Чудовища доктора Эйнштейна. О чёрных дырах, больших и малых

Как обнаружить нейтронную звезду? Звезды размером с мегаполис излучают очень мало света, поскольку, в отличие от нормальных звезд, в них не происходят реакции термоядерного синтеза. Около 20 лет ученые считали их астрономической диковинкой – умозрительными объектами, которые никогда не удастся обнаружить. В 1967 г. молодая магистрантка Джоселин Белл и ее научный руководитель Тони Хьюиш зарегистрировали радиоимпульсы периодичностью 1,3373 секунды, поступающие от неизвестного объекта в созвездии Лисички. Импульсы были настолько мощными и регулярными, что Белл и Хьюиш приняли объект за радиомаяк и в шутку назвали его LGM-1 (от Little Green Men – «маленькие зеленые человечки»). Вскоре были открыты другие «пульсары», и Белл и Хьюиш связали их с более ранними предсказаниями существования нейтронных звезд. Мощное магнитное поле вызывает радиоизлучение горячих пятен на поверхности нейтронной звезды, и, если пучки излучения вращающейся нейтронной звезды попадают в зону обзора радиотелескопа, их можно наблюдать.

Спустя семь лет разразилась полемика: Нобелевскую премию за открытие пульсаров присудили Хьюишу и Мартину Райлу, главе радиообсерватории, а не Джоселин Белл – реальному автору открытия. Ученое сообщество в большинстве своем полагало, что ее обошли, так как она была молодой женщиной. В области физики Нобелевской премии удостоились чуть больше 200 ученых, и среди них только две женщины: Мария Кюри (1903 г.) и Мария Гёпперт-Майер (1963 г.)[69].

С помощью радиотелескопов постепенно было обнаружено более 3000 пульсаров. Однако условия появления горячих пятен крайне редки, и немногие нейтронные звезды являются радиопульсарами. В основном миллионы нейтронных звезд в нашей Галактике безмолвно вращаются в дальнем космосе, темные и недоступные для наблюдения.

Поиски первого черного лебедя

Это случилось в 1964 г. The Beatles покоряют Америку, а дерзкий молодой боксер Кассиус Клей становится чемпионом мира в тяжелом весе. Наука также переживает бурное развитие. Термин «черная дыра» впервые появился в публикации в январе 1964 г., а в июне маленькая ракета для исследования верхних слоев атмосферы, запущенная из Нью-Мексико, обнаружила мощный источник рентгеновского излучения в созвездии Лебедя. «Черными лебедями» называют редкие неожиданные события, играющие огромную роль в развитии науки. (Термин также используются философами, обсуждающими проблему индукции: наличие стаи белых лебедей не является доказательством того, что черных лебедей не существует.) Семь лет изысканий ушло на то, чтобы поймать первого «черного лебедя» в физике черных дыр[70].

В 1960-х гг. рентгеновская астрономия была новой научной областью. Высокоэнергетическое излучение космических источников регистрируется только в космосе, первый источник был обнаружен всего двумя годами раньше. Восемь источников, выявленных в ходе наблюдений 1964 г., соответствовали по своим характеристикам остаткам сверхновых звезд, то есть горячему газу, образующемуся при катастрофической смерти массивной звезды[71]. Наблюдения, приведшие к открытию, показывали низкую пространственную разрешающую способность и позволили сузить область локализации источника рентгеновского излучения в Лебеде лишь до размеров самого созвездия. В 1970 г. орбитальная рентгеновская обсерватория Uhuru обнаружила, что интенсивность Лебедя Х-1 меняется менее чем за одну секунду. Для измерения размеров удаленных объектов астрофизики используют время, исходя из того, что изменение интенсивности излучения не может занимать меньше времени, чем нужно свету, чтобы пересечь источник света. Вариации интенсивности Лебедя Х-1 говорили о том, что объект не может превышать 100 000 км в поперечнике – менее одной десятой размера Солнца.

Национальная радиоастрономическая обсерватория точно определила положение объекта в небе, что позволило соотнести источник переменного рентгеновского излучения с голубым сверхгигантом HDE226868. Сверхгиганты – это горячие звезды, однако они не способны на мощное рентгеновское излучение. Оставалось единственное объяснение: что-то в этой области пространства нагревало газ до температуры в миллионы градусов. Следующим смелым шагом стало использование оптических методов наблюдения. В 1971 г. две группы ученых изучили спектр голубого сверхгиганта и обнаружили периодические вариации доплеровского сдвига излучения звезды, соответствующие вариациям рентгеновского излучения[72]. Расчеты параметров орбиты позволили ученым оценить массу «невидимого» компаньона, втягивающего сверхгигантскую звезду. Ученые предположили, что черная дыра поглощает газ своей спутницы-звезды и что этот газ каким-то образом нагревается до такой степени, что его излучение обнаруживается в рентгеновском диапазоне (илл. 12).