Свет во тьме. Черные дыры, Вселенная и мы - Фальке Хайно. Страница 39
Такие измерения требуют предельной точности, но зато позволяют получить чрезвычайно четкие изображения. По этой причине континентальную интерферометрию используют не только астрономы для исследования небесных объектов. Для съемок и измерений объектов на земле РСДБ-телескопы полезны еще и геодезистам. Однако нам, астрономам, результаты этих наземных съемок тоже нужны, поскольку, как выяснилось, для наших целей стабильность Земли недостаточна высока – ее флуктуации деформируют виртуальный телескоп, а геодезисты отслеживают эти изменения.
Ученые обсерватории Ветцеля в Баварии, обсерватории Хейстек Массачусетского технологического института под Бостоном и сотрудники других станций по всему миру регулярно определяют положение и направление движения примерно трехсот квазаров, которые хорошо подходят в качестве реперов для геодезических измерений. Квазары теперь являются частью всемирной геодезической сети, и полученные с их помощью данные сопоставляются в Бонне или Хейстеке, причем для этого используются те же методы, что и в астрономии. Таким образом, астрономия и геодезия тесно связаны и постоянно сотрудничают.
Если использовать в качестве реперных источников яркие квазары, такие как 3C 273 и 3C 279, то РСДБ-методом можно даже корректировать работу атомных часов и определять точное положение наших телескопов. Такими же методами геодезисты узнают, как меняется со временем поверхность Земли. Ведь расстояния между континентами не остаются постоянными – например, Америка и Европа каждый год отдаляются друг от друга на несколько сантиметров, а Гавайи со всеми своими телескопами несутся в сторону Азии со скоростью почти 10 сантиметров в год, так что гавайская обсерватория Мауна-Кеа – настоящий скорый поезд на фоне других обсерваторий. Скандинавия – из‐за таяния ледников – начала подниматься еще в конце ледникового периода. И даже собор в Кёльне ходит вверх-вниз примерно на 35 сантиметров в день из‐за приливов и отливов. (К счастью, это происходит равномерно по всей конструкции, иначе его башни давно бы рухнули нам на головы.) Наш глобальный телескоп раскачивается!
И земная ось тоже качается. Земля подобна сырому яйцу, ось вращения которого подвергается крошечным смещениям при нарушениях равновесия. Другие планеты тянут Землю и заставляют полюса раскачиваться с амплитудой в сотни метров. Океаны также вносят свой вклад, двигаясь взад и вперед, как и воздушные массы, которые циркулируют в околоземной атмосфере. В результате полюса непредсказуемо мигрируют на несколько метров в год, и на какое точно расстояние они переместятся, спрогнозировать невозможно. Многие локации сегодня можно определить с помощью GPS, но другие планеты оказывают влияние и на спутники. Наше абсолютное положение в пространстве можно измерить только РСДБ-методами, а для этого нам нужно знать точные положения телескопов.
Разрешение изображения [116], которое может быть достигнуто с помощью интерферометра РСДБ, рассчитывается по следующей формуле:
Угловое разрешение изображения = λ / D.
Это означает, что разрешение равно длине волны радиоизлучения λ (лямбда), деленной на D – максимальное расстояние между телескопами. Чем меньше угловое разрешение, то есть чем оно лучше, тем меньшие объекты вы сможете различить. Если проводить наблюдения на длине волны 1,3 миллиметра и в качестве нашей базы использовать диаметр Земли, равный 12 700 километрам, наилучшее разрешение, которого мы можем достичь на Земле, составит 20 угловых микросекунд, что примерно эквивалентно тому, что мы из Кёльна в Германии разглядим половинку горчичного зерна, находящегося в Нью-Йорке. И вот мы рассчитали размер горизонта событий Стрельца А*, исходя из того, что его масса равна 2,5 миллиона солнечных масс (как предполагалось в то время), и получили его диаметр равным 15 миллионам километров, что в десять раз больше диаметра Солнца. Однако размер этого объекта, помещенного в центр Млечного Пути, если смотреть на него с Земли, будет соответствовать всего лишь четверти горчичного зерна, то есть он составляет 12 угловых микросекунд. Следовательно, его угловой размер слишком мал даже для телескопа с базой, равной диаметру земного шара.
И, думалось мне, это еще оптимистичная оценка, потому что если черная дыра вращается с максимальной скоростью, то есть почти со скоростью света, ее горизонт событий должен уменьшиться вдвое (а то, что каждая черная дыра вращается, как и все звезды и все планеты, – это практически бесспорно). Так значит, видимая часть черной дыры станет еще меньше?
Над всеми этими вопросами я размышлял, сидя в один тоскливый день в боннской институтской библиотеке. Это было в середине 90‐х. Просматривая специальную литературу, я неожиданно наткнулся на небольшую статью Джеймса Бардина. Этот американский астрофизик еще в 1973 году задумался о том, что было бы, если бы маленькая черная дыра прошла перед далекой звездой. Тогда эта задача была чисто академическим упражнением, и на самом деле с тех пор мало что изменилось: ведь чтобы увидеть это космическое событие, нужен оптический телескоп, по крайней мере в 100 раз больший, чем Земля. Тем не менее я уже вообразил себе черную тень, проходящую перед этим далеким солнцем, – почти как при транзите Венеры.
Но что‐то тут меня смущало. На иллюстрации в конце статьи был изображен кружок, долженствующий показать, насколько большим окажется темное пятно, которое возникнет в результате поглощения света за горизонтом событий. Но круг выглядел слишком большим. Разве эта черная дыра не вращалась? Разве она не должна быть намного меньше, а точнее – в пять раз меньше – диаметра изображенного пятна?
Чем быстрее вращается черная дыра, тем ближе свет может подобраться к ней, когда пролетает мимо. Как будто он крутится на карусели и получает импульс из‐за кривизны пространства-времени, в результате чего у него возникает возможность сбежать, в то время как если бы он не получил такого импульса, его поймали бы на более дальних подступах. Я думал, что именно по этой причине вращающиеся черные дыры должны казаться меньше. Но эта черная дыра казалась наблюдателю намного, намного больше, чем радиус горизонта событий.
И вдруг до меня дошло: черные дыры сами себя увеличивают! Они являются гигантскими гравитационными линзами, поскольку если они и умеют что‐то делать хорошо, так это искривлять траекторию света. Вращение черной дыры тоже не представляло проблемы, так как, естественно, свет должен был обтекать черную дыру с обеих сторон. Правда, с одной стороны он проходит мимо черной дыры в направлении ее вращения и вплотную приближается к горизонту событий, но с другой стороны он вынужден двигаться против течения пространства-времени, и черная дыра может захватить его за пределами горизонта событий. То есть черная дыра далеко забрасывает сеть, чтобы поймать свет, пытающийся проскочить мимо нее.
И тут словно бы пелена упала с моих глаз. Если рисунок верен, а это рассуждение справедливо и применительно к “моей” черной дыре, то она должна была бы казаться в два с половиной раза больше, чем я полагал прежде даже при лучшем раскладе. Вращалась она или нет, для наблюдения было неважно – значение имела только масса, а ее мы точно знали.
В этом случае Земля (и, соответственно, база нашего интерферометра) оказалась бы для наших целей достаточно большой. Великая благодать! Может быть, я все‐таки смогу увидеть “свою” черную дыру! И не только я – все смогут ее увидеть! Эта мысль поразила меня, как вспышка молнии. В моем воображении стала формироваться конкретная картинка. Теперь у меня была четкая цель. Я хотел заглянуть в “пасть” черной дыры! Я встал и начал беспокойно мерить шагами комнату.
Всякая идея, если ею не поделиться, подобна семени, которое не было брошено в землю. И поэтому я ходил на одну конференцию за другой и делился со всеми хорошими новостями, повторяя: “Да, мы сможем увидеть черную дыру”. Ведь попытаться получить изображение черной дыры можно было только в том случае, если бы мне удалось заинтересовать этим проектом коллег в разных странах, так как для осуществления замысла требовалась воля многих людей, преследующих общую цель. И для начала их всех нужно было вдохновить.