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

комбинацию из телескопической указки и пальца! Казалось, его очень веселила детская радость, которую мы получали от его лазеров. Если бы кто‐нибудь из присутствующих на мгновение задумался, то поразился бы, осознав, что всего лишь за одну человеческую жизнь открытие в области фундаментальной науки позволило создать предмет повседневного обихода.

В ходе дискуссий мы с Кричбаумом еще раз подчеркнули, что, используя РСДБ-методику на высоких частотах, мы могли бы добраться до черной дыры и увидеть ее структуру. Однако мой коллега Шеп Доулман был по‐прежнему осторожен и утверждал, что высокочастотные сигналы могут испускаться облаками пыли, а не газом у горизонта событий черной дыры. Внезапно Таунс проснулся. “А посередине этой штуки нет дырки? – спросил он[121]. – Есть, – ответил я. – При более высоком разрешении в области излучения, которую мы могли бы наблюдать, возникнет в буквальном смысле «черная дыра»”. Очевидно, мы еще не нашли правильный термин для “этой штуки”.

Почему‐то моя “благая весть” о возможности увидеть черную дыру все еще не доходила до людей. Мы должны были приложить больше стараний. Чтобы понять, чего им ожидать, люди хотят увидеть образ того, что они не могут себе ясно представить. До этого момента я демонстрировал только уравнения, графики и схематичное изображение черной дыры. Теперь же пришло время показать людям именно то, что мы должны будем увидеть, – симуляцию фотографии. Для этого нам следовало вычислить искривление траектории света вокруг черной дыры и изобразить, как она выглядела бы, если бы ее окружал прозрачный светящийся туман, как это было предположено в модели аккреционного диска Нараяна или нашей модели струй.

Несколько месяцев спустя, в 1999 году, я получил стипендию от Немецкого исследовательского фонда DFG на пару месяцев моего саббатикала для поездки в Аризону в качестве приглашенного профессора. Наш младший сын только что родился, и мы воспользовались декретным отпуском моей жены. В Тусон мы явились с тремя нашими малышами – Яной, Лукасом и Никласом – и всего с одним из восьми чемоданов, взятых нами в поездку. Когда вы проводите несколько дней почти без вещей, то получаете радость от мелочей жизни, в особенности от своих детей.

Мои хозяева познакомили меня с Эриком Эйголом, стажировавшимся тогда в Университете Джона Хопкинса в Балтиморе. Эрик написал компьютерную программу, воспользовавшись которой, можно было выполнить изящный расчет искривления света с помощью уравнений общей теории относительности. Она была лучше той программы, что я использовал в своей магистерской диссертации. Вместе мы рассчитали, как будет выглядеть черная дыра в самых разных условиях и можно ли будет увидеть ее с помощью РСДБ-метода. Мы с нетерпением ждали результатов. И – только представьте! – во всех наших моделях появлялось яркое кольцо с темным пятном посередине, причем всегда одного и того же размера.

Отчетливо различимое кольцо образует свет, приходящий отовсюду. Это результат специфических качеств черных дыр: из‐за искривления пространства вблизи черной дыры свет, проходящий мимо нее в точности на нужном расстоянии, движется вокруг нее по почти замкнутой круговой траектории. Эта замкнутая орбита света называется фотонной сферой, потому что световые фотоны, летящие вокруг черной дыры, подобны планетам, обращающимся вокруг Солнца, – но опять же только на точно установленном расстоянии от нее. Для невращающейся черной дыры фотонная сфера расположена в полтора раза дальше от центра масс, чем горизонт событий, но благодаря эффекту гравитационного линзирования ее диаметр кажется нам в два с половиной раза больше диаметра горизонта событий.

Если над черной дырой в какой‐то точке фотонной сферы подвесить лампочку, то примерно половина ее света попадет в черную дыру, другая половина вылетит наружу, а исчезающе малая часть света – та, которая излучается в направлении, параллельном горизонту событий, – начнет вращаться по фотонной сфере. Чем ближе к горизонту событий висит лампочка, тем больше ее света поглощается и тем меньше вылетает наружу. Что интересно, этот свет “растягивается” (то есть его длина волны смещается в сторону больших длин волн) и теряет энергию. На горизонте событий свет от лампочки полностью исчезает. Пространство между фотонной орбитой и горизонтом событий является, так сказать, “зоной сумерек” над черной дырой: в этом пространстве все, что попадает внутрь, быстро темнеет.

Вблизи фотонной сферы свет может двигаться по совершенно невероятным траекториям. Когда я был ребенком, мы с друзьями иногда делали сверхсекретные шпионские телескопы из картонных трубок и зеркал, с помощью которых можно было заглянуть за угол. Черная дыра – это типичный пример сверхсекретного шпионского телескопа. Она может осматривать одновременно сразу несколько траекторий в каждом направлении! Имея дело с черными дырами, мало уметь мыслить нешаблонно. Чтобы понять, что происходит, надо еще уметь оглядеть происходящее в буквальном смысле со всех сторон!

Обладай мы, подобно Супермену, талантом стрелять лазером из глаз, траектория лазерных лучей показала бы нам, куда мы смотрим. Если, например, мы посмотрим налево от черной дыры, лазерный луч, исходящий из глаз, отклонится вправо и исчезнет за черной дырой. Если мы нацелимся взглядом чуть правее, свет изогнется немного сильнее, вернется к нам обратно – и мы увидим, что находится перед черной дырой. Если же прицелиться еще правее, то сначала свет будет двигаться по кругу, а затем наш лазерный луч направится прямо внутрь черной дыры. Ну а если мы устремим наш взгляд еще дальше вправо от черной дыры, то увидим, что делается слева, сзади или справа от нее. А если станем смотреть поверх черной дыры, то свет будет отклоняться вниз и мы увидим все, что находится выше, позади и ниже черной дыры. На самом деле свет вблизи фотонной сферы может пролететь по четверти или половине окружности, либо описать вокруг черной дыры полную окружность, либо даже описать несколько спиралевидных витков, близких по форме к окружности[122]. По пути он соберет еще больше света.

Если наш “лазерный” взгляд пройдет слишком близко к черной дыре, он закончится на горизонте событий – и мы заглянем в темноту. И буквально окажемся “в потемках”: ведь истинная природа черной дыры будет от нас сокрыта – яркий свет освещает только окружающую ее область.

Если бы мы захотели облететь черную дыру, то со всех сторон увидели бы одно и то же световое кольцо, поскольку черная дыра окружена прозрачным светоизлучающим облаком. Световое излучение этого облака настолько изогнуто и сфокусировано, что образует вокруг черной дыры тонкую, круглую, заполненную светом оболочку. Итак, со всех сторон мы всегда увидим кольцо с темным пятном в центре. Причина темноты в том, что лучи зрения упираются в черную дыру. Однако пятно не полностью черное, потому