было решено проверить опыт Дэвиса.

Те, кто увлекается горнолыжным спортом и бывает в Терсколе или Чигете - этих прославленных горнолыжных базах Кабардино-Балкарии, наверно, заметили перемену в расписании автобусов, курсирующих между базами и нальчиком: добавлена остановка "Нейтрино".

В одном из горных массивов вблизи Эльбруса метростроевцы пробурили шахту. Здесь под толщей горных пород установлен гигантский чан с перхлорэтиленом; в зале, похожем на ангар для самолетов или стадион, смонтирована схема счетчиков. Сети для поимки нейтрино готовы, ученые уже проводят серию контрольных опытов. Здесь делается следующий шаг в познании тайны источника энергии Солнца.

Конечно, пройдут годы, пока мы услышим от ученых точный, достоверный, надежно обеспеченный экспериментом ответ о природе источника энергии, дающего нам жизнь. Но параллельно с этим идут напряженные поиски ответа на другие вопросы. Ведь существует острый интерес ко всему, что касается Солнца и нашего непосредственного окружения в космосе. Независимо от выяснения деталей реакции термоядерного синтеза все хотят знать, что ожидает Солнце и звезды, когда в них истощатся ресурсы термоядерного горючего? Мы хотим знать, что будет, когда вырабатываемая из него энергия уже не сможет сдерживать сжатия, обусловленного силой тяготения?

Особенно остро этот вопрос стоит для массивных звезд. Например, звезда, масса которой в 10 раз превышает солнечную, светит в 10 тысяч раз сильнее Солнца. При этом такие звезды могут сиять лишь 10-20 миллионов лет. Что с ними будет позже? Расчеты показывают, что эти звезды не могут пройти путь, уготованный Солнцу.

Солнце, по исчерпании ресурса своих термоядерных реакций, через десяток миллиардов лет превратится в маленькую яркую звездочку, подобную известным астрономам белым карликам. При этом силы тяготения сделают его вещество в миллион раз более плотным, чем вода на поверхности Земли. Затем начнется длительный этап дальнейшего сжатия и постепенного охлаждения.

Еще в 1929 году астрофизик Фаулер пытался изучить этот этап эволюции звезд при помощи недавно созданной квантовой механики. Он обнаружил, что гравитационное сжатие может объединить всю массу звезды в подобие огромного атомного ядра. После того как в 1932 году был открыт нейтрон, молодой советской теоретик Ландау предположил, что со временем этот процесс приведет к превращению почти всей массы звезды в сгусток нейтронов, обладающий плотностью, еще в миллиард раз превышающей плотность белых карликов. Такое вырожденное нейтронное состояние может возникнуть в звезде только после окончания всех термоядерных реакций, когда тлеет остывающий "пепел" бывшего светила.

Здесь мы должны возвратиться к открытию английских астрономов. Сейчас твердо установлено, что они обнаружили именно нейтронную звезду. Уже известно несколько сотен таких звезд, названных пульсарами. Некоторые из них с завидным постоянством излучают не только импульсы радиоволн, но и вспышки света.

Теперь мы знаем о пульсарах многое. Это очень малые объекты, диаметром в несколько километров. Оказалось, что вещество пульсара при температуре в миллиард градусов ведет себя так, как обычное вещество вблизи абсолютного нуля. Эта нейтронная сверхтекучая "жидкость" окружена тонкой железной "корой". Пульсар быстро вращается, излучая узкий пучок электромагнитных волн, оббегающий пространство подобно лучу прожектора. Когда этот пучок проходит через Землю, приборы регистрируют вспышку излучения пульсара. Период этих вспышек медленно возрастает по мере того, как звезда излучает свою энергию в пространство.

Однако периоды замедления иногда прерываются скачкообразным ускорением вращения. Это связано с "пульсаротрясениями": натяжения в железной коре в процессе сжатия возрастают настолько, что она ломается и пульсар, уменьшившись в размерах, начинает вращаться быстрее.

Все эти сведения о пульсарах дали расчеты, проведенные на основе теории и наблюдений за изменением периодов их вращения. И эти расчеты бесценны для понимания, для пополнения наших знаний о природе небесных тел. Они не только предсказывают судьбу нашего Солнца и подобных ему небесных тел, но и проливают свет на будущее других светил. Те же расчеты свидетельствуют, что звезда, всего в полтора-два раза более массивная, чем Солнце, не может превратиться в белого карлика. Не станут белыми карликами и звезды, обладающие еще большей массой. Так люди узнали, что судьба у звезд разная!

Очень часто знанию предшествует догадка, предчувствие. И около сорока лет назад, задолго до открытия пульсаров, известный индийский астрофизик Чандрасекхар пришел к тем же выводам, к которым сегодня привели расчеты.

Он писал: "История жизни звезды малой массы должна существенно отличаться от истории жизни звезды большой массы. Для звезды малой массы естественно достигаемое состояние белого карлика является первым шагом к полному угасанию. Звезда с большой массой не может превратиться в белого карлика, и нам необходимо искать другие возможности".

Сейчас это общепризнанный результат. Но тогда этому никто не поверил. Вот что писал, возражая Чандрасекхару, маститый астроном Эддингтон: "Звезда будет продолжать излучать и излучать, сжиматься и сжиматься до тех пор, пока она, я полагаю, не достигнет радиуса в несколько километров, тогда гравитация окажется достаточно сильной, чтобы "запереть" излучение, и звезда наконец-то сможет обрести покой".

В 1972 году Чандрасекхар сказал по этому поводу: "Если бы Эддингтон здесь остановился, мы могли бы воздать ему должное за первое предсказание существования "черных дыр"...

Но... Он не остановился. Вот что мы читаем дальше у Эддингтона: "Я чувствую себя насильственно подведенным к выводу, который является почти доведением до абсурда релятивистской формулы вырождения... Я уверен в существовании закона природы, предохраняющего звезду от вступления на этот абсурдный путь".

Так Эддингтон свернул с пути, ведущего к замечательному открытию. А ведь у него уже было больше данных, чтобы приблизиться к истине, чем, скажем, у Лапласа. Однако тот почувствовал возможность существования того, что мы называем "черной дырой", почти двести лет назад! Он даже вычислил, какими должны быть масса и радиус звезды, чтобы ни вещество, ни свет не могли покинуть ее поверхности. Лаплас писал об этом в 1798 году. В то время расчет Лапласа казался курьезом, далеким от реальности. Однако его результат точно совпадает с тем, который получается из общей теории относительности! Звезду, которая втягивает в себя не только частицы, но и электромагнитные волны, теперь называют "черной дырой".

Прежде чем остановиться на этом явлении природы подробнее, ответим на вопрос: что может произойти со звездой, которая слишком массивна для того, чтобы спокойно пойти по пути эволюции через состояние белого карлика к пульсару?

Расчеты показывают, что, скорее всего, процесс приведет к катастрофе. Сжимаясь под действием гравитационных сил, более не сдерживаемых истощившейся энергией термоядерного синтеза, звезда потеряет устойчивость и испытает подобие колоссального взрыва. При этом огромная часть массы ее будет выброшена в пространство. Люди неоднократно наблюдали такие взрывы в виде появления необычайно ярких, быстро угасающих звезд. Одна из таких "сверхновых" наблюдалась примерно тысячу t лет назад, и ее остатки мы знаем в форме Крабовидной туманности.

Если выброшенная масса будет такой, что остаток звезды может эволюционировать по пути белого карлика, она постепенно превратится в стабильную нейтронную звезду, в знакомый нам пульсар. Именно это и произошло со "сверхновой" в Крабовидной туманности.

Однако такой вариант не может быть единственным. Более того, он представляется мало вероятным, а значит, сравнительно редким.

Скорее всего, звезда, первоначально в 10 раз превосходившая по массе Солнце, не попадет в узкий "коридор" такой эволюции. В этом случае гравитационное сжатие перейдет в коллапс, и звезда сожмется до состояния, предвиденного Лапласом: все более возрастающие гравитационные силы "запрут" ее излучение. Она перестанет быть видимой.

Таких "черных дыр" может быть очень много. Предполагается, что в центрах галактик существуют огромные "черные дыры" с массой от десяти тысяч до десяти миллионов солнечных масс, непрерывно поглощающие окружающее вещество, а иногда и целые звезды.

Эту теорию трудно подтвердить опытом, ибо "черную дыру" нельзя видеть непосредственно. По если она имеет спутника в виде обычной звезды, то, наблюдая ее излучение, можно заключить, что незримым партнером является именно "черная дыра".

Астрономы уже изучили движение десятков звезд, намекающих на то, что их партнерами являются "черные дыры". Но ни одна из них пока но обнаружила всей совокупности признаков, которые должна демонстрировать такая пара.

Одним из решающих доводов в пользу того, что невидимый партнер является "черной дырой", должно быть мощное рентгеновское излучение. Оно неизбежно возникает, когда поле тяготения "черной дыры" втягивает в себя вещество из окружающего пространства, придавая частицам этого вещества все возрастающее ускорение. Будучи партнером обычной звезды "черная дыра" постепенно всасывает в себя газовую оболочку своего партнера. Возникшее рентгеновское излучение - словно сигналы бедствия. Но до Земли они не доходят. Они тонут в толще атмосферы.

Что ж, спросит читатель, позывные "черной дыры" так и останутся не услышанными?

Рентгеновское излучение из космоса стало предметом тщательного изучения после того, как космические лаборатории, вращающиеся вокруг Земли, были оснащены специальными приемниками рентгеновых лучей - рентгеновскими телескопами. Эти телескопы обнаружили и позволили изучить рентгеновское излучение, исходящее от Солнца, звезд и различных галактик. Что же мы узнали о "черных дырах" от этих разведчиков?

Все наблюдения как бы группируются в две категории. В одних случаях (их большинство) источники рентгеновского излучения совпадают с видимыми объектами. В других - такое совпадение отсутствует. Вот тут-то можно предположить, что сигналит именно "черная дыра"! Однако доказать это пока невозможно.

Когда источник рентгеновского излучения совпадает с видимым объектом, можно по ряду признаков судить о природе источника. Тщательное исследование показало, что природа всех известных до сих пор источников рентгеновского излучения может быть понята и объяснена без привлечения гипотезы "черных дыр".

До последнего времени было известно только одно исключение: рентгеновский источник Лебедь Х-1. Рассмотрение его свойств было одной из наиболее волнующих тем, которые обсуждала советско-американская рабочая группа по теории космических источников рентгеновского излучения, собравшаяся в августе 1977 года в научном городке Академии наук СССР Протвино вблизи Серпухова.

Итоги дискуссии послужили темой статьи, написанной совместно Лайманом из Гарвардского университета США, Сюняевым из Института космических исследований АН СССР, Шакуров из Государственного института им. Штернберга в Москве, Шапиро из Корнельского университета США и Эрдли из Йельского университета США.

Статья начинается так: "Мы были бы счастливы, если бы Лебедь Х-1 оказался "черной дырой". Но, честно говоря, полной уверенности в этом у нас нет. Несмотря на энергичные поиски "черных дыр" в природе, Лебедь Х-1 остался пока единственным достоверным кандидатом в "черные дыры".

В августе 1978 года появился еще один кандидат в "черные дыры", еще один рентгеновский источник, во многом похожий на Лебедь Х-1, но о нем пока известно очень мало.

Регулярные исследования источника Лебедь Х-1 ведутся уже свыше девяти лет. О нем известно, что его размеры малы, а масса больше, чем возможная для нейтронной звезды или белого карлика.

Видимый объект в Лебеде Х-1 звезда-сверхгигант. Ее масса примерно в 25 раз больше массы Солнца. Это было установлено в 1971 году, когда внезапно резко изменился спектр рентгеновского источника и одновременно в .этом же месте возник слабый источник радиоизлучения. Положение нового радиоисточника, измеренное при помощи радиотелескопов с чрезвычайно высокой точностью, совпало с видимой звездой, известной в астрономических каталогах под индексом V = 1357 С yq. Так счастливый случай, природа которого еще полностью не изучена, помог установить, что изменение характера рентгеновского излучения с одновременным возникновением радиоисточника связано с двойной звездой V=1357 в созвездии Лебедя.

Об этой звезде теперь известно многое. Видимая звезда вращается по своей орбите со скоростью не менее 73 ^км/_сек., совершая оборот за 134,4 часа. Радиус орбиты, по которой движется видимая звезда, по крайней мере в 8 раз превышает радиус Солнца, а масса невидимого объекта заключена в пределах от 8 до 11 солнечных масс. Таких массивных нейтронных звезд или белых карликов быть не может.

Для поддержания интенсивности рентгеновского излучения, наблюдаемого от Лебедя Х-1, нужно, чтобы от видимого сверхгиганта к "черной дыре" ежедневно перетекала масса вещества, равная всего десяти или тридцати миллиардным долям массы Солнца, так что процесс перетекания может продолжаться очень долго.

В излучении источника Лебедь Х-1 есть еще много деталей, не имеющих однозначного объяснения. Например, неизвестна причина изменений интенсивности излучения, при которых его яркость быстро возрастает, а затем медленно уменьшается.

Ученые, выдвигающие самые разные предположения на этот счет, единодушны в одном: исследования источника Лебедь Х-1 дадут многое для понимания эволюции Вселенной и природы элементарных частиц. Эти исследования перспективны для понимания процессов, происходящих в квазарах и в ядрах активных галактик, в которых можно ожидать существование сверхмассивных "черных дыр", скрывающих в себе массу, в миллион или миллиард раз превышающую массу Солнца.

Недавно появились сообщения об обнаружении объектов, необычные особенности которых проще всего объяснить существованием в них сверхмассивной "черной дыры". Однако, кроме случая Лебедь Х-1, эти предположения не могут пока считаться полностью доказанными.

Одно из последних сообщений касается ядра галактики М87. Необычайно большой поток энергии, выделяемой ядром этой галактики, и спектральные особенности этого излучения наиболее непротиворечиво объясняются предположением о том, что в ядре этой галактики скрыта сверхмассивная "черная дыра", масса которой составляет примерно десять миллиардов солнечных масс.

Поток энергии, выделяемой этой галактикой, близок по своей величине потокам энергии, выбрасываемой квазарами - этими все еще непонятными объектами.

Доказательство или опровержение наличия сверхмассивной "черной дыры" в ядре галактики М87 даст возможность глубже понять природу таких удивительных объектов, как активные галактики и квазары.

Можно было бы рассказать еще о многих удивительных явлениях в гигантских просторах Вселенной и микроскопических процессах, связанных с взаимодействием элементарных частиц.

Но об этом невозможно рассказать все - каждый день прибавляет нам новые открытия и новые сомнения. Истина подобна горизонту - путь к ней не имеет конца. Но чем дальше, тем процесс познания происходит быстрее и с большей вероятностью обретения истины. Наука мужает. Ученые становятся мудрее и прозорливее.