Книга Свет во тьме. Черные дыры, Вселенная и мы - Хайно Фальке

жизни люди иногда лучше видят сердцем, но в науке нам требуются инструменты, и инструменты большие. Сегодня в астрономии изображения с самым высоким разрешением получаются с помощью метода радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой (РСДБ), который мы все – и мой коллега Томас Кричбаум в Бонне, и я, и многие другие радиоастрономы – используем уже несколько десятилетий.

Начиная с 1960‐х годов, ученые принялись соединять отдельные радиотелескопы в интерферометры, чтобы увеличить разрешение изображений. Этот метод в одночасье позволил увидеть детали, которые не мог зарегистрировать ни один отдельный телескоп. В результате получился гигантский инструмент с виртуальной антенной размером с Землю. При использовании этой виртуальной антенны сигналы с отдельных антенн могут быть записаны в компьютер, а затем совмещены.

Совместить радиосигналы нужно так, чтобы их фазы были идеально синхронизированы, а для этого необходимо с точностью почти до миллиметра определить положение отдельных обсерваторий и измерить время прихода сигналов атомными часами. Эти часы работают с пикосекундной точностью, так что через 30 000 лет они отстанут всего на одну секунду. Зарегистрированные радиосигналы преобразуются в цифровые и передаются на носитель информации. В прошлом это видеомагнитофонная лента, позже – большие катушки с магнитной лентой, а в настоящее время – жесткие диски, сохраняющие сигналы в виде битов и байтов. Чем больше информации вы можете хранить, тем больше радиосигналов вы сможете зарегистрировать одновременно и тем ценнее будут сохраненные и защищенные материалы. Виртуальный телескоп собирается на компьютере, и – при наличии достаточного количества данных – изображение строится с помощью специальных алгоритмов.

Такие измерения требуют предельной точности, но зато позволяют получить чрезвычайно четкие изображения. По этой причине континентальную интерферометрию используют не только астрономы для исследования небесных объектов. Для съемок и измерений объектов на земле РСДБ-телескопы полезны еще и геодезистам. Однако нам, астрономам, результаты этих наземных съемок тоже нужны, поскольку, как выяснилось, для наших целей стабильность Земли недостаточна высока – ее флуктуации деформируют виртуальный телескоп, а геодезисты отслеживают эти изменения.

Ученые обсерватории Ветцеля в Баварии, обсерватории Хейстек Массачусетского технологического института под Бостоном и сотрудники других станций по всему миру регулярно определяют положение и направление движения примерно трехсот квазаров, которые хорошо подходят в качестве реперов для геодезических измерений. Квазары теперь являются частью всемирной геодезической сети, и полученные с их помощью данные сопоставляются в Бонне или Хейстеке, причем для этого используются те же методы, что и в астрономии. Таким образом, астрономия и геодезия тесно связаны и постоянно сотрудничают.

Если использовать в качестве реперных источников яркие квазары, такие как 3C 273 и 3C 279, то РСДБ-методом можно даже корректировать работу атомных часов и определять точное положение наших телескопов. Такими же методами геодезисты узнают, как меняется со временем поверхность Земли. Ведь расстояния между континентами не остаются постоянными – например, Америка и Европа каждый год отдаляются друг от друга на несколько сантиметров, а Гавайи со всеми своими телескопами несутся в сторону Азии со скоростью почти 10 сантиметров в год, так что гавайская обсерватория Мауна-Кеа – настоящий скорый поезд на фоне других обсерваторий. Скандинавия – из‐за таяния ледников – начала подниматься еще в конце ледникового периода. И даже собор в Кёльне ходит вверх-вниз примерно на 35 сантиметров в день из‐за приливов и отливов. (К счастью, это происходит равномерно по всей конструкции, иначе его башни давно бы рухнули нам на головы.) Наш глобальный телескоп раскачивается!

И земная ось тоже качается. Земля подобна сырому яйцу, ось вращения которого подвергается крошечным смещениям при нарушениях равновесия. Другие планеты тянут Землю и заставляют полюса раскачиваться с амплитудой в сотни метров. Океаны также вносят свой вклад, двигаясь взад и вперед, как и воздушные массы, которые циркулируют в околоземной атмосфере. В результате полюса непредсказуемо мигрируют на несколько метров в год, и на какое точно расстояние они переместятся, спрогнозировать невозможно. Многие локации сегодня можно определить с помощью GPS, но другие планеты оказывают влияние и на спутники. Наше абсолютное положение в пространстве можно измерить только РСДБ-методами, а для этого нам нужно знать точные положения телескопов.

Разрешение изображения[116], которое может быть достигнуто с помощью интерферометра РСДБ, рассчитывается по следующей формуле:

Угловое разрешение изображения = λ / D.

Это означает, что разрешение равно длине волны радиоизлучения λ (лямбда), деленной на D – максимальное расстояние между телескопами. Чем меньше угловое разрешение, то есть чем оно лучше, тем меньшие объекты вы сможете различить. Если проводить наблюдения на длине волны 1,3 миллиметра и в качестве нашей базы использовать диаметр Земли, равный 12 700 километрам, наилучшее разрешение, которого мы можем достичь на Земле, составит 20 угловых микросекунд, что примерно эквивалентно тому, что мы из Кёльна в Германии разглядим половинку горчичного зерна, находящегося в Нью-Йорке. И вот мы рассчитали размер горизонта событий Стрельца А*, исходя из того, что его масса равна 2,5 миллиона солнечных масс (как предполагалось в то время), и получили его диаметр равным 15 миллионам километров, что в десять раз больше диаметра Солнца. Однако размер этого объекта, помещенного в центр Млечного Пути, если смотреть на него с Земли, будет соответствовать всего лишь четверти горчичного зерна, то есть он составляет 12 угловых микросекунд. Следовательно, его угловой размер слишком мал даже для телескопа с базой, равной диаметру земного шара.

И, думалось мне, это еще оптимистичная оценка, потому что если черная дыра вращается с максимальной скоростью, то есть почти со скоростью света, ее горизонт событий должен уменьшиться вдвое (а то, что каждая черная дыра вращается, как и все звезды и все планеты, – это практически бесспорно). Так значит, видимая часть черной дыры станет еще меньше?

Над всеми этими вопросами я размышлял, сидя в один тоскливый день в боннской институтской библиотеке. Это было в середине 90‐х. Просматривая специальную литературу, я неожиданно наткнулся на небольшую статью Джеймса Бардина. Этот американский астрофизик еще в 1973 году задумался о том, что было бы, если бы маленькая черная дыра прошла перед далекой звездой. Тогда эта задача была чисто академическим упражнением, и на самом деле с тех пор мало что изменилось: ведь чтобы увидеть это космическое событие, нужен оптический телескоп, по крайней мере в 100 раз больший, чем Земля. Тем не менее я уже вообразил себе черную тень, проходящую перед этим далеким солнцем, – почти как при транзите Венеры.

Но что‐то тут меня смущало. На иллюстрации в конце статьи был изображен кружок, долженствующий показать, насколько большим окажется темное пятно, которое возникнет в результате поглощения света