мую часть спектра – микроволновую[127].
Микроволновое излучение используется в мобильных телефонах для связи с другими мобильными телефонами, для нагрева пищи в микроволновой печи и для передачи телевизионных изображений. Забавно, что если у вас сохранился старый аналоговый телевизор[128] и вы включите его на свободном от вещания телеканале, то вы увидите прямой остаток Большого взрыва – около 1 % «снега» на мелькающем экране телевизора относится непосредственно к нему. То же и с помехами в радиоприемнике на длинных волнах, не занятых станциями. Прежде чем попасть в антенну вашего телевизора, эти микроволны попутешествовали в течение 13,82 миллиарда лет в пустом пространстве космоса, и последнее, с чем они соприкасались, был огненный шар начала времен.
Примечательно, что 99,9 % фотонов во Вселенной – порождение теплового послесвечения Большого взрыва и только 0,1 % – пришельцы из далеких звезд и галактик. Это космическое фоновое излучение – самая яркая особенность Вселенной. Если бы наши глаза могли видеть микроволновое излучение вместо обычного видимого света, весь мир вокруг нас был бы сияюще-белым, словно мы попали внутрь огромной лампы накаливания. И тем не менее, как уже говорилось ранее, космическое микроволновое излучение было открыто только в 1965 году, и притом совершенно случайно.
Проблема заключается в том, что пространство вокруг нас буквально пронизано микроволновым излучением, поэтому очень трудно выделить на его фоне остаточное излучение Большого взрыва. С этим затруднением столкнулись в 1964 году двое ученых из Холмдела (штат Нью-Джерси, США) Арно Пензиас и Роберт Уилсон. Их соблазнила перспектива использования гигантской рупорообразной радиоантенны лаборатории Bell Telephone в астрономических целях. Пензиас и Уилсон намеревались использовать антенну, чтобы обнаружить в радиодиапазоне слабое свечение ультрахолодного водорода, который, по их мнению, окружал наш Млечный Путь. Поскольку они предполагали, что микроволновый сигнал от этого газа будет чрезвычайно слабым, им нужно было сначала измерить микроволновые сигналы, поступающие из всех других источников – близлежащих зданий, деревьев, неба, даже металла самой антенны, – чтобы вычесть их и получить сигнал, который они искали.
Однако, когда Пензиас и Уилсон произвели вычитание, они обнаружили, что в сухом остатке – лишь один настойчивый статический шум. Он в точности соответствовал излучению тела с температурой 3 градуса выше абсолютного нуля, т. е. при -270 °C[129]. Вначале два астронома подумали, что они ловят микроволны из Нью-Йорка, который скрывался неподалеку, за горизонтом. Но, когда они сдвинули рупор своей антенны в сторону неба, противоположную Нью-Йорку, шум остался таким же. Затем они подумали, что принимают микроволновое излучение от какого-либо источника в Солнечной системе, например, от Юпитера – про него было известно, что он излучает радиоволны. Но шли месяцы, Земля двигалась по своей орбите вокруг Солнца, а шум не менялся. Пензиас и Уилсон даже подумали, что они обнаружили излучение, испускаемое высокоскоростными электронами, попавшими в атмосферу после недавних испытаний ядерного оружия. Но шум с течением времени не пропадал – а это противоречило всем ожиданиям.
Наконец взгляд астрономов остановился на двух голубях, которые устроили гнездо внутри горна антенны, в его узком конце. Электроника для обнаружения микроволн размещалась в маленькой кабине, прикрученной болтами к концу рупора. Поскольку электронику приходилось охлаждать, а холодильник сбрасывал лишнее тепло, место, выбранное голубями, было уютным и теплым – идеальным для ледяной зимы в Нью-Джерси. Пензиас и Уилсон заметили, что голуби покрыли внутреннюю часть микроволнового рожка белым диэлектрическим материалом, более известным как голубиный помет. Могла ли эта субстанция излучать микроволны и вызывать постоянный статический шум?
Астрономы пленили голубей, отправили их авиапочтой в другое место, обулись в резиновые сапоги, забрались в рог и жесткими вениками соскребли этот белый диэлектрический материал[130]. Но к их великому разочарованию, даже после этой грандиозной уборки надоедливый шум не исчез.
Настала уже весна 1965 года, а астрономическими открытиями и не пахло. Именно тогда Пензиас случайно позвонил своему коллеге-ученому. Тема разговора была совершенно иной, но Пензиас не преминул пожаловаться на непреодолимую беду, которая обрушилась на них с Уилсоном в Холмделе. Коллега-ученый быстро взял быка за рога: недавно он был на лекции физика-теоретика Джима Пиблса, который рассказывал об эксперименте, проводившемся в Принстонском университете – всего в тридцати милях от Холмдела: уловить излучение, оставшееся от Большого взрыва. Как только Пензиас закончил этот разговор, он тут же позвонил начальнику Пиблса, Роберту Дику в Принстон. В это время Дик со своей исследовательской группой обедал у себя в кабинете. Когда Дик положил трубку после разговора с Пензиасом, он повернулся к своим коллегам и сказал: «Ну, парни, нас обставили!»
Теперь мы знаем, что излучение, обнаруженное Пензиасом и Уилсоном, соответствует температуре 2,726 градуса выше абсолютного нуля. «Излучение, оставшееся от Большого взрыва, такое же, как и в вашей микроволновой печи, только гораздо менее мощное, – так сказал Стивен Хокинг. – Оно разогреет вашу пиццу только до –271,3 ºС. Маловато даже для того, чтобы разморозить ее, не то что приготовить!»
За открытие космического фонового излучения, которое подтвердило, что Вселенная родилась в результате Большого взрыва, Пензиас и Уилсон получили Нобелевскую премию по физике в 1978 году. А как же голуби? Они вернулись в Холмдел – ведь это были почтовые голуби, – и, к сожалению, их пришлось ликвидировать. Однако их помет неизменно упоминается в книгах по астрономии. Никогда еще в истории физики что-то столь обыденное не принималось за нечто столь возвышенное.
45. Властелины ВселеннойДля чего в сердце каждой галактики, как паук-каракурт, притаилась сверхмассивная черная дыра?
Черные дыры – наиболее совершенные макроскопические объекты во Вселенной; единственные элементы, из которых они состоят, – наши идеи о пространстве и времени.
В двадцати семи тысячах световых лет от нас, в самом сердце Млечного Пути, укрылась сверхмассивная черная дыра в 4,3 миллиона раз тяжелее Солнца[131]. Это, конечно, впечатляет, но этот объект, называемый Стрелец А*, – просто малявка по сравнению со своими двоюродными сестрами, скрывающимися в центрах некоторых других галактик и обладающими массами в 50 миллиардов солнечных. Нам остается лишь задать вопрос: что они там делают?
Черная дыра – это область пространства-времени, где гравитация настолько сильна, что не отпускает от себя даже свет. Поэтому дыра «черная». Черные дыры были предсказаны общей теорией относительности – теорией гравитации Эйнштейна. Они окружены «горизонтом событий», воображаемой мембраной, отмечающей точку невозврата падающего на дыру вещества и света. Внутри горизонта событий время искорежено настолько, что оно меняется местами с пространством. Именно поэтому сингулярность – точка в центре черной дыры, в которой упавшее вещество превращается в ничто – является недостижимой. Поскольку эта точка лежит не в пространстве, а во времени, от нее так же нельзя избавиться, как невозможно избавиться от завтрашнего дня.
Когда-то черные дыры относили скорее к области научной фантастики, чем к науке. В них не верил даже Эйнштейн, который создал теорию, предсказавшую их существование. Тем не менее рентгеновский спутник «Ухуру» в 1971 году обнаружил Лебедь X-1 – первую черную дыру звездной массы. Но еще за восемь лет до этого события были найдены объекты, которые по своим характеристикам подходили на роль черных дыр, но гораздо более внушительной категории.
В 1963 году Мартен Шмидт, американский астроном голландского происхождения, открыл квазары – чрезвычайно яркие ядра новорожденных галактик. Их по праву можно считать маяками, установленными в начале времен – они так далеки, что время, в течение которого их свет добирался до нас, сравнимо с возрастом самой Вселенной. Энерговыделение типичного квазара примерно в 100 раз больше, чем у нормальной галактики, такой как Млечный Путь, а размер его может быть меньше нашей Солнечной системы. Ядерные процессы, обеспечивающие светимость звезд, никак не могут претендовать на роль источника энергии квазаров. Единственным мыслимым источником энергии является материя, которая, нагреваясь до миллионов градусов и закручиваясь в вихри, стремительно падает в черную дыру. Но простой черной дыры звездной массы недостаточно; здесь нужен объект с массой в миллиарды солнечных масс.
Долгое время после открытия Шмидта астрономы считали сверхмассивные черные дыры космической аномалией, питающей только активные галактики – якобы плохо себя ведет только 1 % галактик, из которых квазары – наиболее экстремальные примеры. Но космический телескоп «Хаббл», запущенный на околоземную орбиту в 1990 году, опроверг это мнение. Обладая сверхострым зрением, телескоп Хаббла мог видеть и измерять скорость звезд, вращающихся в центральных областях сотен галактик. Он показал, что сверхмассивные черные дыры гнездятся практически во всех галактиках, а не только в каждой сотой из них. Просто в большинстве галактик черные дыры ведут себя тихо, исчерпав свой запас межзвездного газа и поглощенных ими звезд. Они мирно дремлют, как наш знакомый Стрелец А*.
Черная дыра – это бездонный колодец в пространстве-времени. Если только падающий свет пересечет горизонт событий, он никогда не выберется оттуда назад.