Свет во тьме. Черные дыры, Вселенная и мы

Жажда квазаров невероятна: каждую секунду они поглощают массу, в 45 раз превышающую массу всей воды на Земле, что составляет массу одного Солнца в год. Черные дыры функционируют в режиме, который не слишком похож на режим устойчивого развития: “вода”, поглощенная черной дырой, не идет в переработку. Что было, то ушло. Черная дыра крайне эгоистична. С каждым глотком она становится только тяжелее, больше, притягательнее и опаснее.

Открыв квазар 3C 273, астрономы непреднамеренно открыли первую черную дыру. Но не все в научном сообществе разделяли веру в существование черных дыр. Должны были пройти десятилетия, прежде чем эта теория стала общепринятой. Некоторые ученые считали, что квазары – это звездные объекты, выброшенные из галактик. Сегодняшним астрономам подобные теории кажутся странными, но они действительно обсуждались всерьез, и путь к окончательному доказательству существования черных дыр был еще долгим.

Слушаем эхо Большого взрыва

Наше время отмечено не только открытием квазаров, но и быстрым развитием понимания космоса в целом. В 1964 году Арно Пензиас и Роберт Вудро Уилсон из лабораторий Белла стали использовать в своих экспериментах по прослушиванию радиошумов, приходящих из космоса, телекоммуникационную антенну. Антенна напоминала огромную слуховую трубку. Поначалу им совсем не нравилось то, что они слышали. Со всех сторон до них доносились слабые, настойчивые, надоедливые шумы. Они проверили все кабели, отогнали голубей и очистили антенну от их помета, однако шумы никуда не делись. Поскольку это излучение шло из космоса постоянно, ученые в конце концов сделали вывод о существовании космического фонового микроволнового излучения. Оно было похоже на тепловое излучение, исходящее от черной непрозрачной ткани, покрывающей все небо при температуре около 3 кельвинов. (То есть всего на 3 градуса выше абсолютного нуля – точки, в которой уже ничего не движется!) Потому это излучение также называется 3K (или 3х-градусным) фоновым излучением. Оно и есть то, что осталось от первичного огненного шара, которым был Большой взрыв, и за его открытие Пензиас и Уилсон получили позднее Нобелевскую премию по физике.

На ранней стадии развития Вселенной космос был заполнен очень горячим и непрозрачным газом. Протоны и электроны бешено метались из стороны в сторону. Но чем больше расширялась Вселенная, тем холоднее она становилась. Спустя 380 000 лет после Большого взрыва температура Вселенной все еще составляла около 3 000 кельвинов – она была горячей, как расплавленная сталь, но уже достаточно холодной, чтобы положительно заряженные протоны могли за счет притяжения захватить отрицательно заряженные электроны и образовать первые атомы. Вселенная превратилась в океан, заполненный газообразным водородом, который теперь стал прозрачным.

Свободно летающие электроны, которые до этого, подобно крошечным антеннам, поглощали весь свет, внезапно оказались запертыми в атомах. Покрывало было убрано, свет вырвался наружу – и с тех пор он почти беспрепятственно так все время и летит к нам. В результате расширения Вселенной мы удаляемся все дальше и дальше от части этого света. Световые волны, которые достигают нас сегодня, за время своего 13,8‐миллиардолетнего марафона по расширяющемуся космосу растянулись в тысячу раз и успели остыть. Вместо волн, соответствующих температуре 3 000 К, мы сегодня регистрируем только сверххолодное 3К-излучение. То, что добирается до нас, – это холодная струйка исходного теплового излучения Большого взрыва. Но с его помощью мы можем увидеть Вселенную, существовавшую на заре космического времени, – времени, когда она напоминала непроницаемую печь, более горячую, чем расплавленная сталь. Мы заглянули в этот очень давний период настолько глубоко, насколько смогли. Открытие космического микроволнового фона, ставшее для многих неожиданностью, стало решающим доказательством в пользу модели Большого взрыва: мы смотрим на пространство и время непосредственно в момент их образования.

В 90‐е годы спутник COBE провел чрезвычайно точные измерения космического излучения и обнаружил крохотные вариации светимости. Они возникли из‐за волн в первозданном водородном океане и явились предшественниками первых сгустков материи, которые за долгую историю Вселенной разрослись до галактик и галактических скоплений. Благодаря микроволновому зонду WMAP и спутнику Planck, запущенному НАСА и Европейским космическим агентством ESA соответственно, а также многим другим экспериментам эти зародыши сегодняшних галактик были подробно измерены, и они в деталях рассказали нам историю и структуру Вселенной.

Астрономы, участвовавшие в начавшихся в конце 1980‐х годов крупномасштабных исследованиях неба, обнаружили, что галактики во Вселенной не распределены по пространству равномерно, а образуют причудливые узоры или собираются в большие скопления. Оказалось, что галактики – более социальные объекты, чем можно было подумать, и они любят жить поблизости друг от друга.