Откуда астрономы это знают? Часть 5. Увидеть невидимое

Увидеть невидимое

Говоря о невидимом, нельзя, конечно, не сказать о наиболее интригующих астрономических объектах. Понятие о черных дырах — объектах с настолько мощной гравитацией, что оторваться от них не может даже свет, — появилось в науке еще в XVIII веке благодаря англичанину Джону Мичеллу и французу Пьеру Лапласу. В начале XX века немецкий ученый Карл Шварцшильд придал этой идее математическую обоснованность, выведя черные дыры как следствие из общей теории относительности. Иными словами, черные дыры были предсказаны теоретически задолго до того, как можно было помыслить о том, чтобы найти свидетельства их реального существования в природе. Да и как можно говорить об открытии объектов, увидеть которые невозможно не просто из-за временного несовершенства аппаратуры, а по определению? Вполне естественно, что основным аргументом в пользу того, чтобы назвать некий массивный объект черной дырой, стала его невидимость. Первым кандидатом в черные дыры в начале 1970-х годов оказался невидимый компаньон двойной системы Лебедь X-1. Он имеет массу более 5 масс Солнца, но все попытки обнаружить его собственное излучение успехом не увенчались. О его наличии говорит лишь гравитационное воздействие, которое он оказывает на вещество видимого компонента. Как выясняется, очень сложно придумать другую физическую сущность, которая обладала бы столь большой массой и оставалась при этом невидимой.

Еще более убедительное доказательство реальности черных дыр получено в последние годы для ядра нашей Галактики. Причем оно вытекает не из каких-то сложных теорий, нет, а из обычной небесной механики, описывающей движение спутника вокруг главного тела. На протяжении последнего десятилетия ученые отслеживают движение нескольких звезд в ближайших окрестностях геометрического центра Галактики. Орбита одной из этих звезд прорисована почти полностью — она обращается вокруг центра по вытянутому эллипсу так, словно находится в поле тяготения объекта с массой в несколько миллионов солнечных масс. Радиус объекта не превышает нескольких десятков астрономических единиц — таков размер орбиты этой звезды. Естественно, любой тяготеющий объект может быть только меньше орбиты своего спутника. Представьте себе: миллионы солнечных масс вещества упакованы в размер Солнечной системы и остаются при этом невидимыми! Здесь нужно вспомнить еще об одном великом научном принципе — так называемой бритве Оккама: не нужно множить сущности без необходимости, из всех объяснений отдавая предпочтение самому простому. Черная дыра, какою бы экзотикой она ни казалась, на сегодняшний день остается наиболее простым решением этой загадки. Хотя это, конечно, не гарантирует, что в будущем не будет найдено еще более простое решение.

В принципе, сказанное относится и к квазарам — необычайно ярким и очень компактным источникам излучения, невероятно высокую светимость которых объясняют выделением энергии при аккреции (падении) вещества на черную дыру. Материя не падает непосредственно на дыру, а закручивается вокруг нее, образуя тонкий аккреционный диск. Это связано с тем, что во вращающейся системе гравитация (центрального объекта или всей системы целиком) в направлении, перпендикулярном оси вращения, уравновешивается центробежной силой, поэтому сжатие происходит только параллельно оси вращения, «сплющивая» систему в плоский блин.

Движение газа в диске описывается законами Кеплера (поэтому такие диски называют иногда «кеплеровскими»). Хотя имя Кеплера обычно связывают с догадкой о том, что планеты Солнечной системы обращаются вокруг Солнца по эллипсам, однако законы Кеплера в равной степени применимы и к движению по окружности (которая представляет собою частный случай эллипса).

Одно из проявлений законов Кеплера применительно к дискам состоит в том, что слои на различных расстояниях от центра движутся с различными скоростями и в результате «трутся» друг о друга, преобразуя кинетическую энергию орбитального движения в тепловую энергию и далее в энергию излучения. Это объяснение может оказаться не единственным, но на сегодняшний день оно является самым простым. В конце концов, если отвлечься от масштабов явления, источником разогрева (и свечения) вещества в аккреционной модели является трение — куда уж проще? Чудовищная энергетика квазаров требует, чтобы объект, на который «падает» вещество, был очень массивным и геометрически маленьким (чем меньше внутренний радиус диска, тем больше в нём выделяется энергии). В ядре активной галактики NGC 4258 «кеплеровский» диск удалось наблюдать непосредственно, то есть не просто разглядеть очень плоскую газовую структуру, а измерить скорость движения вещества в ней и продемонстрировать, что это именно диск, вращающийся «по Кеплеру». Квазары располагаются в центрах галактик, то есть именно там, где в нашей и других галактиках обнаружены объекты, очень похожие на черные дыры... Логично предположить, что массивные компактные объекты в квазарах также представляют собою черные дыры.

Еще один космический невидимка — темная материя, то есть материя, проявляющая себя в гравитации, но не в излучении. Идею о ее существовании высказал астроном Фриц Цвикки. Он обратил внимание на то, что скорости движения галактик в скоплениях слишком велики, чтобы их можно было объяснить тяготением только видимого вещества. В скоплениях галактик должно быть что-то еще, невидимое, но обладающее гравитационным полем. Позже подобные аномалии обнаружились и в движении звезд внутри галактик. Гипотезу о темном веществе критикуют на том основании, что она, вроде бы, нарушает всё то же правило Оккама: обнаружив неясности в движениях звезд и галактик, астрономы не стали объяснять их с позиций существующих теорий, а сразу же ввели новую сущность — темное вещество. Но критика эта, на мой взгляд, несправедлива. Во-первых, «темное вещество» само по себе сущностью не является. Это просто констатация факта, что движение звезд в галактиках и галактик в скоплениях не описывается только тяготением видимого вещества. Во-вторых, объяснить это тяготение имеющимися сущностями оказывается не так-то легко.

Вообще, на роль темного вещества годятся любые массивные невидимые (с помощью современных средств наблюдения) объекты. Скажем, за темную материю вполне могли бы сойти заполняющие пространство коричневые карлики или так называемые «черные» карлики, то есть остывшие, холодные и потому невидимые белые карлики. Однако у этих объектов есть крупный недостаток: их можно привлечь для описания темной материи, но не удается безболезненно вписать в современную картину Мироздания. Белый карлик — это не только несколько десятых солнечной массы невидимого вещества, но еще и изрядное количество углерода и азота, синтезированных звездой — предшественницей этого белого карлика. Если мы предположим, что пространство заполнено остывшими белыми карликами, мы ответим на вопрос о природе темной материи, но вынуждены будем заняться нелегкими поисками ответа на другой вопрос — куда девались выброшенные этими карликами атомы С и N, которые должны были проявиться в химическом составе звезд следующих поколений? Кроме того, и у белых, и у коричневых карликов есть еще один общий недостаток: они не образуются сами по себе. Вместе с ними должны были в изрядных количествах образовываться и более массивные звезды. Эти звезды, взорвавшись в конце своего жизненного пути как сверхновые, просто разметали бы галактику по окружающему пространству. Вот так и получается, что неизвестные науке элементарные частицы оказываются не экзотическим, а наиболее легко объяснимым кандидатом на роль темной материи. Впрочем, попытки объяснить аномальное движение звезд невидимыми «обычными» объектами продолжаются.

«Материальность» темной материи также оспаривается. Сейчас публикуется довольно много работ по теории МОНД — модифицированной ньютоновской динамике. Согласно ей, при движениях с очень малыми ускорениями в формулы для ньютоновского тяготения нужно вводить поправки. Неучет этих поправок и приводит к тому, что возникает иллюзия дополнительной массы.