Чудовища доктора Эйнштейна. О чёрных дырах, больших и малых

Как найти нечто компактное, массивное и темное в центре галактики? Это зависит от того, насколько возможно выделить центральную область, где гравитацией управляет черная дыра, – сферу ее гравитационного влияния. В пределах радиуса этой сферы за перемещение звезд и газа отвечает черная дыра. Вне этого радиуса движение задается главным образом звездами вблизи центра галактики; влияние черной дыры не столь существенно. В большой галактике с внушительной черной дырой в 100 млн солнечных масс это расстояние составляет около 10 парсек, или 33 световых года[168]. Это чрезвычайно близко к центру галактики диаметром 100 000 световых лет: если бы галактика была величиной с суповую тарелку, область влияния черной дыры имела бы размер пылинки. В далекой галактике очень трудно наблюдать движение звезды или газа ввиду крошечного масштаба[169].

Мы вычислили, что черная дыра в центре нашей Галактики находится всего в 27 000 световых лет от нас, в 100 раз ближе центра ближайшей большой галактики – Андромеды. Астрономы могут выбирать звезды в интервале, который в тысячу раз меньше сферы гравитационного влияния, что дает достоверные сведения о массе черной дыры. Таков «золотой стандарт» обнаружения массивной черной дыры – однозначного подтверждения ее существования. Однако ученые также очень хотели найти спящие черные дыры и в других галактиках. Они возложили свои надежды на космический телескоп «Хаббл».

В 1990 г., когда телескоп был выведен на орбиту, всех постигло горькое разочарование. «Хаббл» был создан, чтобы получать сверхчеткие изображения с орбиты Земли, в 10 раз более резкие, чем у лучших наземных телескопов. Но первое изображение, полученное с телескопа «Хаббл», повергло официальные лица NASA в оторопь, а затем в жгучий стыд. При итоговых испытаниях в лаборатории была допущена ошибка, из-за чего главное зеркало имело сферическую аберрацию, и изображения получались искаженными. СМИ неверно поняли суть проблемы и заявили, будто для «Хаббл» использовалось дешевое некачественное зеркало. В действительности же это было безупречно изготовленное зеркало, отшлифованное до идеально неправильной формы из-за неверного расположения калибровочной линзы во время лабораторного тестирования. На исправление ошибки ушло три года, был отправлен шаттл с очень рискованной миссией: астронавты должны были работать 35 часов в открытом космосе, чтобы решить эту проблему[170]. Когда телескоп был полностью отлажен, он начал делать идеально четкие изображения ядер галактик с расстояния в десятки миллионов световых лет[171].

Для поиска черных дыр в ближних галактиках телескоп ориентируют так, чтобы ядро галактики находилось в пределах узкой щели спектрографа. Можно получать спектры при разных положениях ядра вдоль щели, соответствующие разным расстояниям от центра галактики. Ширина спектральных линий определяется средней скоростью движения вещества. В спиральных галактиках по эмиссионным линиям измеряется скорость газа. В эллиптических галактиках по линиям поглощения измеряется скорость звезд[172]. Красноречивое свидетельство наличия черной дыры – резкое увеличение разброса скоростей газа или звезды непосредственно у центра галактики (илл. 29). Ближайшей крупной концентрацией галактик является скопление Девы в 60 млн световых лет. Для галактики этого скопления угловой размер сферы гравитационного влияния составляет 0,14 угловой секунды. Это всего в два раза больше углового разрешения спектрографа телескопа «Хаббл», поэтому поиск черных дыр на таких расстояниях велся на пределе его возможностей.

Десятилетие медленной и трудной работы увенчалось успехом: в ближних галактиках было зарегистрировано около двух десятков черных дыр[173]. Наша ближайшая соседка, галактика Андромеды (М31), имеет черную дыру в 100 млн солнечных масс, окруженную скоплением молодых голубых звезд. Мы пока не вполне понимаем, как они формируются и выживают в экстремальных условиях[174], хотя это, возможно, общее явление для спиральных галактик. Карликовый компаньон галактики Андромеды М32 также имеет черную дыру – чуть менее массивную, чем в центре Млечного Пути, в 3,4 млн масс Солнца, в пределах области пространства менее одного светового года[175]. На другом полюсе шкалы размеров – радиоисточник Дева А, о котором теперь известно, что это гигантская эллиптическая галактика М87. Черная дыра в центре М87 – настоящее чудовище, в 6,4 млрд раз массивнее Солнца[176]. Ее горизонт событий больше Солнечной системы! Черные дыры в локальной вселенной сильно различаются размерами, имея разброс масс в 2000 раз.

Через 40 лет после написания своей провидческой статьи Линден-Белл поднялся на сцену в Осло, чтобы получить первую премию Кавли. Рядом с ним стоял не менее выдающийся ученый – Мартен Шмидт, первооткрыватель квазаров. Догадка Линден-Белла о черных дырах идеально дополнила открытие Шмидта: в сердце каждой галактики таится тьма.

Рис, барон из Ладлоу, укрощает чудовище