Хайно Фальке, Йорг Рёмер

Свет во тьме. Черные дыры, Вселенная и мы

© 2020 Klett-Cotta – J.G. Cotta'sche Buchhandlung Nachfolger GmbH, Stuttgart

Russian edition published by arrangement with Michael Gaeb Literary Agency

© И. Каганова, Т. Лисовская, перевод на русский язык, 2024

© А. Бондаренко, Д. Черногаев, художественное оформление серии 2024

© ООО “Издательство АСТ”, 2024

Издательство CORPUS ®

Предисловие

Публикация в апреле 2019 года изображения огромной черной дыры в центре далекой галактики по праву привлекла огромное внимание и вызвала всеобщий интерес. В книге рассказывается история появления этого изображения. Сначала собралась группа ученых-астрономов, к которой присоединились специалисты по радиотелескопам, приемникам радиоизлучения и обработке данных. Затем они убедили распределителей ресурсов (денег, радиотелескопов, вычислительной техники) выделить на этот проект достаточное их количество. И, наконец, провели наблюдения, проанализировали данные и получили изображение. Эта история написана одним из главных участников проекта, который очень долго был в него вовлечен и занимался им изо дня в день в течение примерно двадцати лет.

Я сама участвовала в нескольких международных проектах и считаю известное высказывание о том, что сложность проекта возрастает пропорционально кубу числа участников, довольно точным. Разные подходы к отчетности, разный опыт, разные языки, разные взгляды и разные цели – все это гарантирует неопытному руководителю большие проблемы! Итогом данного проекта стала статья за подписью 348 авторов. Наблюдения и анализ данных проводились в восьми обсерваториях, расположенных на четырех континентах. Осуществление проекта такого масштаба с участием многочисленных общепризнанных “звезд” – само по себе потрясающее достижение!

Те из нас, кто работал в области рентгеновской астрономии в 1970‐е и 1980‐е годы, довольно быстро признали существование черных дыр. Но это были черные дыры звездной массы – крошечной по сравнению с массой черных дыр, находящихся в центрах галактик. Допустить существование этих черных дыр-гигантов, допустить, что связанная с ними физика верна, оказалось непросто – это был крупный шаг вперед. Прожив около 50 лет с этими “зверями”, я не очень поняла, почему возник такой ажиотаж вокруг получения изображения черной дыры в центре галактики М87. Но я была восхищена тем, что оказалось возможным собрать и организовать совместную работу такой большой группы ученых и специалистов в смежных областях для получения этого изображения!

Странности черных дыр (даже если они еще так не назывались) завораживали нас уже давно. Вспомним, например, книгу К. С. Льюиса “Лев, колдунья и платяной шкаф”. Платяной шкаф – это то, что мы сейчас назвали бы пространственно-временным мостом, по которому дети переходят в другой мир и оказываются в другом времени года и в другом времени суток. Пространственно-временные мосты могли бы образоваться, если бы черная дыра (которая все поглощает) оказалась связанной с белой дырой (которая только излучает). Такая связь была названа Джоном Уилером “кротовой норой”. В книге Алана Гарнера “Земля костей” (Boneland, 2012), действие которой происходит недалеко от радиотелескопа обсерватории Джодрелл-Бэнк, также описываются удивительные искажения пространства и времени, хотя явно там черные дыры и не упоминаются. Вообще книг, объясняющих свойства черных дыр, было написано множество.

Будучи астрофизиком, нельзя не задавать себе глобальные вопросы, такие как: почему и каким образом была создана Вселенная, существуют ли другие вселенные и что будет после смерти нашей Вселенной? Зияющая пасть черной дыры напоминает нам, что Вселенная – не слишком уютное место и в ней таятся экзистенциальные угрозы. Однако сиюминутные проблемы, обязательства и другие вполне земные дела отвлекают нас от размышлений над этими вопросами. У нас много хлопот, и потому эти абстрактные проблемы не задерживаются в наших головах надолго.

Похоже, Вселенная старается помешать точному ее описанию и полному пониманию; такое впечатление, что на вопросы типа “откуда мы взялись?” или “почему все это все‐таки возникло?” вообще нет научного ответа. Кто‐то из нас верит в Бога, кто‐то нет. Некоторые из нас христиане, кто‐то принадлежит к другим конфессиям, а кое‐кто вообще не верит во Всевышнего. Тем не менее мне кажется, что и в своем понимании устройства мира, и в системе убеждений, и в теологических теориях мы в конечном итоге подходим к той черте, когда нам придется сказать: “Мы этого не знаем или не понимаем”. Мы продолжаем жить и работать, потому что должны это делать, – причем стараемся делать это как можно лучше. Кому‐то из нас комфортнее существовать в условиях неопределенности, неполноты и некоторого хаоса, другие же ощущают от этого дискомфорт.

Фальке излагает свой взгляд на подобные экзистенциальные проблемы в IV части своей книги, и меня восхищает то, что он посчитал необходимым заговорить об этом. Причем, вероятно, сделал он это не столько для нас, сколько для себя самого! Система убеждений до некоторой степени поддается “настройке”, и мы можем подстраивать ее (и делаем это) под себя и свои конкретные задачи.

Эта книга легко читается, она очень лирична – чувствуется, что автор влюблен в нашу дивную, непостижимую Вселенную.

Джоселин Белл Бёрнелл

Введение

А ведь мы действительно можем их увидеть

В большом пресс-центре Европейской комиссии со штаб-квартирой в Брюсселе гаснет свет. Момент, которого мы так долго ждали, ради которого все мы до изнеможения работали много лет, наконец наступил. Была суббота 10 апреля 2019 года, 15 часов 6 минут и 20 секунд. Еще 40 секунд – и жителей Земли изумит и восхитит вид первого изображения гигантской черной дыры. Она расположена на расстоянии 55 миллионов световых лет от Земли, в центре галактики Мессье 87 (или сокращенно М87). Долгое время считалось, что абсолютно темные черные дыры останутся полностью и навечно спрятанными от наших глаз, но сегодня они впервые выйдут из тьмы и мы увидим их в ярком дневном свете.

Пресс-конференция началась, но мы до сих пор не имели ни малейшего представления о том, куда это все нас приведет. Тысячелетний путь человечества к открытиям, исследования, проводимые на самых границах неизведанного, революционные теории пространства-времени, новейшие технологии, работа новых поколений радиоастрономов и вся моя жизнь как ученого… Сегодня все это должно соединиться воедино и воплотиться в уникальном изображении черной дыры. Астрономы, ученые, журналисты и политики завороженно ожидали, что же именно мы здесь – в Брюсселе и других мировых столицах – собираемся открыть. Только позже я узнаю, что миллионы людей во всем мире в эту минуту прильнули к своим экранам и что в течение следующих нескольких часов “наше изображение” увидело около четырех миллиардов человек.

В первом ряду в помещении пресс-центра сидели именитые коллеги и молодые ученые, многие из которых были моими студентами. Долгие годы мы тесно сотрудничали. Все они трудились на пределе своих возможностей, с такой отдачей, которую ни они, ни я не могли себе прежде даже вообразить. Многие из них отправлялись в самые отдаленные уголки мира, иногда с риском для жизни, – и все ради одной цели. И вот сегодня они сидят в темноте, наблюдая, как достигнутый ими успешный результат – кульминация их работы – становится центром всеобщего внимания. Мне хочется поблагодарить их прямо сейчас, потому что каждый из них и все они вместе помогли осуществить этот прорыв.

Но часы продолжают тикать. Мне кажется, что я мчусь в спорткаре в туннеле и мимо меня со скоростью ветра проносятся картины – одна за другой. Я и не заметил, как кто‐то в третьем ряду направил на меня камеру телефона. (Клип, снятый им, появился позже на популярном сайте для детей в рубрике “актуальная тема”, втиснутый между вульгарными шутками про зад президента и последним синглом известного певца.) Журналисты были напряжены и взбудоражены, да я и сам здорово разволновался: в глазах присутствующих читалось нетерпеливое ожидание. Мой пульс участился. Все взгляды были направлены на меня.

Карлос Моэдаш, европейский комиссар по науке, выступал первым. Мы попросили его не говорить долго. Моэдаш разжег любопытство аудитории своими комментариями, но закончил слишком рано. Чтобы заполнить время, мне пришлось импровизировать, и при этом я всячески пытался не показать, насколько я взвинчен.

Это наше первое изображение черной дыры должно было одновременно открыться во всех уголках мира. Точно в 15 часов 7 минут по центральноевропейскому времени изображение черной дыры должно было появиться на гигантском экране здесь, в зале пресс-центра. В тот же самый момент мои коллеги в Вашингтоне, Токио, Сантьяго де Чили, Шанхае и Тайбэе продемонстрируют это изображение, прокомментируют его и ответят на вопросы журналистов. Компьютерные серверы на всех континентах были запрограммированы так, чтобы разослать научные статьи и пресс-релизы по всем странам. Время текло неумолимо. Мы скоординировали и распланировали все заранее с предельной точностью – небольшие отклонения привели бы к сбоям. Точно такая же предельная координация требовалась при сборе данных наблюдений. Я произношу несколько вступительных слов и… спотыкаюсь прямо на старте.

Тем временем за моей спиной кадры сменяются все быстрее, мы все глубже продвигаемся к центру галактики. Я начинаю с глупой оговорки – путаю световые годы с километрами, что непростительно для астронома, но времени для рефлексии сейчас нет: я должен продолжать.

Часы на дисплее продолжают тикать – уже ровно 15:07. Из глубин бесконечной темноты пространства, из центра галактики Мессье 87 появляется сияющее красное кольцо. Его контуры едва видимы на экране, они слегка размыты… кольцо светится. Все присутствующие в зале подпадают под его чары, возникает чувство, что это изображение, которое, казалось, невозможно получить, наконец пробило себе дорогу к нам, на Землю, с помощью радиоволн, проделавших путь в 500 квинтильонов километров.

Сверхмассивные черные дыры – это космические кладбища. Они образуются из угасающих, выгоревших и мертвых звезд. Но космос подкармливает их гигантскими газовыми туманностями, планетами и другими звездами. В силу своей огромной массы они сильнейшим образом искажают пустое пространство вокруг себя и, по‐видимому, способны остановить даже течение времени. Все, что приближается к черной дыре слишком близко, никогда не сможет вырваться из ее объятий – даже лучам света не удается выскользнуть оттуда.

Но как мы можем увидеть черные дыры, если свет изнутри до нас не доходит? Как мы узнаем, что эта черная дыра, массой в 6,5 миллиарда Солнц, была сжата в одну точку и в конце концов стала супермассивной? И что за светящееся кольцо окружает абсолютную тьму в его центре – тьму, из которой не могут вырваться ни свет, ни какая‐либо информация?

“Перед вами первое в истории изображение черной дыры”, – говорю я, как только это изображение во всей своей красе появляется на экране, – и зал разражается аплодисментами[1]. Вся накопленная за последние годы усталость спадает с моих плеч. Я чувствую себя свободным – тайна наконец‐то раскрыта. Мифическое существо космических размеров обрело форму и цвет, и каждый человек смог его увидеть[2].

На следующий день газеты сообщат, что мы вписали страницу в историю науки и предоставили человечеству возможность почувствовать радость и удивление. Оказалось, что они действительно существуют, эти сверхмассивные черные дыры! Они – не просто фантазии, придуманные безумными авторами научно-фантастических романов.

Это изображение стало возможным получить только потому, что люди в разных уголках мира – несмотря на все наши проблемы и все наши различия – посвятили годы достижению общей цели. Мы все хотели разгадать одну из самых больших загадок физики, выследив черную дыру. Это изображение привело нас к самым границам нашего познания. Как бы спорно это ни звучало, наша способность измерять и изучать заканчивается на границах черной дыры, и большой вопрос, сможем ли мы когда‐нибудь зайти за эту границу.

Эта новая глава в физике и астрономии была открыта предыдущим поколением ученых. Двадцать лет назад мысль о получении изображения черной дыры еще считалась несбыточной мечтой, но я загорелся этой идеей и решил, будучи молодым ученым, охотившимся за черными дырами, отправиться на поиски приключений. И по сей день я не могу думать об этом без восторга.

Я тогда и представить не мог, насколько захватывающими окажутся мои поиски и как изменят они течение моей жизни. Это было путешествие к началу пространства и времени, путешествие к сердцам миллионов людей, хотя сам я осознал это последним. Весь мир помогал нам получить заветное изображение. Теперь мы делились им с миром, и мир реагировал на него очень, просто невообразимо, горячо.

Для меня все началось почти пятьдесят лет назад. С тех пор, как я в детстве впервые взглянул в ночное небо, я стал мечтать о небесах так, как может мечтать только ребенок. Астрономия – одна из самых древних и самых увлекательных областей науки, и даже сегодня она постоянно дарит нам потрясающие новые открытия. С момента зарождения астрономии и до наших дней астрономы, движимые любопытством и чувством долга, то и дело коренным образом меняли наш взгляд на мир. Сегодня мы исследуем Вселенную с помощью своего интеллекта, используя аппарат математики, физики и все более сложные телескопы. Вооружившись самой современной техникой, мы отправляемся в экспедиции на край земли и даже в космос, чтобы изучать неизведанное. В бездонных просторах космического пространства, в бесконечной Вселенной и в божественном космосе знания и мифы, вера и суеверия всегда были так тесно переплетены, что сегодня ни один человек не может взглянуть в ночное небо, не спросив себя: что еще ожидает нас в этой темной бездне?

Об этой книге

Эта книга – своего рода приглашение совершить со мной персональную экскурсию по нашей Вселенной. Мы стартуем на Земле, пролетаем Луну и Солнце, благодаря которому у нас сменяются сезоны, дни и годы, минуем другие планеты, погружаемся в историю астрономии, которая продолжает формировать наше нынешнее восприятие мира (часть I). Часть II книги представляет собой рассказ о развитии современной астрономии. Пространство и время становятся относительными. Звезды рождаются, умирают, а иногда превращаются в черные дыры. Наконец мы покидаем наш Млечный Путь, летим дальше и видим перед собой невообразимо большую Вселенную, изобилующую галактиками и исполинскими черными дырами. Галактики рассказывают нам о начале пространства и времени и о Большом взрыве, а черные дыры – о конце времени.

Первое полученное изображение черной дыры было важным научным достижением. Сотни ученых работали вместе многие годы, и их общие усилия увенчались успехом. В конечном итоге наш проект из фантастической идеи превратился в масштабный эксперимент. О моем собственном опыте участия в этом приключении я рассказываю в части III. Это и захватывающие дух экспедиции на радиотелескопы, разбросанные по всему миру, и выматывающая нервная работа, и ожидание, и – в конце концов – получение изображения.

В заключительной же части IV я осмеливаюсь задать несколько важных вопросов, на которые ученые до сих пор ищут ответы. Черные дыры – это конец? Что происходило до начала пространства и времени, и что произойдет в конце? И что это понимание дает нам – маленьким Homo sapiens, обитающим на ничем не примечательной, но удивительной планете Земля? Значат ли грандиозные успехи естественных наук то, что вскоре мы сможем узнать, измерить и предсказать все на свете? Останется ли тогда еще место для неопределенности, надежд, сомнений и Бога?

Часть I

Путешествие сквозь пространство и время

Краткое описание нашей Солнечной системы и первые шаги астрономии

Обратный отсчет

Давайте вместе отправимся в увлекательное путешествие по пространству и времени – и начнем с Земли. Представьте такую картину: зеленая лужайка, а над ней возвышается ракета. Птицы растерянно вьются вокруг этого шедевра инженерной мысли. Зрелище впечатляющее. Стоит зловещая, как перед бурей, тишина. Только-только рассветает… тьма над стартовой площадкой медленно рассеивается. Природа еще и не подозревает о том аде, который начнется всего через несколько секунд.

Усталые и взволнованные сотрудники и зрители собираются на обзорной площадке. Отсюда каждый предмет, каждый человек – да и вообще вся сцена – кажутся игрушечными, как будто дело происходит в кукольном театре. Один из гостей достает телефон и начинает трансляцию события на веб-сайте – с титрами, написанными китайскими иероглифами, и вспыхивающими логотипами. Это тот самый стрим, который я смотрю онлайн, сидя в уютном номере небольшой гостиницы, расположенной в зеленой ирландской деревушке на другой стороне Земли. Я полон надежд и с замиранием сердца наблюдаю за разворачивающимися событиями.

Внезапно где‐то за кадром раздается громкий голос. От звука этой прерывистой и невнятной, с металлическим оттенком речи по коже начинают бегать мурашки. Голос монотонно ведет обратный отсчет, и хотя он говорит на языке, которого я не понимаю, я считаю вместе с ним. Раздается грохот, и одновременно у основания ракеты вспыхивает и озаряет темноту красновато-желтый свет. Включенный ракетный двигатель производит оглушительный рев, слышный даже здесь, в идиллической Ирландии, хотя звук издает только мой ноутбук. Земля сотрясается, опоры ракеты отклоняются, она отрывается от стартовой площадки и величественно поднимается к небу, оставляя за собой ослепительный след горячих газов… и вот наконец, устремившись в космос, она исчезает из поля зрения – как хвостатая комета, решившая вернуться обратно на небосвод.

1

Человечество, Земля и Луна

Мне казалось, будто я снова наблюдаю старт шаттла “Дискавери”. Тогда, ранним утром 11 февраля 1997 года, мне вместе с моей усталой, но воодушевленной семьей довелось присутствовать при запуске на мысе Канаверал. До сих пор я вспоминаю гордое выражение лица моей четырехлетней дочери, смотревшей издалека на направленную в небо ракету. В блеске ее глаз я увидел отблеск глаз собственных.

Двадцать один год спустя, 20 мая 2018 года, я наблюдаю всего лишь то и дело прерывающуюся прямую трансляцию из Китая. Но я точно знаю, каково это – присутствовать там сейчас. Вдобавок этот запуск совершенно особенный: ракета словно бы уносит на борту частичку меня – ведь она должна провести эксперимент, подготовленный моей командой в голландском Неймегене. Я снова чувствую себя ребенком. У ракеты особая цель: обратная сторона Луны.

Мысленно я лечу вместе с ней на Луну… и еще гораздо, гораздо дальше, как я делал много раз прежде, – лечу туда, куда меня всегда страстно тянуло: в открытый космос.

За пределами Земли

Небесный покой. Первое, что вы замечаете, когда оказываетесь в космическом пространстве, – это абсолютная тишина. Двигатели выключены, во внешнем пространстве все звуки затухают. Космический телескоп “Хаббл” достиг высоты 550 километров над поверхностью Земли – высоты, почти в 70 раз превышающей высоту горы Эверест. Телескоп теперь летит в атмосфере, примерно в 5 миллионов раз более разреженной, чем атмосфера на поверхности Земли[3]. Звуковые волны (то есть вибрации воздуха) человеческим ухом здесь не воспринимаются: ни шорохи, ни слова… даже самые мощные взрывы на Земле услышать тут нельзя.

В своей работе астронома я использую космические телескопы, обращающиеся вокруг Земли, слушаю истории, которые рассказывают побывавшие на орбите космонавты, и разглядываю изображения, которые они привозят на Землю. В своем воображении я тихо плыву в космосе, ощущая себя невесомым, – но в действительности несусь вокруг Земли с головокружительной скоростью 27 000 километров в час. Мощная центробежная сила, возникающая при такой скорости, казалось бы, может вытолкнуть меня с орбиты, но мощное земное притяжение уравновешивает эту силу и удерживает меня там. В этом заключается секрет орбитального движения вокруг всех небесных объектов. Невесомость не означает, что вы освободились от притяжения Земли. На орбите гравитация все еще держит нас железной хваткой, но мы чувствуем себя невесомыми, потому что центробежная сила и сила тяжести полностью уравновешивают друг друга. На самом деле мы находимся в состоянии свободного падения, но снова и снова не падаем на Землю, поскольку все время остаемся на удаленной траектории, так точно очерченной, что кажется, будто она была нарисована с помощью гигантского циркуля. Если бы мы замедлялись, наша траектория становилась бы все короче и ближе к Земле, пока в конце концов наше свободное падение не закончилось бы резким ударом, от которого в месте падения образовался бы кратер. Но, конечно, никто из нас такого бы не захотел!

Небольшое трение об атмосферу, с которым приходится сталкиваться нашему “космическому кораблю”, настолько мало, что мы можем обращаться вокруг Земли в течение многих лет практически беспрепятственно[4], ни разу не включив наш ракетный двигатель.

Совершая орбитальное движение, мы можем наслаждаться уникальным видом Земли, взирая сверху, подобно богам, на эту голубую жемчужину, сверкающую на черном бархате Вселенной. Континенты, облака и океаны образуют роскошную картину, написанную буйными красками. Ночью всю сцену освещают вспышки молний, сияющие города и мерцающие полярные сияния – поистине захватывающее зрелище! Государственные границы исчезают, и мы воспринимаем Землю как общий дом всего человечества. Линия, отделяющая нас от холодного космоса, ясная и резкая. Только отсюда, с высоты, мы понимаем, насколько тонок слой воздуха, который защищает нас от враждебного космоса и делает возможной жизнь. Погода и климат – понятия, имеющие смысл всего лишь в нешироком слое над Землей. До чего же хрупкой и уязвимой кажется наша гордая планета! Этими поразительными зрелищами и открытиями в космосе люди обязаны современным технологиям, но из‐за их безрассудного использования мы сами разрушаем основу нашей жизни на уникальной голубой планете под названием Земля.

Каждый раз, когда я вижу все эти прекрасные изображения, я, помимо прочего, ощущаю одиночество и пустоту, боль и страдание, которыми наполнен наш мир. “Распростёр Он север над пустотой, ни на чем Он подвесил Землю”, – так восклицал убитый горем Иов тысячелетия назад[5]. Пустота неба, расстилающаяся, как черное полотно, а посередине – наша планета Земля! Тому, кто написал библейский текст, не был дарован этот взгляд сверху, а между тем в своих видениях он уже воспринимал Землю как единое целое. Старые представления человечества сегодня наполняются новыми образами, ставшими доступными нам благодаря современным технологиям. Рои спутников с камерами и датчиками, постоянно направленными на нашу планету, передают изображения облаков, континентов и океанов во всех их захватывающих дух деталях.

Иов, увидев, что Земля висит ни на чем, посетовал на это Богу. Глубоко человеческое чувство, переживаемое Иовом, это бессмысленное страдание. И страдания и красота по‐прежнему сосуществуют на нашей планете. Отдельного человека невозможно разглядеть из космоса. Страдание можно понять только вблизи, а издалека все на Земле кажется величественным и необыкновенно красивым. Даже ураганы, наводнения и лесные пожары приобретают мрачное очарование, если смотреть на них с высоты. В космосе вы удалены от страданий, которые испытывают миллиарды людей внизу, и потому земные проблемы представляются непонятными. Так не выпускает ли этот “всеохватывающий взгляд” из поля своего зрения самого человека?

Совершенно поразительно то влияние, какое может оказать даже на закаленных космических путешественников выполнение чисто технических исследовательских программ. С тех пор как в 1961 году первым космонавтом стал Юрий Гагарин, в космосе побывало более 550 человек[6]. Почти все они рассказали, что невероятная хрупкость Земли произвела на них глубочайшее впечатление и коренным образом изменила их личность. Процесс созерцания земного шара как единого целого оказывается сродни экстатическому состоянию. Психолог Фрэнк Уайт, который изучал этот феномен и подробно описал его, использовал термин “обзорный эффект”. Какой эмоциональный отклик вызывает в нас вид планеты? Как это нас меняет? Как мы можем использовать этот эффект? Врачи исследуют его с тех пор, как он был впервые описан. Земля уникальна, и, насколько нам на сегодняшний день известно, в космосе нет ничего сравнимого с ней. У космонавтов создается такое же впечатление. Ощущение, что ты паришь над Землей, как ангел, и видишь все сверху, не может оставить нас, людей, равнодушными. Поэтому, вдохновляясь новыми видами космоса – и из космоса, – мы не должны отстраняться от проблем людей.

Время относительно

Как только мы попадаем на орбиту, наше представление о пространстве и времени меняется. Мы не просто по‐другому видим нашу родную планету – Землю, но меняется и наше восприятие течения дней, месяцев и лет. “Ибо тысяча лет в глазах твоих подобна только что прошедшему дню”[7], как говорится в одном из известных псалмов. Время относительно. Люди подозревали об этом с незапамятных времен, но нигде мы не ощущаем это так ясно, как в открытом космосе.

Когда я писал свою первую программу наблюдений для космического телескопа “Хаббл”, мне пришлось разделить последовательности команд на 95‐минутные блоки, потому что именно столько времени требовалось телескопу для обращения вокруг Земли. На его орбите Солнце восходит и заходит каждые 95 минут. Для телескопа сутки длятся 95 минут, и астронавты на Международной космической станции также наблюдают восходы Солнца каждые 95 минут. Я видел это в своем компьютере, готовя программу наблюдений и мысленно путешествуя по Вселенной.

Но относительность времени означает нечто большее, чем просто иная длина дня. В космосе часы идут не так, как на Земле, хотя вряд ли кто‐то думает, что это возможно. На орбите высотой 20 000 километров над Землей они за день убегают на 39 микросекунд. И, следовательно, за 70 лет наши земные часы отстанут от наших космических часов на одну секунду. Кажется, что это не так уж и много, и все же у нас сегодня нет проблем с тем, чтобы измерить эту представляющуюся ничтожной разницу, – разницу, которая является ключевым аспектом общей теории относительности Альберта Эйнштейна: время действительно относительно. Эта теория описывает не только нашу Солнечную систему, но и черные дыры, и пространственно-временную ткань всей Вселенной.

Путь к открытию был необычайно долог. В широком смысле он начался с фундаментальных открытий, таких как открытие строения нашей Солнечной системы и законов, которые ею управляют, а также с изучения структуры и законов всего космоса. В узком же смысле он начался с того, что мы поняли парадоксальную вещь: свет ведет себя и как волна, и как частица, – и это его свойство непосредственно связано со знаменитой специальной теорией относительности Эйнштейна.

Можно сказать, что глубокое понимание замечательных свойств света явилось ключом ко всему. Более прочего поражает здесь то, что свет не только дает нам возможность видеть все вокруг, позволяя, в частности, исследовать Землю, Луну и звезды, но еще и теснейшим образом связан со временем, пространством и гравитацией.

Давайте обратимся к истории современной физики. Для Исаака Ньютона – автора теории тяготения – свет состоял из маленьких корпускул, то есть мельчайших частиц. Позже, в XIX веке, шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл, взяв за основу блестящую революционную работу Майкла Фарадея, доказал, что свет и все другие формы излучения представляют собой электромагнитные волны. И радиосигналы, используемые в технологии Wi-Fi, сотовых телефонах или автомобильных радиоприемниках, и тепловое излучение, регистрируемое приборами ночного видения, и рентгеновские лучи, которые мы используем, чтобы рассмотреть кости под кожей, и даже видимый свет, который воспринимают наши глаза, – все это, согласно теории Максвелла, суть колебания электрических и магнитных полей. Они отличаются друг от друга только своей частотой и способами, с помощью которых мы их производим и измеряем. Но по сути все эти колебания представляют собой одно и то же явление, а именно – свет: видимый свет, свет с длиной волны из радио-, инфракрасного или рентгеновского диапазона.

В частотном диапазоне, используемом мобильными телефонами, волны колеблются миллиард раз в секунду, а их длина составляет больше 20 сантиметров. Волны видимого света колеблются секстиллионы раз в секунду, и их длина в сто раз меньше диаметра волоса. Поскольку световые волны определенного цвета и частоты всегда колеблются с одинаковой скоростью, свет является идеальным метрономом для часов и эталоном времени. Самые точные оптические часы на сегодня откалиброваны так, что их точность составляет более 10–19 секунд [8]. За все время существования Вселенной (на сегодня это примерно 14 миллиардов лет) такие часы отстанут всего примерно на полсекунды! Это такая степень точности, о которой предыдущие поколения даже не мечтали.

Но что именно вызывает эти колебания? Долго считалось, что все космическое пространство заполнено так называемым эфиром. Имелся в виду не тот эфир, который растворитель, а эфир – гипотетическая среда, в которой электромагнитные волны (или световые, или радиоволны) распространяются во все стороны, как звуковые волны в воздухе.

Одним из свойств уравнений Максвелла – самым обескураживающим и неожиданным для физиков, причем остающимся таковым и по сей день, – является представление о том, что свет с любой длиной волны, распространяющийся в пустом пространстве, должен всегда двигаться с одной и той же постоянной скоростью, не зависящей от того, как быстро двигается наблюдатель. Рентгеновский луч столь же быстр, как радиоволна или лазерный луч, и в уравнениях Максвелла скорость света не зависит от скорости приемника или излучателя. То, что свет распространяется с конечной скоростью, мы знали самое позднее с конца XVII века, когда Оле Рёмер измерил движение спутников Юпитера и использовал их в качестве часов [9]. Но разве не должна скорость света меняться в зависимости от того, летишь ли ты с большой скоростью сквозь таинственный эфир или стоишь на месте?

Допустим, я плыву на серфборде в океане. Сильный ветер дует в сторону берега, а я гребу от него перпендикулярно линии прибоя. Волны приближаются ко мне с большой скоростью – на самом деле почти так же быстро, как они набегают на берег. Но если я меняю направление и быстро гребу в ту же сторону, куда устремлены ветер и волны, моя скорость почти равняется скорости волн под моим серфбордом. По сравнению с ним скорость волн мала, однако скорость волн относительно берега очень высока.

То же самое относится и к звуковым волнам. Если я еду на велосипеде при попутном ветре, звук клаксона едущего за мной автомобиля достигает моих ушей несколько быстрее, чем когда ветра нет, – и я слышу предупреждение немного раньше. Если же я поеду навстречу ветру, то услышу гудок сзади несколько позже: звук тоже распространяется против ветра. Если бы я мог крутить педали со сверхзвуковой скоростью, я никогда не услышал бы гудка. Если бы я крутил педали еще быстрее и опередил собственные звуковые волны, то преодолел бы звуковой барьер и создал ужасный шум, поскольку многие из производимых мною звуков достигли бы человека, слышащего их, одновременно. Но, в отличие от пилотов реактивных самолетов, ни одному велосипедисту еще не удалось преодолеть звуковой барьер.

Радиоволны должны вести себя подобным же образом – по крайней мере так думали люди более ста лет назад. По их представлениям эфир, в точности как воздух в нашей атмосфере, заполняет пустоту космического пространства, а Земля, бороздящая эфир со скоростью 100 000 километров в час по орбите вокруг Солнца, схожа с моим велосипедом или серфбордом. Если вы измерите скорость света в направлении движения Земли вокруг Солнца, то эта “скорость света” должна быть на самом деле совершенно другой, чем скорость, измеренная под прямым углом или в точно противоположном направлении. Иными словами, она должна зависеть от того, при “попутном” или “встречном” ветре движется свет в эфире.

Именно этот эффект пытались измерить американские физики Альберт А. Майкельсон[10] и Эдвард У. Морли в конце XIX века. Для этого они измерили относительную скорость света в двух световых коридорах (или каналах), расположенных перпендикулярно друг другу. Эксперимент закончился полной неудачей. Ученые не смогли увидеть сколько‐нибудь существенного различия в скоростях света. Таким образом, не было найдено прямых доказательств существования эфира – он оказался просто иллюзией.

Неудачи могут быть прорывными, и этот неудачный эксперимент стал одним из тех немногих, которые принято называть ключевыми, так как они направили развитие физики и астрономии по ее нынешнему пути. Дело в том, что совершенно неожиданный крах теории эфира обрушил всю систему взглядов и потому пришлось, отбросив старые модели, начать искать новые идеи. Лучшими из них оказались идеи молодого Альберта Эйнштейна[11], который был готов радикально все переосмыслить и создать новую теоретическую основу физики. Пока другие физики все еще пытались пробить головой стену, Эйнштейн стремительно ворвался в новую эру, в которой пространство и время больше не были абсолютными. Возникла смелая теория – теория относительности Эйнштейна, существенно изменившая веками доминировавшую концепцию мироздания.

Мальчик мечтает о Луне

Совершив достаточное количество оборотов вокруг Земли, мы можем начать следующую фазу протокола, составленного для полета нашей космической капсулы, и направить эту капсулу на Луну. Путешествие на Луну было древней мечтой человечества. 20 июля 1969 года Нил Армстронг ступил на ее поверхность, совершив, возможно, самый известный шаг, когда‐либо сделанный человеком, – и мечта стала реальностью. Даже спустя несколько лет я все еще ощущал значимость этого момента.

Жаркий летний день 1971 года в маленьком городке Штромбах в горном районе земли Северный Рейн-Вестфалия. До самого горизонта тянутся мягкие зеленые холмы и леса. В небольшом районе частных домов на улице играют и веселятся дети. Ведерки и лопатки, трехколесный велосипед с родительской ручкой для толкания и пара мячей – все, что им нужно для счастья. Взрослые сидят во дворе в шезлонгах и наблюдают за детьми.

Но один маленький пухлощекий мальчик не играет со сверстниками, а сидит в темной комнате и как завороженный смотрит на мерцающие размытые черно-белые картинки на экране большого лампового телевизора. Лунный модуль “Аполлона-15” “Фалькон” только что “прилунился” и передает свои изображения на Землю. После первых захватывающих и очень успешных космических полетов воодушевление взрослых членов семьи Фальке, вызванное посадками на Луну, довольно быстро испарилось.

И только мальчик никак не может оторваться от экрана. Ему всего четыре года, и он еще не имеет ни малейшего представления о размерах космоса или расстоянии, которое астронавты НАСА должны были преодолеть, чтобы добраться до Луны. Он даже вообразить себе не может, сколько энергии потребовал данный технологический прорыв и насколько значительным является это научное достижение. И все же где‐то в глубине души он чувствует, каким захватывающим и грандиозным является это смелое предприятие. Мальчик наслаждается каждой секундой космического приключения, и его воображение разыгрывается все больше. Что вообще в этом мире может быть неосуществимым, если человек смог ходить по Луне, прыгать на ее поверхности и даже управлять лунным вездеходом (а именно это и делали астронавты “Аполлона-15”)? Что еще предстоит открыть человечеству в бесконечно огромном небе?

Этим мальчиком, конечно же, был я. Тогда мы провели несколько дней в гостях у моей двоюродной бабушки Герды. Астронавты, отправившиеся под командованием Дэвида Скотта на Луну, казались мне в детстве героями из комиксов. Командир Скотт и член экипажа Джеймс Ирвин прилунились на модуле “Фалькон” очень близко к Апеннинам – одному из крупнейших лунных горных хребтов, – в то время как третий астронавт, Альфред Уорден, облетал Луну в командном модуле. Когда Скотт ступил на поверхность Луны, он произнес нечто глубоко человеческое: “Я вроде как понял, в чем состоит фундаментальная сущность нашей природы. Человек должен открывать новое!” “Да! – подумал я. – Это про меня”. И сегодня так можно сказать обо всех людях.

Как и многие дети, я хотел быть космонавтом, но позже (в основном интуитивно) пришел к пониманию, что на самом деле не создан для этого. Я был довольно разносторонне развит: умел работать в коллективе, был стрессоустойчивым и спортивным, разбирался в технике, был хорош в теоретической и экспериментальной работе. Но у меня легко начинали дрожать руки, и под давлением ситуации я допускал очень много ошибок. Годы спустя, на конференции по космическим путешествиям, мне довелось поговорить об этом с немецкими астронавтами Ульрихом Вальтером и Эрнстом Мессершмидом. Они оба знали себе цену, но при этом не были заносчивыми. “Нам, астронавтам, приходится без конца проходить отбор, и все показатели должны быть в норме”, – сказал мне один из них. В моем случае в норме были не все показатели. И все же моя мечта – подобраться ближе к Луне – никогда не умирала.

Чтобы долететь до Луны, космический корабль должен преодолеть расстояние от 356 000 до 407 000 километров – в зависимости от того, в какой именно части своей эллиптической орбиты она находится. Для большинства автомобилей это расстояние равно примерно их максимальному пробегу, а вот свету, чтобы его преодолеть, требуется всего около 1,3 секунды. Осознание того факта, что даже самые лучшие автомобили за свою жизнь способны проехать расстояние, ненамного превышающее световую секунду (важная астрономическая мера), здорово отрезвляет.

Скорость света – единственная во Вселенной по‐настоящему постоянная величина. Размеры космического пространства принято выражать в световых единицах, и световой год на самом деле является мерой длины, а не времени, как можно было бы предположить, исходя из слова “год”. И представление об истинных космических масштабах мы получаем, когда, говоря о расстояниях, оперируем иногда расстояниями, равными многим миллиардам световых лет. Так что для астрономов Луна не является нашим космическим двором – ни задним, ни передним: она от силы порог, который мы переступаем, готовясь к путешествию по Вселенной.

То, что нас с Луной разделяет расстояние, примерно равное одной световой секунде, также означает, что все то, что мы сейчас видим на Луне с Земли, случилось там секунду назад. Когда мы смотрим в космос, мы всегда видим его прошлое. В случае с Луной это немногим больше секунды, но в случае с галактиками, которые мы изучаем, мы наблюдаем события, произошедшие миллионы и миллиарды лет назад.

Свет всегда достигает нас “с задержкой” – небольшой задержкой, если источник света находится где‐то здесь, на Земле, и чрезвычайно большой, если свет идет к нам из глубин космоса. В результате мы никогда не можем точно знать, что происходит где‐то в другом месте в данный момент – ни во Вселенной, ни даже здесь, на Земле.

Между прочим, есть очень простой способ измерить и использовать задержку прихода света от Луны. Мой голландский коллега решил провести свою свадебную церемонию в диспетчерской радиотелескопа и с помощью радиоволн отправил на Луну брачный обет. Слова клятвы отразились от поверхности Луны и через 2,6 секунды вернулись в диспетчерскую. Это произошло так быстро, что невеста не успела сбежать, и брак официально зарегистрировали. Вероятно, это была первая в мире свадьба с участием Луны [12].

По несколько менее торжественным поводам, а на самом деле – с чисто научными и технологическими целями мы сегодня регулярно стреляем лазерными лучами в Луну. Они отражаются от зеркал, которые были размещены там во время миссии “Аполлон” и теперь работают так же, как и тогда (вопреки заявлениям сторонников теории заговора, утверждающих, что НАСА никогда не сажала корабли на Луну). По задержке светового эха можно чрезвычайно точно измерить движение Луны и ее расстояние до нас, и мы можем проверить предсказания, сделанные в рамках общей теории относительности.

Еще мы можем заметить, что с каждым годом Луна становится на четыре сантиметра дальше от нас, а Земля немного замедляет свое вращение. Гравитационные силы привязывают Землю и Луну друг к другу, а приливные силы заставляют каждую из них несколько замедлять вращение другой. Ежегодно каждый лунный месяц и земной день увеличивают свою длину на крошечную долю секунды. Теоретически мы в результате стареем несколько медленнее, но и умираем немного раньше – если, конечно, наш возраст выражается в месяцах и днях. Четыре с половиной миллиарда лет назад в сутках было всего шесть часов[13] – для таких трудоголиков, как я, жизнь была бы непереносимой.

Вращение Луны вокруг своей оси уже очень сильно замедлилось. За время оборота по орбите вокруг Земли она поворачивается вокруг собственной оси ровно один раз и, следовательно, всегда показывается нам одной и той же стороной. Вот почему людям привычен один и тот же улыбающийся и дружелюбный лунный лик. Обратную же сторону Луны мы смогли увидеть только после первых лунных миссий. И хотя это не темная сторона, как ее часто поэтически называют (поскольку Солнце освещает ее в течение двух недель каждый месяц), она все же остается загадочным и малоизведанным миром.

Я никогда полностью не отказывался от своей мечты, связанной с Луной, и в некотором отношении эта мечта осуществилась, когда на какое‐то время я стал руководителем радиотелескопа LOFAR[14] в Нидерландах. Название LOFAR расшифровывается как “низкочастотная антенная система”. Радиотелескоп представляет собой сеть радиоантенн, работающих в низкочастотном диапазоне. Они связаны между собой и образуют единый астрономический инструмент – благодаря суперкомпьютеру, объединяющему данные, полученные с помощью разных антенн; таким образом создается виртуальный телескоп. Считалось, что с его помощью мы сможем углубиться в прошлое Вселенной вплоть до Большого взрыва и найти все активные черные дыры во Вселенной.

Сегодня сеть LOFAR состоит из 30 000 антенн, раскиданных по всей Европе, – то есть LOFAR стал континентальным телескопом. Но идеальное место для приема радиоволн из космоса без помех – это обратная сторона Луны. Дело в том, что на Земле самыми большими проблемами для астрономов являются рассеянное излучение, создаваемое наземными радиопередатчиками, и искажение космических радиоволн в самом верхнем слое атмосферы – ионосфере. С Земли мы никогда не видим обратную сторону Луны, а следовательно, там нет помех от какого‐либо рассеянного земного излучения. “Луна может быть лучшим местом на Земле для работы радиоастрономов”, – обычно говорю я в шутку. Но долгое время идея установить там антенны казалась мне несбыточной мечтой.

И в космическом путешествии, и в науке нужно быть очень терпеливым. Если набраться терпения и подождать, то может случиться нечто совершенно невероятное. Я, например, дождался приятного сюрприза в октябре 2015 года, когда во время государственного визита король Нидерландов Виллем-Александр и глава КНР Си Цзиньпин договорились о совместных проектах в области космических полетов. В рамках подписанного соглашения китайцы предложили взять с собой в космос лунную антенну, разработанную нами для программы LOFAR. Это был первый голландский прибор, включенный в китайскую лунную миссию. В мае 2018 года с космодрома Сичан стартовала ракета китайского космического агентства КНКА с нашей антенной на борту, и за запуском именно этой ракеты я, будучи в отпуске в Ирландии, следил в прямом эфире. Однако тогда же синтезировалось самое первое изображение черной дыры, и вся моя энергия и мои мысли были сосредоточены исключительно на получении этого изображения. То был самый напряженный период моей научной жизни, и потому я, хоть и неохотно, препоручил исполнение своей детской мечты о Луне коллегам.

Наша станция наблюдения LOFAR установлена на китайском спутнике связи “Цюэцяо”. Спутник, название которого переводится как “сорочий мост”, находится на расстояниях от 40 000 до 80 000 километров за Луной. Основная функция “Цюэцяо” – ретранслировать радиосигналы на Землю с обратной стороны Луны. Осенью 2019 года мы раскрыли нашу антенну и с тех пор слушаем космические сигналы. Совсем недавно мы занимались поиском чрезвычайно слабых радиошумов, которые, согласно современным теориям, должны были появиться в какой‐то момент так называемых “темных веков Вселенной”, то есть миллиарды лет назад, до рождения первых звезд. Они содержат радиоэхо Большого взрыва, являющегося началом пространства и времени. Вероятно, нам потребуется много лет, чтобы завершить чрезвычайно сложный анализ массива данных, и вполне возможно, что только будущие космические миссии смогут что‐то такое обнаружить.

Но когда “Цюэцяо” еще только направлялся к своей орбите, он подарил мне невероятный эмоциональный всплеск. Его небольшой бортовой камере удалось сделать уникальный снимок, на котором были видны Луна, а за ней – почти такого же размера – Земля. В углу фото красовалась наша все еще нераскрытая антенна. Рассматривая снимок, я снова почувствовал себя тем маленьким мальчиком, что сидел у старого черно-белого телевизора. Передо мной предстала таинственная обратная сторона Луны, за которой виднелось маленькое и размытое изображение нашей собственной голубой планеты, где я сейчас сидел. Сам я никогда не летал на Луну, но в тот момент я словно был там – был “дома”. С тех пор каждый раз, когда я смотрю на Луну, мне кажется, будто теперь там поселилась маленькая частичка меня.

2

Солнечная система и наши изменяющиеся представления о Вселенной

Солнце – наша ближайшая звезда

Теперь мы покидаем Луну и направляемся к Солнцу. Если мы вылетим с Земли, то до цели нам нужно преодолеть расстояние в 150 миллионов километров. Свет может справиться с этим за 8 минут, а это значит, что мы находимся в 8 световых минутах от Солнца и, смотря на него, видим то, что происходило на нем 8 минут назад.

Солнце – звезда, благодаря которой мы существуем, и это утверждение носит универсальный характер, ибо ни на одном другом небесном объекте, кроме Земли, нет условий для человеческой жизни. Солнце влияет на погоду и на человеческую культуру, а также упорядочивает нашу повседневную деятельность, задавая ритм дня и ночи. Мы начинаем понимать важность Солнца, только когда нам приходится какое‐то время жить без него. Поэтому неудивительно, что и в доисторические времена, и в древности солнечное затмение вызывало у людей серьезную тревогу. Да и сегодня оно может заставить нас беспокоиться, хотя обычно не слишком сильно.

Лето 1999 года. Я стою перед директрисой нашей местной начальной школы, чуть ли не умоляя ее позволить моей дочери отправиться со мной в путешествие. Сегодня, 11 августа, в некоторых областях Германии и Франции должно наблюдаться полное солнечное затмение. В течение нескольких дней немецкие СМИ рекламировали это событие. Специальные защитные очки распроданы, и вся Германия ждет наступления космического таинства. Для нас с дочерью это уникальная возможность увидеть редкое событие вместе: к тому времени, когда в 2081 году произойдет следующее наблюдаемое в наших краях подобное солнечное затмение, меня уже не будет в живых.

Но строгие правила обязательного посещения школ в Германии не учитывают всякие сентиментальные мотивы. Наши законы в сфере образования позволяют отменять уроки, если объявляется высокий уровень опасности из‐за жары или холодов, но никак не в дни солнечного затмения. Сочувствующая нам директриса мнется и говорит мне, что по школьным правилам она не может отпускать детей из школы ради солнечных затмений, которые случаются раз в столетие, даже если это дети астрономов. “Однако, – задумчиво добавляет она, – пропустить занятия можно, если из‐за вашей работы вам приходится временно менять место жительства. В этом случае вы могли бы взять Яну с собой”. Я благодарю ее за информацию и на один день меняю место жительства – во всяком случае, на бумаге.

Взволнованный и охваченный нетерпением, я сажаю в машину свою шестилетнюю дочь и прыгаю за руль. Иногда ученые в поисках тайн Вселенной и удовлетворения собственной любознательности готовы отправиться хоть на край земли. Вот и мы отправляемся в нашу небольшую семейную экспедицию.

Тень затмения будет проходить около полудня лишь по узкой полосе, протянувшейся через несколько областей на юго-западе Германии. Именно сюда я и хочу попасть, потому что только здесь можно будет пережить самый захватывающий момент полного солнечного затмения: зловещий мрак, который наступает, когда мир внезапно посреди дня погружается в темноту. Став тому свидетелем, вы никогда не забудете ощущение важности солнечного света для нашей жизни и для жизни вообще. Есть только одна проблема, которая может нам помешать и с которой астрономы – увы! – хорошо знакомы: капризы погоды. 11 августа небо во всей Германии окутано облаками.

Мы едем на запад от моего родного города Фрехен, расположенного недалеко от Кёльна, в поисках подходящего места. Мы отчаянно мечемся, гоняясь за солнечным светом, то здесь, то там пробивающимся сквозь облака. Наконец мы оказываемся во Франции, в поле, неподалеку от города Мец. До начала затмения осталось всего несколько минут… и тут небо очищается и из него проливается свет Солнца. Иногда в жизни тебе просто должно повезти, даже если ты скромный ученый. Медленно, величественно диск Луны начинает скользить перед Солнцем, пока наконец полностью не закрывает его. Мы попали точно в нужное место в нужное время. Это необычное и прекрасное зрелище, редкий момент “коллективного озарения” в полной темноте.

Солнечное затмение – это проявление одного из самых замечательных космических совпадений в нашей Солнечной системе. Только благодаря тому, что намного меньшая Луна расположена на “правильном” расстоянии от Земли, ей удается полностью закрыть для нас диск большого Солнца. Если бы она была немного ближе, то закрыла бы большую площадь, чем диск Солнца. Если бы она была дальше, диск Солнца оказался бы закрытым не полностью и мы бы видели яркий ослепительный ореол. Однако сейчас Луна в точности закрывает весь раскаленный диск Солнца и позволяет нам увидеть нечто совершенно особенное: солнечную корону. Она состоит из горячего, с температурой в несколько миллионов градусов, газа, который иногда начинает бурлить, – и тогда возникают гигантские плазменные протуберанцы, вздымающиеся над солнечной поверхностью.

Во время солнечного затмения в течение нескольких мгновений мы можем увидеть, что Солнце – вовсе не спокойная звезда: оно кипит и клокочет, как волшебный котелок на кухне у ведьмы. Но есть и еще кое‐что не менее магическое: во время больших и не очень больших взрывов на поверхности Солнца образуются и выбрасываются в космос мельчайшие частицы-призраки. Это осколки атомов, которые появляются при распаде атомов на части под воздействием солнечной температуры, а затем проносятся на высокой скорости сквозь Солнечную систему.

Атомное ядро состоит из тяжелых положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов почти той же массы. Ядра окружены одной или несколькими электронными оболочками. Электроны заряжены отрицательно, и они гораздо легче.

Эти вылетающие частицы с высокими энергиями не очень корректно называют космическими лучами. Когда космические лучи – лучше назвать их космическими частицами – входят в атмосферу, они вызывают, кроме всего прочего, северное сияние, которое иногда появляется в темном небе над Лапландией или Аляской, и, по рассказам наблюдателей, эти мерцающие и танцующие зеленые сполохи – совершенно фантастическое зрелище. Однако поток частиц, вызванный наиболее интенсивными солнечными бурями, важен для нас, людей, также и по другим причинам. Эти бури могут разрушить чувствительную электронику спутников, изменить магнитное поле Земли и помешать передаче радиосигналов. Особо сильные бури могут даже поднять напряжение в наших электросетях и нарушить электроснабжение целых городов. К счастью, подобные события случаются редко, и регулярный мониторинг погоды в открытом космосе позволяет заранее принимать меры предосторожности.

Только во время солнечного затмения мы можем невооруженным глазом увидеть, откуда берутся эти космические частицы. Зрелище оказывает на меня особое воздействие. По своей работе я знаю, что элементарные частицы, движение которых мы с дочерью наблюдали на краю Солнца, подчиняются тем же физическим законам, что и элементарные частицы на краях черных дыр, только последние находятся в гораздо более экстремальных условиях. Совместное воздействие магнитных полей и огромной турбулентности превращает эти мельчайшие заряженные частицы в подобие мячиков для пинг-понга, перебрасываемых туда-сюда, в результате чего они приобретают все большую энергию. Электроны, которые ускоряются в этих процессах и отклоняются магнитным полем, заставляют как Солнце, так и ближайшие окрестности черной дыры светиться в радиочастотном диапазоне. Космические частицы, образующиеся при взрывах звезд и вблизи черных дыр, могут достигать еще более высоких энергий, чем те частицы, которые образуются на Солнце. Они проносятся через неспокойные магнитные поля нашего Млечного Пути и открытого космоса.

Некоторые из них врезаются в нашу атмосферу, и их можно поймать и измерить. В крупномасштабных экспериментах, подобных эксперименту, проводимому в аргентинской обсерватории Пьера Оже, в котором я до сих пор участвую, ведутся исследования таких частиц с помощью множества детекторов, расположенных на тысячах квадратных километров.

Если бы мы не поняли физику Солнца и космических частиц, мы не смогли бы понять и физику черных дыр. Как удивительно, что во всей Вселенной происходят одни и те же процессы и действуют одни и те же законы! Излучение черных дыр, солнечные протуберанцы и северные сияния на Земле подчиняются бесконечным переплетениям действующих во всем космосе законов физики.

Во время солнечного затмения 11 августа у меня возникает чувство, будто я могу видеть все это собственными глазами. Для моей дочери это была увлекательная детская экскурсия, наполненная приключениями и удивительными зрелищами. После нее она сделала специальные очки для всех своих знакомых и пригласила их взглянуть на Солнце. Что должны были подумать о нас соседи?

Когда мы с моим ребенком смотрели на Солнце, я испытывал благоговейный трепет перед могуществом Вселенной. Особенно меня завораживало зловещее красное свечение Солнца, закрываемого тонкой дымкой облаков. В этом клубящемся кольце было что‐то мощное и почти гипнотическое. Это зрелище позже вдохновит меня на выбор цветов для картинки в нашей статье, предсказавшей возможность получения радиоизображения черной дыры.

Конечно, у меня есть преимущество перед многими людьми: ведь я знаю, почему происходит солнечное затмение и какие космические явления его вызывают. Но в каменном веке, да и позже, вплоть до наших дней, это зрелише казалось пугающим и считалось карой божественных сил. Документы, которым более четырех тысяч лет, рассказывают об одном таком затмении. В то время китайские придворные астрономы пытались предсказывать подобные явления, наблюдая за небом, но это не всегда выходило у них удачно. Согласно одной древней легенде двоих ученых мужей даже казнили по приказу императора за то, что они не смогли объявить точное время солнечного затмения и были пьяны, когда затмение все же произошло[15]. Хотя не исключено, конечно, что эта популярная история – просто выдумка. Так или иначе, но сегодня астрономы могут точно и без риска для жизни предсказывать время солнечных затмений. Разумеется, мы тоже иногда ошибаемся, особенно когда проводим исследования в неизведанных областях, однако за эти ошибки нам, к счастью, больше не грозит смертная казнь.

Солнце – такая же звезда, как и любая другая, – конечно, за исключением того, что это наша звезда, а следовательно, она намного-намного ближе к Земле и намного-намного ярче всех остальных звезд. Ни наша Луна, ни какая‐либо планета не были бы видны на небе без этого горячего гиганта – ведь они лишь отражают солнечный свет. Солнце настолько огромно, что в нем заключено более 99 процентов массы нашей Солнечной системы. Его сила тяготения удерживает планеты на своих орбитах, и именно ей мы должны быть больше всего благодарны за наши знания о звездах и гравитации.

Солнце – это массивный и невероятно горячий газовый шар, в ядре которого происходит ядерный синтез. Топливом служит водород – из него в основном и состоит Солнце. В ядре этой горячей звезды атомы легкого водорода сливаются, образуя гелий. Температура в ядре невероятно высокая – примерно 15 миллионов градусов Цельсия, но и на поверхности Солнца она все еще весьма значительна: 5 500 градусов. Тепло, излучаемое Солнцем, является единственным источником всей энергии на Земле, и оно не могло бы быть произведено без гравитации и, значит, высокого давления в солнечном ядре. Без солнечного света растения не могут расти: ведь они получают свою энергию с помощью фотосинтеза. Да и все мы тоже – и веганы, и вегетарианцы, и мясоеды – можем добывать еду только благодаря Солнцу, поскольку животные питаются растениями, которые, в свою очередь, не могут обойтись без солнечного света.

Когда мы сжигаем дрова, мы высвобождаем энергию, полученную от Солнца. Нефть, газ и уголь появились в результате биологических процессов, протекающих с момента рождения Земли, то есть они представляют собой накопленную солнечную энергию. Однако мы с такой скоростью уничтожаем наши природные запасы, сжигаем вещества, которые откладывались миллионы лет, что не нужно быть климатологом, чтобы понять: если мы продолжим в том же духе, добром это не кончится.

Кроме того, без Солнца мы не могли бы производить электричество. Понятно, что не была бы изобретена солнечная энергия, но и гидроэлектростанции также функционируют только потому, что Солнце постоянно заставляет воду испаряться и она потом проливается дождями, наполняющими наши озера и реки. Даже ветряки работают только потому, что Солнце нагревает нашу атмосферу неравномерно и в разных точках Земли создаются разные температуры, что и приводит к возникновению ветра. И хотя приливные электростанции получают энергию от Луны, а атомные станции – от элементов, которые были созданы в космосе при рождении черных дыр и нейтронных звезд, эти элементы попали к нам лишь благодаря гравитации Солнца. Ну, а исходным источником всей энергии Солнца, Луны, звезд и элементов является Большой взрыв – первичный источник энергии Вселенной.

Солнце ускорило процесс нашего превращения в двуногих существ, способных мыслить абстрактно. Солнечные космические частицы, попадая на Землю, увеличивают скорость мутаций в клетках организмов. Именно Солнцу мы обязаны тем, что эти клетки смогли видоизменяться, что эволюция пошла вперед, что мелкие млекопитающие эволюционировали в человека. Мы в некотором смысле космические мутанты. Однако повышенный уровень мутаций приводит и к образованию раковых клеток, а значит к смерти и распаду. Наше существование как людей было буквально выстрадано, заработано ценой глубоких страданий. Но без этих потенциально опасных генетических изменений мы все еще были бы одноклеточными организмами.

По сравнению с другими, более буйными, звездами Солнце имеет довольно спокойный темперамент. Оно по всем параметрами среднее – не особенно большое, не особенно массивное и даже не особенно активное[16]. Его возраст – 4,6 миллиарда лет, и оно находится в расцвете сил. Учитывая его общую массу, термоядерный реактор в ядре Солнца горит медленно. Количество энергии, вырабатываемой в его единице объема, значительно ниже, чем при метаболизме человека. Наш организм – это отлаженный механизм, который постоянно работает на полную мощность. Если бы мы все встали очень близко друг к другу, мы могли бы стать маленькой звездой[17].

Однако Солнце – благодаря своим размерам – затмевает абсолютно все. Население Земли должно было бы увеличиться почти в квадриллион раз, чтобы производить столько энергии, сколько производит Солнце.

Солнце практически сжигает себя. При синтезе гелия из водорода материя частично превращается в энергию. В результате наша звезда становится легче примерно на четыре миллиарда килограммов в секунду. И хотя Солнце излучает огромную энергию, оно использует лишь ничтожную часть собственной массы, то есть демонстрирует невероятную эффективность. На сегодняшний день ни одна машина, созданная человеком, не может произвести так много энергии при таком небольшом расходе топлива. Если бы наши тела были такими же эффективными и экономичными, как Солнце, каждому человеку понадобилось бы менее половины грамма пищи в течение всей его/ее жизни. Когда речь заходит об эффективности преобразовании массы в энергию в космосе, звезды уступают только черным дырам.

Тем не менее во всем этом есть и толика грусти: в какой‐то момент источник энергии Солнца истощится. Дозаправиться топливом в данном случае не получится. Ядерный реактор на Солнце выгорит, а вместе с ним – конечно, если человечество столько протянет – закончится и жизнь на Земле. Но это событие пока еще далеко. Современные прогнозы дают Солнцу от пяти до шести миллиардов лет, и у нас достаточно времени, чтобы создать побольше солнечных батарей!

Небесные божества: тайна планетных орбит

Как только мы покидаем Солнце и обращаем свой взор на планеты, движущиеся вокруг него, расстояния, о которых мы собираемся говорить, быстро превращаются из световых минут в световые часы. Здесь, в движении планет, лежит ключ к тому, как мы пришли к пониманию гравитации и развитию нашего современного представления о мире. Космические корабли, построенные людьми, уже долетели до планет и даже залетели чуть дальше. Но все, что находится за пределами нашей Солнечной системы, мы можем наблюдать только в телескопы.

В то время как Меркурий, ближайшая к Солнцу планета, находится от него всего в 60 миллионах километров, Нептун, самая дальняя планета Солнечной системы, движется по своей орбите на расстоянии 4,5 миллиарда километров, или четырех световых часов, от Солнца. Нептуну требуется 165 земных лет, чтобы совершить один оборот. На протяжении тысячелетий наши предки наблюдали за планетами и восхищались их правильными и в то же время нерегулярными движениями. Неподвижные звезды занимают фиксированные места на небосводе, и мы крутимся под ними, а планеты как бы блуждают среди звезд. Отсюда и их название: планета в переводе с греческого означает странник.

На нашем небе планеты, а также Солнце и Луна перемещаются вдоль узкой полосы – они будто движутся по планетному велотреку. Мы называем эту невидимую линию эклиптикой (от греческого слова, значащего отсутствие, исчезновение, темнота). Как следует из этимологии этого слова, эклиптика связана с солнечными затмениями, которые происходят именно здесь.

Эклиптика существует потому, что все планеты обращаются вокруг Солнца в одной плоскости и, соответственно, траектории планет формируют в плоскости виртуальный диск астрономических размеров. Земная орбита тоже лежит на этом диске, и, поскольку мы находимся на нем, он представляется нам узкой полоской неба – так выглядит старая виниловая пластинка, если смотреть на нее сбоку. Чем ближе к Солнцу, тем сильнее чувствуется его гравитация: планеты, находящиеся ближе к Солнцу, обращаются вокруг него быстрее, чем Земля, так как их центробежная сила должна уравновесить гораздо более сильное гравитационное притяжение Солнца, а планеты, более удаленные от Солнца, чем Земля, движутся медленнее, чем она, поскольку гравитация там слабее. Если бы они обращались быстрее, то сошли бы со своих околосолнечных орбит.

Наблюдая с Земли, мы видим, что планеты движутся причудливым образом относительно неподвижных звезд на небе. Они представляются нам спринтерами на легкоатлетическом стадионе, где мы участвуем в забеге вместе с ними. Спринтерам на крайних дорожках приходится преодолевать большие расстояния, и бегут они значительно медленнее. Планеты Меркурий и Венера – это лучшие спринтеры на внутренних дорожках. Они самые быстрые и всегда находятся близко к Солнцу. Вот почему их можно увидеть только утром и вечером. Чаще всего по вечерам и утрам мы видим Венеру – “утреннюю звезду”. А большие планеты на дальних дорожках движутся более медленно – как любители побегать трусцой по выходным, – и наша Земля регулярно их обгоняет. В это время нам с Земли кажется, что они начинают пятиться. А когда наша планета их минует, переместившись на противоположную сторону околосолнечного трека, мы увидим, что они движутся с нами в одном направлении. Иными словами, в этом месте Земли на солнечном треке они для нас меняют направление своего видимого движения с попятного на прямое.

Нам, людям, потребовались тысячи лет, чтобы сделать это открытие. Движения планет, видимых невооруженным глазом – Меркурия, Венеры, Марса, Юпитера и Сатурна, – оставались загадкой на протяжении многих веков. Неудивительно, что они повлияли на наши религиозные взгляды и различные модели мироустройства.

До того, как были поняты причины этих космических явлений, астрономия выполняла самые разные функции. Перед звездами и небесными объектами благоговели представители практически всех религий. Еще бы: ведь звезды упорядочивали повседневную жизнь и задавали циклы года. Солнце доминировало днем, а положения точек его восхода и захода соответствовали определенным дням года и сезонам. По фазам Луны мы стали отмерять месяцы, которые по неизвестным причинам примерно соответствуют женским менструальным циклам. В древности люди верили, что Солнце и Луна управляют фертильностью, а также человеческими удачами и несчастьями. Поэтому неудивительно, что наши предки преклонялись перед этими божественными силами.

Истоки астрономии

Первые археологические находки, связанные с изучением неба, насчитывают десятки тысяч лет[18]. Как только люди поняли, что дни, ночи и времена года регулярно чередуются, они стали создавать календари. Сначала для отсчета времени использовался лунный цикл, а позднее по той же методике время начали соотносить с движением Солнца. Самым ранним европейским свидетельством этого является знаменитый небесный диск Небры – бронзовая пластина возрастом около 3 700 лет, считающаяся древнейшим реальным изображением неба[19].

Люди смогли использовать эти открытия и в сельском хозяйстве, и в навигации при плавании по морю (что в то время было чрезвычайно рискованным и опасным предприятием). Сегодня у нас есть навигационные спутники, но их координаты по‐прежнему зависят от астрономических наблюдений – правда, уже не звезд, а радиоизлучения далеких черных дыр, которые мы стали использовать в качестве космических ориентиров[20].

Примерно в третьем тысячелетии до Рождества Христова в том месте, где позже будет основан город Вавилон в Месопотамии, образованные священники стали регулярно отслеживать положение Луны. Они использовали ее фазы для составления календаря и определения праздничных дней, а также времени сбора урожая и налогов. В месяце было 30 дней, а в году – 360 (недостающие дни добавлялись раз в несколько лет в виде дополнительных месяцев). В основе вавилонской системы исчисления лежало число шестьдесят, а не десять, как у нас. Вероятно, подражая вавилонянам, мы и делим сутки на двадцать четыре часа, а круг – на 360 градусов.

С развитием клинописи появилась возможность сравнивать космическую информацию, полученную в разные моменты наблюдений. А примерно в первом тысячелетии до Рождества Христова появилась чрезвычайно хорошо продуманная программа организации наблюдений. Кроме того, к этому времени впечатляющих успехов добилась математика. На землях между Тигром и Евфратом появились группы ученых, занятых исключительно астрономическими наблюдениями и расчетами, связанными с небесными объектами. К сегодняшнему дню найдены многие тысячи клинописных табличек, заполненных астрономическими данными. Таким образом, стало возможным анализировать не только те астрономические события, которые сохранялись в памяти отдельных людей, но и те, что происходили в течение жизни разных поколений. Это положило начало традиции тщательного протоколирования, архивирования и анализа данных, и такой процесс, вероятно, уже можно назвать научными исследованиями, даже если они служили главным образом религиозным целям.

Жители Месопотамии понимали, что во Вселенной царит некий порядок, но при этом полагали, будто она управляется богами, планы которых можно истолковать по предзнаменованиям, – таким, например, как особые взаимные расположения планет[21]. Когда древние мудрецы, наблюдавшие небо, научились предсказывать движение планет, они попытались использовать это знание для толкования будущего. Правители заказывали им составление гороскопов, чтобы определить наилучший момент для своих начинаний.

Я вполне могу себе представить, что новая арифметика и способность предсказать движение планет производили на людей огромное впечатление. Это, вероятно, и привело наших предков к мысли, что судьба человека тоже может быть предопределена. В итоге возникла вавилонская астрология, которая оказала влияние на многие культуры. Астрологи Востока были увековечены даже в Библии в образах “трех волхвов”[22]. Прошли тысячелетия, прежде чем люди поняли, что астрология зиждется на ложных предположениях и что если движение некоторых небесных тел предсказать можно, то человеческую жизнь предсказать нельзя.

В Египте ритм времени задавали разливы Нила, приносившие из верховьев реки плодородный ил. Для египтян небо было частью их мифологического сознания. Солнце, как проявление бога Ра, ежедневно возрождалось и восходило из вод на востоке. Люди в Древнем Египте считали, что Ра даровал и поддерживал жизнь. Он пересекал небо, опускался вечером на западе и там умирал, чтобы возродиться следующим утром. Этот цикл был бесконечным.

Небосвод и Земля встречаются на горизонте. Должно быть, человек, живший в то время, смотря вверх и оглядываясь вокруг, гордился тем, что живет на планете, которая находится в самом центре космоса. Представление о том, что Земля плоская, было в те времена широко распространено, равно как и антропоцентричный взгляд на жизнь. Египтяне верили в космос с верхним, средним (земным) и нижним миром. Боги были повсюду, следя за тем, чтобы все мироздание оставалось стабильным и сбалансированным. Бог земли – Геб – владычествовал на Земле, выше обитала небесная богиня Нут – мать всех звезд, а между Землей и Небом помещалось царство бога Шу – бога воздуха и света. Он держал небеса и следил за тем, чтобы ничто не упало на землю.

Древние вавилоняне считали, что Земля имеет форму диска и плавает в окружающем мир океане. Боги жили в небе и определяли движение звезд. Небесный свод накрывал землю, как стеклянный колпак. Эта модель была доминирующей на протяжении всего древнего периода истории и вполне соответствовала науке того времени.

Древние греки также верили в верхний и подземный мир. Они стали внимательнее наблюдать за небесами, всерьез занялись математикой (прежде всего геометрией) и совместили результаты наблюдений звезд вавилонян с достижениями египтян в области геометрии. Еще в VI веке до нашей эры греческие ученые, такие как Пифагор, пришли к заключению, что Земля должна быть круглой. Платон (родился в 428–427 до н. э.) в своих трудах также говорил о сферической форме Земли.

Одно из многих достижений естественных наук древности, которое продолжает впечатлять нас и сегодня, – это измерение примерно в 200 г. до н. э. Эратосфеном из Кирены окружности Земли. В двух удаленных друг от друга египетских городах он ровно в полдень измерил положение Солнца над горизонтом – положение, которое можно проиллюстрировать с помощью тени, отбрасываемой вертикальным шестом. В одном городе Солнце стояло прямо в зените, поэтому тень вообще отсутствовала, а во втором городе тень отбрасывалась – в этом месте поверхность Земли была как будто наклонена на 7 градусов. Поскольку Эратосфен определил расстояние между двумя городами и теперь знал углы, под которыми шест отбрасывал тень, он смог использовать эти измерения для расчета размера Земли с относительно большой точностью, и это было поразительным достижением для того времени. То, что Земля круглая, знали в Европе в средние века и в раннее новое время, и этому уже учили в университетах[23]. Так что представление о том, будто ученые – современники Христофора Колумба – должны были считать, что Земля плоская, является мифом. Несправедливо и то, что сегодня средневековье любят пренебрежительно называть Темными веками[24].

Но вот в чем тогда было невозможно убедить ни правителей, ни простых людей, так это в том, что Земля не находится в центре космоса. Как только возникло человеческое мышление, люди стали считать Вселенную обиталищем богов и планет. У вавилонян даже деление недели на семь дней было связано с семью небесными телами, которые мы можем видеть невооруженным глазом: это Солнце, Луна и пять ближайших планет. А римляне переименовали планеты в честь своих богов: Меркурий, Венера, Марс, Юпитер, Сатурн – все они представители римского пантеона богов. Во многих европейских языках названия дней недели тоже произошли от имен этих богов – варьирующихся в зависимости от языка[25].

Долгое время наше представление о Вселенной формировалось под влиянием греческих мыслителей, чему в немалой степени способствовал почти непререкаемый авторитет Аристотеля (родился в 384 г. до н. э.), который с древности и вплоть до христианской эры считался самым главным философом. Его влияние было настолько велико, что любые другие взгляды представлялись попросту абсурдными. Аристотель не был астрономом, и его модель Вселенной была относительно простой. Однако после его смерти выдающиеся астрономы поздней античности, такие как Гиппарх (родился в 190 г. до н. э.) и Клавдий Птолемей, более известный просто как Птолемей (родился в 100 г. до н. э.), ее усложнили. Но Земля по‐прежнему считалась центром Вселенной, вокруг которого обращались планеты и звезды на небесных сферах. Птолемей собрал все имевшиеся на тот момент астрономические знания в своем грандиозном, состоящем из тринадцати книг труде “Альмагест”, где было изложено то, что стало называться системой мира Птолемея. Правда, отдельные ученые, такие как Аристарх Самосский (родился в 310 г. до н. э.), верили в гелиоцентрическую модель, согласно которой в центре Вселенной находилось Солнце, а не Земля, – но тогда все же восторжествовала геоцентрическая модель.

Новая модель

Каким бы нелепым ни казалось нам сегодня подобное представление о Вселенной, оно просуществовало около 1 500 лет. Лучшие астрономы как в древних Китае и Индии[26], так и в исламском и в христианском европейском мире считали эту модель Вселенной правильной – до тех пор, пока Николай Коперник и Иоганн Кеплер не произвели в представлении о Вселенной настоящую революцию. Тогдашние богословы были сведущи в математике, и их успехи в занятиях ею в какой‐то момент привели к тому, что авторитет древних философов перестал довлеть над ними.

Несколько лет назад я был в рабочей поездке в Пекине и принимал участие в двадцать восьмой генеральной ассамблее Международного астрономического союза – МАС. Тысячи астрономов со всего мира съехались туда, чтобы обсудить результаты последних научных исследований и принять важные решения – в частности, о присвоении названий небесным объектам. На этом форуме местный ученый-историк прочитал лекцию по истории астрономии в Китае. Оказывается, китайские астрономы наблюдали небо тысячи лет и даже в древние времена могли рассчитывать на существенную финансовую поддержку. Результатом их многолетних систематических наблюдений стала поражающая воображение база данных, которая используется до сих пор. До XI и XII веков нашей эры китайская астрономия была намного более развитой, чем астрономия на Западе. Тем не менее, по словам историка, в Китае в то время не нашлось ученого со знаниями математики уровня Коперника или Кеплера. Китайские астрономы не смогли воспользоваться своими наблюдениями в полной мере.

Кто‐то в аудитории спросил: “Почему?”. “Возможно, это было связано с их мировоззрением”, – предположил спикер. В то время как на Западе многие ученые начали искать научное объяснение тайнам неба, в Китае сосредоточились главным образом на области сверхъестественного. Мир являл собой сложную систему, небеса полнились духами и мифическими существами. Все было так переплетено и запутано, что китайские представления очень сильно отличались от господствовавшей на Западе идеи единого, далекого и всемогущего Бога-Творца[27]. Для китайских астрономов вопрос о том, что заставляет звезды двигаться, не имел смысла. На Западе же древние политеистические верования, напротив, все больше и больше уступали место монотеистическому иудеохристианскому мировоззрению, хотя суеверия и языческие верования (вместе с астрологией) так никогда полностью и не исчезли.

Для иудаизма также была характерна рациональная аргументация. А толкование Торы, священной книги, велось путем сбора скрупулезных доказательств, построения логических умозаключений и в ходе ожесточенных дебатов. Интересно, что, в отличие от других религий, в еврейской традиции астрономическая концепция мира не играла особой роли. Хотя эта традиция и развивалась на фоне накопленных к тому времени на Востоке (включая Вавилон, Грецию и владения Римской империи) знаний о космосе, в истории сотворения, о которой говорится в первой книге Библии – книге Бытия, – Солнце, Луна и звезды низведены до уровня просто “светил”. В этой грандиозной истории, рассказанной в самом начале Ветхого Завета, наш современный мир возникает постепенно – шаг за шагом. Время разделено на отрезки длиной в день; в первый день возникает свет, затем вода обособляется от суши, и наконец появляются растения, животные и человек. Светила в небе возникают не в начале творения, а где‐то в его середине. Тем самым как бы специально принижается их значение: они – не божественные существа и нужны в картине мира только для того, чтобы даровать нам время, отделив день от ночи. Бытие описывает в высшей степени рациональный мир, очищенный от магии. В библейской истории сотворения мира чудеса – скорее редкие исключения.

Для нас, воспитанных в иудеохристианском мировоззрении, в природе нет ничего сверхъестественного. Она не имеет собственной воли и создана единым Богом, который есть творец и источник всех вещей и который всегда был, всегда есть и всегда будет. В этой концепции мы обнаруживаем краеугольный камень современного естествознания, а именно – способность опираться на набор принципов, лежащих в основе природы. Только когда вы принимаете это исходное предположение, наука становится осмысленной.

Мы снова и снова читаем о том, что вера и наука находятся в состоянии вечной борьбы, но на самом деле это миф[28], который искусственно насаждается в эпоху начавшейся в XIX веке секуляризации. Нынешние историки придерживаются гораздо более взвешенной точки зрения[29]. Науки долгое время развивались не как самостоятельные дисциплины, а как разделы теологии, и средневековые монастыри являлись оплотами знания и образования. Университеты создавались с благословения церкви. Многие крупные ученые получили богословское образование, были глубоко набожны и часто даже служили в храмах. Церковь, однако, претендовала на последнее слово в вопросах толкования явлений во всех областях науки, и в XV и XVI веках это стало приводить к все большему числу конфликтов. К тому времени умами людей давно овладели идеи Ренессанса и Реформации, которые коренным образом изменили, можно даже сказать – революционизировали их представления о мире и роли личности в нем.

Космологическая революция началась в 1543 году с новой простой космологической модели (хотя, конечно, абсолютно новой она не была), предложенной прусско-польским каноником Николаем Коперником. В ней Солнце сдвигалось к центру космоса, а Земля вращалась вокруг своей оси и, как и все другие планеты, обращалась по орбите вокруг Солнца. С математической точки зрения эта модель выглядела убедительно, однако настораживало то, что, согласно идее Коперника, Вселенная должна была быть намного больше, чем считалось ранее, а Земля должна была вращаться с огромной скоростью. Если бы мы действительно вращались с такой головокружительной скоростью, разве бы мы этого не заметили?

Чтобы новая модель получила признание, потребовалось много времени. Даже ученые-современники Коперника, независимо от того, являлись ли они священнослужителями или проводили свои исследования в светских учреждениях, имели веские основания сомневаться в ее правильности. Видный датский астроном Тихо Браге не верил в великую таинственную силу, заставляющую мир вращаться, но при этом знал, что птолемеевская модель космоса не может быть точной. Браге, превосходно владевший искусством проведения наблюдений, оставил после себя ценнейшие записи, а Иоганн Кеплер, немецкий математик и астроном, впоследствии использовал их для вывода своих знаменитых законов движения планет. Изучая данные Браге, Кеплер понял, что планеты обращаются вокруг Солнца по эллиптической, а не по круговой траектории, причем движутся они тем быстрее, чем ближе находятся к Солнцу. Кеплера, стремившегося отыскать в космосе божественную красоту и гармонию, изящество собственных математических уравнений приятно удивило еще и в богословском смысле – ведь они отражали замысел Творца, подобно тому, как эскиз будущего здания отражает замысел архитектора.

Наиважнейшие измерения, сделанные Браге, стали, вероятно, последним великим достижением в астрономии, осуществленным без использования телескопа. Телескоп был изобретен в начале XVII века талантливым голландским оптиком из Мидделбурга[30] и предназначался для мореплавателей – но итальянец Галилео Галилей решил направить его на звездное ночное небо над Падуей. Когда в 1610 году Галилей открыл первые спутники Юпитера, эта новость вызвала бурные споры как в Италии, так и по всей Европе. Сам же ученый еще больше уверился в правильности модели Коперника, поскольку тот факт, что вновь открытые спутники обращаются вокруг Юпитера, определенно доказывал, что не все небесные тела движутся вокруг Земли.

Со временем ученый лишь утвердился в верности своих представлений об устройстве мира. Его работа долгое время велась под патронатом католической церкви, его теории поначалу благосклонно обсуждались иезуитами. Но амбициозный Галилей игнорировал труды Кеплера и продолжал верить в движение планет по круговым орбитам, из‐за чего его модель не согласовывалась с лучшими данными, имевшимися в то время. Галилей был человеком благочестивым, но настолько дерзким, что даже осмелился усомниться в авторитете папы. В конце концов его заявления стали раздражать понтифика и кардиналов, изначально настроенных к нему вполне сочувственно. (Примерно в то же время сочинения Коперника оказались в перечне запрещенных книг, а следовательно, могли быть опубликованы только при условии внесения в них дюжины изменений.) В 1632 году Галилей предстал перед судом инквизиции в Риме и по его решению был до конца жизни помещен под домашний арест (хотя и продолжал получать от архиепископа Сиены финансовую поддержку). Публиковать свои сочинения в Италии ученому было строго запрещено, и потому труды Галилея выходили в других европейских странах.

Галилей был хорошим популяризатором и оратором и понимал, как сделать так, чтобы о результатах его исследований узнали не только эксперты. При этом, однако, он зачастую пренебрегал упоминаниями работ других ученых. Сегодня существует множество легенд о Галилее, но не все они выдерживают тщательную историческую проверку. Скорее, эти повествования свидетельствуют о нынешнем восприятии его личности и о времени, в котором жил Галилей[31].

Целых два столетия миновали после Кеплера и Галилея, прежде чем были исчерпаны последние научные аргументы против этой новой модели. Однако ее переосмысление началось уже давно.

Глядя из сегодняшнего дня, я думаю, что достижения Иоганна Кеплера являются более важными. Кеплер, этот превосходный математик, по своей натуре был противоположностью Галилея: небольшого роста, болезненный, он всю жизнь сомневался в себе. Его вечно преследовали несчастья. (Мать Кеплера обвинил в ведьмовстве сам губернатор [фогт] Леонберга [32]. Ученому никогда не везло с женщинами, и после смерти жены ему нелегко было найти новую спутницу жизни.) Но сегодня три закона Кеплера составляют основу небесной механики. Именно с их помощью вычисляют массу звезд, и именно из них следует существование темной материи. Когда я читаю лекции о черных дырах, то всегда начинаю с напоминания закона Кеплера, описывающего движение планет вокруг Солнца. Материя движется вокруг черной дыры почти так же, только гораздо быстрее.

На основании законов Кеплера английскому теологу и ученому-энциклопедисту Исааку Ньютону[33] полвека спустя удалось не только построить классическую механику, но и с помощью выведенных Кеплером законов гравитации объяснить ее действие на Земле, на орбите Луны и при движении планет вокруг Солнца.

В модели Ньютона гравитация – универсальная дальнодействующая сила, которая обеспечивает притяжение массивных тел друг к другу независимо от их состава. Сила действует тем слабее, чем дальше друг от друга находятся тела, но она никогда полностью не исчезает. Ньютоновская сила тяготения одинаково действует на все тела во всей Вселенной – то есть на планеты она действует так же, как и на падающие на землю яблоки. Сила тяготения вызывает все океанские приливы вообще и весенние приливы в полнолуние в частности. Благодаря Ньютону в Солнечной системе было объяснено почти все. Но – только почти.

Венера, богиня любви, и масштабная линейка Вселенной

Важнейшие вопросы астрономии, то есть размер Вселенной и расстояние между Землей и звездами, долгое время оставались без ответа. Если Земля обращается вокруг Солнца, не означает ли это, что положение звезд на небе должно меняться?

Кажущееся смещение положения звезд называется параллаксом и возникает при наблюдении за звездой с двух позиций, расположенных далеко друг от друга. Любой может самостоятельно проверить этот эффект: вытяните руку прямо перед собой, поднимите вверх большой палец и посмотрите на него, закрыв сначала один глаз, а затем другой. Взгляд на большой палец с этих немного разных позиций заставляет нас думать, будто он двигается из стороны в сторону. Чем ближе палец к нашему лицу, тем больше становится кажущееся его (пальца) смещение. Когда же мы смотрим на удаленный от нас объект обоими глазами, мы способны воспринять глубину и таким образом оценить расстояние до него.

Тот же эффект параллакса, который мы наблюдаем в малом масштабе при рассмотрении предметов поочередно двумя глазами, может использоваться и при обращении Земли вокруг Солнца. Если я измерю положение звезды один раз летом, когда Земля находится в крайне левом положении от Солнца, а затем зимой, когда она в крайне правом положении, то звезды – в зависимости от того, насколько далеко они от Земли, – также должны сместиться вправо или влево на разные расстояния. Но ни Кеплер, ни Коперник ничего подобного не замечали. Либо их модели были неточными, либо звезды должны были находиться так далеко, что смещение было минимальным и едва заметным. Насколько далеко они располагаются и, следовательно, каков размер видимой Вселенной, зависит от точного расстояния между Землей и Солнцем. Определение этого расстояния стало одной из самых важных задач астрономии. Для решения проблемы потребовалась координация действий астрономов всего мира, что положило начало глобальному соревнованию.

И первым “объектом желания” ученых стала Венера, названная в честь римской богини любви и красоты. На самом деле наша небесная соседка очень горяча и не слишком привлекательна. Окажись мы там, нас бы расплющило давление окружающей ее плотной атмосферы из парниковых газов: на поверхности Венеры давление такое же, как на глубине более 900 метров под водой на Земле. Кроме того, там жарко, как в печи.

Но Венера оказала неоценимую услугу современной астрономии. С помощью этой планеты удалось измерить точное расстояние между Солнцем и Землей (это расстояние стало называться астрономической единицей [а.е.]), а вместе с ним размер Солнечной системы и даже всей Вселенной. Для этого исследователям пришлось измерить параллакс при так называемом транзите Венеры – коротком промежутке времени, за который Венера проходит прямо перед Солнцем. Это событие похоже на солнечное затмение, только в меньших масштабах, и заметить его могут лишь опытные астрономы, вооруженные телескопом.

В то время как Луна из‐за своей близости к Земле иногда практически полностью закрывает Солнце, гораздо более далекая Венера этого сделать не может. Когда эта планета в течение нескольких часов проплывает мимо ярко-золотого Солнца, можно наблюдать только еле различимое пятно. Долгое время мы, люди, вообще не замечали этих повторяющихся событий.

Иоганн Кеплер еще в XVII веке предсказал транзиты Венеры и Меркурия – двух планет, расположенных между Землей и Солнцем. Однако он не дожил до подтверждения своих предсказаний: следующее прохождение Венеры по диску Солнца, которое он мог бы наблюдать, произошло в 1631 году, когда Кеплер уже умер.

Путь, по которому черный диск Венеры движется по диску Солнца, зависит от места наблюдения на Земле и от расстояния до Солнца. Чем дальше на юг переместится наблюдатель, тем выше на солнечном диске он увидит движущуюся тень, потому что угол, под которым он на нее смотрит, изменится. Измерив время, которое потребовалось Венере для ее транзита, наблюдаемого из разных точек Земли, можно, используя метод параллакса и третий закон Кеплера, рассчитать расстояние между Солнцем и Землей. Идея сама по себе блестящая, если бы не одна загвоздка: транзиты Венеры – очень редкое астрономическое явление. Основная причина этого в том, что плоскости орбит Венеры и Земли немного наклонены друг относительно друга. Даже если Венера, видимая с Земли, усматривается в одном направлении с Солнцем, проходя мимо, она может оказаться выше или ниже его диска. Транзиты Венеры случаются только четырежды в 243 года и происходят парами – последний раз это было в 2004 и 2012 годах, а до того – в 1874 и 1882 годах.

Даже если все условия совпадали, ученым еще предстояло озаботиться тем, чтобы ни в коем случае не пропустить прохождение планеты. Снова и снова астрономы из разных стран отправлялись в путешествие по миру, чтобы наблюдать прохождение Венеры по диску Солнца под всеми возможными углами. В определенном отношении эти экспедиции явились предшественниками наших современных экспедиций к черным дырам, но в то время и такие предприятия были далеко не простыми. А некоторых исследователей постигала неудача, даже если они не выезжали из дома: например, Джереми Хоррокс в Англии едва не пропустил транзит Венеры 4 декабря 1639 года. Сначала он ждал рядом с телескопом, который навел на Солнце, но, поскольку Венера все никак не появлялась, оставил свой пост и отправился, предположительно, на церковную службу. Когда же Хоррокс вернулся к телескопу, то выяснилось, что он почти опоздал. Транзит давно начался, и Венера уже двигалась по диску Солнца. Из-за этого Хоррокс смог только приблизительно оценить полную продолжительность транзита.

Ученые решили гораздо более внимательно понаблюдать за следующими транзитами Венеры в 1761 и 1769 годах и поэтому отправились в различные международные экспедиции, которые тогда было не так‐то просто организовать. Самое драматическое фиаско потерпел Гийом Лежантиль, который планировал наблюдать за транзитом из Индии. Его корабль прибыл в пункт назначения в Пондичерри (город на юго-востоке страны) как раз тогда, когда британцы в ходе военной кампании только-только захватили город. Французу Лежантилю не разрешили сойти на берег, и он был вынужден делать свои измерения на борту судна. Но деревянный корабль, качающийся на волнах, – не самое подходящее место для точных астрономических измерений, и результат оказался непригодным. Лежантиль решил подождать восемь лет до следующего транзита, но именно в тот момент, когда начался транзит, небо заволокло тучами. Для работы астроному нужно везение, и, в частности, требуется, чтобы погода в нужный момент была на его стороне. Удача – это вообще дама капризная. Когда француз наконец собрался отплыть домой после многих лет, проведенных за границей, он заболел дизентерией и чуть не умер. А вернувшись во Францию, обнаружил, что семья уже давно разделила его имущество, посчитав родственника погибшим. Даже его место во Французской академии наук было отдано другому ученому.

Так или иначе, но научное сообщество все же смогло с приемлемой точностью измерить расстояние между Землей и Солнцем. Значение астрономической единицы, определенное тогда, отличалось от установленного сегодня значения в 149 597 870 700 метров всего лишь примерно на 1,5 процента.

А точное расстояние до звезды 61 Лебедя первым определил в 1838 году немецкий астроном Фридрих Бессель, применивший метод параллакса и значение астрономической единицы. Смещение звезды на небе, которое Бессель измерял в течение года, составило мизерное значение, равное 0,3 угловой секунды, что примерно эквивалентно ширине волоса, видимого на расстоянии 50 метров. С помощью простой тригонометрии, зная значение астрономической единицы, он смог вычислить расстояние от Земли до звезды, и оно составило 100 триллионов километров, то есть 11,4 светового года. Бессель изумился, поняв, что измеренный им свет от звезды шел к Земле более десяти лет. Благодаря этому измерению было наконец снято последнее из первоначальных научных возражений против модели гелиоцентрического мироустройства.

Поскольку почти все расстояния в астрономии опираются на метод параллакса, астрономы придумали в его честь особую меру длины – парсек: сокращенное название, заменяющее словосочетание “параллакс секунда”. Парсек равен расстоянию, на котором параллакс звезды равен одной угловой секунде.

Это расстояние составляет около 3,26 светового года. Таким образом, парсек – это не мера времени, как можно понять из некоторых серий “Звездных войн”[34], а мера длины.

Ближайшая к нам звезда – Проксима Центавра – находится на расстоянии 4,2 светового года, или 1,3 парсека. Это означает, что в радиусе одного парсека от Солнца нет ни одной звезды. Сегодня с помощью европейского космического зонда Gaia мы можем измерить параллаксы почти двух миллиардов звезд в нашем Млечном Пути, находящихся на расстоянии до нескольких тысяч световых лет. При помощи глобальной сети радиотелескопов можем измерить параллаксы нескольких звезд и местоположение газовых облаков на другом краю Млечного Пути, на расстоянии более 60 000 световых лет[35].

Сегодня спутники с легкостью лунатиков бороздят просторы Солнечной системы, а астрономы с большой точностью определяют размеры Вселенной, и всем этим мы, помимо прочего, обязаны успехам более ранних (состоявшихся в XVII, XVIII и XIX веках) экспедиций астрономов, которые исследовали нашу Солнечную систему, имея в своем распоряжении только первые примитивные телескопы и запас смелых идей. Ни один из этих астрономов не отправлялся в экспедицию втайне от других. Космос принадлежит всем нам, и иногда для его изучения нужны усилия всего мира. Сама природа астрономии подразумевает глобальное сотрудничество и конкуренцию. Астрономы всегда – начиная с первых наблюдений астрологов Востока еще в библейские времена, через изучение Солнечной системы и экспедиции по наблюдению прохождения Венеры по диску Солнца и вплоть до сегодняшних попыток регистрации гравитационных волн и получения радиоизображений черных дыр – отправлялись и отправляются в путь по миру и Вселенной, работая бок о бок и соревнуясь друг с другом, с единственной целью: наблюдать космос и проводить в нем измерения.

Часть II

Тайны Вселенной

Путешествие по той Вселенной, какой мы ее знаем сегодня, и по истории современной астрономии и радиоастрономии: революция, спровоцированная теорией относительности, рождение звезд и черных дыр, тайна квазаров, расширяющаяся Вселенная и Большой взрыв

Свет и время

Солнце – это самое яркое светило на нашем небе, а размер Солнечной системы – фундаментальная мера космических расстояний, используемая в астрономии для измерения расстояний в нашей Вселенной. Мы измеряем расстояния в Солнечной системе в интервалах времени, за которые его проходит свет, то есть в световых секундах до Луны, световых минутах до Солнца и световых часах до планет на внешних орбитах. Но и в нашей повседневной жизни мы используем свет для измерения самых разных расстояний, даже не подозревая об этом. До 1966 года все единицы длины соотносились с Международным эталоном метра. Это был платиново-иридиевый стержень, который хранился в Париже и служил стандартной мерой расстояний. Международный эталон метра равнялся длине одной десятимиллионной доли четверти окружности Земли, измеренной от Северного полюса до экватора вдоль меридиана, проходящего через Париж (так что неудивительно, что британцы до сих пор так и не ввели у себя метрическую систему). Сегодня эталон метра определяется через скорость света и равен точному расстоянию, которое свет проходит в вакууме за 1/299 792 458 секунды. Почему в знаменателе такое некрасивое число? Ну, это понятно: длина эталона должна быть такой же, как у парижского международного эталона метра, но теперь этот эталон уже не ущемляет ничье национальное достоинство. Тот, кто использует измерительную рулетку, в действительности измеряет интервалы времени прохождения света.

3

Самая счастливая мысль в жизни Эйнштейна

Поскольку свет – это электромагнитные колебания, мы также используем его для хронометрирования. Свет реально стал основной мерой всех вещей, и в этом утверждении кроется глубокая истина. Эйнштейн как‐то спросил себя: а что было бы, если бы свет всегда двигался с одной и той же скоростью, независимо от того, как быстро движемся мы сами? Подобное предположение оказалось способно перевернуть с ног на голову все наши представления о неизменном и абсолютном пространстве.

Но как свет может всегда двигаться с одной и той же скоростью? Представим себе муравья, ползущего внутри быстро движущейся спортивной машины: он движется быстрее, чем муравей, просто ползущий по асфальту, поскольку к скорости муравья добавляется скорость автомобиля. Так разве не должно происходить то же самое со светом? Нет, не должно, потому что свет – это не муравей, не машина, не мяч и не ракета. Свет – это чистая энергия, у света нет инертной массы. Материя может быть ускорена, только если к ней приложена сила и ей передана энергия, причем чем материя легче, тем легче ей разогнаться. Муравья разогнать легче, чем машину. Свет же настолько “легкий”, что вам даже не нужно его толкать, он полетит сам по себе. Вот почему в пустом пространстве он всегда движется с максимальной скоростью, а именно – со скоростью света, равной почти точно миллиарду километров в час.

Ничто не может двигаться быстрее света, потому что ничто не может быть менее инертным. Даже изменение гравитации и создаваемые в результате этого гравитационные волны могут распространяться только со скоростью света. Это свойство, которое вначале было установлено лишь для света, на самом деле относится и к скорости распространения взаимодействий, определяющих возникновение причинно-следственных связей между событиями. Говоря о “свете”, мы часто неявно включаем в рассмотрение другие процессы, в которых информация передается с помощью “безмассовых” волн.

Но что‐то же наверняка должно измениться, когда вы движетесь относительно света? Да, должно, сказал Эйнштейн. Меняются время и пространство. Но разве пространство и время не существуют независимо от всего остального? Ответ: нет. В отличие от энергии и материи, пространство и время – сугубо абстрактные величины, которые мы используем для описания мира. Мы не можем потрогать пространство или время, и они становятся физическими реальностями только тогда, когда их измеряют[36], а измерения в конечном итоге всегда делаются с помощью света или светоподобных волн. Если и есть нечто по‐настоящему реальное в космосе и на Земле, то это свет. С его помощью не только делаются измерения – он вообще определяет пространство и время.

В библейской истории сотворения мира раньше всего появился свет, и со светом пришел первый день. Это согласуется с научной историей сотворения мира, которая сложилась на сегодня: свет возникает с появлением времени – вначале во Вселенной появился огненный шар, большой взрыв света и материи.

Но почему свет так важен? В конце концов Вселенная состоит не только из света, но еще и из материи! Однако если вы копнете глубже, то обнаружите, что по сути на самом фундаментальном уровне все, что есть, – это свет и энергия. Из знаменитой формулы Эйнштейна

Е = mс^2

следует, что энергия (E) равна массе (m), умноженной на квадрат скорости света (c). Масса – это то же, что и энергия, а энергия – то же, что масса. В теории существует еще один вариант этого уравнения, а именно:

E = hv,

где греческая буква v (“ню”) обозначает частоту света, а h – постоянную Планка – коэффициент, связывающий частоту света с энергией кванта. Это простейшее уравнение квантовой механики, основоположником которой был немецкий физик Макс Планк. Когда мы переходим к измерениям малых величин, например, к атомным масштабам, мы видим, что энергия в виде света может излучаться или поглощаться только определенными порциями, так называемыми световыми квантами.

Следовательно, сам свет – это энергия. Чем выше его частота, тем больше энергия. Материя и свет – формы энергии, и каждая из них может быть преобразована одна в другую.

Еще больше запутывает ситуацию то, что в некоторых случаях, как выяснил Эйнштейн, свет при высоких уровнях энергии ведет себя подобно частицам. В таких случаях мы говорим о фотонах, которые можно представить себе в виде несущихся сквозь пространство волновых пакетов, внутри которых свет продолжает колебаться.

Итак, и Ньютон, и Максвелл были правы: свет – это и частицы, и волны одновременно, – в зависимости от того, какой эффект вы исследуете. Ответ уже содержится в вопросе! Сегодня мы знаем, что этот корпускулярно-волновой дуализм распространяется и на самые крошечные компоненты материи. Подобно свету, эти мельчайшие частицы материи иногда могут вести себя как волны.

Даже силы, с которыми мы встречаемся в повседневной жизни, тесно связаны со светом. Атомы и молекулы удерживаются вместе с помощью квантовых и электромагнитных взаимодействий, то есть энергетических полей, которыми являются и световые поля. В квантовой механике объясняется, что все эти силы возникают при обмене виртуальными частицами света. Когда мы прикасаемся друг к другу или ударяем молотком по гвоздю, эти действия, если их рассматривать на микроуровне, также обусловлены электромагнитными взаимодействиями. Звуковые волны возникают, когда газ сжимается и волна давления проходит через воздух. Когда молекулы воздуха в газе встречаются и ударяются друг о друга, они обмениваются мельчайшими виртуальными частицами света. Все, что мы ощущаем, измеряем, воспринимаем или изменяем, в конечном счете зависит от свойств света. На самом мельчайшем атомном уровне все наши чувства – не только зрение, но и осязание, обоняние и вкус – зависят от обмена светом. По этой же причине никакая информация не может достичь нас со скоростью больше скорости света.

Таким образом, мы всегда все измеряем с помощью света (а для меня, например, существует только то, что я могу измерить). Если это утверждение верно, то мы можем сказать, что Вселенная без света вообще бы не существовала. Пространство и время, материя и наши ощущения – все они, по сути, ничто без света[37].

Концепция важности измерений в определении понятия реальности пронизывает всю физику ХХ века. Но даже сегодня она представляется крайне революционной. Она – ключ как к теории относительности, так и к квантовой механике, поскольку и в квантовой физике основополагающей является та же самая идея: реальностью становится лишь то, что я измеряю. Все остальное – интерпретация, а интерпретация, особенно в квантовой физике, – это предмет серьезных споров[38], как и вопрос о том, что на самом деле означает измерение. Измерение всегда связано с процессами, в которых частицы обмениваются друг с другом энергией и светом. Этот подход приводит к совершенно новым способам описания реальности. В квантовой физике частица может с определенной долей вероятности находиться одновременно везде – до тех пор, пока над ней не будет проведено измерение. Во мраке небытия все возможно до тех пор, пока кто‐нибудь не прольет на эту тьму свет. Измерить, в частности, и значит – пролить свет на квантовый процесс. Но поскольку мы работаем в ареале мельчайших субатомных частиц, попытка измерить их всегда означает также воздействие на них, их изменение и фиксацию с помощью фотонов. Измерение не просто определяет реальность, оно еще и изменяет ее.

Эрвин Шрёдингер описал это с помощью своего знаменитого парадокса. Он представил кота в обувной коробке, закрытого там вместе с квантовым устройством-убийцей. До тех пор, пока никто не снимет крышку и не заглянет внутрь коробки, кот будет как бы одновременно и мертвым, и живым. Мысленный эксперимент Шрёдингера, конечно, несколько вводит в заблуждение, потому что кот в коробке из‐под обуви – это не отдельный изолированный квантовый объект. Его частицы постоянно обмениваются виртуальными фотонами друг с другом, а также с полом и воздухом. Кот, таким образом, постоянно либо подвергается измерению, либо измеряет себя, и это фиксирует его состояние[39]. Причем случается это не только тогда, когда мы открываем крышку. Но, разумеется, это всего лишь мысленный эксперимент, не говоря уже о том, что сегодня никто не оставил бы бедного кота умирать в коробке – пускай даже гипотетически. У такого горе-экспериментатора сразу появились бы многочисленные проблемы с борцами за права животных, и это правильно!

Настоящий кот либо мертвый, либо живой, но он не может быть тем и другим одновременно. Однако если бы кот был одиноким электроном в пустом пространстве и другой материи поблизости не было бы, то предыдущее утверждение оказалось бы логически правильным. Электрон не был бы либо тут, либо там, а был бы с определенной – иногда исчезающе малой – вероятностью одновременно везде и нигде в пространстве. Только когда электронный кот попал бы под луч света и этот луч высветил бы его и тем самым зафиксировал в определенном месте, он уже не был бы – именно в этот момент времени! – размазан по всему пространству. Электроны могут проходить через две двери одновременно, но только до тех пор, пока вы не установите в одном из дверных проемов датчик, который будет регистрировать их прохождение, – вот тогда они будут проходить только через одну из дверей.

Итак, мы снова убеждаемся в поразительном, уникальном значении света. Свет создает реальность, поскольку он передает информацию. Даже понятия пространства и времени берут свое начало в свете и материи. Пространство и время – абстрактные понятия, которые становятся реальными только благодаря нашим действиям по отсчету времени или измерению пространства. Без часов нет времени, без эталонного метра нет пространства. Самым элементарным инструментом для измерения пространства-времени является свет. Только благодаря своей измеримости пространство приобретает физические характеристики, которые мы описываем в моделях и изображениях.

Однако если свет всегда движется с одной и той же скоростью относительно каждого наблюдателя, то для наблюдателя что‐то должно меняться, а именно – должны меняться пространство и время. Альберт Эйнштейн смог продемонстрировать это с помощью простого мысленного эксперимента, из которого он сделал вывод, что пространство и время не являются абсолютными и неизменными величинами, каковыми их считал Ньютон. На самом деле они относительны, а единственной абсолютной величиной является скорость света[40].

Если, например, ко мне приближается машина, то время в ее салоне течет иначе, чем там, где я стою! Это звучит странно, и это действительно странное утверждение, но такой вывод логически вытекает из того, что мы считаем скорость света постоянной.

Рассмотрим некоторые основные методы измерения времени. Механические наручные часы тикают с заданной частотой, которая определяется свойствами колесика-балансира. Регулярное тиканье часов отмеряет время – секунду за секундой. Чтобы узнать, сколько прошло времени, нам нужно лишь посчитать количество “тиков”. К счастью, минутная и часовая стрелки настолько добры, что считают их за нас, так что мы можем просто мельком взглянуть на циферблат и сразу увидеть, который час.

Та же идея применяется и в электронных часах – только в них частоту задают колебания кристалла. И здесь, в конечном счете на атомном уровне, происходит передача энергии посредством электромагнитных полей, то есть происходит обмен виртуальными фотонами. Даже песочные часы зависят от связанных со светом сил, возникающих, когда молекулы песка ударяются друг о друга, пытаясь протиснуться через узкое отверстие в стекле.

Давайте сконструируем “часы с маятником”, в которых для простоты не тяжелый маятник качается туда-сюда, а луч света бегает по вертикали между двумя зеркалами. Если расстояние между ними равно 15 сантиметрам, свету потребуется около наносекунды, чтобы пролететь от одного зеркала до другого и обратно. Допустим, мы зарегистрировали миллиард световых “тиков” в секунду. Это эквивалентно частоте в один гигагерц или, для краткости, 1ГГц. (Как известно, один герц равен одному циклу, или колебанию, в секунду. Единица была названа в честь профессора физики Генриха Герца из Бонна, который первым собрал установку для генерации электромагнитных волн, предсказанных Максвеллом, и исследовал их свойства.)

Теперь самое главное: если я сижу с этими часами со световым маятником в машине, мне кажется, что луч света бегает по вертикали между зеркалами, вверх и вниз. Если, однако, на обочине дороги стоит полицейский и внимательно наблюдает за машиной, проезжающей мимо него на большой скорости, то ему кажется, что свет движется снизу вверх и обратно по диагоналям. След, оставленный лучом света, будет зигзагообразным. Для простоты вообразите себе, что луч света бегает так же медленно, как ползет муравей. Сидя в машине, вы видите, что муравей ползает по вертикали вверх и вниз, а полицейский видит, как он ползет вверх и в то же время движется вперед вместе с машиной, – с точки зрения полицейского муравей движется очень быстро, но его сносит несколько в сторону.

Диагонали, по которым движутся муравей и свет с точки зрения полицейского, естественно, длиннее, чем вертикальные линии, поэтому на его взгляд муравей и свет за тот же самый временной интервал проходят большее расстояние. Поэтому наивный наблюдатель мог бы заключить, что муравей движется со “сверхмуравьиной” скоростью, а свет в машине двигается быстрее скорости света. В случае с муравьем это верное заключение, но свету Альберт Эйнштейн и Джеймс Максвелл законодательно запретили двигаться со “сверхсветовой” скоростью. Таким образом, уважающий закон полицейский должен видеть, что свет движется с той же скоростью, которую наблюдает и водитель, даже если с его (полицейского) точки зрения свет проходит большее расстояние.

Как это возможно? Единственный ответ: если расстояние, проходимое светом с точки зрения полицейского, не равно расстоянию, проходимому светом с точки зрения наблюдателя, сидящего в машине, то и время должно быть другим, чтобы скорость света могла оставаться постоянной. Скорость – это расстояние, проходимое в единицу времени, например, километр в час. Если кажется, что длина пути изменилась, то для сохранения постоянства скорости время, необходимое для преодоления этого пути, также должно измениться. Таким образом, полицейский снаружи измерит чуть больший временной интервал, а внутри машины он будет чуть меньшим, то есть в ней время идет как бы медленнее.

Этот эффект называется релятивистским замедлением времени, и он резко противоречит нашей интуиции. Мы привыкли к тому, что скорость может быть переменной. Если я еду на своей машине и делаю крюк, но хочу приехать к месту назначения в то же время, я поеду быстрее. Некоторые люди ради этого даже превышают скорость, рискуя получить штраф. Со светом такого быть не может: он всегда движется с одной и той же скоростью и просто изменяет течение времени, поскольку именно свет определяет время. Мы все должны подстраиваться под время, но само время подстраивается под свет.

Все это звучит невероятно абстрактно, особенно история про световые часы в машине. Нам же кажется, что на самом деле все часы идут одинаково. Чтобы проверить, так ли это, ученые Джозеф Хафеле и Ричард Китинг совершили два кругосветных полета – сначала в направлении вращения Земли, а затем в обратном направлении. Исследователи взяли с собой четыре пары высокоточных цезиевых атомных часов, показания которых они планировали впоследствии сравнить с показаниями таких же атомных часов на земле. Следовало ответить на вопрос: будут ли часы отсчитывать время иначе, если они полетят очень быстро и очень далеко? Эксперимент был простым и дешевым: атомные часы ученые заполучили бесплатно, поэтому самой дорогой частью эксперимента оказались авиабилеты на кругосветные путешествия, приобретенные для часов и купленные на имя “Мистер Клок” (мистер Часы). Эти необычные пассажиры сидели, пристегнутые, каждый на своем месте. Если не считать стоимости авиабилетов, это был, должно быть, самый дешевый эксперимент по проверке теории относительности.

Как и предполагалось, эксперимент Хафеле и Китинга продемонстрировал, что путешествующие в самолете часы идут не так, как часы на земле. Часы, летевшие на восток, то есть по вращению Земли, когда их скорость относительно центра Земли была больше скорости часов на земле, отстали от земных часов на 60 наносекунд за полет. Когда часы летели на запад – против вращения Земли, их скорость была меньше скорости земных часов, и они опередили лабораторные часы на полные 270 наносекунд[41]. Эксперимент позже повторялся несколько раз и всегда убедительно подтверждал важные аспекты теории относительности.

Так что мы не можем доверять времени, поскольку оно может течь по‐разному. Но тогда и измеряемые нами расстояния тоже не всегда одинаковы, поскольку мы измеряем расстояния с помощью света. Если автомобиль мчится относительно полицейского почти со скоростью света, тот может измерить длину автомобиля с помощью секундомера, умножив скорость автомобиля на время, которое требуется ему, чтобы проехать мимо. Но если у водителя автомобиля есть две пары идеально синхронизированных часов – одни на переднем сидении, а другие на заднем – и он тоже измерит ими время, за которое проедет мимо полицейского, то измеренный им интервал времени будет другим из‐за эффекта замедления времени. Полицейский измерит более короткий промежуток времени, чем водитель, и в результате получит меньшую длину автомобиля, чем водитель. Полицейскому машина покажется гораздо более короткой, хотя на самом деле в ее салоне очень просторно и можно вытянуть ноги.

А следовательно, мы больше не сможем доверять не только времени, но и пространству – во всяком случае, когда происходит движение, – и это будет иметь существенные последствия, когда в игру вступит еще и гравитация.

Казус Меркурия: новая теория пространства и времени

Несколько лет назад нам позвонил голландский журналист. У него были некоторые сомнения относительно того, могут ли фундаментальные исследования принести пользу обществу, и он хотел написать статью на эту тему. Журналист задал провокационный вопрос, который меня ошарашил: “Зачем нам нужно точно измерять орбиту Меркурия?” В ответ я выпалил: “Это что, какой‐то прикол? Где‐то тут спрятана камера? Почему из всех вещей, над которыми можно пошутить, вы выбрали именно Меркурий?” И продолжил: “Меркурий – как раз пример казавшихся бесполезными исследований, которые радикальным образом изменили наше понимание физического мира и сделали возможным рождение совершенно новых отраслей промышленности”. В частности, голландская компания TomTom, которая продает навигационные инструменты и программное обеспечение к ним, обязана своим годовым доходом в полмиллиарда евро точным астрономическим измерениям орбиты Меркурия и патентному клерку по имени Альберт Эйнштейн, благодаря которому все это может работать.

После того как Кеплер и Ньютон открыли необычайно красивые законы, которым подчиняется движение планет, эти законы в XIX столетии были демифологизированы. Завеса волшебства, окутывавшая их прежде, оказалась сорвана. Астрологией, которая подспудно подпитывала научный интерес к планетам, продолжили заниматься только эзотерики, и сегодня наша Солнечная система кажется нам просто любопытной темой, изучаемой в начальной школе. Казалось бы, проблемы решены, не так ли? Но на самом деле решено было не все. Осталась одна небольшая проблема, связанная именно с нашей Солнечной системой и показавшая, насколько важно иметь возможность проводить точные измерения.

Еще со времен Кеплера мы знаем, что планеты движутся вокруг Солнца по эллиптическим орбитам. Однако это не совсем так. На самом деле эти траектории больше похожи на маленькие цветочки, а точнее – на розочки. Сами эллиптические орбиты не замкнуты, каждый эллипс тоже немного вращается, и в результате каждый раз, когда какая‐либо планета достигает той точки на орбите, где она находится максимально близко к Солнцу, эта точка оказывается не там, где была в прошлый раз. Данный эффект называется прецессией перигелия. Перигелий (ближайшая к Солнцу точка на орбите планеты) прецессирует, то есть движется вокруг Солнца.

Планеты ощущают не только гравитацию Солнца, но и гравитационное притяжение других планет. С помощью классической теории гравитации Ньютона мы можем довольно точно просчитать этот эффект. Но на практике все совсем не так просто, как кажется, поскольку в таких системах, как наша, каждая планета притягивает к себе все другие планеты. Если бы Солнце и все планеты имели одинаковую массу, вся система развалилась бы на части. Могло случиться и так, что две планеты одновременно потянули бы третью и в результате выбросили ее за пределы Солнечной системы. Чтобы сбить кого‐то из своих небесных коллег-планет с орбиты, нашим планетам даже не нужно особенно сильно тянуть – достаточно дернуть “коллегу” точно в нужный момент.

Это как детские качели, которые висят на длинной веревке, привязанной к высокой яблоне во дворе. Небольшой толчок в нужный момент, и ребенок начинает раскачиваться. Но если вы будете подталкивать качели в нужный момент постоянно, то бедный малыш в один непрекрасный миг сорвется с качелей и улетит во двор соседа. Точно так же может возникнуть резонанс между планетами, движущимися по постоянным орбитам вокруг Солнца, и этот резонанс способен раскачать ситуацию.

Когда в системе взаимодействуют более двух колебаний или планет, предсказать их поведение уже невозможно. Можно математически доказать, что движение даже трех объектов в одном и том же гравитационном поле нельзя рассчитать точно: в результате их взаимодействия возникает в прямом смысле слова хаос. Любой, кто был на детской площадке с маленькими детьми, знает это очень хорошо. Неудивительно, что задача трех тел будоражила умы математиков на протяжении многих столетий и предоставляла авторам любовных романов неиссякаемый запас сюжетов. Чем больше тел – планет или звезд – обращаются друг относительно друга, тем более хаотичным становится мир. Можно даже доказать, что принципиально нельзя делать какие‐либо долгосрочные прогнозы относительно будущих траекторий орбит.

Однако теория хаоса отнюдь не бесполезна. Это правда, что она не может предсказать будущее, но зато она может определить момент времени, когда система станет непредсказуемой. Наша Солнечная система также работает на грани хаоса. Например, существует временная шкала хаоса – так называемый показатель Ляпунова, используемый для расчета траекторий орбит планет на ближайшие 5–10 миллионов лет[42]. Крайне небольшие изменения могут радикально изменить будущее. На какой именно орбите будет находиться Земля более чем через десять миллионов лет зависит, образно говоря, от того, где сегодня кашлянет муравей.

Когда наша Солнечная система еще только формировалась, хаос был даже большим, чем сегодня. В те незапамятные времена наша планетная система была заполнена множеством малюсеньких планет и маленьких планетоидов. Они – один за другим, как качели, – все сильнее раскачивались туда-сюда, а иногда их и вовсе выбрасывало за пределы Солнечной системы. В результате взаимодействий большие планеты стали мигрировать либо к центру, либо к периферии. Согласно модели Ниццы, разработанной моим коллегой Алессандро Морбиделли с соавторами, Уран и Нептун в какой‐то момент, возможно, даже поменялись местами. В нашей Солнечной системе далеко не всегда все было так, как сегодня. Малые планеты, которым удалось выжить и пережить хаос и травлю, длившиеся миллиарды лет, просто счастливчики.

Между прочим, одна из этих оставшихся малых планет, которая числится в реестре Центра малых планет Международного астрономического союза под номером 12654, с 2019 года носит имя Хайнофальке и движется вокруг Солнца по довольно вытянутой орбите. Мой пожилой руководитель прокомментировал это так: “Она вам соответствует”[43]. И я ответил: “Она и впрямь очень похожа на меня. Вероятно, в раннем возрасте ее третировали, и теперь она никому больше не позволит столкнуть себя с орбиты”.

Теория хаоса применима не только к нашей Солнечной системе, но и ко многим другим системам, и она накладывает фундаментальные ограничения на наши возможности узнать будущее. Однако это не означает, что вообще ничего нельзя предсказать. Например, мы можем дать задание компьютерам с помощью статистических методов вычислить, как в течение длительных периодов времени малые планеты будут развиваться в коллективе. Правда, полученные данные не могут, к сожалению, ответить на конкретные вопросы, например, определить точное будущее местонахождение астероида Хайнофальке. Я искренне надеюсь, что его траектория никогда не приведет его к Земле. Мне было бы чрезвычайно неприятно услышать однажды в новостях, что Хайнофальке только что разрушил Нью-Йорк!

К счастью, на сегодняшний день в нашей Солнечной системе установилось некоторое затишье и каждая планета нашла более или менее стабильное место. Нет никаких оснований опасаться, что одна из планет может в обозримом будущем в какой‐то момент покинуть Солнечную систему, и даже маленький Меркурий кажется достаточно устойчивым, чтобы противостоять гравитационным атакам более крупных планет, – именно потому, что он хорошо и надежно обустроился поблизости от горячего Солнца.

Математически мы рассматриваем взаимное притяжение и отталкивание планет друг от друга как незначительные возмущения, которые возможно рассчитать. Эллиптические орбиты постепенно смещаются относительно друг друга, так что в определенных пределах можно точно предсказать прецессию перигелия каждой из них. В течение нескольких столетий, за которые у нас накопились измерения, вклад компоненты, связанной с хаосом, в движение планет должен быть исчезающе малым. Эти расчеты, основанные на теории возмущений, успешно применялись в небесной механике и привели в 1846 году к открытию Нептуна[44].

Давайте ненадолго вернемся в XIX век. Астрономы подробно рассчитали орбиты всех планет… Ну, не то чтобы всех… Одна маленькая непокорная планета по‐прежнему скрывала от астрономов свои секреты. Если учесть влияние всех остальных планет, то ось эллиптической орбиты Меркурия должна поворачиваться на 5,32 угловой секунды в год. Однако на самом деле она поворачивается со скоростью 5,74 угловой секунды в год – годовое расхождение составляет 0,42 угловой секунды.

Давайте представим себе, насколько ничтожна эта разница. Если вы делите именинный торт на двенадцать частей, то каждая часть будет представлять собой сектор с углом в 30 градусов. Затем, если вы сможете разделить каждый кусок на 1800 секторов, угол в каждом из них будет равен одной угловой минуте. А если каждый из полученных секторов снова разделить на 60 секторов, то угол в каждом из них будет равен угловой секунде. Если мы ошибемся на 0,4 угловой секунды и один кусок у нас получится больше других на этот угол, то, при диаметре торта 30 сантиметров, его толщина будет в 300 раз меньше толщины человеческого волоса.

Вы должны быть настоящим педантом, чтобы придраться к результату при таком маленьком несоответствии. Но даже минимальная разница со временем накапливается, и такого рода вещи настораживают физиков. Если результаты измерений для орбиты Меркурия не согласовывались с теорией, то либо измерения были неточными, либо теория ошибочна. Может быть, кто‐то упустил какую‐то крошечную деталь? Если да, то какую, где и почему?

Долгое время виновником этого несоответствия считалась загадочная неизвестная планета на близкой к Солнцу орбите. У астрономов даже было придумано для нее название: Вулкан, – и тогда, конечно же, его жители именовались бы вулканцами. Однако в конце концов вулканцы оказались вытесненными в научную фантастику[45], и все потому, что у некоего молодого патентного клерка второго класса[46] появилась на этот счет совершенно новая, революционная идея.

Космос – это просто простыня

В начале ХХ века Эйнштейн подвел под наше представление о пространстве и времени совершенно новую базу, включив классическую физику в свою новую теорию относительности[47]. Эйнштейн по натуре вовсе не был одиноким гением, полностью поглощенным работой над своим главным открытием. Напротив, он был жизнерадостным человеком слегка богемного типа – этаким интересовавшимся общественной жизнью интеллектуалом. В 1896 году он поступил в Швейцарскую высшую техническую школу (ныне – Федеральный Технологический институт) в Цюрихе, где встретился с учившейся там же Милевой Марич[48]. В интеллектуальном отношении Эйнштейн считал молодую женщину-физика равной себе, а когда дело касалось экспериментальной физики, то даже признавал первенство Марич. Они поженились, как только Альберт устроился на свою первую работу. Милева и Альберт часами сидели, разговаривая и читая вместе философские книги; свои первые статьи они, вероятно, писали тоже вместе, хотя в авторах значился только Альберт.

Неужели Милева решила отойти в тень, чтобы не мешать карьере мужа? Некоторые полагают, что по нынешним стандартам Милева должна была быть соавтором статей. “Мне нужна моя жена, она решает все мои математические задачи”, – так говорил Альберт в начале своей карьеры. Но не исключено, что Милева прежде всего думала об их общем будущем. Когда ее однажды спросили, почему ее имя не появилось рядом с именем Эйнштейна в патентной заявке, над которой они работали вместе, она ответила: “В конце концов, мы двое – просто ein Stein”[49]. В то время женщине, безусловно, было куда труднее (если вообще возможно) сделать карьеру в области физики, чем мужчине. Сегодня историки все еще спорят о том, насколько велик оказался научный вклад Милевы в теории Эйнштейна, но он определенно не был незначительным. Нам недостает источников, чтобы делать какой‐то однозначный вывод. Эйнштейн переписывался со многими физиками, и эти письма можно найти в его архиве, но вы не сможете отыскать там следы идей, что обсуждались дома за кухонным столом.

На первую после колледжа работу в ныне знаменитое патентное бюро Берна Эйнштейн устроился с помощью отца своего однокурсника Марселя Гроссмана. И вскоре, в 1905‐м – в свой “год чудес”! – уже опубликовал пять абсолютно революционных трудов. За один из них – о природе света – Эйнштейн в 1921 году был награжден Нобелевской премией с формулировкой “за открытие закона фотоэлектрического эффекта”. В другой его работе утверждалось, что масса и энергия эквивалентны, – уравнение E=mc^2, возможно, до сих пор остается самой известной физической формулой в мире. Наконец, в том же 1905 году появилась статья по специальной теории относительности, в которой Эйнштейн показал, что время и пространство относительны и изменяются в соответствии с относительной скоростью наблюдателя. Но и на этом молодой ученый не остановился.

Еще до того, как настал великий для Эйнштейна день, открытое им релятивистское сокращение длины уже поставило под сомнение абсолютную природу пространства. Следующий шаг подсказали ньютоновские вращающееся ведро и карусель. Ньютон однажды задумался над любопытными свойствами вращающегося ведра с водой. Эйнштейн продвинулся в этом вопросе дальше и определил, что для вращающегося круга из‐за сокращения длины соотношение между длиной окружности и его диаметром обязательно зависит от положения наблюдателя.

Давайте представим карусель в форме круга на ярмарке с осью посередине и множеством детей, сидящих верхом на ракетах и деревянных лошадках, а также в ярких полицейских машинках, прикрепленных к вращающемуся полу. Если девочка, ожидающая у билетной кассы, измерит окружность и диаметр круглой карусели рулеткой, она обнаружит, что длина окружности пропорциональна ее диаметру и коэффициент пропорциональности равен известному числу π (пи).

А если бы какой‐нибудь мальчик, сидящий на ракете на самой карусели и вращающийся вместе с ней по кругу, измерил окружность рулеткой, а девочка, стоящая неподвижно у билетной кассы, сравнила бы его результаты со своими, она подумала бы, что длина окружности стала меньше. Из-за релятивистского сокращения длины измерительная лента покажется ей короче. Эта кажущаяся измеренная длина зависит от направления движения. Длина окружности карусели, измеренная рулеткой в направлении движения, кажется короче, а диаметр, измеренный в перпендикулярном к движению направлении, – нет. Таким образом, коэффициент пропорциональности между длиной окружности и диаметром больше не равен π. Это поразительно! С неподвижными кругами такого не происходит, и длина их окружности всегда равна π х d, то есть π, умноженному на диаметр.

Это, конечно, верно для окружностей в учебнике: там пространство, в котором находится наш круг, плоское. Однако все меняется, как только мы решаем рассмотреть искривленную поверхность. Например, детей можно попросить нарисовать большой круг в центре натянутой простыни. Если они возьмут простыню за четыре конца и вместе поднимут ее, двумерная плоскость начнет провисать. Контуры исказятся, геометрия круга изменится: длина окружности останется более или менее прежней, а диаметр, если измерять его вдоль поверхности простыни, увеличится. Отношение длины окружности к диаметру в искривленном пространстве больше не равно в точности π. Важно только, чтобы это была эластичная простыня, поскольку лишь такие простыни хорошо тянутся!

Представить искривление двумерной простыни достаточно легко, но пространство на самом деле трехмерно, и это все усложняет. Непонятно, может ли трехмерное пространство искривляться, – ведь искривленное трехмерное пространство трудно вообразить. Но если мы не в состоянии вообразить искривленное трехмерное пространство, то, возможно, мы сумеем описать его математически. В дальнейшем Эйнштейн пришел к пониманию того, что на самом деле нужно добавить еще и четвертое измерение – время, потому что в теории относительности оно также играет важнейшую роль.

Математический аппарат для описания пространств, которые ввел в свою теорию Эйнштейн, был разработан только в XIX веке. Деформированные (или искривленные) четырехмерные пространства описываются тензорами – таблицами чисел, которые включают, например, четыре строки и четыре столбца, то есть всего шестнадцать чисел. Каждый столбец или строка обозначает пространственное измерение. С тензорами вы можете выполнять арифметические действия так же, как и с обычными числами, то есть складывать, умножать, вычитать, – просто нужно знать соответствующие правила.

Во времена Эйнштейна было лишь несколько специалистов в этой области. Все они носили благозвучные фамилии – Риман, Риччи-Курбастро, Леви-Чивита, Кристоффель, Минковский, – и сегодня о них написано в учебниках высшей математики. (Все они, за исключением Римана, были современниками Эйнштейна.) Эта математика оказалась слишком новой и сложной даже для Эйнштейна. “Я проникся огромным уважением к математике, более тонкие аспекты которой я до сих пор по своему невежеству считал излишествами”, – признавался он.

Никто из ученых не работает совершенно автономно. К счастью, Эйнштейн сохранил связь со своим старым приятелем Марселем. “Гроссман, вы должны мне помочь, иначе я сойду с ума”, – писал Эйнштейн, уже будучи профессором[50].

Теперь перед Эйнштейном и Гроссманом стояла задача вывести физические уравнения таким образом, чтобы они работали в искривленных пространствах. Вслед за Эрнстом Махом, физиком и философом, по имени которого называется единица скорости в сверхзвуковом диапазоне, Эйнштейн считал, что законы природы везде должны иметь одинаковую форму, независимо от того, находитесь ли вы на пикнике в парке, скачете ли на галопирующей лошади, катаетесь на вращающейся карусели или летите на космической ракете.

На первый взгляд задача найти универсальную применимость физических законов кажется очевидной. Но размышления над этой “очевидной” проблемой позволили Эйнштейну в 1915 году объединить понятия пространства, времени и гравитации в одну универсальную теорию, а именно – в общую теорию относительности.

Осенило Эйнштейна еще в пору его работы в патентном бюро в Берне. Трудно сказать, был ли он очень прилежным патентным клерком, но служба явно оставляла ему много времени для размышлений. Это творческое озарение стало основой теории, которая сегодня описывает расширяющуюся Вселенную не менее прекрасно, чем гравитацию черных дыр или колебания пространства-времени, вызванные гравитационными волнами.

“Это была самая счастливая мысль в моей жизни”, – скажет позже Эйнштейн. Под “этой счастливой мыслью” подразумевалась идея о том, что нет принципиальной разницы между гравитацией и любой другой нормальной ускоряющей силой. “Если человек выпрыгивает из окна с закрытыми глазами, он не может в этот момент сказать, парит ли он в космическом пространстве или находится в свободном падении, – по крайней мере, до удара”. Так – или примерно так – думал тогда Эйнштейн[51]. Может быть, он также представил себе, что, закрыв окно, сумеет вообразить, будто летит через пространство внутри гигантского лифта. Если лифт продолжит ускоряться, то человека вдавит в кресло. Как он тогда сможет узнать, возникает ли сила, удерживающая его в кресле, из‐за гравитационного притяжения Земли или из‐за ускорения лифта? Он будет неспособен определить это[52]!

Локально гравитация и ускорение неразличимы. Этот принцип известен сегодня как принцип эквивалентности Эйнштейна и являет собой базовое предположение, а не доказанную теорему. Он – догма, которую необходимо постоянно объяснять и проверять с помощью экспериментов[53].

И наоборот, этот принцип говорит нам, что когда человек неподвижно сидит на стуле, он одновременно ускоряется. Да-да, именно так! Даже когда мы удобно сидим и не движемся, должны действовать те же законы относительности, что и в быстро движущемся лифте или быстро ускоряющейся ракете, и, согласно этим законам, пространство, участвующее в ускоренном движении, как будто искривляется, подобно простыне.

Но поскольку Эйнштейн не может решить, сидит ли он в лифте, обставленном как патентное бюро, или в реальном патентном бюро в гравитационном поле Земли, значит Земля также должна иметь возможность искривлять пространство исключительно с помощью силы тяжести, создаваемой ее массой. На деле же оказывается, что гравитация искривляет не только пространство, но и время! Пространство и время следует рассматривать совместно.

Отсюда последовал радикальный вывод: гравитация – не сила. Она проявляет себя через геометрию пространства-времени. Поскольку мы до сих пор не можем представить себе искривленное четырехмерное пространство, давайте снова представим пространство-время в виде натянутой простыни. Если на ней ничто или никто не лежит, она ровная и гладкая. Если поместить в ее центре шар для боулинга, образуется большая вмятина. А если ближе к краю поместить еще и бильярдный шар, то он образует меньшую выемку – и меньший шар покатится к шару для боулинга. На самом деле оба шара будут двигаться навстречу друг другу: бильярдный шар очень быстро, а шар для боулинга едва-едва. Чем ближе они будут подкатываться друг к другу, тем быстрее станут двигаться, потому что углубление будет становиться все круче. Таким образом, кривизна простыни соответствует силе гравитационного притяжения.

Теперь давайте бросим шарик для бильярда на простыню параллельно ее поверхности. На ровной плоскости он двигался бы прямо, а в искривленном пространстве он покатится по криволинейной траектории. В нашем случае он будет двигаться вокруг углубления, образованного шаром для боулинга, по эллиптическим орбитам, которые со временем будут становиться все ýже. Из-за трения о поверхность простыни шарик вскоре потеряет скорость, будет подкатываться к тяжелому шару для боулинга все ближе и ближе и наконец упадет в воронку, на дне которой лежит большой шар. Если бы не было трения, шарик продолжал бы двигаться без помех и, подобно планетам, обращающимся вокруг Солнца, долгое время катался бы по своей эллиптической орбите.

Чтобы перейти от этой первой идеи к безупречной формулировке общей теории относительности, теперь включающей и гравитацию, Эйнштейну потребовалось восемь лет (с 1907‐го по 1915 год), наполненных беседами, письмами и спорами. Временами ученому казалось, что он нашел свою законченную теорию гравитации, концепцию – Entwurf (черновой вариант), но все же он один за другим отбрасывал очередные идеи. Только к концу 1915 года ему удалось изложить на бумаге эту теорию во всей полноте и последовательности. Эйнштейн был убежден, что теперь‐то он отыскал правильное решение.

Ученый почувствовал невероятное облегчение, когда применил свою теорию для расчета прецессии перигелия Меркурия и она наконец объяснила то малюсенькое несоответствие расчетных данных и наблюдений, которое так долго никто не мог понять. Из-за углубления, образованного Солнцем на огромной простыне пространства-времени, длина окружности орбиты Меркурия казалась короче. Эллиптическая орбита Меркурия прецессировала немного быстрее, чем ожидалось ранее. Эйнштейн “несколько дней был вне себя от радости”. Его сердце колотилось, как отбойный молоток. Ньютон потерпел поражение, хотя еще и не окончательное[54].

Для того чтобы новая теория стала общепризнанной, ей совершенно недостаточно быть внутренне непротиворечивой и казаться логичной. Каждая теория должна подтверждаться экспериментами и реальной жизнью. Это немного похоже на возведение в чин святых католической церковью: после своей смерти кандидат в святые должен совершить два загробных чуда. Одного чуда достаточно лишь для причисления к лику блаженных.

Первым чудом, которое привело к победе теории, было то, что Эйнштейн нашел объяснение странной прецессии перигелия Меркурия. Но триумф теории был еще впереди. Следующее чудо, совершенное Эйнштейном, тоже оказалось связано со свойствами света.

Экспедиция во тьму

Зрение имеет для нас, людей, фундаментальное значение: оно позволяет нам сориентироваться и увидеть своими глазами, что данный факт действительно имеет (или не имеет) место. Особенно важно зрение для астрономов: оно дает возможность обнаруживать и воочию наблюдать объекты, от нас далекие. Большинству людей нужно сначала увидеть тот или иной предмет – только тогда они поверят, что этот предмет существует. Как говорится, “пока не увижу – не поверю”, и это справедливо.

Увидеть невозможно без света. Но иногда, чтобы лучше разглядеть суть вещей, нам, напротив, требуется темнота. Это и было продемонстрировано в ходе экспедиции для наблюдения затмения – вероятно, самого известного солнечного затмения в истории современной физики, – случившегося 29 мая 1919 года. Во время научной командировки физик Артур Эддингтон, желая проверить общую теорию относительности Эйнштейна[55], решил показать, что свет звезд отклоняется Солнцем. Здесь особенно стоит отметить, что Эддингтон был британцем, а его эксперимент помог бы прославиться выходцу из Германии Альберту Эйнштейну. Незаурядный поступок, если учесть многолетнюю вражду между державами Антанты и Германским рейхом и то, что Первая мировая война закончилась всего несколько месяцев назад. Эта экспедиция потребовала необычайного мужества, и она воистину достойна занять важное место в истории физики.

Согласно общей теории относительности массивное Солнце искривляет окружающее его пространство-время[56], а это означает, что Солнце отклоняет лучи света, идущие от небесных тел, находящихся позади него. Это может показаться странным, но звезды, которые расположены близко к Солнцу, если смотреть на них с Земли, будут выглядеть так, словно они смещены немного в сторону. Все гадали: выдержит ли безупречная с математической точки зрения теория Эйнштейна проверку в ходе эксперимента? Чтобы найти ответ, астрономам понадобилось ждать полного солнечного затмения, так как днем, когда светит Солнце, мы не видим звезд, а ночью, наоборот, не видим Солнца.

Эддингтон сел на корабль в 1919 году. Он планировал измерить отклонение света, предсказанное теорией Эйнштейна, на вулканическом острове Принсипи, расположенном вблизи западноафриканского побережья. Британский королевский астроном Фрэнк Уотсон Дайсон, готовивший экспедицию вместе с Эддингтоном, отправил вторую группу в Бразилию. В мае Солнце находилось рядом со звездным скоплением Гиады и условия наблюдения света от них были почти идеальными. Эддингтон, сам блестящий математик, к этому времени уже ставший сторонником общей теории относительности Эйнштейна, в нетерпении потирал руки.

Луна должна была закрыть Солнце более чем на пять минут. Но утром важнейшего для Эддингтона дня пошел дождь, и он занервничал. Находитесь ли вы в море или наблюдаете звезды в телескоп, вы в руках Божьих, по крайней мере, когда дело касается погоды. Однако как раз перед началом солнечного затмения небо расчистилось! Тень Луны накрыла наблюдателей, и все погрузилось во тьму. Сейчас или никогда! Они лихорадочно отсняли шестнадцать фотопластинок, из которых, как оказалось впоследствии, только две содержали пригодные для использования данные. Перед поездкой ученые уже получили контрольное изображение неба без Солнца. Тем временем металлический корпус телескопа их коллег в Бразилии деформировался под действием яркого солнечного света.

Вернувшись домой, ученые несколько месяцев занимались анализом данных. И вот наконец долгожданный прорыв: они обнаружили, что звезды на фотопластинке действительно сместились – ровно на две сотые миллиметра. В пределах ошибки измерения это значение полностью соответствовало теоретическому предсказанию Эйнштейна. Исследователи получили доказательства искривления света!

“ВСЕ СВЕТОВЫЕ ЛУЧИ В НЕБЕ ИСКАЖЕНЫ – триумф теории Эйнштейна”, – гласил заголовок статьи в “Нью-Йорк Таймс”. Эти измерения, ставшие вторым чудом, совершенным великой теорией Эйнштейна, в одночасье сделали его научной суперзвездой. И та двойная экспедиция до сих пор служит хрестоматийным образцом идеального взаимодействия теории и практики. Пример сотрудничества, не признающего национальных рамок, стал не просто четким сигналом, посланным международному научному сообществу после Первой мировой войны, – это был момент объединяющей радости и гордости, который, невзирая на ужасы недавнего кровопролития, смогли разделить в равной мере и друзья, и враги.

Как ни странно, сам королевский астроном Дайсон уже сфотографировал аналогичное солнечное затмение в 1900 году, и эти звезды можно увидеть на его фотопластинках. Однако в то время астрономы при анализе данных искали таинственную планету Вулкан, и потому никто не обратил внимания на слегка сдвинувшиеся звезды. В итоге ответ на ключевой вопрос долгие годы лежал в архиве. А ведь эти снимки были получены еще до того, как Эйнштейн начал формулировать специальную и общую теории относительности! История с Дайсоном показывает, насколько это важно – построить убедительную теорию и задать правильные вопросы!

Экспедиция стала успешной для Эддингтона и триумфальной для Эйнштейна. Когда в ноябре 1919 года Эддингтон презентовал свои открытия в Лондоне, у общей теории относительности было еще не так много сторонников. Физики постарше давно уже относились к выскочке Эйнштейну с подозрением, а некоторые из них вообще были не в состоянии понять его идеи. Эддингтон был одним из немногих, кто сумел в них разобраться. Говорят, что когда его спросили, правда ли, что только три человека в мире поняли теорию Эйнштейна, он ответил вопросом: “А кто третий?”

Астрономические наблюдения придали теории Эйнштейна солидности, и мы до сих пор пользуемся ее результатами в нашей повседневной жизни. Эта теория предсказала еще и изменение времени в результате искривления пространства-времени. Говоря попросту, если свет распространяется в искривленном пространстве, то он, естественно, должен пройти большее расстояние. Но если скорость света остается постоянной, то время должно увеличиться. Световые волны растянутся, и период их колебаний станет больше. На Земле время течет медленнее, чем в космосе.

Когда в 1977 году в космос были запущены первые американские спутники Глобальной системы позиционирования (GPS), предполагалось, что они произведут революцию в навигации на Земле. В них помещались очень точные часы, сигналы времени от которых передавались на поверхность Земли по радио. Планируя проекты, физики указали разработчикам, что, согласно теории Эйнштейна, часы в космосе будут идти быстрее, потому что Земля искривляет пространство-время.

Инженеры не до конца поверили тому, что им сказали физики, но все‐таки, пусть и с большой неохотой, согласились встроить корректирующий механизм. Однако при первом запуске спутников в космос этот корректирующий механизм был отключен. И быстро выяснилось, что часы и в самом деле уходили вперед на 39 миллионных долей секунды в день[57]. С тех пор часы намеренно заставляют работать немного медленнее, используя корректировщик, основанный на общей теории относительности. На Земле его отключают, но включают вновь, как только часы оказываются на орбите, и мы все, особо не задумываясь, прибегаем к его помощи[58].

Сегодня оптические часы настолько точны, что вам даже не нужно запускать их в космос, чтобы зарегистрировать крошечные различия в искривленном пространстве-времени Земли. Достаточно поднять эти точные часы на 10 сантиметров над землей, чтобы они зафиксировали ускорение времени по сравнению с контрольными часами на поверхности земли[59].

На высоте над поверхностью Земли, где кончается атмосфера, или чуть выше, корректировка времени минимальна, но, тем не менее, технологически значима. Все эффекты, которые мы описали, имеют гораздо большее влияние, когда намного большие массы сжимаются в гораздо меньшие объемы и искривление пространства становится более заметным. На краю черных дыр кажется, что время останавливается. Чтобы произвести такой эффект искривления, необходима чрезвычайно мощная сила – сила звездного масштаба.

4

Млечный Путь и населяющие его звезды

Скрытая жизнь звезд

Нам, людям, кажется, что звезды на небе никогда не меняются. Но это не так – они меняются, но только очень-очень медленно. Они живут своей уникальной жизнью, и можно сказать, что у каждой звезды есть своя биография.

Звезды рождаются и умирают, происходят из праха и в прах возвращаются. Подобно растениям и животным на Земле, они участвуют в непрерывном цикле рождения-роста-распада. Когда звезды испускают последний вздох и сбрасывают свои внешние оболочки обратно в космос, с участием этих оболочек начинается процесс рождения новых звезд. Ведь когда звезда впадает в предсмертную агонию, она выбрасывает в космос газ и пыль, собирающиеся там в гигантские облака, которые затем обогащаются пеплом активных звезд. Эта химическая смесь создает идеальную почву для зарождения новых звезд и планет.

Межзвездные облака из газа и пыли, простирающиеся иногда на десятки и сотни световых лет, вероятно, одно из самых красивых зрелищ во Вселенной. Если поглубже заглянуть в наш Млечный Путь, то можно увидеть, как их там много. Эти причудливые гигантские облака могут ярко сиять, а могут выглядеть темными клочковатыми пятнами на фоне Млечного Пути. Наша Галактика своими мощными спиральными рукавами сгребает их в кучу – подобно снегоуборщику, сгребающему свежий снег. В телескоп эти образования кажутся фантастическими космическими произведениями искусства.

Всего в 1 300 световых годах от нас находится туманность Ориона – одно из самых красивых облаков в нашей Галактике. Эта светящаяся туманность – единственная, которую мы при благоприятных условиях можем увидеть невооруженным глазом. Окутанная светящейся пеленой, туманность Ориона представляет собой гигантское “родильное отделение” для молодых и горячих звезд. Туманность Ориона светится в основном красным и розовым светом с вкраплениями голубого (цветовые оттенки едва заметны). Ее самая центральная часть остается скрытой для человеческого глаза, потому что пыль поглощает весь свет оптического диапазона, идущий изнутри облака. Только длинные волны могут преодолеть этот пылевой фильтр, и только в этом диапазоне длин волн астрономы могут что‐то узнать про структуру центральной части таких облаков. Например, без особого труда отыскивают путь наружу инфракрасное тепловое излучение горячего газа и радиочастотное излучение. Подобно проникающим в ткани человеческого тела рентгеновским лучам, эти электромагнитные волны способны проходить сквозь молекулярные облака.

И точно так же, как горячие элементы в газах или на поверхности звезд испускают свет определенного цвета, то есть собственный уникальный “штрих-код”, излучение молекул в пылевых облаках также характеризуется соответствующими штрих-кодами[60]. Особенно много таких характеристических линий в высокочастотном излучении. Длины волн этого света составляют всего несколько миллиметров или даже меньше. В повседневной жизни мы встречаемся с такими волнами в основном благодаря современным сканерам в аэропорту, через которые нас заставляет пройти служба безопасности.

На Земле мы можем измерить излучение космических газовых облаков с помощью радиотелескопов. За последние 40 лет во всем мире было построено множество радиотелескопов для наблюдения за поведением таких молекул, находящихся в космосе. Самый большой в Северном полушарии радиоинтерферометр NOEMA Института миллиметровой радиоастрономии (IRAM) установлен на плато де Бюр во Французских Альпах, где на высоте 2 550 метров над уровнем моря вздымаются над заснеженным горным склоном сверкающие на солнце одиннадцать посеребренных 15‐метровых антенн телескопа. А крупнейшим в мире радиоинтерферометром такого типа является Атакамская большая миллиметровая антенная система (ALMA), находящаяся в Чили, то есть в Южном полушарии. Телескоп ALMA состоит из 66 тарелок, большинство из которых имеет диаметр 12 метров. Телескоп, управляемый совместно европейскими, американскими и японскими учеными, был построен на высоте 5 000 метров над уровнем моря – там, где воздух очень сухой и разреженный. (Влажная атмосфера на меньших высотах слишком сильно поглощала бы радиоволны с крошечной длиной волны.) Именно такие радиотелескопы сыграли решающую роль в получении изображения черной дыры.

Но вернемся в космос, туда, где рождаются звезды и газовые туманности. Те места в далеком-далеком мире кажутся нам заколдованными – ведь там внутри облака, словно по волшебству, образуются молодые звезды. Однако магия тут, разумеется, ни при чем и на самом деле в космосе действуют естественнонаучные законы. Газовые туманности состоят в подавляющем большинстве из водорода. Этот самый легкий из всех элементов – важнейший компонент, благодаря которому светится космос и образуются звезды. На Земле облака газа небольшие и быстро рассеиваются, а вот в космосе газа в одном месте собирается гораздо больше. Гравитация удерживает его внутри облаков, и они становятся все более плотными. Процессы в них, непосредственно предшествующие рождению звезды, описываются критерием Джинса (назван в честь британского астронома Джеймса Джинса). В облаке этого типа гравитация и давление газа всегда находятся в равновесии. Джинс понял, что нарушить этот баланс могут различные факторы; в частности, если масса облака превысит определенное значение, называемое массой Джинса, то облако сожмется, как бы “забеременев” и приготовившись к рождению новых звезд.

Иногда необходимо лишь небольшое сжатие, чтобы облако начало уплотняться под действием собственной гравитации. Постепенно температура в нем поднимается от –260 градусов до более чем 100 градусов по Цельсию и молекулы в облаке начинают излучать электромагнитные волны и отдавать энергию.

Как только температура газа достигает нескольких тысяч градусов, молекулы и атомы начинают распадаться, давление падает, и вся структура теряет устойчивость. Облако коллапсирует и распадается на мелкие фрагменты. По космическим меркам это происходит очень быстро: маленькой протозвезде требуется менее 30 000 лет, чтобы она осветила космос своими первыми лучами. Вначале она излучает теплый красноватый свет. Чтобы стать молодой звездой, ей нужно набраться терпения и подождать еще 30 миллионов лет. За это время из‐за огромного давления температура поднимется до нескольких миллионов градусов – и в какой‐то момент начнется ядерный синтез. Тогда водород начнет превращаться в гелий, в точности как в нашем Солнце. В конце концов родится новая звезда, похожая на тысячи звезд, сияющих сейчас на небе.

Комочки становятся планетами

В этих космических облаках образуются не только звезды. Исходя из данных наших сегодняшних наблюдений, мы также можем представить, как формировались и развивались целые планетные системы. Когда облака сжимаются, пыль собирается в большие диски, медленно вращающиеся вокруг звездного зародыша. Чем ближе к центру оказывается материя, тем быстрее она движется.

Мы все знакомы с этим эффектом по пируэту фигуристов: когда их руки вытянуты, спортсмены медленно вращаются на месте, а когда прижаты к телу, скорость вращения увеличивается. Физики описывают этот процесс в скучных научных терминах следующим образом: угловой момент равен произведению массы на радиус и на скорость, и он остается постоянным. Если радиус уменьшается, скорость должна увеличиться. То же самое и с пылевыми облаками в космосе, которые вращаются вокруг молодых звезд или даже полностью их обволакивают. Чем больше они сжимаются, тем быстрее вращаются, и тогда из материи начинают формироваться диски.

По сути, процесс, происходящий при образовании планет, точно такой же, как тот, что происходит при звездообразовании: внутри диска начинают формироваться небольшие комочки. Разница только в том, что теперь из комков пыли образуются не звезды, а планеты. Я бы сравнил этот процесс с приготовлением в сотейнике соуса из порошка: если, всыпав его в воду, вы перемешиваете смесь недостаточно быстро, то вместо загустевшей однородной массы – настоящего соуса – у вас получатся комочки, плавающие в жидкости. Эти протопланеты никогда не нагреваются настолько, чтобы внутри их ядер начался ядерный синтез, поскольку их масса слишком мала, а давление слишком низко. Планеты растут и, по мере движения по своим орбитам, всасывают пыль и проделывают борозды в пылевых дисках вокруг молодой звезды. На изображениях, полученных телескопом ALMA, вы можете увидеть такие диски с прорезанными вокруг протозвезд бороздами: они выглядят, как гигантские кольца Сатурна[61].

Вращение дисков также объясняет формирование орбит наших планет. Все планеты образовались внутри первичного пылевого диска, вращавшегося вокруг Солнца. Породила нашу планетную систему медленно нагревающаяся протозвезда, которая вначале была ледяной принцессой, а позже стала Солнцем.

На периферии нашей Солнечной системы все еще обнаруживаются куски льда, оставшиеся от ранней фазы этого процесса. Это кометы, которые образовались, когда вода, камни и пыль слипались в грязные глыбы льда. Не каждый маленький комочек во вращающемся пылевом диске становится маленькой протопланетой. Из некоторых в лучшем случае получаются карликовые планеты (такие как Плутон) или даже более мелкие каменные глыбы (такие как планетоиды и астероиды). Им не хватает гравитации, чтобы превратиться в объекты совершенной круглой формы.

В конечном счете строительный материал для зарождения жизни был занесен на Землю именно со звездной пылью. В результате этого процесса вода и множество органических молекул, очутившись на Земле, прижились там. Все элементы, из которых мы состоим, сначала были образованы внутри звезд, потом превратились в молекулы внутри облаков пыли, а затем, наконец, попали к нам на Землю во время ее рождения и младенчества. Мы, люди, существа космические, и наши тела в прямом смысле состоят из космической пыли[62].

Жизнь в космосе

При взгляде на эту пыль и на все эти планетарные диски мы начинаем задаваться вопросом: а не может ли жизнь существовать и еще где‐нибудь? Одиноки ли мы в космосе, или там есть другие формы жизни? Даже будучи маленьким ребенком, я спрашивал себя об этом, и подобные мысли должны возникать почти у любого человека, начинающего осознавать огромность Вселенной.

В середине 90-х годов, когда моя научная карьера только-только стартовала, за пределами нашей Солнечной системы была известна всего одна планета, и она, как ни странно, обращается вокруг мертвой звезды – пульсара PSR 1257+12. Ее в 1992 году открыли польский астроном Александр Вольщан и его американский коллега Дейл Фрайл. Тогда было высказано общее предположение, что среда на этой планете не особо пригодна для жизни. В 1995 году, вскоре после того, как я получил докторскую степень, Мишель Майор и его докторант Дидье Кело, работая в Обсерватории Верхнего Прованса, построенной недалеко от Марселя, открыли за пределами нашей Солнечной системы еще одну планету. Эти двое ученых получили за ее открытие Нобелевскую премию. Новая планета, которую позже назвали Димидий[63], находится в созвездии Пегас, в пятидесяти световых годах от нас. Она обращается вокруг звезды Гельвеций (51 Пегаса), очень похожей на наше Солнце.

К настоящему же моменту мы нашли свидетельства существования тысяч планет (их обычно называют экзопланетами) в других солнцеподобных системах. Но это почти ничто по сравнению с количеством планет, которые должны быть во всей галактике Млечный Путь. Согласно статистике, их может насчитываться до ста миллиардов, а то и намного больше. Но явных признаков жизни пока нигде не обнаружено. Тем не менее вполне вероятно, что в этом мире мы не одиноки. В настоящее время все больше и больше астрономов не только осмеливаются предполагать это вслух, но еще и рассуждают об инопланетянах.

Разумная жизнь могла бы обнаружить себя, отправляя в космос радиосигналы, и десять лет назад мы с моим аспирантом предприняли попытку найти сигналы от внеземных цивилизаций[64], просматривая данные с радиотелескопа LOFAR. (Из-за чего мои голландские коллеги начали бросать на меня странные взгляды.) Но позже, когда этот мой аспирант стал научным сотрудником в Калифорнийском университете в Беркли, последний получил от российского миллиардера Юрия Мильнера целых 100 миллионов долларов на финансирование проектов по поиску внеземных цивилизаций. Хотел бы я обзавестись такими финансами для своих исследований! Однако еще до истории с грантом от Мильнера астрофизик Джилл Тартер (прототип Элли – героини фильма “Контакт”) на средства от грантов основала Институт SETI в Калифорнии. Аббревиатура SETI расшифровывается как Search for extraterrestrial intelligence, что как раз и означает “поиск внеземного разума”.

Мы до сих пор не нашли никакого разума в космосе (а некоторые из моих коллег даже сказали бы, что и на Земле тоже), но зато процесс поиска инопланетян привел к нескольким техническим прорывам, которые оказались полезны для радиоастрономии. Проект SETI потребовал уникального программного обеспечения и мощных компьютеров для быстрой обработки больших объемов данных, а также компьютерных специалистов высочайшего класса, таких как Дэн Вертимер. (Вертимер был членом знаменитого Клуба домашних компьютеров, а также тусовки, в которую входили Билл Гейтс – основатель компании Microsoft – и создатели Apple Стив Джобс и Стив Возняк. Последние трое членов клуба, в отличие от Вертимера, впоследствии стали очень богатыми.) Он запустил проект SETI в Калифорнийском университете в Беркли. Позже мы стали использовать в своей работе быстрые компьютерные процессоры Вертимера, позволявшие справляться с потоком данных, полученных с помощью наших телескопов, и нам очень пригодилась его помощь.

В результате первым полученным нами изображением черной дыры мы обязаны не только телескопам субмиллиметрового диапазона (которые были построены, чтобы рассмотреть те области космоса, где рождаются звезды и молекулярные облака), но и казавшимся тогда эксцентричными поискам внеземных цивилизаций.

Есть ли на самом деле жизнь где‐то за пределами Земли, мы не узнаем, пока не найдем ее. Для меня это чисто научный вопрос. Ни общество, ни религия не рухнут, если мы обнаружим внеземную жизнь, и после небольшого переполоха мир вернется к своим обычным делам. То, кем мы являемся, зависит прежде всего от нас самих, а не от неких инопланетян, которые могут обитать где‐то ужасно далеко. Все потенциально обитаемые планеты находятся на расстоянии многих сотен или даже тысяч световых лет, так что любое общение с их обитателями может происходить на протяжении жизни нескольких поколений. Вместо того чтобы ждать спасения из космоса, мы должны бережно относиться друг к другу и следить за тем, чтобы все было в порядке с нашей собственной планетой.

5

Мертвые звезды и черные дыры

Смерть в небе: как умирает звезда

Звезды рождаются, и звезды умирают, тем самым расчищая пространство для новой жизни, в том числе и для черных дыр, которые образуются из мертвых звезд. В космосе абсолютно все связано, и смерть там имеет свою привлекательность, – хотя и наводит ужас.

Несколько лет назад я был на симпозиуме в США, посвященном астроному Миллеру Госсу. Из сонного городка Сокорро, штат Нью-Мексико, он руководил двумя крупнейшими и наиболее успешными радиоинтерферометрами в Соединенных Штатах: VLA (Очень большой антенной системой) и VLBA (Антенной системой со сверхдлинными базами). Однако важнее было то, что он оказал поддержку многим молодым ученым, в том числе и мне. Коллеги со всего мира собрались отдать ему дань уважения. Чтобы отметить окончание симпозиума, он организовал поездку в одно из своих любимых мест. Мы поехали в знаменитый каньон Чако, где находится индейское поселение с поражающими воображение глиняными сооружениями, которые коренные американцы построили некогда в первом тысячелетии нашей эры. На краю этого поселения расположен небольшой огороженный участочек. Как рассказал нам бородатый рейнджер, прежде здесь обитал звездочет.

Я представил себе застывшую фигуру старого индейца, каждую ночь следившего отсюда за движением звезд. Когда же тьма рассеивалась и на землю, окрашивая все вокруг в цвет зари, падали первые солнечные лучи, для звездочета наступал самый величественный момент, ибо приход рассвета был для него важнейшим ежедневным ритуалом. Возможно, он чувствовал облегчение от того, что Земля и природа продолжают свое существование. Возможно, полагал восход символом течения времени. А может, просто радовался тому, что жизнь идет дальше, что появляется свет и Солнце согревает землю, пробуждая птиц и одаряя своим теплом скудную растительность.

Для предков жителей этого пуэбло каньон служил календарем. Они могли проследить точку восхода Солнца над крутым выступом утеса и по нему точно определить день года. Из-за движения Земли точка восхода Солнца немного смещалась осенью на юг, а весной – на север.

Старик, наблюдавший звезды задолго до прибытия в Новый Свет Христофора Колумба, мог, однако, увидеть и кое‐что еще, поскольку чуть менее тысячи лет назад произошло некое чрезвычайно редкое астрономическое явление. Не исключено, что найденный неподалеку петроглиф – это изображение как раз того яркого небесного объекта, который в один прекрасный день вспыхнул так ярко, что его можно было заметить даже днем.

В 1054 году люди в разных концах земного шара с изумлением наблюдали за странным небесным явлением; некоторые даже увидели в нем дурное предзнаменование и стали опасаться приближения великой катастрофы. Астрономы династии Сун в древнем Китае сделали точные записи об этом космическом чуде в своих хрониках, поведав о “звезде-гостье”, сиявшей на небосводе так же ярко, как Венера. О новой звезде написал даже один арабский врач.

Европейцы, возможно, тоже восхитились появлением днем в небе “яркого светила”, хотя задокументированных свидетельств этого, к сожалению, не осталось. Так что же за удивительный феномен заставил людей по всему миру написать о нем в своих хрониках?

Это была сверхновая, гигантский звездный взрыв[65]. Он произошел на расстоянии 6 000 световых лет в нашем Млечном Пути. Петроглиф в каньоне Чако, где когда‐то восседал старый индеец пуэбло, – это полумесяц, нарисованный красной краской на желтой скале. Рядом с ним видна большая, почти одного размера с Луной, звезда. Круглая, с исходящими из нее лучиками – словно бы запечатленная ребенком. “Именно так индейские художники того времени изображали сверхновую”, – сказал нам рейнджер из национального парка, хотя астрономы, составлявшие нашу группу, не очень этому поверили. Эксперты до сих пор спорят, изображена ли на рисунке знаменитая сверхновая 1054 года или что‐то другое[66]. Сам‐то я считаю маловероятным, что такое экстраординарное событие могло остаться незамеченным.

Вообразите себе звезду в виде воздушного шара, наполненного горячим воздухом. Из-за того, что воздух нагрет, шар остается надутым, но когда мы перестаем нагревать находящийся внутри него воздух, он остывает, давление падает – и шар сдувается. Звезды заканчивают свою жизнь примерно так же. Как только их топливо сгорает, они погибают. Как и когда они “умрут”, зависит от их массы. Легкие звезды – а их подавляющее большинство – живут долго и под конец жизни истощаются и начинают тлеть.

Продолжительность жизни нашего Солнца можно охарактеризовать как среднюю. Если бы оно начало вдруг коллапсировать, то “на старте” процесса еще могло бы включить свой “форсаж”. В сердце звезды – горячем ядре – скапливается продукт ядерного синтеза – гелий. При высоком собственном давлении взрывающейся звезды температура в какой‐то момент снова начнет расти, гелий превратится в углерод – и при этом высвободятся последние запасы энергии. В результате внешняя оболочка распухнет. Незадолго до своей гибели Солнце раздуется, превратится в красного гиганта и поглотит Меркурий, Венеру и, возможно, даже Землю.

Звезды с массой больше массы нашего Солнца в последние моменты своей жизни выбрасывают в космос газ и плазму. В результате этого образуются принимающие удивительные формы планетарные туманности, которые при освещении их изнутри светом умирающих звезд окрашиваются в невероятные цвета. Это зрелище длится всего “одно мгновение космического ока”: в течение нескольких тысяч лет планетарные туманности исчезают. Такое их название может ввести в заблуждение, поскольку эти объекты не имеют с планетами ничего общего, но в XVIII веке, когда их обнаружили с помощью телескопов того времени, они выглядели, как далекие планеты, состоящие из газа.

В центре умирающих звезд скапливается спрессованный продукт ядерного синтеза, на который давит весь вес сгоревшей звезды. Это давление становится настолько большим, что атомы все сильнее прижимаются друг к другу – до тех пор, пока между ними не останется пустого места и они не выстроятся, так сказать, “плечом к плечу”. Давление электронов этих атомов будет препятствовать дальнейшему коллапсу звезды, поскольку электроны, которые вращаются вокруг отдельных атомных ядер, являются фермионами. Фермионы – физические “одиночки”: фермион не может “делить ложе” ни с одним другим фермионом. Когда ядро звезды слишком сожмется, давление фермионов станет противодействовать давлению гравитации и тем самым предотвратит полный коллапс выгоревшего ядра.

Если внешние оболочки звезды уже сброшены, то все, что остается от звезды, – это маленькое, плотно упакованное, ярко светящееся ядро из углерода: белый карлик размером с Землю, но тяжелый, как Солнце. Чайная ложка вещества, из которого состоит белый карлик (в каковой через несколько миллиардов лет превратится и наше Солнце), весит около девяти тонн – примерно как самосвал. Поверхность карлика остается очень горячей и продолжает излучать тепловую энергию в космос в течение очень долгого времени, но в конце концов мертвая звезда превратится в холодный кристалл углерода идеальной сферической формы – гигантский космический алмаз.

В этом процессе играют роль различные квантово-механические эффекты, рассчитанные индийским физиком Субрахманьяном Чандрасекаром, который в 1930 году, в возрасте всего девятнадцати лет, отправился на корабле в Англию, чтобы продолжить в Кембридже начатое в Индии изучение физики. В пути у него было много свободного времени, и он рассчитал максимальную массу, которой может достичь белый карлик, получив для нее значение, равное 1,44 массы Солнца.

А что произойдет с гораздо более тяжелой, чем наше Солнце, звездой, давление в которой поднимется до такой степени, что станет буквально невыносимым? Звезда, в восемь раз более тяжелая, чем Солнце, сможет подключить больше дожигателей для предотвращения своего коллапса. Ядро такого гигантского солнца станет выгорать слой за слоем (подобно очистке луковицы от слоев шелухи), и с каждым сгоревшим слоем будет высвобождаться дополнительная энергия. Чем ближе оболочка к центру, тем горячее она становится, сжигая окружающее ее отработанное вещество предыдущего слоя, – в результате чего образуются все более тяжелые атомные ядра. Водород превращается в гелий, гелий превращается в углерод, углерод и гелий превращаются в кислород, кислород превращается в кремний, а кремний превращается в железо. Каждый последующий этап процесса выжигания протекает быстрее, чем предыдущий. Чтобы сжечь гелий и превратить его в углерод, требуется миллион лет, а сжигание всего кремния с образованием железа занимает лишь несколько дней.

И этим все кончается! С энергетической точки зрения железо имеет самое компактное атомное ядро из всех. Если давление поднимется настолько, что железо будет плавиться с образованием новых элементов, то в этом процессе энергия будет уже не выделяться, а поглощаться, и, значит, потребуется закачка дополнительной энергии. И внезапно процессы, при которых все большее и большее количество энергии выжималось из атомов путем простого увеличения давления, перестают работать, вместо нагрева атомов происходит их охлаждение, и давление начинает снижаться. Последняя шаткая опора, поддерживающая ослабевшую старую звезду, выбивается из‐под ее ног, и она встречает свою смерть. В течение всего нескольких минут ядро взрывается, так как умирающая звезда больше не может выдерживать давление собственной гравитации.

Внутреннее давление в “звездном трупе” увеличивается до такой невообразимой степени, что разрушает даже плотно упакованные атомы, то есть ядро такой звезды становится тяжелее верхнего предела для массы белых карликов, рассчитанного Чандрасекаром. Но есть еще одна – последняя – остановка перед неизбежным и окончательным коллапсом. Электроны, обычно находящиеся на определенных расстояниях от атомных ядер, теперь вдавливаются в них и сливаются с протонами, превращая их в нейтроны, – и тогда внешняя оболочка атома сливается с ядром, в результате чего размер этих атомных остатков становится в 10 000 раз меньше обычных атомов.

Представим себе атом с электронной оболочкой размером со стадион “Рейн Энерги”, где играет моя любимая, но не очень успешная футбольная команда клуба “Кёльн”. Размер ядра в нем будет примерно соответствовать пятицентовой монете, положенной на центральную отметку поля, а это значит, что известная нам материя, состоящая из атомов, содержит огромные пустоты. Если атомы звезды превращаются в чистые нейтроны, то звезда сжимается и становится нейтронной звездой. Масштабы коллапса можно представить, если вообразить, что весь стадион стягивается в пространство, занимаемое маленькой монеткой. В нейтронной звезде масса, превышающая массу Солнца более чем в полтора раза, сжимается в сферу диаметром всего 24 километра. Плотность в ней невероятно высока. Пять миллилитров вещества нейтронной звезды будут весить 2,5 миллиарда тонн. Это эквивалентно тому, что массу, в 8 000 раз превышающую массу Кёльнского собора, мы поместим в одну чайную ложку.

Долгое время нейтронные звезды казались дикими фантазиями, но все изменилось 28 ноября 1967 года, когда Джоселин Белл и ее научный руководитель Энтони Хьюиш обнаружили в Радиоастрономической обсерватории Малларда в Кембридже странный радиосигнал[67]. Это открытие имело историческое значение. Сигнал состоял из многих коротких импульсов, которые приходили на Землю через определенные одинаковые промежутки времени. Объект был похож на космические тикающие часы, поэтому его назвали пульсаром. Сначала оба ученых немного опешили от точности, с которой воспроизводился интервал между импульсами, и полушутя назвали радиообъект LGM, что расшифровывалось как “маленькие зеленые человечки”. Вскоре, однако, выяснилось, что обнаруженный ими объект с огромной скоростью вращался вокруг своей оси и был чрезвычайно маленьким и необычайно тяжелым. На самом деле это была нейтронная звезда – мертвая звезда, тяжелая, как Солнце, и такая же большая, как Нордлингер Рис – старый кратер в Баварии, образовавшийся при падении метеорита. Не каждая нейтронная звезда становится пульсаром, но каждый пульсар – нейтронная звезда. Подобно космическому маяку, он посылает свои радиосигналы в космос в виде двух лучей света, которые достигают нас через равные промежутки времени и вызывают в небе вспышки “радиомолний”. Поскольку объект очень стабилен и массивен, он функционирует как гигантское балансирное колесо. Он “тикает” точнее любых атомных часов. Из-за необычайной стабильности пульсаров и воспроизводимости сигналов от них мы можем использовать пульсары в многочисленных экспериментах по проверке теории относительности[68]. Известным примером является двойной пульсар PSR J0737–3039[69], который на самом деле представляет собой пару пульсаров, обращающихся друг относительно друга. Прецессия эллиптической орбиты, подобная прецессии, которую мы наблюдали у Меркурия и из‐за которой сердце Эйнштейна чуть не выпрыгнуло из груди, здесь происходит в 10 000 раз быстрее, и астрофизики рассчитали ее с точностью до пятого знака после запятой.

Превращение в нейтронную звезду – это впечатляющее событие, происходящее со звездами, масса которых более чем в восемь раз превышает массу Солнца. Такое сверхсолнце умирает эффектнее, чем это сделала бы наша собственная звезда – Солнце. Сгорание сверхсолнца сопровождается галактическим фейерверком. Под давлением коллапсирующей массы в ядре оно (ядро) внезапно превращается в нейтронную звезду, а остальная часть звезды взрывается со сверхзвуковой скоростью. Электроны и протоны мгновенно соединяются в атомном ядре, испуская большое количество легчайших нейтрино, которые еще больше увеличивают энергию внешней оболочки звезды. После этого разрушительная ударная волна, пронесясь через всю звезду и устремившись наружу, в конце концов разрывает звезду на части. Астрономы называют такой галактический взрыв сверхновой. Она вспыхивает в космосе, и это очень впечатляющее зрелище. Именно ему могли бы поразиться как коренные американцы в каньоне Чако, так и жители многих других уголков земного шара, наблюдавшие в тот момент звездное небо.

Давайте попробуем представить себе сверхновую: всего за долю секунды этот галактический взрыв высвобождает больше энергии, чем Солнце произвело за всю свою жизнь. Но даже сверхновой требуется несколько недель для того, чтобы весь свет прорвался через расширяющуюся внешнюю оболочку звезды. В результате иногда сверхновую можно наблюдать месяцами. В условиях экстремальных температур и давлений в сверхновой образуется много новых, более тяжелых, чем железо, элементов. Кобальт, никель, медь и цинк выбрасываются в космос в виде газовых облаков при температуре порядка миллионов градусов, и там горение продолжается.

Эти ударные волны распространяются в межзвездном пространстве со скоростью десятков тысяч километров в секунду, а их фронт имеет сферическую форму. Фактически они представляют собой массивные ускорители космических частиц, и некоторые атомные ядра разгоняются ими почти до скорости света. Они дрейфуют по Млечному Пути в межзвездном пространстве вдоль силовых линий турбулентного магнитного поля, а исчезающе малая их часть обрушивается на Землю в виде потока частиц высокой энергии, которые мы называем космическими лучами.

Эти ударные волны мы можем наблюдать и сегодня. В 2009 году один из моих бывших студентов[70] обнаружил новый источник радиоизлучения в соседней с нами галактике М82. Мы увидели яркое кольцо, излучающее радиоволны, которое расширялось со скоростью 12 000 километров в секунду в течение нескольких месяцев[71]. Исходя из скорости и размера объекта, мы смогли сделать вывод, что там была звезда, которая взорвалась годом раньше, – то есть мы открыли сверхновую 2008iz. Она пряталась за громадным облаком пыли и потому оставалась скрытой для всех других телескопов. Это был чрезвычайно увлекательный процесс – переживать самому, непосредственно, космическую драму, похожую на те, которые мы видели только в научно-фантастических фильмах или о которых читали в сухой академической литературе.

Сегодня мы все еще можем наблюдать остатки яркой сверхновой 1054 года. Она оставила после себя эффектную Крабовидную туманность, расположенную в Рукаве Персея нашего Млечного Пути. Эта туманность выглядит как разноцветное облако дыма и доказывает, что древние хроники не были сказками.

За тысячелетие исследователи насчитали в нашем Млечном Пути всего около двадцати сверхновых. 11 ноября 1572 года одна из них стала настоящим сюрпризом для Тихо Браге и его сестры Софии. Поскольку они приняли это событие за рождение новой звезды, то и нарекли “младенца” соответствующе: Stella nova, что означает – “новая звезда”. В 1604 году Иоганн Кеплер также описал сверхновую. Отсутствие какого‐либо параллакса показало, что этим источником света была не наша атмосфера, а какая‐то звезда, находящаяся по крайней мере за Луной. Сверхновая “вбила очередной гвоздь” в аристотелевскую модель Вселенной, в которой предполагалось, что небесные сферы, в том числе и сфера неподвижных звезд, должны быть неизменными.

Сегодня астрономы постоянно открывают новые сверхновые, но – в других галактиках. Однако со дня на день в небе может появиться и новая сверхновая в нашем Млечном Пути, и мы сумеем увидеть ее невооруженным глазом. Вообще‐то, время появиться следующей сверхновой уже пришло, хотя от этого события нас вполне может отделять целых сто лет.

Даже очень близкие сверхновые опасности для человечества не представляют. По большому счету мы должны быть благодарны этим звездным взрывам за образование наших планет и зарождение жизни на Земле, так как в последней фазе своего существования во время все более коротких циклов умирающая звезда производит важные элементы. Затем, при взрыве сверхновой, они выбрасываются в космос, где собираются в массивные пылевые облака, из которых могут образовываться новые поколения звезд и планет. Такое происхождение имеют все важные элементы на Земле. Мы должны понимать, что без смерти звезд никогда не возникла бы и земная жизнь. Даже красивой красной краски, которой покрашен мост Золотые Ворота в Сан-Франциско, не могло бы быть, поскольку она содержит оксид железа, а железо в конечном счете образовалось в результате взрыва сверхновой. Так что у нас есть немало того, за что можно поблагодарить умирающие звезды.

Образование черной дыры

Существуют звезды, которые слишком массивны даже для того, чтобы стать нейтронными звездами. Представьте себе суперустойчивый стул в гостиной, который предназначен для вашего чрезвычайно тучного дяди Альфреда. С тех пор как его усадили на дешевый пластиковый складной стул и тот сломался, ему всегда подставляли этот массивный деревянный стул (как говорится, от греха подальше). Но даже самый устойчивый стул имеет свой предел прочности. Если дядя Альфред приведет с собой слона из цирка и усадит его на деревянный стул, тот тоже сломается.

В астрофизике белые карлики – это дешевые пластиковые стулья, а нейтронные звезды – устойчивые деревянные. Нейтронные звезды могут выдержать многое, но не все, потому что среди звезд есть настоящие “слоны”. Этим открытием мы обязаны не кому иному, как отцу американской атомной бомбы Роберту Оппенгеймеру, а также его коллегам и ученикам. Незадолго до Второй мировой войны они доказали, что как масса белых карликов ограничена неким пределом – так называемым пределом Чандрасекара[72], так и масса нейтронных звезд имеет верхний предел массы. Согласно современным расчетам максимальная масса нейтронной звезды чуть больше двух-трех масс Солнца.

“Звездные слоны” во Вселенной – это звезды, вес которых более чем в двадцать пять раз превышает вес Солнца. Когда эти звезды взрываются, большая часть их массы выбрасывается в космос, а из ядра сначала образуется белый карлик, а затем нейтронная звезда. Внутри нее все больше и больше материи начинает стремительно продвигаться к центру, так что в какой‐то момент и нейтронная звезда начинает коллапсировать. Как только этот процесс пойдет, всякое сопротивление исчезнет. Мы не знаем никакой силы, способной выдержать давление такой тяжелой звезды, – ее коллапс неизбежен. Звезда будет постоянно сжиматься и становиться все меньше и меньше, пока в какой‐то момент вся масса не сосредоточится в одной точке с бесконечной плотностью. И таким способом формируется один из самых замечательных объектов во Вселенной – черная дыра. (Естественно, во времена Оппенгеймера она еще так не называлась.)

Даже самого Альберта Эйнштейна испугала мысль о таком объекте. Всего через несколько месяцев после того, как Эйнштейн опубликовал свою общую теорию относительности, немецкий астроном Карл Шварцшильд рассчитал структуру пространства-времени для массы, сосредоточенной в одной точке, и свойства такой системы оказались экстремальными.

Шварцшильд – это пионер современной астрофизики. Когда в 1914 году разразилась Первая мировая война, он был директором Потсдамской астрофизической обсерватории. В отличие от Артура Эддингтона, пацифиста и поклонника Эйнштейна, Шварцшильд, происходивший из еврейской семьи, принадлежавшей к высшему среднему классу, считал своим долгом послужить стране и потому пошел добровольцем в немецкую артиллерию. Это было фатальное решение. После двух лет, проведенных на фронте, он заболел и умер.

Но даже в боевых условиях Шварцшильд умудрился написать две научные статьи мирового уровня[73]. В одной из них он вычислил кривизну пространства-времени вокруг точечной массы. При этом Шварцшильд стал первым, кто нашел точное решение уравнений общей теории относительности в конкретном случае[74]. Этот свой результат он изложил в статье и с гордостью отправил ее Эйнштейну. Изящество идеи поразило великого физика, и он, ответив: “Я был ошеломлен тем, что истинное решение этой проблемы можно выразить столь легко”, представил результаты Шварцшильда на ближайшем заседании Прусской академии наук[75].

В решении Шварцшильда[76] вся масса была сосредоточена в точке; однако в этой точке само пространство кажется бесконечно протяженным, растянутым в одном направлении, и степень его искривления становится бесконечно большой. Внезапно в этой ограниченной части пространства оказывается бесконечное количество места. В уравнениях появляется сингулярность – одна из тех точек, где уравнения теряют смысл, физические величины устремляются в бесконечность и все останавливается. Мы, физики, знаем, что сингулярности не имеют отношения к реальности, но они сигнализируют, что в уравнениях все еще чего‐то не хватает. Эйнштейн понимал это так, что точечных масс не существует и что это чисто математический трюк, хотя и любопытный.

Однако как Эйнштейна, так и других ученых беспокоило то, что и вдали от центральной сингулярности – а именно на расстоянии

Rs =2GM/ c 2

– в уравнениях происходило что‐то странное.

Это расстояние носит сегодня название “радиус Шварцшильда”. Здесь M означает массу объекта, а c = 299 792,458 км/с и G = 6,6743 × 10 11 м 3/кг/с 2 – скорость света и гравитационную постоянную соответственно.

Что‐то с этим радиусом было не так. Уравнения вели себя ненормально. Как только вы достигали радиуса Шварцшильда, время, казалось, останавливалось. А когда вы пересекали эту границу и оказывались ближе к центру, вы уже в некотором смысле путешествовали не в пространстве, а во времени.

Если в обычной жизни я могу спокойно сидеть на скамейке в парке – в фиксированной точке пространства, – но время продолжает идти, то внутри радиуса Шварцшильда я застреваю во времени, а пространство непреодолимо тянет меня внутрь, к центральной сингулярности. При каждой попытке двинуться наружу я только приближаюсь к центру.

Очень странно! По-видимому, нет никакой возможности покинуть это пространство, то есть пересечь радиус Шварцшильда изнутри. Стоит только чему‐то оказаться внутри сферы с радиусом Шварцшильда, как выхода вовне ни для чего уже нет – ни для материи, ни для света, а значит, и для информации и энергии. Прошло много времени, прежде чем хотя бы кто‐нибудь понял, что на самом деле там происходит. Сам того не подозревая, Шварцшильд, решавший уравнение, сидя в грязном окопе в разгар Первой мировой войны, описал черную дыру.

Но на самом деле и раньше было уже ясно, что когда вы приближаетесь к точечной массе, должно случиться нечто необычное. Разве это не следует из простой теории движения планет Кеплера и Ньютона? Чем ближе вы к Солнцу, тем быстрее вы двигаетесь вокруг него. Если бы Солнце стало бесконечно маленьким, планета, обращающаяся вокруг него по орбите радиусом всего в три километра, должна была бы двигаться со скоростью света, а по еще меньшей орбите – даже быстрее света. Но, конечно же, это невозможно!

Сила гравитации также становится слишком большой. Чем большая масса сосредоточивается в одной области пространства, тем сильнее ее гравитационное притяжение и, следовательно, тем труднее освободиться от этого притяжения. Если вы хотите избавиться от притяжения Земли, вам нужно отправиться на ракете в космос со скоростью 11,2 километра в секунду. С поверхности более тяжелого Солнца вам нужно будет стартовать со скоростью 617 километров в секунду. Если бы вы стали сжимать Солнце еще больше, то чтобы взлететь с него, пришлось бы увеличивать вторую космическую скорость до тех пор, пока в какой‐то момент она не превысила бы скорость света. Но тогда, по теории Ньютона, даже свет не смог бы сбежать с поверхности Солнца – он неизбежно вернулся бы обратно. А в теории Эйнштейна, если вы находитесь на краю черной дыры и летите со скоростью света, вы не сможете даже двинуться вперед!

Еще в 1783 году преподобному Джону Мичеллу, не имевшему никакого представления о теории относительности, пришло в голову, что в природе должно было бы происходить нечто подобное, если бы звезда обладала огромной гравитацией, а вторая космическая скорость для нее превышала бы скорость света. Такая “темная звезда”, как назвал ее Мичелл, даже если бы она существовала и находилась в определенной точке пространства, должна быть невидимой, потому что свет из нее не может выскользнуть.

В теории Эйнштейна пространство вокруг черной дыры подобно стремительной реке[77], которая заканчивается водопадом на радиусе Шварцшильда, а свет подобен пловцу в этой космической реке. Далеко от края обрыва он еще может плыть против течения, но ближе к водопаду течение усиливается и плыть приходится все быстрее и быстрее, так что в какой‐то момент даже чемпион мира по плаванию не сможет справиться со стремительным течением, которое несет его к водопаду. А подняться вверх по водопаду не под силу ни одному пловцу. То же самое происходит на радиусе Шварцшильда. Это точка невозврата. Здесь даже крик не вырвется наружу. Даже свет вместе с пространством затягивается в глубину.

В 1956 году физик Вольфганг Риндлер ввел для обозначения этой “страшной границы” термин “горизонт событий”. Его нельзя ни потрогать, ни ощутить, это всего лишь некая граница в пустом пространстве, математическая характеристика – и вместе с тем разделительная линия. Если вычислить радиус Шварцшильда для Солнца, то он будет равен трем километрам, для Земли – 0,9 сантиметра, а для человека вроде меня – одной стомиллиардной радиуса атомного ядра.

Эйнштейн был убежден, что область внутри радиуса Шварцшильда нефизична: это область чистой фантазии, математическая абстракция, и природа, несомненно, помешала бы таким объектам вообще сформироваться. В 1939 году он опубликовал трактат, в котором с помощью своей теории относительности пытался доказать, что таких “темных звезд” не существует. Эйнштейн триумфально завершил трактат словами: “Основным результатом этого исследования является ясное понимание того, почему «шварцшильдовские сингулярности» не существуют в физической реальности”. В переводе с научного языка это означало: “черных дыр не бывает”[78].

Но утверждение Эйнштейна оказалось ошибочным. Почти в то же время Оппенгеймер и его коллеги доказали, что звезды могут коллапсировать в точку[79]. Если они достаточно массивны, ничто не может предотвратить их коллапс.

Однако здесь вновь проявляются замечательные свойства теории относительности. То, что человек увидит во время коллапса звезды, в максимальной степени будет зависеть от его местонахождения. Наблюдатель, внимательно следивший за коллапсом в телескоп, увидит, как звезда взорвется и исчезнет в черной дыре. Появится горизонт событий, и все, что приближается к нему, этот наблюдатель будет видеть все менее отчетливым и замедленным. Каждая световая волна станет бесконечно растягиваться, и ее будет невозможно измерить, если она попытается выйти за край. Время сделается вязким, как сироп, и в конце концов словно бы остановится. Если уподобить световые волны маятнику, то они станут, как и пространство, растягиваться все больше и больше… часы будут тикать все реже и реже, пока совсем не остановятся.

Между тем для легкомысленного наблюдателя, который останется сидеть на поверхности коллапсирующей звезды, не произойдет ничего особенного – за исключением, конечно, того, что он провалится туда, где его ждет верная смерть. Он упадет в ядро звезды вместе со всеми остальными частицами. Пересекая горизонт событий, он не заметит ничего необычного – даже того, что пересек эту черту. Он всегда будет видеть черную дыру как большое черное пятно – даже внутри этой черной дыры. Его время также продолжит течь нормально, пока в конце концов он за долю миллисекунды не сколлапсирует в одну точку в ядре звезды. Свет провалится в ядро вместе с ним. Впрочем, в случае со звездной черной дырой это приключение не сулит ничего приятного. Поскольку ноги нашего безрассудного наблюдателя находятся ближе к центру массы звезды, чем его голова, то и притягиваться они будут сильнее, так что несчастного растянет, как макаронину, и в конце концов разорвет.

Хотя такие сценарии далеко не всем кажутся забавными, физики развлекаются, когда их придумывают! Долгое время эти объекты называли “застывшими звездами”, поскольку на краях их дисков время останавливается. Но это не совсем так. Строго говоря, время останавливается только на краю абсолютно статичной черной дыры. А если она растет за счет пожирания материи, то ее горизонт событий тоже увеличивается и как бы проталкивает эту “застывшую” материю внутрь.

Термин “черная дыра” впервые появился в 1964 году в статье журналистки Энн Юинг[80] и окончательно утвердился после того, как был использован Джоном Арчибальдом Уилером в выступлении на конференции. С тех пор бренд “черные дыры” неизменно приковывает внимание как непрофессионалов, так и экспертов. Бренды важны даже в физике, а американцы кое‐что понимают в маркетинге. Никто ведь не купит книгу о получении первого изображения с таким, к примеру, названием: “Изображение объекта, полностью сколлапсировавшего под действием гравитации”.

Но черные дыры могут еще и вращаться. Математик Рой Керр из Новой Зеландии в 1963 году нашел такое математическое решение для вращающейся черной дыры, которое описывает пространство-время вокруг нее[81]. Если вращающееся вещество падает в черную дыру, угловой момент системы сохраняется. Черная дыра заставляет окружающее ее пространство вращаться вместе с ней, подобно тому, как водоворот вовлекает во вращение окружающую его воду. И как лодку затягивает в глубину подхвативший ее водоворот, так и вращающееся пространство заставляет материю и даже свет в определенной области пространства возле черной дыры вращаться вместе с ним. И наоборот – теоретически возможно извлечь энергию вращения черной дыры с помощью имеющихся в области водоворота магнитных полей[82]. Сингулярность в центре вращающихся черных дыр представляет собой уже не точку, а кольцо с невероятными свойствами: математически его можно представить как замкнутую линию, следуя по которой, вы возвращаетесь в ту же точку, из которой отправились в какой‐то момент времени, точно в тот же момент времени.

Черные дыры образуются только из очень больших звезд, которые живут недолго, может быть, всего несколько миллионов лет. Вскоре после своего образования гигантская звезда взрывается. Там, где образуются молодые звезды, вскоре возникают и звездные черные дыры. На настоящий момент в нашем Млечном Пути их количество оценивается примерно в сто миллионов. Они находятся в тысячах световых лет от нас и слишком малы, чтобы мы могли их зарегистрировать. Иногда – если вы застанете какую‐нибудь из них за высасыванием вещества из соседней звезды, обращающейся вокруг нее, – ее можно увидеть в небе в виде ярко сияющего в рентгеновском диапазоне источника. Такие пары называются рентгеновскими двойными звездными системами. На самом деле это обращающиеся друг относительно друга звезда и “звездный труп”. Черная дыра-зомби поедает своего партнера кусочек за кусочком.

В сердце Млечного Пути

Сейчас июнь 2016 года, и я сижу на плоской вершине горы Гамсберг в Намибии, где мы хотим построить новый радиотелескоп[83], на который не нашли пока денег. Я смотрю вдаль на потрясающий ландшафт. Вокруг разбросаны редкие хижины, подо мной во всех направлениях до самого горизонта простирается каменистая разноцветная пустыня, а надо мной заходящее Солнце окрашивает почти безоблачное небо в темно-красный цвет. Я заворожен переливами красок на песке в свете медленно заходящего за горизонт Солнца. Есть ли более чудесный момент, чем этот? Я никогда не смотрю на небо глазами объективного наблюдателя, оно для меня всегда окутано волшебством.

Ясными и сухими южноафриканскими ночами, вдали от городов, звездное небо раскрылось надо мной, подобно огромному расписному куполу. На темном бархате небосвода сияет во всем своем великолепии яркая полоса Млечного Пути протяженностью 100 000 световых лет, и всю ее можно охватить одним взглядом. Бесчисленные звезды сплетаются в светящуюся вуаль, которая тянется через все небо. Темные пятна придают ей непривычную для меня рельефность, поскольку обычно я смотрю на нее из Северного полушария Земли. Эти пятна – межзвездные пылевые облака – питомники по выращиванию новых звезд, планет и черных дыр – я могу здесь рассмотреть невооруженным глазом. Вверху, почти прямо надо мной, находится галактическое ядро Млечного Пути. Где‐то в его центре спрятана “моя” черная дыра. Звездное небо ясно, и потому она кажется настолько близкой, что ее вроде бы даже можно коснуться. Правда, где именно она прячется, я могу только догадываться, потому что темные пылевые облака нашей родной Галактики загораживают ее от меня. Каким бы прекрасным ни был Млечный Путь, нам трудно до конца осознать его красоту – в основном потому, что мы являемся его частью. Мы не просто наблюдатели, мы – обитатели этого островка в космосе.

Наряду с Луной Млечный Путь – самое заметное образование на ночном небе. Он сияет так ярко и отчетливо, что, согласно легенде, привел апостола Иакова Великого в Сантьяго‐де-Компостела. Но сегодня, когда я иду туда же по паломническому пути Эль Камино, я использую GPS. А вот навозные жуки, катящие прочь от навозной кучи слепленные из навоза шарики, для ориентировки все еще используют Млечный Путь[84]. Без сомнения, эта светящаяся полоса в небе не могла не пробуждать мысли и чувства самых первых охотников-собирателей.

Млечный Путь получил свое название еще в древности. Согласно греческому мифу Зевс приложил к груди своей жены Геры, когда та спала, их сына Геракла. Но ребенок сильно толкнул богиню, разбудив ее, и та отстранила Геракла; при этом небольшое количество грудного молока разлилось по небесному своду: так родился Млечный Путь, или по‐гречески – Galaxias (откуда и происходит знакомое нам слово “галактика”). Наш Млечный Путь состоит из сотен миллиардов звезд. Все другие “млечные пути” в космосе называются галактиками. Естествоиспытатель и исследователь Александр фон Гумбольдт именовал их Welteninseln – буквально: “острова миров”. Обычно это немецкое название галактик переводится как “островные вселенные”, и такой вариант мне нравится больше.

Демокрит, греческий философ, в V веке до нашей эры утверждал, что свет Млечного Пути может быть не чем иным, как суммой свечений отдельных звезд. Почти 2 000 лет спустя Галилей, наблюдая в свой телескоп звездное многообразие нашего Млечного Пути, подтвердил, что Демокрит был прав. Иммануил Кант в XVIII веке написал, что Млечный Путь должен представлять собой диск и что звезды в нем должны располагаться примерно в одной плоскости.

Приблизительно в то же время французский астроном Шарль Мессье, находясь в Отеле Клюни в центре Парижа (где сегодня помещается Национальный музей Средних веков), начал охоту за кометами. Попутно он обнаружил на небе множество странных облачных пятен, которые явно не были кометами и не двигались. Что это были за облака, Мессье сказать не мог, но он задокументировал и пронумеровал их. В общей сложности 110 таких размытых образований попало в каталог, который теперь носит его имя.

Сегодня астрономы-любители по‐прежнему с удовольствием наблюдают за этими объектами Мессье. Они обозначаются буквой М от имени Мессье, за которой следует каталожный номер. M1 – это Крабовидная туманность, образовавшаяся из сверхновой в 1054 году. Шаровое скопление Геркулеса M13 – самое яркое шаровое скопление в Северном полушарии, находящееся на расстоянии 22 000 световых лет от нас, содержит сотни тысяч старых звезд, обращающихся друг относительно друга по орбите диаметром 150 световых лет. M42 – туманность Ориона, в которой рождаются новые звезды.

Все эти объекты являются частью нашего Млечного Пути. Он полон удивительных структур и скоплений. Но не все объекты в каталоге Мессье являются частью нашей островной вселенной. Например, M31 – галактика Андромеды, которая раньше называлась Туманностью Андромеды, – это галактика-близнец нашего Млечного Пути. Она располагается по соседству с нами на расстоянии 2,5 миллиона световых лет. А галактика M87, также называемая Девой А и находящаяся в созвездии Дева, – это галактика-монстр с несколькими триллионами звезд и огромной черной дырой в центре, изображение которой мы как раз и получили. В свое время Мессье ничего этого не знал. Для него было просто важно составить удобный список, чтобы никто по ошибке не спутал эти облака с кометами.

Уильям Гершель довольно точно оценил истинные размеры Млечного Пути еще в конце XVIII века. Гершель был астрономом-любителем, который зарабатывал на жизнь музыкой, сочиняя симфонии и фуги[85]. Однако его настоящей страстью были звезды, которые он наблюдал вместе со своей сестрой Каролиной. Каролина была певицей и, как и ее брат, – одаренным астрономом.

Хотя уроженец Германии Гершель являлся самоучкой, он имел репутацию одного из лучших изготовителей телескопов-рефлекторов. Гершель сам отливал из металла зеркала, достигавшие иногда метра – а то и больше – в диаметре. Он поставлял телескопы ученым и дворянам по всей Европе, а один инструмент даже отправил в Китай. Более всего ему нравилось рассматривать и изучать звездное небо, используя сконструированную им самим установку – самый большой 1,2‐метровый телескоп, который опирался на гигантскую деревянную раму и перемещался с помощью системы шкивов и подъемных механизмов.

Гершель, родившийся в Ганновере, был сыном военного музыканта и в молодости вместе со всей семьей перебрался в Англию, куда направили его отца. Здесь брат и сестра Гершели занялись подсчетом звезд и расширили каталог, составленный Шарлем Мессье. Гершель обнаружил, что некоторые облака, описанные Мессье, на самом деле состоят из отдельных звезд. В 1785 году Гершели опубликовали рисунок Млечного Пути, состоящего из 50 000 звезд. Правда, изображение, приблизительно овальной формы, плохо соотносилось с реальностью, но это объяснялось скорее ошибкой метода, использованного братом и сестрой, чем данными. В модели Гершеля наше Солнце все еще находилось примерно в центре Млечного Пути. Как нам сегодня известно, это было заблуждением.

К ХХ веку у исследователей уже сложилась на удивление точная картина нашей Галактики. Астрономы считали, что она имеет форму диска диаметром около 100 000 световых лет. Ее протяженность по вертикали составляла около 4 000 световых лет. Тем не менее большинство ученых тогда по‐прежнему полагало, что Солнце находится в центре Галактики.

Следующий шаг был сделан в начале ХХ века голландцем Якобусом Каптейном, который в свои двадцать семь лет уже являлся профессором астрономии в Гронингене. Он понял, что все звезды движутся вокруг общего центра. В 1922 году Каптейн опубликовал свою динамическую модель Млечного Пути, но тоже ошибся в ключевом вопросе о положении Солнца (зная то, что мы знаем сейчас, – к счастью: в его модели наша Солнечная система все еще находилась очень близко к центру, так что, будь он прав, мы бы оказались в непосредственной близости от гигантской черной дыры).

Эту ошибку исправил американский астроном Харлоу Шепли. Свои исследования он проводил в обсерватории Маунт-Вилсон, где работал с гигантским телескопом. Шепли определил размер Млечного Пути с помощью шаровых скоплений, вычислив их расстояния до Земли.

Это стало возможным только потому, что его соотечественница Генриетта Свон Ливитт в 1912 году открыла способ, с помощью которого можно вычислить расстояние до звезд определенного типа (в ее случае – до переменных цефеид), воспользовавшись регулярными периодическими колебаниями их светимости. Ливитт, как и Энни Джамп Кэннон, принадлежала к поколению увлеченных и неутомимых женщин-астрономов, чьи достижения в те годы не всегда получали должное признание. Но, к счастью, справедливость в конце концов восторжествовала, их заслуги оценили по достоинству, и некоторое время назад в честь Кэннон и Ливитт были названы лунные кратеры.

Определив положения этих шаровых скоплений, Шепли понял, что они не группируются вокруг Солнца. Это означало, что спиральные рукава Галактики не могут вращаться вокруг нашей планетной системы. А из этого, в свою очередь, следовало, что центр Млечного Пути должен был находиться намного дальше от нас, чем предполагал Каптейн. Шепли оценил расстояние от нашей Солнечной системы до центра примерно в 65 000 световых лет. Позже он скорректировал его и уменьшил до примерно 35 000 световых лет. Это открытие сделало Шепли Коперником нашей домашней Галактики. Прусско-польский каноник когда‐то перенес Землю из центра нашей планетной системы на удаленную от Солнца орбиту, а теперь Шепли изгнал Солнце с его планетами из центра нашего Млечного Пути на его периферию.

Шепли полагал, что размеры Млечного Пути значительно больше, чем считалось до сих пор. По его оценкам, диаметр Млечного Пути составляет 300 000 световых лет. Ученый думал, что существует лишь одна галактика – наша, что все туманности – это ее части, а вся Вселенная состоит только из нашего Млечного Пути.

Опубликовав свою точку зрения, Шепли втянулся в легендарный диспут, который состоялся 26 апреля 1920 года в Национальном музее естественной истории в Вашингтоне, округ Колумбия. Эту жаркую дискуссию позже окрестили “Великими дебатами”. На них сошлись две астрономические школы: в одном углу воображаемого ринга стоял Шепли, отстаивающий свою идею гигантской галактики с далеким от центра Солнцем, а в другом – его критик Гебер Кёртис, представивший теорию островных вселенных. Кёртис считал, что Млечный Путь был лишь одной из многих галактик и что каждая спиральная туманность составляла свою собственную независимую звездную систему. Но вместе с тем в его модели наша Солнечная система занимала центральное положение внутри Млечного Пути.

Утром того дня оба ученых прочитали лекции с изложением своих теорий. Схватка произошла вечером в формате открытой дискуссии. Ни один не уступил другому ни дюйма. Кёртис, который на протяжении своей карьеры руководил несколькими обсерваториями и организовал около дюжины экспедиций по наблюдению солнечных затмений, был уверен, что Шепли проделал свои измерения небрежно. Оба яростно отстаивали собственные позиции, и в тот вечер явный победитель так и не определился. Возможно, впрочем, что к концу выступления Шепли удалось перетянуть на свою сторону некоторых слушателей. А вообще‐то, как мы сейчас понимаем, оба ученых были отчасти правы.

В аудитории сидел человек, который с большим интересом слушал аргументы и Шепли, и Кёртиса. Его звали Эдвин Хаббл. Вскоре именно он – бывший юрист – вынесет свое решение по результатам этих Великих дебатов. Как ни странно, собственные ключевые исследования он провел в той же обсерватории Маунт-Вилсон, что и Шепли.

Благодаря Хабблу мы можем относительно точно ответить на вопрос, как далеко человек способен видеть невооруженным глазом. Ответ: на расстояние, чуть меньшее трех миллионов световых лет. Наш глаз видит расположенную на этом расстоянии ничем не примечательную точку на небе – соседнюю галактику Туманность Андромеды – M31, – единственную галактику, которую мы можем увидеть на ночном небе без телескопа. Все остальные видимые нам звезды входят в галактику Млечный Путь. Туманность Андромеды, кроме того, является ключом к разгадке разногласий Шепли и Кёртиса. И даже более того – к разгадке всей структуры Вселенной.

Спустя три года после легендарных дебатов Хаббл обнаружил, что Туманность Андромеды – это нечто большее, чем простое газовое облако, внутри которого рождаются новые звезды[86]. В так называемой туманности он нашел звезду, которую смог использовать для измерения расстояния от этой туманности до Земли. Это был пульсирующий, периодически мигающий свет переменной цефеиды, такой же, как те, что описала Генриетта Свон Ливитт. По кривой блеска этой звезды удалось определить ее светимость и, следовательно, ее расстояние от Солнца.

Полученный результат – большое расстояние – мог означать только одно: вся эта структура должна была находиться вне Млечного Пути. Как только Хаббл добавил результаты других наблюдений, он понял, что туманность на самом деле является самостоятельной галактикой. Шепли ошибался: наш Млечный Путь – лишь одна из многих галактик во Вселенной. Прежде чем опубликовать свои выводы, Хаббл в письме сообщил Шепли о проделанной работе. Остается открытым вопрос, поступил ли он так из злорадства или из джентльменского чувства долга. До этого Шепли резко критиковал Хаббла и ясно давал понять, что не слишком серьезно относится к его идеям, однако теперь он вынужден был признать свою ошибку. Прочитав письмо, он показал его своей студентке и сказал: “Вот письмо, которое разрушило мою вселенную”[87].

“История астрономии – это история отступающих горизонтов”, – написал Хаббл в 1936 году в своей книге “Царство туманностей”[88]. Но если говорить о Млечном Пути, то в 1920‐е годы, после открытий Хаббла и других ученых, горизонт не распахнулся еще в той степени, в какой позволяют это наши нынешние знания. Космосу предстояло расширяться и расширяться, и тогда еще было неясно, где именно мы в нем находимся, поскольку пыль, скопившаяся в центре диска Млечного Пути, скрывала его от “взора” оптического телескопа.

Ситуация изменилась только в начале тридцатых, когда изобретение радиотелескопа открыло астрономам новое окно во Вселенную. В 1932 году Карл Гуте Янский впервые обнаружил космическое радиоизлучение, зарегистрировав радиошумы явно космического происхождения; при этом самые сильные сигналы приходили из окрестности созвездия Стрелец. Сегодня мы знаем, что галактический центр, находящийся посередине нашего Млечного Пути, лежит именно в том направлении.

Голландский ученый Ян Оорт тоже считал, что центр Млечного Пути лежит где‐то на этом направлении. Оорт, давший свое имя Облаку Оорта, которое окружает Солнечную систему и является домом для комет, установил, что расстояние до галактического центра составляет примерно 30 000 световых лет, и в определении этого расстояния он очень близко подошел к измеренному сегодня значению в 27 000 световых лет. Его соотечественник Хендрик ван де Хюлст продвинул радиоастрономию еще на шаг дальше. Во время Второй мировой войны, когда Голландия была оккупирована нацистами, он скрывался в утрехтской обсерватории. Работая там, он предсказал, что водород, столь широко распространенный в атомарной форме в нашем Млечном Пути, должен излучать спектральные линии в радиодиапазоне, а именно – на частоте, в точности равной 1,4 ГГц (примерно в диапазоне частот наших современных мобильных телефонов).

Это стало для астрономов озарением в самом прямом смысле этого слова. Радиоволны могут проникать через препятствия толщиной в стену, и облака пыли в Млечном Пути не представляют для них серьезной преграды. Теперь можно было регистрировать радиоизлучение, пробивающееся сквозь темные пятна Млечного Пути, и ван де Хюлст и Оорт смогли измерить его структуру и даже обнаружить спиральные рукава в Галактике. Их было бы довольно легко увидеть, если удалось бы воспарить над Галактикой, но мы с вами находимся в ее плоскости и потому смотрим на нее сбоку.

В середине 1950‐х годов нам наконец удалось точно определить наше положение в Млечном Пути. Солнечная система на самом деле находится между Рукавом Стрельца и Рукавом Персея в так называемом Местном Рукаве. Мы движемся вокруг галактического центра со скоростью 250 километров в секунду. Хорошо, что нам не нужно составлять наши календари, руководствуясь галактическим годом: чтобы сделать полный оборот на этой галактической карусели, нашей планетной системе требуется 200 миллионов земных лет.

Подобно тому, как планеты обращаются вокруг Солнца, Солнце, в свою очередь, обращается вокруг центра Млечного Пути. Сегодня мы можем заметить его движение, понаблюдав за черной дырой в галактическом центре с помощью наших радиотелескопов в течение нескольких недель, как это регулярно делают мои коллеги Андреас Брунталер и Марк Рейд[89]. Высокая скорость галактического центра относительно нас – иллюзия, поскольку именно мы движемся относительно центра Млечного Пути вместе со всеми звездами вокруг нас.

Из-за этого в долгосрочной перспективе картина нашего неба также изменится. Примерно через 100 000 лет семь звезд знаменитого Большого Ковша, входящего в гораздо большее созвездие Большая Медведица, станут выглядеть иначе, чем сегодня. Трапециевидный ковш с ручкой будет выглядеть так, как будто кто‐то расплющил его о стену.

Млечный Путь по‐прежнему является объектом пристального изучения. Миссия Gaia Европейского космического агентства (ЕКА) сообщает нам массу новых подробностей его строения и истории развития. В 2018 году Амина Хельми раскрыла секрет, который наш Млечный Путь хранил с незапамятных времен. (Амина Хельми – галактический археолог и профессор Гронингенского университета, и в этом качестве она является преемницей своих великих предшественников Каптейна и Оорта.) Десять миллиардов лет назад наша Галактика поглотила целую галактику Гайя-Энцелад, и орбиты ее осколков до сих пор пересекают нашу Галактику. Захватив такую жирную галактическую добычу, диск нашего Млечного Пути вырос в размерах, а в центре у него образовалось небольшое брюшко, так называемый балдж (выпуклость).

Но Млечный Путь пока не закончил свое развитие. Вокруг него обращается еще много маленьких галактик, а через несколько миллиардов лет мы сольемся с равной нам по размеру соседней галактикой Андромеды. Нашу родную Галактику еще ждут впереди захватывающие события.

6

Галактики, квазары и Большой взрыв

Галактики в движении

На моем вводном занятии в начале каждого семестра я всегда несколько минут занимаюсь со студентами физкультурой. Я прошу пятерых студентов встать у стены плечом к плечу так, чтобы они образовали линию, перпендикулярную стене. Ближайшая к стене студентка должна, согнув в локте и прижав к телу левую руку, опереться ею о стену. Все остальные кладут свои левые руки на плечо соседа/соседки. По моей команде они одновременно должны вытянуть левые руки так, чтобы между каждым студентом и его соседом слева образовалось расстояние, равное длине руки. Что же тогда произойдет?

Если все они одновременно вытянут руки, то студентка, стоящая прямо у стены, должна будет сделать один шаг в сторону. Ее сосед, чтобы удержать равновесие и чтобы расстояние от него до соседки слева оказалось равным длине руки, должен сделать два шага в сторону, в результате чего он уже будет стоять на расстоянии двух длин руки от стены. А его соседу справа придется, соответственно, в ту же секунду отпрыгнуть на три шага в сторону. Ну, а что же ждет бедную студентку, стоящую последней? Все верно: она получит изрядный толчок и отлетит в сторону – сделать пять шагов за секунду просто нереально. К счастью, обычно мне удается ее поймать.

Эта демонстрация иллюстрирует процессы, происходящие при расширении пространства. Что случается, когда между двумя студентами или, скажем, между двумя галактиками появляется небольшой зазор? Они все будут отскакивать друг от друга, и чем больше будет становиться расстояние между ними, тем быстрее им придется двигаться. Это простое наблюдение, но когда мы распространяем его на космос, оно меняет наше представление о Вселенной так же радикально, как открытия Коперника, Кеплера или Ньютона[90].

Вскоре после того, как Эйнштейн опубликовал свою теорию относительности, он обнаружил, что у него возникла проблема с “его вселенной”: она оказалась нестабильной. Как известно, гравитационное взаимодействие обуславливает только притяжение объектов друг к другу. Технически, вселенная, заполненная материей, должна сжаться в точку, как воздушный шар, когда из него выходит воздух. Сегодня мы называем этот сценарий “Большим сжатием”.

К счастью, Эйнштейн смог проделать со своими уравнениями один трюк, а именно: вставить в них свободный параметр – так называемую “космологическую постоянную”. С ее помощью он ввел некую таинственную силу, заставляющую Вселенную расширяться, – своего рода антигравитацию. Введя эту космологическую постоянную, Эйнштейн смог спасти модель своей вселенной от неизбежного Большого Сжатия, однако тот факт, что пришлось искусственно ввести этот параметр, его раздражал.

Дальше – больше. В 1922 году советский физик Александр Фридман сообщил Эйнштейну, что он может описать Вселенную с помощью уравнений теории относительности даже без введения в них этой таинственной постоянной, – но только при условии ее расширения. Эйнштейн отверг эту идею. Он считал Вселенную вечной и неизменной, и в то время у него были веские причины так думать.

И все же эти базовые убеждения Эйнштейна удалось поколебать. Сделал это один католический священник, который не только математически описал расширяющуюся Вселенную, но даже заявил, что астрономы уже видели признаки такого расширения. Этим священником был Жорж Леметр из Бельгии. Выпускник иезуитского колледжа, переживший ужасы Первой мировой войны, он стал священнослужителем и параллельно начал изучать математику и физику в Лёвене. Свое обучение он продолжил в Кембридже, у прославленного астрофизика Артура Эддингтона, а завершил в Бостоне – в Массачусетском технологическом институте (MIT), где получил степень доктора философии.

Леметр первым обратил внимание на странные характеристики галактических туманностей, которые американец Весто Слайфер обнаружил, работая в обсерватории Лоуэлла в Аризоне. В 1917 году Слайфер измерил скорость галактик с помощью эффекта Доплера. Мы знаем про этот эффект в акустике: если мимо нас проезжает машина скорой помощи с ревущей сиреной, то пока она едет к нам, мы слышим более высокий звук, а как только она нас минует и начинает удаляться, мы слышим более низкий звук. То, что верно для звука, верно и для света. Если галактики движутся к нам, свет “сжимается” и становится более голубым; если они улетают от нас, свет “вытягивается” и становится более красным. Как мы знаем, свет всегда движется с постоянной скоростью в обоих направлениях, но восприятие нами цвета меняется. Итак, измеряя длины волн характерных спектральных линий атомов в свете галактик с помощью спектрографа, вы можете зафиксировать даже малейшие сдвиги этих линий и, следовательно, измерить скорость галактик в том направлении, вдоль которого вы смотрите.

Результат оказался неожиданным: если не считать нашей соседки – галактики Андромеды, – длины волн характерных линий в основном смещались в красную сторону. То есть почти все галактики (кроме туманности Андромеды) от нас удаляются! Это было более чем странно и не могло оказаться совпадением. Представьте себе большой танцпол, заполненный скользящими по нему парами. Разве число пар, движущихся к вам, не должно быть примерно таким же, как число пар, удаляющихся от вас? А что если окажется, что все они от вас удаляются? Вы решите, что все хотят держаться от вас подальше?

Ответ Леметра таков: дело не в нас – расширяется вся Вселенная, а вместе с ней удаляются и источники света. Сопоставив скорости галактик, рассчитанные Слайфером, с расстояниями, рассчитанными Хабблом, Леметр обнаружил, что галактики удаляются от нас с тем большей скоростью, чем они от нас дальше. Самые далекие галактики движутся быстрее всех – совсем как последняя в ряду бедная маленькая студентка на моей вводной лекции.

Все почувствовали огромное облегчение. Значит, покраснение приходящего к нам из других галактик света происходит не из‐за каких‐то неприятных и отталкивающих свойств нашего собственного Млечного Пути! Другие наблюдатели в других галактиках увидят то же самое, что и мы. В отличие от стены в моем классе, Млечный Путь не прикреплен ни к чему в космосе и не находится в центре Вселенной, а движется в толпе космических танцоров так же, как и все остальные. Весь космический танцпол продолжает все время расширяться.

Это можно представить еще вот как: пусть танцпол находится на внешней поверхности гигантского воздушного шара и танцоры танцуют на этой поверхности. Если шарик начнет надуваться, танцпол будет расширяться, а все танцоры – отдаляться друг от друга. Только те из них, которые держат друг друга в объятиях, останутся неразлученными, как Млечный Путь и Андромеда. Их взаимное притяжение сильнее, чем сила, заставляющая Вселенную расширяться.

Леметр опубликовал свои результаты в 1927 году на французском языке, сославшись на данные измерений расстояний Хаббла. Два года спустя Хаббл опубликовал собственные результаты – с аналогичными выводами и используя почти те же данные, – но только по‐английски. Однако он не упомянул ни Слайфера, измерениями которого оперировал, ни Леметра, с которым лично обсуждал результаты. Как историки науки, так и современники Хаббла говорят, что он “очень избирательно относился к подбору ссылок, не упоминая в своих публикациях работы своих коллег”[91]. Это еще мягко сказано. В научном мире ссылки на ваши работы и признания коллег являются единственной твердой валютой. Поведение, подобное поведению Хаббла, к сожалению, не редкость, но оно крайне неэтично.

В науке иногда дело обстоит примерно так, как в античном героическом эпосе Гомера “Илиада”: истории, которые о тебе будут рассказывать потом, важнее твоих деяний и даже твоей жизни. Хаббл хотел застолбить себе особое место в истории, и ему это удалось. Знаменитый космический телескоп назван в его честь, а закон расширения пространства долгое время назывался просто законом Хаббла. Только в 2019 году Международный астрономический союз проголосовал за переименование его в закон Хаббла-Леметра.

Этот закон сыграл решающую роль в расширении горизонтов Вселенной. С его помощью стало возможным измерять расстояния между Землей и самыми удаленными галактиками. Измерить расстояние в миллиарды световых лет больше не являлось проблемой. Если удавалось найти характерные спектральные линии атомов, испускающих свет в некой галактике, красное смещение этих спектральных линий служило мерой расстояния до нее.

Альберт Эйнштейн был совершенно не согласен с таким новым развитием событий. Ведь – если повернуть ход истории вспять – это расширение означало бы, что вся Вселенная уже давным-давно должна была быть сжатой в одну точку! В очередной раз, как и в случае с черными дырами, уравнения Эйнштейна приводили к сингулярности во времени и пространстве. Это значило, что Вселенная должна была иметь начало! Леметр оказался первым, кто осмелился озвучить эту мысль и заговорить о первичном атоме, из которого миллиарды лет назад, как из яйца, родилась молодая Вселенная.

Но Эйнштейну не понравилась и эта теория. Разве не подозрительно она звучала в устах священника, явно принимавшего желаемое за действительное? Разве эта идея не выросла из библейских представлений об акте творения? Католик Леметр вызывал недоверие, и ученые по‐прежнему скептически относились к его модели, а некоторые даже высмеивали ее, с иронией называя “Большим взрывом”. Да-да, этот термин первоначально имел отрицательную коннотацию, но, поскольку в конечном счете стоящая за ним идея была хорошо обоснована, то он все‐таки закрепился. В немецкой же литературе общеупотребительным стал термин Urknall, что означает “изначальный, довременной взрыв”, и мне он кажется более точным.

В долгих разговорах Леметр пытался убедить Эйнштейна, что его модель статичной вселенной не работает. И все же до того как теория Большого взрыва стала общепринятой, прошло много времени. Когда я был еще молодым ученым, я встречал выдающихся исследователей преклонных лет, решительно отвергавших эту идею. Похоже, они боялись, что, согласившись с теорией Большого взрыва, они позволят Творцу “выпрыгнуть из гроба”. Забавно, что история повторилась, но теперь стороны поменялись ролями. Если во времена Коперника и Галилея именно Ватикан отверг новую модель Вселенной, то во времена Леметра одним из первых, кто поддержал его новую теорию расширяющейся Вселенной, стал в 1951 году папа Пий XII.

Говорят, что старая теория умирает вместе с последними критиками новой. Так и случилось. Сейчас теорию динамичной, расширяющейся Вселенной полностью принимают все ученые, несмотря на то, что разгадать тайну Большого взрыва нам лишь предстоит.

Другой свет: радиоастрономия

Тысячелетиями люди могли смотреть на небо только невооруженным глазом. Позже, начиная с XVII века, им помогали в этом оптические телескопы. Но девяносто лет назад, с распространением совершенно новой методики, произошла революция в изучении космоса. Когда в 1932 году Карл Гуте Янский открыл космическое радиоизлучение, мы мгновенно увидели всю Вселенную в совершенно ином свете – буквально ином, потому что мы впервые использовали для наблюдений не видимый свет, а свет из другого диапазона электромагнитного спектра. Для астрономов это означало, что они вступают на абсолютно неизведанную территорию, к которой еще нужно было привыкнуть. Вначале некоторые воротили от нее носы, и потребовалось некоторое время, чтобы новая дисциплина – радиоастрономия – нашла свое место в рамках более широкой науки – астрономии, а ее инструменты стали называться телескопами, но уже не оптическими, а радиотелескопами. Компоненты оптических телескопов, с помощью которых формируется изображение, обычно изготавливаются из различных видов стекла, а радиотелескопы изготавливаются из стали.

Сегодня мы регистрируем космическое излучение во всем спектре электромагнитных волн, используя для этой цели радио-, инфракрасные, оптические, рентгеновские и гамма-телескопы. Мы принимаем радиоволны с частотой 0,01 ГГц, у которых длина волны сравнима с размером дома. Или гамма-лучи с частотой 100 миллиардов ГГц, с длиной волны в 100 миллионов раз меньше размера атома. Один гигагерц равен одному миллиарду колебаний в секунду – это тот тип излучения, который мы используем в wi-fi. Видимый свет колеблется с частотой 500 000 ГГц. Излучение, испускаемое Вселенной, можно сравнить с космической симфонией, где каждой отдельной частоте соответствует нота в музыкальной гамме света. Инструменты, которые есть у нас сегодня, охватывают диапазон частот в шестьдесят три октавы, что соответствует фортепиано с клавиатурой длиной почти 12 метров. До появления радиоастрономии мы слышали светомузыку Вселенной, исполняемую только в одной октаве. Благодаря радиотелескопам постепенно добавились басовые ноты, что придало Вселенной совершенно новое звучание. Внезапно небо, озаренное радиочастотным излучением, засияло не только звездами, но и черными дырами и светом, оставшимся от Большого взрыва. Позже, с появлением рентгеновских и гамма-телескопов, мы услышали и более высокие ноты.

Прорыв в новой области астрономии произошел после Второй мировой войны, и это не было случайностью: военные действия в воздухе обусловили развитие радаров. Помимо очень многого плохого эта смертоносная война дала человечеству и кое‐что хорошее: помогла создать необходимую технологию (хотя при всей ценности радиоастрономии мы никогда не должны забывать о ее печальном происхождении). После войны большое количество радиоантенн, тарелок-приемников и передатчиков оказались ненужными, и астрономы выстроились за ними в очередь.

В последующие годы в исследованиях использовались в основном гигантские радиоантенны, которые когда‐то создали инженеры для радиолокационных станций. В Англии группа бывших солдат Королевских ВВС под руководством Бернарда Ловелла начала строительство гигантского телескопа диаметром 76 метров в Астрофизическом центре Джодрелл-Бэнк. Из-за ошибки в расчетах его размеры оказались совершенно неподходящими для выполнения первоначально поставленных задач. Проект начал испытывать финансовые трудности, и Ловелл испугался, что его отправят в тюрьму. Но запуск первого советского спутника в 1957 году спас телескоп, поскольку группа, обслуживающая его, оказалась единственной во всей Англии, способной принять и расшифровать радиосигналы со спутника. (Конечно, это удалось сделать не с помощью гигантского радиотелескопа, а с помощью простой антенны[92].)

Голландцы тоже принялись исследовать небо в этом новом диапазоне электромагнитного спектра. Сначала они работали на немецком радиолокационном оборудовании, а затем построили на окраине города Двингело свой 25‐метровый телескоп, используемый для измерения излучения водорода с длиной волны 21 сантиметр, возможность наблюдения которого предсказал Хендрик ван де Хюлст.

Радиотарелка диаметром 64 метра, построенная в Австралии недалеко от небольшого городка Паркс в Новом Южном Уэльсе, вошла в историю благодаря невероятным усилиям ученых, первыми наладившими трансляцию по телевидению кадров высадки на Луну экипажа “Аполлона-11”.

В 70‐е годы немецкие радиоастрономы построили самый большой в мире полноповоротный радиотелескоп диаметром 100 метров в небольшом городке Эффельсберг недалеко от Бонна, тогдашней столицы Западной Германии. Будучи аспирантом в Радиоастрономическом институте Макса Планка, в ведении которого находится этот инструмент, я использовал его для своих первых радиоастрономических наблюдений.

Существовал только один радиотелескоп большего размера – 300‐метровая тарелка в обсерватории Аресибо в Пуэрто-Рико, построенная в 60‐е годы Министерством обороны США и позже переданная астрономам. Телескоп был установлен в естественном углублении и не допускал никаких перемещений тарелки. В результате с его помощью можно было наблюдать лишь небольшую часть неба. Этот объект стал известен благодаря фильму “Золотой глаз” о Джеймсе Бонде, в котором главный злодей заливает тарелку водой. В 2020 году кабели оборвались, тарелка сломалась, и радиотелескоп пришлось демонтировать.

Примерно в то же время в городке Грин-Бэнк американцы строили полноповоротную радиотарелку диаметром 90 метров. (Этот городок находится в сельской части штата Западная Вирджиния, которая была объявлена зоной радиомолчания. Сегодня он очень популярен среди тех, кто боится радиации.) Но в 90‐е телескоп в одночасье рухнул из‐за усталости металла. За день до этого мой коллега из Бонна[93] сделал фотографию телескопа – как выяснилось, последнюю: на следующее утро на месте телескопа он уже снимал груды обломков. Как правило, мы, радиоастрономы, не суеверны, но после этого случая все начинали немного нервничать, когда он доставал свою камеру.

Телескоп Грин-Бэнк был построен заново, и на этот раз его средний поперечник стал на один метр больше, чем диаметр 100‐метрового радиотелескопа в немецком Эффельсберге. Я никогда не мог понять, в чем состоит научное обоснование необходимости увеличить диаметр на метр. Совершенно ясно, что эта технология достигла своего предела. Никто не сумел бы – да и не стал бы – строить еще большие телескопы.

Тем не менее нам, астрономам, срочно требовались более крупные установки для получения более четких изображений. Разрешение изображения телескопа зависит от длины волны света и диаметра телескопа: чем больше телескоп, тем четче полученное с его помощью изображение. С другой стороны, оно становится тем более размытым, чем больше длина волны, на которой проводятся наблюдения. Радиоастрономия работает с гораздо большими длинами волн, чем оптическая астрономия, а это означает, что 100‐метровый телескоп в Эффельсберге получает не более четкие изображения, чем человеческий глаз. Черную дыру на этом телескопе вы обнаружить не сможете. Если вам нужны четкие изображения, вы должны придумать что‐то более масштабное. И тут на помощь пришла радиоинтерферометрия. Эта методика состоит в соединении воедино нескольких телескопов с целью создания эквивалентного им одного гигантского телескопа.

Первые после Второй мировой войны успешные радиоинтерферометрические измерения провела Руби Пейн-Скотт из Австралии. У нее была только одна антенна, но для увеличения базы телескопа она использовала поверхность океана в качестве дополнительного радиоотражателя. В 1964 году Мартин Райл построил в Англии One-Mile Telescope (Одномильный телескоп) и позже удостоился Нобелевской премии по физике за успешное объединение трех радиотарелок в один большой телескоп. Для получения все более четких изображений другие радиоастрономы продолжили на том же принципе создавать все более совершенные установки. В Нидерландах на месте бывшего концлагеря Вестерборк (почему‐то более подходящего места не нашлось) была построена сеть из четырнадцати 25‐метровых тарелок. А в Нью-Мексико в Соединенных Штатах появилась радиообсерватория VLA (Очень большая антенная система), состоящая в общей сложности из 27 параболических тарелок диаметром 25 метров каждая. Тарелки могли образовывать различные конфигурации, и их максимальная разрешающая способность была эквивалентна разрешению антенны с диаметром 36 километров, а это означает, что ученые обсерватории в конечном итоге получили в пользование телескоп, который превосходил по площади весь бостонский мегаполис. В течение многих десятилетий он был одним из самых эффективных астрономических инструментов в мире.

В конце концов мы начали соединять между собой радиотелескопы, разбросанные по всему земному шару. Идея заключалась в том, чтобы создавать системы размером с Землю, которые позволили бы получать максимально четкие астрономические изображения. Эта методика получила неуклюжее английское название Very Long Baseline Interferometry, которое астрономы обычно сокращают до VLBI (РСДБ – радиоинтерферометрия со сверхдлинной базой). Сверхдлинная база получается, когда телескопы располагаются очень далеко друг от друга. Благодаря этой технологии мы теперь имеем глобальные телескопы, и в конечном итоге именно эта технология позволила нам получить изображение черной дыры.

Квазары: поиски сверхтяжелых монстров

Когда астрономы обзавелись радиотелескопами, им показалось, что к привычным осязанию, обонянию, вкусу, зрению и слуху у них добавилось некое шестое чувство, благодаря которому можно совершать новые открытия. А когда они начали систематически прочесывать небо в поисках радиоисточников, то внезапно обнаружили тысячи новых небесных объектов. Никто и понятия не имел, что они собой представляют. Сначала астрономы предположили, что это звезды. Чем еще они могли быть?

В Австралии Джон Болтон зарегистрировал радиоисточник, посылавший сигналы со стороны объекта из каталога Мессье под номером M87, и – хотя и был убежден, что M87 – это самая настоящая галактика, – заявил, что радиоисточник скорее всего находится внутри нашего Млечного Пути. Из-за страха подвергнуться остракизму[94] он не осмелился поделиться со своими коллегами предположением о том, что это излучение преодолевает многие миллионы световых лет, – ведь если объект находится так далеко, а мы все еще можем его обнаружить, то его светимость должна быть невероятно высокой. Разве какое‐нибудь небесное тело, какая‐нибудь галактика или какой‐нибудь неизвестный объект в космосе могли быть источником такого мощного излучения? Гипотеза была слишком революционной.

Всего через десять лет опасения Болтона улетучились, и существование так называемых радиогалактик стало признанным фактом. Среди таких объектов были галактики M87 и Лебедь A, причем последняя, если верить закону Хаббла-Леметра, должна была находиться на расстоянии около 750 миллионов световых лет от Земли. Астрономов охватило сильнейшее волнение. Еще бы! Это радиоизлучение, которое мы и измерить‐то смогли всего несколько лет назад, позволило человечеству заглянуть в самые дальние уголки космоса и, соответственно, в далекое прошлое Вселенной.

Исследователи из Кембриджа составили большой каталог всех радиоисточников. Первая версия каталога была слишком короткой, вторая содержала много ошибок, но зато третья версия, названная 3С, послужила основой для многих последующих исследований. Новые радиозвезды и радиогалактики просто нумеровались последовательно. Однако никто не имел даже смутного представления о том, что представляют собой источники этих радиоволн. Изображения данных загадочных объектов на небе были еще крайне размыты, их положения определены крайне неточно. Было установлено, что само излучение создается электронами, движущимися почти со скоростью света по криволинейным траекториям в космических магнитных полях. Астрономы знали, что аналогичные процессы излучения электромагнитных волн происходят на Земле в ускорителях частиц, называемых синхротронами, и поэтому это излучение было названо синхротронным излучением.

Одни источники были вытянуты в длину и имели вид гантели, другие казались маленькими точками – как звезды. И действительно: начав изучать объект 3C 48, исследователи выяснили, что при переходе на другой диапазон длин волн света – видимый – на месте этого объекта находится нечто, напоминавшее звезду. Но спектральный анализ этого звездоподобного объекта поставил больше вопросов, чем дал ответов: в спектре излучения объекта 3C 48 были спектральные линии с необычными длинами волн, которые не получалось соотнести ни с одним известным элементом. Не обнаружили ли астрономы в космосе новый элемент?

Джон Болтон и его соавтор Джесси Гринштейн задумались – а не может ли это быть линией водорода, смещенной в красную область за счет эффекта Доплера? Но такая гипотеза показалась им слишком смелой, поскольку при подобном сильном красном смещении этот объект должен был бы находиться в космосе примерно в 4,5 миллиарда световых лет от нас. “У меня была репутация радикала, и я боялся подтвердить ее, рискнув выступить с такой экстремальной идеей”, – сказал позже Гринштейн.

Самым серьезным аргументом против гипотезы о невероятно большом расстоянии до этого источника был тот, что его светимость могла резко меняться в течение всего нескольких месяцев. Он не мог быть галактикой! Как удалось бы миллиардам звезд, расположенным на расстоянии сотен тысяч световых лет друг от друга, одновременно поменять свои периоды пульсаций так, чтобы их суммарный свет изменился от яркого к более тусклому в течение месяца?

Представьте, что все восемь миллиардов человек в мире одновременно хлопнули в ладоши. Вы бы услышали не один короткий хлопок, а продолжительный гул, потому что звук, естественно, приходил бы к вам из разных точек, разбросанных по всей Земле, не одновременно.

Зато, зная скорость звука, можно во всяком случае оценить размер источника звука по длительности гула. Чем меньше он длится, тем меньше протяженность пространства, из которого он исходит. Если я услышу звук хлопков, который длится секунду, то скорее всего подумаю, что аплодируют люди, сидящие на стадионе, так как размер стадиона примерно равен “звуковой секунде”, то есть расстоянию, которое звук проходит за одну секунду. (Конечно, это может быть и какое‐нибудь меньшее пространство.) То же самое и с переменными источниками света: если изменение происходит в пределах месяца, источник не может быть больше светового месяца. Это намного меньше, чем расстояние между нами и ближайшей звездой. Следовательно, объект 3C 48 должен быть звездой, верно?

Затем ученые обратились к следующему по яркости радиоисточнику в каталоге – 3C 273. Чтобы определить его точное положение, радиоастрономы из обсерватории Паркса в Австралии применили хитрость: они попросили о помощи Луну. Случайно вышло так, что ее орбита пересекала направление на радиоисточник. Когда Луна оказалась перед ним, сигнал от него на короткое время исчез из зоны приема большой антенны. Это было похоже на солнечное затмение, только здесь Луна закрывала не Солнце, а таинственный радиообъект.

Точно в момент исчезновения радиосигнала астрономы измерили первую угловую координату объекта: она должна была лежать где‐то у ближнего края Луны. Вторую они получили, когда дальний край Луны миновал объект и снова стал пропускать радиосигнал с 3С 273. Поскольку мы знаем диаметр Луны и точное ее местоположение, оказалось возможным вычислить точное положение радиоисточника, найдя точку пересечения этих двух лучей.

Кстати, 3C 273 может быть одним из самых ярких радиоисточников в небе, хотя сигналы от него всего в пять раз мощнее, чем принимаемые на Земле сигналы мобильного телефона стандарта LTE, оказавшегося на Луне. Как только положение 3С 273 стало известно, Мартен Шмидт (голландский астроном, работавший в Калифорнийском технологическом институте в Пасадене) начал исследовать эту область неба с помощью телескопа обсерватории Маунт-Паломар и нашел довольно яркую звезду в созвездии Дева – настолько яркую, что ее мог бы рассмотреть даже астроном-любитель с телескопом приличного качества. Шмидт быстро проанализировал спектр излучаемого ею света. И снова положение эмиссионных линий оказалось очень странным. Через полтора месяца он наконец расшифровал последовательность спектральных линий и убедился, что это был спектр водорода, который принадлежал объекту, удаленному от нас на 2 миллиарда световых лет. Это расстояние даже трудно себе вообразить. Расширение Вселенной так растянуло линии водорода, что они сместились в красную сторону на 16 процентов и появились в том месте, где их никто не ожидал увидеть.

Шмидт был настолько уверен в своих данных, что осмелился их опубликовать. Возможно, он и не знал в точности, что это за яркий объект в космосе, но все‐таки решил рискнуть. Поскольку объект только выглядел как звезда, но, скорее всего, ею не был, Шмидт за неимением подходящего термина назвал его просто “квазизвездным радиоисточником”, или QSR. А астрономы, часто прибегающие к сленгу, превратили эту аббревиатуру в “квазар”. “Как будто с глаз вдруг спала пелена и мы поняли, что звезда – это не звезда”, – скажет позже Шмидт[95].

Сегодня даже трудно представить, какой ажиотаж вызвало это открытие. Горизонт видимой Вселенной безмерно расширился, космическое пространство буквально взорвалось.

Казалось, что Вселенная прямо на глазах менялась и развивалась. Десять миллиардов лет назад была эпоха квазаров – тогда их активность достигла своего пика. В течение первых четырех миллиардов лет существования нашей Вселенной их число быстро увеличилось и они осветили все пространство. Но позже, в последующие эпохи развития Вселенной, квазары стали один за другим выгорать.

Однако что же это такое – 3C 273? Выводы, сделанные из наблюдений, оказались грандиозными. Если квазар 3C 273 можно было по‐прежнему отчетливо увидеть с Земли на таком огромном расстоянии, то он должен был светить в сто раз ярче, чем целая галактика. А если эта квазизвезда мерцала с периодом в несколько недель или месяцев, она не могла быть намного больше одного светового месяца, то есть, вероятно, была размером с одну Солнечную систему. И вот так постепенно до астрономов начало доходить, что 3С 273 и вправду являл собой очень таинственный объект. Он излучал невообразимое количество энергии, и вся эта энергия была сосредоточена в сравнительно маленькой области Вселенной. Как можно создать такую большую энергию в таком крошечном пространстве? Чем бы этот квазар ни был, он привел в замешательство даже самых многомудрых астрономов. До этого никто из них не сталкивался с таким гигантизмом в астрофизике.

Мысли некоторых ученых быстро обратились к величайшей из всех космических сил – гравитации. Чтобы нечто светило так ярко, его масса должна быть невообразимо огромной. Сэр Артур Эддингтон раньше уже обсуждал этот аргумент применительно к звездам. Поскольку свет тоже оказывает давление, то если бы звезда сияла слишком ярко, она бы лопнула – точно так же, как лопается слишком сильно надутый воздушный шар. Учитывая светимость столь гигантского небесного объекта, в целости его могла сохранить только огромная гравитационная сила.

Если использовать аргументацию Эддингтона для вычисления минимальной массы, необходимой для удержания квазара в целости, то она окажется равной почти миллиарду масс Солнца. Этого достаточно, чтобы свести с ума: разве можно себе представить, как масса, равная массе миллиарда Солнц, могла бы поместиться внутри одной Солнечной системы и светить, как миллиард Солнц?

Спустя шесть лет после открытия квазаров английский астрофизик Дональд Линден-Белл попытался выяснить, как разрешить эти противоречия. Что если в центре галактик были сверхмассивные черные дыры? Не маленькая звездная черная дыра, порожденная одной сверхновой, а миллиарды мертвых звезд, слившихся вместе, чтобы сформировать одного-единственного гиганта? Только такой объект мог излучать столько энергии, не разорвавшись при этом на части. К тому же он должен быть достаточно компактным. И в конечном итоге Роджер Пенроуз – британский математик и физик-теоретик – доказал, что возможность образования черных дыр допускается законами общей теории относительности.

Но как черная дыра может излучать свет? Разве она не должна быть черной? Да, сама черная дыра черная, однако газ, который притягивается к ней и вот-вот будет ею проглочен, – нет. Газ движется к черной дыре с невероятной скоростью и нагревается за счет гравитационной энергии, углового момента и магнитного трения. Вдобавок ко всему черные дыры невероятно эффективны: они заставляют почти все вокруг себя нестись со скоростью, близкой к скорости света.

Давайте представим металлический шар размером с кулак – для игры бочче. Если мы кинем его на игровой площадке, то он с глухим стуком ударится о землю, оставив небольшое углубление. Если мы зарядим этим же шаром пушку и выстрелим, то шар вылетит из нее со скоростью один километр в секунду и сможет пробить стену. А что произойдет, если мы дадим ему упасть на черную дыру почти со скоростью света? Он полетит в 300 000 раз быстрее, чем при выстреле из пушки. Но поскольку кинетическая энергия растет пропорционально квадрату скорости, у шара теперь будет примерно в сто миллиардов раз бóльшая энергия. Таким образом, полная энергия мяча для бочче в этом случае равнялась бы примерно десяти миллиардам киловатт-часов. Энергией одного такого падающего шара можно было бы снабжать электричеством дома трех миллионов немецких семей в течение года.

Это звучит как фантастика, но черные дыры действительно способны на такие вещи. Если пыль и газ попадают в гравитационное поле черной дыры, то из турбулентного газа, пронизанного магнитными полями, возникает и формируется так называемый аккреционный диск, похожий на аккреционные диски, обнаруженные вблизи новых звезд. И там, где располагается его внутренний край, этот гигантский “газовый вихрь” вращается вокруг черной дыры со скоростью чуть меньше скорости света. Газ нагревается из‐за магнитного трения и излучает яркий свет. Так называемая черная дыра сияет, как ярко-голубая звезда. Небольшая часть поступающей в нее горячей плазмы выбрасывается в космос под действием магнитных полей в виде гигантской светящейся струи (джета). По внешнему виду эти струи действительно напоминают след выхлопа – джета – реактивного самолета. В результате лишь немногим удачливым частицам удается сделать то, что не получается у всех остальных: вырваться из черной дыры. Как и в солнечной короне, частицы ускоряются в магнитном поле и генерируют мощное синхротронное излучение. На наших радиотелескопах мы как раз и видим, как из квазаров вылетают эти горячие намагниченные и сфокусированные струи, излучающие электромагнитные волны.

Эффективность этих гравитационных водоворотов и вырывающихся из них струй огромна – она почти в пятьдесят раз превышает эффективность реакции ядерного синтеза, происходящей в звездах. Таким образом, черные дыры являются самыми эффективными электростанциями во Вселенной. Вместо того чтобы бросать свой шар для бочче в черную дыру, я мог бы вылить в нее литр воды, и это простое действие произвело бы достаточно энергии для жителей города-миллионника на целый год. Вода‐то у меня под рукой есть, а вот подходящей черной дыры, к сожалению, нет. А ведь как легко тогда можно было бы решить все наши энергетические проблемы!

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.

Естественно, отдельные галактики в этих скоплениях не стоят на месте – они перемещаются и перемешиваются под действием гравитации, и зачастую одна пролетает мимо другой со скоростью более 1 000 километров в секунду. Понаблюдав за движением галактик на протяжении миллиардов лет их жизни, можно было бы, пожалуй, сказать, что они движутся подобно стремительно плывущей стае рыб: иногда две или три из них даже слипаются, в результате чего возникает новая, более крупная галактика, которая принимает форму массивного шара или толстой сигары. Мы называем такие галактики эллиптическими, и галактика M87 – одна из них. Но обитающие в них звезды никогда – или почти никогда – не сталкиваются, поскольку расположены далеко друг от друга, хотя, без сомнения, и чувствуют взаимное влияние гравитации.

Тяжелые галактики проваливаются в центр скопления и увеличиваются в размерах, а их черные дыры даже сливаются. Поэтому самые большие и тяжелые галактики часто располагаются в центре скоплений галактик и содержат самые большие черные дыры во Вселенной. Они – настоящие гиганты среди великанов. Таким же образом устроена и наша соседка – галактика М87. Именно M87 является самой близкой к нам галактикой во Вселенной среди всех галактик, прячущих в своем центре сверхтяжелые черные дыры.

И однако эти галактики двигались слишком быстро; по крайней мере так казалось Фрицу Цвикки – швейцарскому астроному, проводившему исследования в Калифорнийском технологическом институте в Пасадене еще в 1933 году. Гравитации звезд в таких конфигурациях явно недоставало, чтобы удерживать несущиеся во весь опор галактики, – при таких скоростях они должны были разлетаться во все стороны. Но этого‐то как раз они и не делали, а это означало, что какая‐то таинственная сила должна была удерживать их от разлетания. Если считать, что за “неразлетание” ответственна гравитация, то где‐то должна прятаться некая таинственная темная материя, которая обеспечивает эту дополнительную гравитацию и которую мы не можем видеть. Кроме того, ее должно быть в пять-десять раз больше, чем известной нам обычной материи.

В 1970‐е астроном Вера Рубин измеряла скорость вращения галактик с помощью оптических телескопов и эффекта Доплера. Казалось, они вращались немного быстрее, чем должны были бы. Это наблюдение подтвердил голландский ученый Альберт Босма, использовавший для исследования новый радиоинтерферометр в Вестерборке. Он увидел газ, из которого еще не образовались звезды, заполнявший пространство далеко за пределами галактики, видимой лишь с помощью оптических телескопов. И там тоже все вращалось слишком быстро. Галактики должны были быть заполнены темной материей, которая удерживала их как целое. Без нее галактики напоминали бы разлетающиеся тарелки с супом на слишком быстро раскрученном столе “Ленивая Сьюзен” в китайском ресторане.

Мы до сих пор не знаем, что такое темная материя. Некоторые астрономы считают разговоры о ней чепухой и утверждают, что ее не существует. Скорее, говорят они, наши законы гравитации просто перестают работать, когда мы переходим к галактическим масштабам. И все же большинство астрономов полагает, что темная материя существует и состоит из элементарных частиц неизвестного до сих пор вида.

Еще более запутанным все стало в 1990‐е годы, когда астрономы приступили к систематическому исследованию сверхновых, яркость которых можно было довольно точно измерить. Оказалось, что они сияли чуть менее ярко, чем можно было бы ожидать, учитывая расширение Вселенной и закон Хаббла-Леметра. Находились ли они дальше, чем считалось прежде? Если это так, то Вселенная должна была расширяться быстрее, чем мы думали. С тех пор темная энергия – неизвестная, таинственная, заставляющая Вселенную расширяться все быстрее – вошла в физико-астрономическое представление о нашем мире. На самом деле она уже присутствовала в уравнениях Эйнштейна в виде космологической постоянной, но сам Эйнштейн в какой‐то момент отказался от нее, назвав своим “самым большим заблуждением”.

Современнейшие космические модели и измерения, которые проделывают астрофизики, показывают, что около 85 процентов всего вещества во Вселенной – это темная материя, а пятнадцать процентов – это нормальное и знакомое нам так называемое барионное вещество. Вдобавок измеренная темная энергия всей Вселенной более чем в два раза превышает энергию, содержащуюся в темной и нормальной материи вместе взятых (мы помним, что согласно знаменитой формуле Эйнштейна E=mc 2 масса эквивалентна энергии). И тогда оказывается, что только примерно 5 процентов всей энергии Вселенной содержится в той форме материи, какой мы ее знаем на Земле, то есть в атомах и элементах периодической таблицы. Что касается формы оставшейся массы, то тут мы пока находимся в буквальном смысле в потемках.

Астрономы часто называют это открытие “новой Коперниканской революцией”. Прежде всего нам теперь известно, что люди не находятся ни в центре Вселенной, ни в центре Млечного Пути, ни в центре нашей Солнечной системы. Более того: наши тела и весь наш мир состоят из материи, которую по меркам всей Вселенной можно считать редкой и даже экзотической. Однако мне нравится смотреть на это с другой точки зрения: мы теперь знаем, что сотканы из совершенно особого материала.

Между темной материей и темной энергией с одной стороны и черными дырами с другой нет непосредственной связи, хотя последние и могут показаться столь же таинственными и темными. Темная материя, безусловно, может попасть в черные дыры и заставить их расти. Однако это, вероятно, происходит только в очень малой степени, потому что темной материи в центрах галактик очень немного, она рассредоточена по всему пространству. И темную энергию во Вселенной тоже можно обнаружить только на больших масштабах, и теоретически она не должна менять структуру черных дыр – ведь дуновение воздуха не может обрушить Эверест, даже несмотря на то, что вся масса воздуха на Земле в десять тысяч раз тяжелее этой одной горы. Тем не менее неизвестная природа темной материи и темной энергии привлекает внимание исследователей к пробелам в нашем понимании физики. Кроме всего прочего, новая теория пространства и времени, учитывающая темную материю и энергию, могла бы изменить и уравнения, описывающие поведение черных дыр.

Часть III

Путешествие за изображением черной дыры

Моя поездка на Телескоп горизонта событий и получение первого изображения черной дыры

Завораживающий мусоросборник

Я вырос поблизости от кёльнского квартала Зюдштадт, расположенного в десяти минутах ходьбы от физического института при Кёльнском университете и теперь всегда заполненного студентами. Позже, поступив в университет, я слушал там свои первые лекции, а затем, будучи приглашенным лектором, и преподавал. Но когда я был маленьким, мой мир ограничивался тротуаром перед нашим домом, где я обычно играл с другими детьми. Наша улица тогда еще была вымощена булыжником, и самым счастливым событием для меня являлся еженедельный приезд большого мусоровоза. Из него выходили мусорщики в оранжевой рабочей форме и ловко выкатывали к мусоровозу, стоящему перед домом, большие контейнеры с заднего двора. Мне ужасно хотелось быть водителем мусоровоза и водить супергрузовик, который захватывал бы гигантские контейнеры и пережевывал мусор. Меня восхищало то, что мусорщики могли управлять такой мощной машиной простым поднятием рычага. В выборе карьеры я тогда не сомневался: я стану заниматься чем‐то, что связано с огромными машинами!

Однако позже я увлекся физикой и в качестве темы работы на степень магистра выбрал черные дыры. И тут внезапно обнаружились удивительные параллели с моим детским увлечением. Черные дыры – это, по сути, космические мусоросборники, которые с невероятной силой притягивают к себе не только крупные звезды, но и молодых студентов колледжей. Я писал свою магистерскую диссертацию под руководством профессора Питера Бирманна, необычайно щедро делившегося со студентами разнообразными идеями. Они у профессора всегда были сумасшедшие, и он любил обсуждать их с нами. У Бирманна имелись знакомые по всему миру, он много путешествовал и знал, какие направления в астрономии были модны. Но, что еще более важно, пока он находился в разъездах, мы могли спокойно работать! Мои собственные докторанты хорошо знакомы с этим режимом – я тоже много путешествую. Тем не менее Бирманн оставался физиком старой школы: обычно в процессе разговора он хватал мел, проделывал на доске все важные расчеты и получал приблизительные результаты; а еще он умел вычислять логарифмы в уме. Его отец, Людвиг Бирманн, был директором Института физики и астрофизики Общества Макса Планка в Мюнхене и в свое время опубликовал важную работу по магнитному полю Солнца. В доме Бирманна бывали такие светила науки, как Вернер Гейзенберг и Отто Ган, которого юный Бирманн звал просто “дядей Отто”.

7

Галактический центр

Однако в первый раз я подпал под чары черных дыр не в аудитории, а после прочтения в журнале Spektrum der Wissenschaft (немецкое издание Scientific American) статьи Чарлза Таунса и Рейнхарда Гензеля. Эти ученые предположили, что одна из потрясающих сверхмассивных черных дыр с массой примерно в два миллиона масс Солнца может скрываться даже в центре нашего Млечного Пути[96].

Я был заинтригован. Из статьи я понял, что в астрономии происходит много интересного. Я подумал тогда, что хотя физика элементарных частиц – тоже увлекательная область, но она развивается не с такой скоростью, как астрономия. (Там все упиралось в трудности строительства и дороговизну больших ускорителей частиц: должны были пройти десятилетия, прежде чем их построят и они начнут выдавать результаты.) Черная дыра в центре нашей собственной Галактики – эта фантастическая идея сразу же захватила меня.

Еще одним стимулом стало соображение о том, что гравитация была последней до сих пор не совсем понятой силой, которая упорно сопротивлялась любой попытке объединить ее с другими силами природы. Гравитация – самый большой камень преткновения на пути создания единой теории, объединяющей теорию относительности с квантовой физикой. О единой теории я, по правде говоря, и понятия тогда не имел, но подумал, что стоило бы попробовать заняться ее поисками и, возможно, добавить свой небольшой кирпичик в общее здание физики. Когда вы планируете построить дом, очень полезно знать, чего именно вы хотите. С планированием карьеры дело обстоит точно так же: вы должны знать, чем хотите заняться. Я решил, что если и есть место, где происходит нечто захватывающее, то оно определенно находится на границе, отделяющей черную дыру от окружающего ее пространства.

Это было время искателей приключений. Я тогда уже перешел в Радиоастрономический институт Макса Планка в Бонне, где мне выделили крошечный офис, который я делил с двумя коллегами (один из наших трех столов даже не помещался в комнате и вылезал в коридор). Для моей последней студенческой работы Питер Бирманн выбрал теоретическую задачу о звездном ветре – может ли ветер, аналогичный известному нам звездному ветру, сдувающему вещество с поверхности звезд, дуть в космос с аккреционного диска квазара? Это удивительно, но вращающиеся вокруг сверхмассивных черных дыр диски материи имеют много общего с горячими сплюснутыми звездами, и, в частности, высокое давление света тоже должно было бы сдувать внешние слои вещества с диска. Мы видели, как экстремально сильные ветры, дующие с очень горячих звезд, уносят в космос большое количество материи. В случае с черными дырами надо еще учитывать, что свет отклоняется и фокусируется искривленным пространством. И я рассчитал, как движется газ в свете квазаров и как черные дыры в их центре отклоняют свет.

Это была чрезвычайно интересная для меня тема, и эффект позже был действительно обнаружен, но в то время задача выглядела чисто теоретической. В 1992 году я начал работу над докторской диссертацией на ту же тему. Однажды к нам в Бонн приехал Питер Стритматтер – директор обсерватории Стюарда в Аризоне, тесно сотрудничавший с моим научным руководителем. Он собирался обсудить с боннскими коллегами постройку нового субмиллиметрового радиотелескопа в Аризоне. Я с гордостью рассказал ему о своем проекте. Он вежливо меня выслушал, стараясь особо не зевать. Надо признаться, что он был не единственным, кто реагировал на этот проект подобным образом. Было похоже, что моя тема никого не интересовала.

И тем не менее для меня 1992 год стал переломным, полностью изменившим мою жизнь. Тогда произошли два важнейших события: наша дочь впервые увидела свет этого мира – и в центре Млечного Пути новый мир впервые раскрылся для нас.

Черное cердце Млечного Пути

Как только были открыты квазары и появилась идея о черных дырах, люди начали размышлять о том, что из этого следует. Если на расстоянии миллиардов световых лет в первые бурные годы существования космоса в центрах галактик находились гигантские черные дыры, то не могли же они за прошедшее с тех пор время просто исчезнуть? И если есть несколько галактик с черными дырами, то почему бы черной дыре не скрываться в каждой из галактик?

Вскоре астрономы начали замечать некоторые любопытные явления, происходящие в центрах соседних с нами галактик, находящихся на расстоянии всего 50 миллионов световых лет. Казалось, что их ядра ярко светились и извергали плазму, излучающую в радиодиапазоне. Вокруг их центров вращался горячий светящийся газ. Эти замечательные галактики, известные с 1940‐х годов, были названы сейфертовскими галактиками – в честь их первооткрывателя Карла Сейферта. Так не были ли и в этих процессах замешаны черные дыры? В 70‐е и 80‐е годы астрономы собрали целый “зверинец” галактик, которые подозревались в том, что они прячут у себя черные дыры. Все их назвали активными галактиками (то есть галактиками с активными галактическими ядрами [АЯГ]). Область астрономии, которая была занята исследованиями этих галактик, просто бурлила активностью. Перед астрономами встал естественный вопрос: а не скрывается ли один из этих сверхтяжелых монстров и в центре нашего Млечного Пути?

Британские астрофизики Дональд Линден-Белл и Мартин Рис, выдвинувшие в 1971 году данную гипотезу, предсказали, что континентальный радиоинтерферометр со сверхдлинной базой – РСДБ – мог бы обнаружить в нашем галактическом центре компактный радиоисточник, похожий на черную дыру.

Радиоастрономы немедленно приступили к поиску, и всего три года спустя Брюс Балик и Роберт Браун с помощью радиоинтерферометра в Грин-Бэнк (Западная Вирджиния) действительно обнаружили такой объект в центре нашего Млечного Пути. При этом они опередили команду Рона Экерса и Миллера Госса из Университета Гронингена буквально на полшага. Экерс и Госс сопоставили данные интерферометра в Оуэнс-Вэлли (Калифорния) с данными совершенно нового радиоинтерферометра, построенного на территории бывшего концлагеря в Вестерборке в Нидерландах, и подтвердили существование таинственного радиообъекта.

Этот новый радиоисточник расположен в центре области, называемой Стрелец А, и считается сердцем Млечного Пути, то есть галактическим центром. Это, бесспорно, самый яркий радиоисточник в созвездии Стрелец. Второй по яркости радиоисточник – Стрелец В. Даже спустя несколько лет после открытия Балика и Брауна ученые в своих статьях все еще называли его “компактным радиоисточником в галактическом центре”. В конце концов Роберту Брауну это надоело и он придумал для него аббревиатуру – Стрелец А*. Звездочка означала только то, что это очень необычный объект. А поскольку астрономы ленивы и не любят печатать длинные названия, то они сократили название еще больше – до Sgr A* (Sag A*)[97]. (Методика присвоения названий в астрономии может заставить научных журналистов нас ненавидеть, но мы, астрономы, находим ее совершенно естественной и абсолютно нормальной.)

Вскоре ученые – в надежде получить более четкие изображения – провели измерения Sgr A* с помощью сети радиотелескопов РСДБ, но их постигло разочарование. Объект выглядел совершенно неинтересно: почти круглое, слегка сплющенное пятно. Мы и представить не могли, что черная дыра такая невзрачная. В последующие годы для получения изображения использовались все более высокие частоты, с помощью которых радиоастрономы надеялись получить значительно более четкие изображения. Но они опять смогли разглядеть только несимметричное пятно, хотя и меньшего размера. А затем их осенило: для радиочастотного излучения Млечный Путь играл роль как бы гигантского матового стекла, из‐за чего четкие контуры объектов казались размытыми. Мы видели лишь расфокусированное изображение того, что происходило в центре Млечного Пути, поскольку горячий газ и пыль в галактическом диске не давали нам получить по‐настоящему четкое изображение. Какое разочарование!

В еще большей степени это относилось к видимому свету. Густые газопылевые облака в диске нашего Млечного Пути не только рассеивали видимый свет, как они это делали и с радиоизлучением, но и полностью поглощали его, блокируя любую возможность заглянуть “за занавес”. Так неужели же Млечный Путь сохранит свою тайну навсегда?

Я как раз приступил к своей докторской диссертации, когда этот занавес неожиданно приподнялся. Астрономы из разных городов Германии организовали в Бонне минисеминар, где рассказали о своих последних, еще неопубликованных, открытиях, касающихся нашего галактического центра. Я пришел в необыкновенное возбуждение.

В 1988 году группа исследователей под руководством бывшего директора боннского Радиоастрономического института Петера Мезгера и его коллеги Роберта Зилки впервые провела измерения Sgr A* на длине волны 1,3 миллиметра. (Это тот самый диапазон миллиметровых волн, который мы позже использовали для получения нашего изображения.) Правда, в распоряжении ученых был только один телескоп и они не смогли получить четких изображений Sgr A*, но у них создалось впечатление, что в этом диапазоне он сиял на удивление ярко. Но еще более удивительным оказалось то, что на более высоких частотах, в дальнем инфракрасном диапазоне, интенсивность излучения резко падала и его уже невозможно было зарегистрировать. Так что же создавало это излучение миллиметрового диапазона? Ультрагорячий газ вблизи черной дыры или просто далекое теплое облако пыли?

В 90‐е годы сотрудники Института Макса Планка в Бонне совместно с сотрудниками обсерватории Хейстек в Массачусетском технологическом институте провели пионерское исследование по использованию интерферометра РСДБ в диапазоне миллиметровых волн. А мой боннский коллега Томас Кричбаум как раз перед семинаром провел первые РСДБ-измерения Стрельца А* на частоте 43 ГГц, то есть на длине волны 7 миллиметров, и его новые результаты обсуждались на семинаре. Это были самые четкие изображения данного объекта на самых коротких длинах волн из всех когда‐либо полученных. Влияние матового стекла на излучение уменьшается квадратично с уменьшением длины волны, и похоже было, что в конце концов мы сумеем увидеть нечто более интересное, чем просто размытое пятно. На фотографиях Кричбаума у пятна появилась небольшая выпуклость, вытянутая в одном направлении. Не было ли это расплывчатым изображением небольшого плазменного джета, похожего на те, что вылетали из больших квазаров?

Но главным событием семинара оказались впечатляющие результаты, полученные группой под руководством Рейнхарда Гензеля из Института внеземной физики имени Макса Планка в Гархинге – городке, расположенном недалеко от Мюнхена. Гензель и Андреас Эккарт направили камеру ближнего инфракрасного диапазона на галактический центр. (Такие камеры используют обычно для ночных съемок, потому что они позволяют видеть невидимое человеческому глазу тепловое излучение. Этот свет имеет гораздо большую длину волны, чем свет, который видит наш глаз, и ему легче проникнуть сквозь пыльную завесу нашей Галактики.) И внезапно темный центр Галактики озарился ярким светом. Но было ли это свечением черной дыры?

Светящееся пятнышко выглядело очень размытым, потому что свет звезд исказился в атмосфере Земли. Когда свет проходит через слои воздуха, предварительно проделав долгий путь сквозь пространство, он начинает мерцать. (Мы можем наблюдать этот эффект в жаркий летний день, когда в воздухе, поднимающемся от раскаленной мостовой, образуются слои с разными коэффициентами преломления и проходящий через них свет начинает мерцать, а очертания всех предметов, на которые мы сквозь эти слои смотрим, искажаются.) Подобным же образом, только в больших масштабах, атмосфера искажает свет звезд. На Земле создается впечатление, будто звезды мерцают, но если смотреть на них из космоса, мерцание полностью исчезает. Вот почему космические телескопы так важны для исследований. И все же искажения, вызванные атмосферой Земли, влияют на ближний инфракрасный свет не так сильно, как на видимый.

Гензель и Эккарт придумали способ получения четких изображений с Земли. Вместо того чтобы использовать длинную выдержку, они провели замедленную видеосъемку галактического центра. С ее помощью им удалось запечатлеть дикий танец этого пятна света. В каждом отдельном кадре звезда выглядела застывшей, но затем они в компьютере корректировали ее скачки туда-сюда, ловко накладывая изображения друг на друга. Пятно в ближнем инфракрасном диапазоне становилось все более и более четким и в конце концов разрешилось на двадцать пять разных звезд. Значит, свет исходил не от черной дыры. Тем не менее одна из этих слабосветящихся точек находилась очень близко к Sgr A*. Был ли это долгожданный радиоисточник? Мы все ужасно разволновались.

Астрономы долгое время охотились за черной дырой в различных диапазонах волн, но снова и снова объект, который они принимали за Стрельца А*, оказывался простой звездой. Спустя годы выяснилось, что и в данном случае это была звезда. Если бы Стрелец А* был черной дырой, он действительно выглядел бы очень темным почти на всех длинах волн, кроме волн радиочастотного диапазона.

Хотя многое из того, что представили в тот день на семинаре, было лишь предположениями и впоследствии оказалось не совсем правильным, я проникся тогда уверенностью, что на наших глазах приоткрывается тайна черных дыр. И у меня возникло ощущение, будто мы смотрим через стекло на что‐то пусть и темное, но стоящее прямо перед нами.

Первые сомнения

Увидев новые РСДБ-изображения галактического центра, мой профессор спросил моего сокурсника Карла Мангейма (который впоследствии стал профессором в Вюрцбурге) и меня, нельзя ли объяснить такой вид галактического центра тем, что из него вылетают струи, как из квазара. “Поиск ответа займет у вас всего одну-две недели”, – добавил он с хитрой усмешкой. Было похоже, что мой постоянно путешествующий научный руководитель диссертации очень заинтересовался этой темой. И даже его коллега Питер Стритматтер, когда вернулся из Аризоны, выслушал то, что я ему рассказал, весьма внимательно.

Итак, я отложил в сторону задачу про звездный ветер квазара и с головой ушел в работу над изображением Стрельца А*. Две недели превратились в тридцать лет, но моя работа до сих пор не закончена. Похоже, я никогда больше не вернусь к первоначальной теме моей диссертации.

Так что же такое Стрелец А*? Что заставляет его светиться? Это действительно черная дыра, то есть миниквазар? Но Стрелец А* был всего лишь слабым огоньком! Если бы мы поместили в центр нашего Млечного Пути квазар 3C 273, он бы светил в сорок миллиардов раз ярче, чем тот огонек, который мы видим там сейчас. Разве можно даже сравнивать эти два объекта?

Мы использовали простую модель, которую Роджер Блэндфорд – один из ведущих астрофизиков-теоретиков мирового класса – вместе со своим докторантом Арье Кениглом в 1979 году использовал для описания радиоизлучения джетов в квазарах, и лишь добавили в нее возможность регулирования мощности этих плазменных струй. Мы, образно говоря, снабдили модель квазара педалью газа.

Можно представить себе космические джеты в виде струй, вылетающих из сопла реактивного двигателя самолета. Там горячий газ ускоряется и выбрасывается из сопла на высокой скорости. Чем больше пилот нажимает на газ, тем более мощной становится тяга этих двигателей, тем громче они ревут и сильнее раскаляются. В нашей модели квазара двигатель формировали сильные магнитные поля, а мощность его определялась тем, сколько материи поглотила черная дыра. Если хотя бы процентов десять той энергии, которая производится при падении материи внутрь черной дыры, превратились в магнитные поля и джеты, это могло бы объяснить яркое радиоизлучение квазаров. Поскольку черные дыры – вообще‐то относительно простые существа, мы не понимали, чем Стрелец А* может принципиально отличаться от своих гораздо более ярких братьев и сестер.

Квазары съедают примерно по одному Солнцу в год. Если бы наша черная дыра поглощала даже в десять миллионов раз меньшую массу, этой энергии все равно хватило бы для производства наблюдаемого радиоизлучения Стрельца А*. И в таком случае можно было бы сказать, что наш галактический центр – черная дыра, сидящая на голодной диете. Хотя определение голодная тут вряд ли уместно, поскольку рацион, составляющий одну десятимиллионную массы Солнца, это все равно целых три Луны в год. Любая маленькая звездная черная дыра, которых в Млечном Пути сотни миллионов, лопнула бы от такого количества[98].

Мы также смогли в своей модели объяснить размер радиоисточника, поскольку из‐за его минимальной мощности струя радиоплазмы была не больше, чем измеренная Кричбаумом с помощью РСДБ. Этот джет поместился бы внутри земной орбиты – сущий пупырышек по сравнению с джетами квазаров. Неудивительно, что на расстоянии 27 000 световых лет его было не очень хорошо видно.

Мы отправили нашу теоретическую работу в академический журнал Astronomy & Astrophysics одновременно с работой Кричбаума по наблюдениям с помощью радиоинтерферометра со сверхдлинной базой. Но тут мне пришло в голову, что осталась одна странность. В нашей модели радиоизлучение было подобно радуге – излучение различных частот спектра исходило из точек, расположенных на разном расстоянии от центра. Модель предсказывала, что по мере уменьшения длины волны источник этого радиоизлучения должен приближаться к черной дыре. На длине волны 7 миллиметров, которую Кричбаум только что использовал в своих измерениях, плазма все еще исходила из источника, расположенного на расстоянии одной астрономической единицы от черной дыры, то есть примерно на расстоянии от Земли до Солнца. Но при длине волны 1 миллиметр и короче источник радиоизлучения должен был бы находиться непосредственно в окрестности горизонта событий. Если перейти на язык цветов обычной радуги, это радиоизлучение должно соответствовать фиолетовому цвету самой внутренней дуги.

Значит, обнаруженное Мезгером и Зилкой излучение на длине волны примерно 1 миллиметр исходило непосредственно из окрестности горизонта событий? В пользу этой гипотезы говорил тот факт, что излучение как бы исчезало при переходе к еще более коротким длинам волн. Газ там больше не светился, потому что он уже исчезал за горизонтом событий?

Высказав Кричбауму свои соображения, я задал ему вопрос: возможно ли провести РСДБ-эксперимент на этих частотах, чтобы увидеть горизонт событий? Он с улыбкой ответил: “Да, мы, конечно, очень хотели бы провести такой эксперимент, но, к сожалению, Земля для этого недостаточно велика”.

В 1979 году Общество Макса Планка вместе с Национальным центром научных исследований во Франции и Национальным институтом географии в Испании основало новый институт – Институт миллиметровой радиоастрономии (IRAM) в Гренобле. В его распоряжении оказались два новых телескопа миллиметрового диапазона в Испании, а Боннский институт Макса Планка в кооперации с местным университетом построил третий телескоп в Аризоне. Предполагалось, что эти радиоантенны можно будет соединять для проведения РСДБ-экспериментов. Но для получения качественных изображений телескопов все еще не хватало. Кроме того, по словам Кричбаума, черная дыра в центре Млечного Пути была слишком маленькой – как и большинство остальных. Даже с помощью телескопа размером с Землю на такой длине волны увидеть ее горизонт событий с достаточной четкостью было бы невозможно. “Жаль”, – подумал я, но с тех пор эта идея засела у меня в голове, и я с ней так и не распрощался.

Молчаливое большинство

Моя докторская диссертация, скомпонованная из пяти разных статей в академических журналах, была полностью готова летом 1994 года, после двух лет лихорадочной работы. Я назвал ее “Голодные дыры и активные ядра”. Да, черные дыры именно “голодные”, потому что, вопреки общему мнению, большинство их – вовсе не дико прожорливые монстры. Они очень хорошо воспитаны и едят только то, что им подают. Мы воображаем их гигантами, но в масштабах галактики это просто маленькие птенчики. И, как и все птенцы, черные дыры должны сидеть в своем гнезде и ждать, пока мать-галактика не накормит их пылью и звездами. Если этого не происходит, они чахнут, становятся темными и тихими и перестают расти – совсем как Стрелец А*. Но никогда не умолкают навеки.

В своей диссертации я развил тезис о том, что плотное радиоизлучение черных дыр всюду подчиняется одному и тому же принципу: это излучение горячего газа, выбрасываемого магнитными полями с внутреннего края аккреционного диска в виде джетов. Струи, вылетающие из черной дыры, и газ, падающий в черную дыру из аккреционного диска, тесно связаны друг с другом и практически не могут существовать по отдельности. Должно выполняться универсальное соотношение между аккрецией диска и тем, что выбрасывается в виде джета. Говоря попросту, чем меньше попадает внутрь, тем меньше и выбрасывается[99].

На изображениях черных дыр в радиодиапазоне они выглядят как изрыгающие огонь драконы. Некоторые из них невероятно мощные и выбрасывают гигантские струи огня на огромные расстояния. Другие – слабые и вялые, и из их уст вылетает лишь легкое дуновение. Но почти все они производят струи, и в этом отношении квазары-обжоры-экстраверты ничем не отличаются от голодающих отшельников нашего Млечного Пути и соседних галактик. Да, с помощью этих джетов можно объяснить даже радиоизлучение маленьких звездных черных дыр. Просто важно сосредоточиться на излучении в непосредственной близости от основания джета (глотки) и не отвлекаться на наблюдения за гигантскими огненными плазменными струями. Вы должны точно знать, где искать.

Наконец, в моей диссертации утверждалось, что одни и те же физические законы работают в квазарах, звездных черных дырах и галактическом центре. Или, научно выражаясь, черные дыры масштабно-инвариантны и в окрестности их горизонтов событий всегда выглядят одинаково – неважно, малы они или велики. Оказывается, черные дыры невероятно предсказуемы. У них нет ни волос, ни неврозов, ни прыщей. Почему же тогда то, что происходит в непосредственной близости от черных дыр, не должно выглядеть одинаково для каждой из них – по крайней мере, когда вы заглядываете им прямо в глотку[100]?

Большинство черных дыр не особенно привлекают к себе внимание. Я когда‐то назвал их “молчаливым большинством”, потому что они похожи на людей: лишь немногие избранные покидают свою скорлупу и становятся публичными личностями, звездами (такие ведут себя эксцентрично, и все с интересом наблюдают за ними), в то время как остальные предпочитают не высовываться. И вот в 90‐е, после шумихи, поднятой вокруг квазаров, фокус интереса к черным дырам даже в средствах массовой информации сместился на среднестатистического представителя этого космического народа. А инициатором такого сдвига общественного внимания стал космический телескоп “Хаббл”.

Этот телескоп, обошедшийся во много миллиардов долларов, был запущен в космос в 1990 году и первое время вызывал только негативную реакцию, потому что его зеркало изначально было неправильно отшлифовано. Но в ходе драматической спасательной операции, проведенной в космической обсерватории, астронавты установили на “Хаббл” корректирующую оптику (“очки”). После этого телескоп смог получить изображения центров соседних с нами галактик с невиданной ранее четкостью, и его измерения подтвердили то, что предположили астрономы, когда рассматривали изображения, полученные с помощью земных телескопов: в других галактиках звезды тоже обращались с необычно высокой скоростью вокруг своих галактических центров. Но немедленно возник вопрос: находились ли и в центрах этих галактик черные дыры?

Ученые осторожно называли их “массивными темными объектами”, или МТО, но хорошо отлаженная рекламная машина НАСА регулярно заваливала нас пресс-релизами, в которых сообщалось, что телескоп “Хаббл” еще раз (естественно, всегда в самый первый!) нашел некую черную дыру в некой галактике. Позже аналогичным образом будет сообщаться об обнаружении воды на Марсе или о планете, похожей на Землю, которую НАСА опять открыло, – и опять впервые. Разумеется, телескоп “Хаббл” обнаружил не черную дыру, а только газ и звезды, окружающие черную дыру на большом расстоянии от нее.

В конце мая 1994 года из НАСА поступило одно из таких первых сообщений об успешной находке, и меня пригласили на радиостанцию Westdeutscher Rundfunk поучаствовать в молодежной программе Riff: Der Wellenbrecher и рассказать об этом. Прямой эфир был назначен на тот же день, что и защита моей диссертации, а следовательно, я – новоиспеченный доктор наук – должен был сразу после защиты бежать в радиостудию, чтобы успеть к началу передачи. Молодая модераторка немного нервничала, так как никогда раньше не брала интервью у физиков, ну а я никогда раньше не давал интервью в прямом эфире на радио. Но разговор прошел гладко, и передача закончилась прежде, чем мы успели это осознать. И я, и ведущая испытали большое облегчение.

Темой для интервью послужили наблюдения телескопа “Хаббл” галактики M87. Эта галактика была одной из тех “туманностей”, которые Шарль Мессье обнаружил в процессе своих изысканий, проводимых в парижском Отеле Клюни. Гебер Кёртис – сторонник теории островных вселенных – обнаружил странную яркую черточку, которая была направлена наружу из центра этой галактики. В 1970–1980‐е годы радиотелескопы помогли выяснить, что эта черточка представляет собой плазменный джет, движущийся почти со скоростью света, – точно такой же, как джеты, обнаруженные в квазарах и радиогалактиках, только значительно более слабый.

Во время радиоинтервью я рассказал, как космический телескоп “Хаббл” установил, что в центре галактики M87 находится объект с невероятно большой плотностью и массой порядка двух миллиардов масс Солнца и что это скорее всего черная дыра. Она была в тысячу раз тяжелее центральной черной дыры в нашем Млечном Пути. Девушка-модератор была несколько ошарашена этими цифрами, и даже мне они казались нереально большими. Я подумал, что американцы, конечно, любят немного преувеличивать свои открытия… возможно, и в этом случае они поступили так же. Но, определенно, это было нечто действительно огромное.

Правда, при такой массе черная дыра в М87 была бы в тысячу раз больше, чем Стрелец А*, но поскольку М87 находилась в две тысячи раз дальше, то горизонт событий ее черной дыры казался бы нам в два раза меньше, чем горизонт событий черной дыры в центре Млечного Пути. И однако даже последний был слишком мал для измерения. “Обидно, – думал я, – немного не хватает разрешения, но с этим ничего не поделаешь”. А ведь галактика M87 имела яркое компактное радиоядро, которое было бы удобно наблюдать даже на коротких волнах.

Если вы хотите увидеть черные дыры, вы должны осветить их окрестности. Так что, безусловно, было бы полезно понять, и откуда взять свет, и какой именно свет лучше всего подходит для этой цели. Но тут неожиданно вспыхнул ожесточенный спор о происхождении радиоизлучения голодающих черных дыр. Американский астрофизик Рамеш Нараян из Гарвардского университета, изучавший голодающие черные дыры, утверждал, что, в отличие от квазаров, в которых большая часть энергии излучается вовне, в черных дырах основная часть энергии почти незаметно исчезает вместе с сильно нагретым газом.

В этом вопросе я в конце концов согласился с Нараяном. Однако по другому пункту наши взгляды сильно разошлись. В его модели предполагалось, что источником радиоизлучения из галактического центра является газ из аккреционного диска, который вскоре должен исчезнуть в черной дыре. В нашей же модели радиоволны излучало вещество, которое только что смогло покинуть край черной дыры в джете. В случае с М87 мы даже смогли увидеть подобный джет непосредственно на изображении центра этой галактики в радиодиапазоне. Тогда почему наш галактический центр должен вести себя иначе? Мы считали, что наша модель справедлива для всех черных дыр.

Это была борьба неравных противников: в одном углу стоял известный профессор из Гарварда, а в другом – молодой аспирант. К счастью, организаторы конференций больше всего на свете любят интересную академическую полемику, так что меня снова и снова приглашали обсудить эту тему. Но кто из нас был прав? Как мы могли уладить спор? Одно было ясно: нам нужны новые данные в радиодиапазоне, причем прежде всего – от других “голодающих гигантов”!

К сожалению, в радиодиапазоне были доступны только очень ограниченные или устаревшие данные. И мало-помалу, чтобы проверить свою модель, я сам начал проводить наблюдения. Я подал заявки на проведение наблюдений на телескопах VLA (Очень большой антенной системе) в Нью-Мексико, VLBA (Антенной системе со сверхдлинными базами) и на нашем собственном телескопе в Эффельсберге. А также отправился на поиски черных дыр, обитающих в других галактиках. Этот отличный от моих привычных занятий теоретическими расчетами вид деятельности оказался весьма увлекательным.

В первый раз мне разрешили “послушать” космическое пространство с помощью 100‐метрового телескопа в Эффельсберге в горах Айфель. Я тогда смог направить гигантскую белую тарелку на точку в небе с помощью заранее запрограммированных координат простым нажатием клавиш – и это было нереальное чувство. Три тысячи тонн подчинились движениям моих пальцев! Я с восхищением смотрел на все эти чудеса, поражаясь могуществу науки и техники, и чувствовал себя маленьким мальчиком, которому наконец‐то удалось прокатиться на огромном небесном мусоровозе. Короче говоря, вскоре я понял, что не хочу больше, сидя за столом, корпеть над своими теориями. Теперь я хотел экспериментировать и сам проверять теории и модели.

Я переехал с семьей в США и провел два замечательных года в тихом маленьком городке Лорел, штат Мэриленд. Здесь, в Университете Мэриленда и балтиморском Научном институте исследования космоса, я с помощью космического телескопа “Хаббл” и нескольких радиотелескопов занялся выслеживанием черных дыр. И охотой на них.

Танец звезд вокруг черной дыры

В Европе группа во главе с Рейнхардом Гензелем, работающая с телескопами Европейской южной обсерватории (ESO) в Чили, объявила начало охоты на Стрельца A* – сначала с помощью 3,6‐метрового телескопа, а затем и с помощью 8‐метрового телескопа VLT (Очень большого телескопа). Но Гензель недолго оставался один, конкуренцию ему составила группа астрономов, проводящих наблюдения при помощи телескопов, расположенных на горе Мауна-Кеа (Гавайи). Началась гонка, в которой две команды исследователей соревновались друг с другом, соперничая за лидерство в исследовании центра Млечного Пути.

Первое столкновение произошло в 1996 году в чилийском городке Ла-Серена, на конференции, организованной по результатам исследований галактического центра[101]. Я представил доклад о Стрельце А* и о том, как сильно его радиоизлучение похоже на излучение черных дыр в других галактиках. Но самые впечатляющие результаты были представлены группой Гензеля. Изображения с высоким разрешением, которые ученые получали в течение нескольких лет, показали, что звезды в галактическом центре за это время сместились! Если результаты были правильными, звезды должны были двигаться с головокружительной скоростью.

Мы привыкли, что звезды на небе почти всегда находятся на одном и том же месте, но это не так. На самом деле все они мчатся по Млечному Пути со скоростью десятков тысяч километров в час друг относительно друга, однако, поскольку они так далеко, человек в течение своей жизни этого не замечает.

Положения звезд, обращающихся вокруг Стрельца А*, изменились всего за несколько лет, и это несмотря на то, что они находятся намного дальше от нас, чем звезды, которые мы видим поблизости. Что‐то должно было заставлять эти звезды двигаться с невероятной скоростью друг относительно друга. Только гравитация черной дыры, масса которой примерно в 2,5 миллиона раз больше, чем масса Солнца, может вызвать такой эффект, утверждал Гензель[102].

Смещение, видимое на представленных группой Гензеля изображениях, было минимальным. Чуть позже Андреа Гез представила результаты своей группы[103]. Гез была молодым профессором Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и незадолго до этого получила в свое распоряжение один из двух 10‐метровых телескопов Кека обсерватории Мауна-Кеа на Гавайях. Ее телескоп был больше, чем у Гензеля, и наблюдения на нем позволяли получить лучшие результаты, однако, начав позже, она не могла успеть заметить никакого смещения – этого пришлось ждать еще несколько лет. Но одно было уже ясно – стартовала настоящая конкуренция. В дальнейшем члены обеих групп с подозрением относились друг к другу и не показывали свои данные соперникам. На состоявшейся позже конференции эти двое наконец поднялись на подиум вместе, хотя и неохотно, и сравнили результаты, наложив диапозитивы с полученными ими изображениями друг на друга. И данные совпали! Нас это очень обнадежило.

Конференция в Ла Серена оказалась “потрясающей” и в прямом смысле. В какой‐то момент раздался громкий хлопок и потолок конференц-зала зловеще задрожал. Возникло ощущение, как от удара в живот. Многие из присутствующих выбежали на улицу, опасаясь, что здание может рухнуть. Это было первое землетрясение в моей жизни. Чилийцы сразу вспомнили о прошлых катаклизмах, унесших жизни многих людей. И только привычные к подобному калифорнийцы остались на своих местах. С трудом себе представляю, что могло бы случиться, если бы все не ограничилось одним этим подземным толчком.

После конференции для меня стало ясно, что в этой области должно произойти нечто интересное. Началась гонка за новыми открытиями, продлившаяся более двух десятилетий. Науке необходима система, позволяющая подвергать результаты проверке и критике, то есть система сдержек и противовесов. Конкуренция – это один из способов убедиться, что система действительно работает, а правильность результатов, полученных одной группой, проверяется соперниками. Подобно скороварке, конкуренция ускоряет развитие, но также и создает огромное физическое и психологическое давление. Конкуренция эффективна, когда разные группы находятся в более или менее одинаковых условиях. Нужны крепкие нервы, крепкое здоровье, достаточное финансирование и надежно функционирующая в течение многих лет инфраструктура. В данном случае все это наличествовало, и наше представление о работе “темных сил” в центрах галактик заметно продвинулось вперед. А как иначе мы смогли бы понять, существуют ли на самом деле черные дыры? Как иначе мы смогли бы их выследить?

Три года спустя Андреа Гез представила свои более поздние измерения движения звезд, а еще через два года стала первым астрономом, доказавшим, что звезды движутся по искривленным траекториям[104].

Однако как именно они двигались? Нам казалось, что все звезды обращались вокруг одной точки, но в том месте, где находилась эта точка, ничего не было. Стрелец А* по‐прежнему не был виден на снимках. И лишь точное сравнение данных, полученных в ближнем инфракрасном диапазоне, с радиоизмерениями, проведенными Карлом Ментеном в Бонне и Марком Рейдом в Смитсоновской астрофизической обсерватории (SAO) в Бостоне, показало, что точкой, вокруг которой все движется, действительно был радиоисточник Стрелец А*[105]. Все мчалось со скоростью несколько миллионов километров в час вокруг зловещего радиоисточника, неподвижно засевшего в центре[106]. Теперь стало ясно: если там и была черная дыра, то она пряталась где‐то в радиоизлучении Стрельца А*!

Андреа Гез также обнаружила, что одна из звезд движется по орбите с очень небольшими размерами (период ее обращения вокруг Стрельца A* составлял всего 15 лет). Ученая сообщила, что при следующем обороте эта звезда очень близко подойдет к предполагаемой черной дыре.

После этого опять настала очередь Рейнхарда Гензеля сделать следующий шаг, и он установил новую инфракрасную камеру на телескопе VLT Европейской южной обсерватории (ESO) в пустыне Атакама. Этот сухой и малонаселенный регион Чили является одним из самых неприветливых мест, какие только можно себе представить. Футуристический вид отеля ESO, в котором живет большинство приезжающих астрономов, напоминает секретное логово суперзлодея. (И, кстати, именно такую функцию отель выполняет в фильме о Джеймсе Бонде “Квант милосердия”.) С помощью нового комплекса инструментов астрономы смогли получить там самые четкие на сегодняшний день изображения центра Млечного Пути. Они использовали адаптивную оптику, в которой деформируемое зеркало позволяет за доли секунды компенсировать искажения, вызванные влиянием атмосферы. Астрономы измерили положение звезды S2, и их усилия были вознаграждены[107]. Сравнение со старыми изображениями показало, что всего за несколько лет она переместилась по орбите вокруг Стрельца A* с радиусом 17 световых часов. Это всего в три раза больше расстояния от Плутона до нашего Солнца.

Звезда двигалась по эллиптической орбите вокруг мощного радиоисточника – точно так же, как, по описанию Кеплера, планеты обращаются по своим орбитам вокруг Солнца. И точно так же, как Солнце и Луна тянут земные океаны туда и сюда, создавая приливы и отливы, черная дыра притягивает океаны горячего газа пролетающей мимо звезды. На этой орбите приливной силы, создаваемой Стрельцом А*, не хватило бы, чтобы разорвать звезду S2 на части. Это могло бы произойти, только если бы она оказалась на расстоянии чуть менее 13 световых минут от черной дыры. Но даже на такой орбите Стрелец А* притягивал эту маленькую звезду с чудовищной силой: ей пришлось развить невероятную скорость – более 7 500 километров в секунду! – то есть за один час она преодолевает расстояние в 27 миллионов километров. Зная скорость и расстояние звезды до Стрельца А* и применив старые добрые законы, выведенные Кеплером и Ньютоном, ученые вычислили массу Стрельца А*. Она оказалась равной 3,7 миллиона солнечных масс. На этот раз расчет дал более высокую, чем предыдущие, оценку для массы. Мое сердце запрыгало от радости, поскольку это означало, что и горизонт событий черной дыры также будет больше и его будет легче увидеть. Но погрешность измерений все равно была слишком велика: масса могла отличаться от расчетной на 1,5 миллиона солнечных масс в каждую сторону.

От предсказаний Дональда Линден-Белла и Мартина Риса, сделанных в 1970‐е годы, эти измерения отделяли целых тридцать лет. Теперь, когда научное сообщество получило представление о танцах звезд вокруг предполагаемой черной дыры, оно постепенно начало понимать, что происходит там, в космосе. Эта черная дыра стала главной “звездой” всего Млечного Пути, а астрономы превратились в папарацци, взволнованно рапортующих о каждом движении Стрельца А*.

Примерно в это же время команда Андреа Гез обнаружила звезду, которая обращалась даже немного ближе к галактическому центру. Ей требовалось менее двенадцати лет, чтобы обогнуть центр Млечного Пути, и двигалась она по своей орбите со скоростью, равной одной сотой скорости света[108]. С помощью телескопа, работающего в ближнем инфракрасном диапазоне, члены группы Гензеля смогли наконец уловить слабое мерцание именно в том месте, где находился источник радиоизлучения[109]. Теперь мы могли зарегистрировать Стрелец А* не только в радиочастотном свете, но и в почти видимом – ближнем инфракрасном диапазоне. Рентгеновские телескопы в космосе также начали регистрировать мерцание на краю темной области[110]. В течение нескольких минут яркость излучения увеличивалась, а затем оно снова тускнело. Излучение могло исходить только из области шириной всего в одну световую минуту, и это значило, что данная область не могла быть намного шире горизонта событий. Наблюдая за захватывающим космическим зрелищем, я подумал, что это похоже на окутывающую черную дыру грозовую тучу, в которой то и дело вспыхивают молнии, озаряющие окружающее пространство. Но разрешения одного телескопа было недостаточно, чтобы точно определить, что именно там происходит.

И вот группа Гензеля из Института внеземной физики имени Макса Планка в Гархинге вместе с коллегами из Франции и Германии, которыми руководил блестящий конструктор приборов Фрэнк Айзенхауэр, приступила к созданию технологически невероятно сложного и трудоемкого проекта по усовершенствованию оптических телескопов. Проект назывался GRAVITY и должен был позволить Гензелю с сотрудниками, соединив все четыре гигантских телескопа на горе в Чили, использовать их как единую систему, вместо того чтобы делать наблюдения на одном 8‐метровом телескопе. И в 2016 году им это удалось!

Будучи в конце 2017 года в Мюнхене, я впервые смог своими глазами увидеть, как день за днем перемещается звезда S2. Невероятно впечатляющее зрелище для астронома! Эти данные подтвердили вывод о том, что масса Стрельца А* действительно равна примерно 4 миллионам масс Солнца. Погрешность новых измерений составляла менее 1 процента. Давайте задумаемся на мгновение и восхитимся: теперь мы знаем массу черной дыры в центре нашего Млечного Пути с большей точностью, чем многие из нас знают собственный вес!

С тех пор команда GRAVITY регулярно получала изображения, позволяющие рассмотреть окрестности черной дыры почти до горизонта событий и увидеть завораживающие вспышки излучения, испускаемого Стрельцом A*. Кажется, что горячий газ, вспыхивающий молниями, движется почти со скоростью света и обращается вокруг какого‐то объекта, подобно карусели, вращающейся с головокружительной скоростью. И такое поведение вполне соответствовало тому, что мы ожидали увидеть вблизи черной дыры[111].

Четыреста лет назад мы обнаружили, что наши планеты обращаются вокруг Солнца. Сто лет назад мы узнали, что Солнце обращается вокруг центра Млечного Пути. Десять лет назад мы увидели звезды, которые как планеты обращались вокруг Стрельца A*, а теперь на расстоянии 27 000 световых лет от нас мы видим газ, который вращается со скоростью, близкой к скорости света, вокруг черной дыры. Снова и снова гравитация не дает небесным телам и газовым облакам освободиться от своего влияния и вынуждает их возвращаться на неизменные эллиптические орбиты. Какое замечательное путешествие в глубины Вселенной! Неудивительно, что в 2020 году Андреа Гез и Рейнхард Гензель получили за открытие темной массы в центре нашей галактики Нобелевскую премию по физике.

Но действительно ли этот загадочный невидимый объект в центре – черная дыра? Мы так близко подобрались к нему, и все же нам было отказано в возможности заглянуть в эту кажущуюся извечной бездну. Мы нуждались в еще большем телескопе.

В конце 90‐х, когда я жил в США, мне представилась возможность принять активное участие в работе космического телескопа “Хаббл” и в проектировании его возможного преемника. Но я хотел работать в радиоастрономии и потому, надеясь на лучшее, в 1997 году вернулся с семьей домой. Новым директором Института Макса Планка в Бонне стал тогда Антон Зенсус, возглавивший группу РСДБ-исследований, и он неожиданно предложил мне работу. Именно в этом институте были спроектированы самые большие глобальные сети телескопов.

В 1999 году в Бонне я встретил своих коллег Джеффа Бауэра, Серу Маркофф и Фэн Юаня. Джефф, получивший докторскую степень в Беркли, был экспертом в области РСДБ-исследований. Мы внимательно изучили свойства радиоизлучения галактического центра и позже смогли продемонстрировать, среди прочего, что на самом деле эта черная дыра почти никогда не поглощала материю[112]. Сера была теоретиком и получила докторскую степень в Аризоне. Совместными усилиями мы объединили модели, описывающие радиоизлучение меньших и больших черных дыр, в единую модель[113]. С помощью моего китайского коллеги Фэн Юаня мы связали идею Рамеша Нараяна о горячем диске с нашей моделью струй[114]. Так началось продуктивное многолетнее сотрудничество, и у меня возникло ощущение, что мы действительно приблизились к пониманию фундаментальных астрофизических принципов функционирования голодающих черных дыр, – как больших, так и малых.

Великая благодать

В середине 1990‐х годов мы накинули на нашу добычу сеть и стали постепенно ее затягивать… хотя в ней еще и оставались прорехи. Говоря юридическим языком, когда мы пытались доказать, что черные дыры сеют хаос в центрах галактик, мы полагались только на косвенные улики. Но, как это обычно бывает (и наука тут не исключение), таких улик оказывается недостаточно. Вы должны продолжать собирать факты в поддержку своей гипотезы до тех пор, пока либо все другие теории в какой‐то момент обнаружат свою несостоятельность, либо ваша гипотеза будет опровергнута. И многие астрономы – особенно представители старой гвардии – оставались настроенными скептически в отношении нашей идеи и даже наслаждались поднявшимся ажиотажем. “Не хватает доказательств, – повторяли они. – Вы еще слишком далеки от цели”. Снова и снова появлялись статьи, в которых утверждалось, что сверхмассивные черные дыры вообще не могут существовать. Чтобы отбиться от критиков, мы – астрономы – мечтали застукать подозреваемого на месте преступления и получить снимок, на котором было бы видно, что он все еще держит свою жертву. Как это было бы здорово!

Я хотел определенности! Больше всего на свете я хотел увидеть черные дыры!

Должно быть, стремление увидеть то, что скрыто, – это врожденная потребность человека, потребность, таящаяся глубоко в нас. Как ученый я верю только в то, что вижу, но прежде всего я должен верить в то, что в конце концов я это увижу.

8

Как получить изображение

Желание увидеть снова и снова овладевает моей душой, когда я слушаю старый духовный гимн “О, благодать”. Есть всего несколько песен, трогающих меня столь же сильно, как эта… в особенности один стих из нее, который часто заставляет меня прослезиться: “Был мёртв и чудом стал живой, Был слеп и вижу свет”.

Момент, когда наши глаза открываются, когда нам внезапно является истина, бесценен. Выйти из тьмы на свет, когда на тебя сходит благодать постижения новой истины, – один из самых ценных опытов нашей жизни. Иногда я думаю, что тот момент озарения, когда я говорю себе: “Наконец‐то я вижу!” – это именно то, ради чего живу. Если я знаю, что такой момент наступит когда‐нибудь в будущем, у меня появляются силы и я готов трудиться без устали.

Наверное, именно к этому все и сводится и в вере, и в науке: упорно надеяться, что вам будет дозволено обнаружить нечто новое. “Блаженны те, кто не видел, но уверовал”[115]. Так Иисус выразил свое отношение к вере, но я всегда считал, что в этом высказывании заключен смысл, который можно выразить словами “Блаженны те, кто пока еще не увидел”.

В повседневной 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 за горизонтом событий. Но круг выглядел слишком большим. Разве эта черная дыра не вращалась? Разве она не должна быть намного меньше, а точнее – в пять раз меньше – диаметра изображенного пятна?

Чем быстрее вращается черная дыра, тем ближе свет может подобраться к ней, когда пролетает мимо. Как будто он крутится на карусели и получает импульс из‐за кривизны пространства-времени, в результате чего у него возникает возможность сбежать, в то время как если бы он не получил такого импульса, его поймали бы на более дальних подступах. Я думал, что именно по этой причине вращающиеся черные дыры должны казаться меньше. Но эта черная дыра казалась наблюдателю намного, намного больше, чем радиус горизонта событий.

И вдруг до меня дошло: черные дыры сами себя увеличивают! Они являются гигантскими гравитационными линзами, поскольку если они и умеют что‐то делать хорошо, так это искривлять траекторию света. Вращение черной дыры тоже не представляло проблемы, так как, естественно, свет должен был обтекать черную дыру с обеих сторон. Правда, с одной стороны он проходит мимо черной дыры в направлении ее вращения и вплотную приближается к горизонту событий, но с другой стороны он вынужден двигаться против течения пространства-времени, и черная дыра может захватить его за пределами горизонта событий. То есть черная дыра далеко забрасывает сеть, чтобы поймать свет, пытающийся проскочить мимо нее.

И тут словно бы пелена упала с моих глаз. Если рисунок верен, а это рассуждение справедливо и применительно к “моей” черной дыре, то она должна была бы казаться в два с половиной раза больше, чем я полагал прежде даже при лучшем раскладе. Вращалась она или нет, для наблюдения было неважно – значение имела только масса, а ее мы точно знали.

В этом случае Земля (и, соответственно, база нашего интерферометра) оказалась бы для наших целей достаточно большой. Великая благодать! Может быть, я все‐таки смогу увидеть “свою” черную дыру! И не только я – все смогут ее увидеть! Эта мысль поразила меня, как вспышка молнии. В моем воображении стала формироваться конкретная картинка. Теперь у меня была четкая цель. Я хотел заглянуть в “пасть” черной дыры! Я встал и начал беспокойно мерить шагами комнату.

Черная дыра образует тень

Всякая идея, если ею не поделиться, подобна семени, которое не было брошено в землю. И поэтому я ходил на одну конференцию за другой и делился со всеми хорошими новостями, повторяя: “Да, мы сможем увидеть черную дыру”. Ведь попытаться получить изображение черной дыры можно было только в том случае, если бы мне удалось заинтересовать этим проектом коллег в разных странах, так как для осуществления замысла требовалась воля многих людей, преследующих общую цель. И для начала их всех нужно было вдохновить.

Однако пока все это было лишь теорией. Теории, конечно, хороши, но они не идут ни в какое сравнение с теориями, подкрепленными экспериментами. А эксперименты, в свою очередь, имеют смысл только тогда, когда полученные результаты можно обработать и проинтерпретировать с помощью теории. Хорошие эксперименты делают теории лучше и стимулируют появление новых идей, но они также стоят больших денег и усилий. А чтобы добиться необходимого финансирования, вам нужны заслуживающие доверия теории, которые могут предсказать то, что вы собираетесь увидеть. Вот и выходит, что наука – это всегда танго для двоих: для теории и эксперимента, где сначала ведет одна, а потом другой.

И теперь нам предстояло перестраивать работу на наших телескопах, переходя к все более и более высоким частотам, то есть к все более и более коротким волнам. Насколько близко можно подобраться к черной дыре? В 1994 году, после боннских измерений на длине волны 7 миллиметров, американская группа в обсерватории Хейстек в Бостоне, в которую входил, среди прочих, молодой радиоастроном Шеп Доулман, провела первый РСДБ-эксперимент на длине волны 3 миллиметра[117]. А мой боннский коллега Томас Кричбаум с помощью телескопов IRAM в Испании и Франции провел первое РСДБ-измерение на длине волны всего 1,3 миллиметра (частоте 230 ГГц)[118]. Тем не менее мы все еще не могли сказать, как выглядел этот объект. Эффект матового стекла нашей Галактики по‐прежнему скрывал его истинную структуру, качество полученных данных было плохим, телескопов было слишком мало, а чувствительность измерительной системы была слишком низкой.

В 1996 году я организовал и скоординировал серию наблюдений, в ходе которых впервые исследовалась яркость Стрельца А* одновременно с помощью нескольких телескопов на разных длинах волн. К нам присоединились коллеги из Японии, Испании и США. Мы не смогли получить никаких изображений, но интерпретация наших данных подтвердила, что излучение миллиметрового диапазона длин волн действительно должно было исходить от горизонта событий. В своей статье мы сделали точное предсказание о том, что, регистрируя это излучение с помощью эксперимента РСДБ, мы должны будем увидеть горизонт событий[119]. Однако нам все еще было совершенно необходимо обсудить эту гипотезу с учеными всего мира.

Лучшее место для обсуждения – конференция, и поэтому в 1998 году мы с моей коллегой Анжелой Котера из Аризоны организовали семинар по вопросам, связанным с галактическим центром[120]. Тогда в Тусон приехали специалисты со всего мира. Мы специально выбрали отель посреди пустыни, чтобы никто не мог сбежать ночью и у нас было бы достаточно времени для бесед друг с другом.

На конференциях кофе-брейки и общие обеды часто важнее презентаций. “Я приехал не из‐за презентаций, я приехал, чтобы выпить”, – как‐то полушутя сказал мне один опытный коллега. Люди – существа социальные, и когда вы вместе едите и пьете, то узнаете друг о друге и друг от друга очень много такого, чего не прочитаете ни в одном научном журнале.

Как и предполагалось, на семинаре разгорелись горячие споры. У нас не было световых мечей, но зато почти все участники обзавелись недавно появившимися в продаже лазерными указками, так что на экране всегда плясали три или четыре красные точки. Все это действо разыгрывалось перед Чарлзом Таунсом – нашим почетным гостем, сидевшим в первом ряду. Тем самым Чарлзом Таунсом, чьими научно-популярными статьями о черной дыре в центре Млечного Пути я зачитывался, еще будучи студентом.

Интересно, заметил ли кто‐нибудь забавность ситуации? Ведь Таунс был не просто ученым. Мы сражались на дешевых лазерных указках – а перед нами сидел человек, который в 1964‐м, за два года до моего рождения, получил Нобелевскую премию за изобретение лазера. Но сам Чарлз Таунс, в отличие от нас, до сих пор использовал только традиционную 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 что лучи зрения должны также пройти через светящийся газ перед черной дырой.

Но кольцо вокруг пятна не всегда имеет одинаковую форму. Если мы решим промоделировать задачу на компьютере, задав скорость вращения газа почти равной скорости света (а она в окрестности черной дыры, очевидно, именно такова), то получим только полукольцо. С той стороны, где газ движется к нам, свет усиливается, а с другой стороны – ослабевает. Более того, если вращается и сама черная дыра, то тень и кольцо сжимаются на несколько процентов и может даже появиться небольшой, едва заметный эффект сплющивания.

Двадцать лет спустя я узнал, что немецкий математик Давид Гильберт еще в 1916 году, всего через несколько месяцев после того, как Эйнштейн и Шварцшильд заложили основы теории черных дыр, проделал математические расчеты этих световых траекторий[123], – даже не зная, существуют ли черные дыры и что они из себя представляют. Труд Гильберта был забыт, вероятно, потому, что слишком опередил свое время.

В 70‐е и 90‐е годы также было предпринято несколько попыток рассчитать, как могут выглядеть черные дыры[124], но тогда отсутствовал реальный шанс их увидеть, и эти работы не привлекли большого внимания. Только после того, как наша работа была опубликована, об этих результатах вспомнили. Вышедший в 2014 году фильм “Интерстеллар”, безусловно, повлиял на представление о черных дырах, хотя модель, использованная в фильме, на самом деле не соответствовала ни M87, ни черной дыре в нашем галактическом центре. В фильме черная дыра окружена не сияющим облаком горячего газа, а тонким непрозрачным диском с дыркой посередине, и она не выбрасывает струю плазмы. Абсолютно неудивительно, что вы видите в диске отверстие, если сами же заранее поместили его туда. Темное пятно было бы видно там даже и без черной дыры. Только тогда тьма обретает реальность, когда вокруг все залито светом.

Пока мы с двумя коллегами писали нашу статью, предсказывающую, каким будет изображение черной дыры, мы также обсуждали, как нам называть “эту штуку”, а именно – черное пятно в центре. Ассоциативные названия очень важны, когда дело касается научных материй. Что ассоциировалось бы с Большим взрывом без слова взрыв? А так все понимают, о чем речь, хотя никто в действительности не может его услышать. Динамичные термины часто способны передавать смысл абстрактных явлений.

Мы запланировали телеконференцию, к которой и нужно было определиться с названием. Черной дырой мы “эту штуку” назвать не могли – этот термин относится к объекту с массой в центре, искривляющей пространство-время вокруг. Пустота, пятно, пузырь – почему‐то ни одно из этих слов не подходило. Внезапно нам пришла в голову идея назвать ее тенью черной дыры[125]. Мы не можем видеть никакой черной дыры непосредственно – только ее тень, отсутствие света. Черная дыра прячется за своей тенью и не раскрывает всех своих тайн. Черная дыра – это всего лишь тень самой себя прошлой. Тень не такая четкая и темная, как силуэт, – и потому, что она трехмерна, и потому, что темнота черной дыры всегда немного подсвечивается излучением, исходящим от газа перед нею.

Естественно, мы хотели, чтобы в нашей статье смоделированные радиоизображения выглядели впечатляющими. Но как визуализировать то, что мы не в состоянии увидеть глазами? Было ясно, что изображение тени черной дыры можно получить только с помощью радиотелескопа. Это не фотография в классическом смысле, потому что наши данные получены не в свете из диапазона длин волн, видимых человеческому глазу. Какого цвета такой свет? Мы рассчитали уровни яркости, но не цвет. Теоретически мы могли бы использовать контурное изображение или изобразить объект с помощью оттенков серого. Это тоже могло бы помочь наглядно представить данные, однако изображение выглядело бы скучно.

В новом тысячелетии практика использования цветных изображений в астрофизических публикациях получала все большее распространение, хотя это и было удовольствие не из дешевых: академические журналы требовали дополнительной оплаты за рисунки с цветной печатью. Но нам казалось, что это того стоило, так как мы понимали, что эффектность изображения будет иметь решающее значение для его воздействия на читателей. В то время радиоастрономы довольно широко использовали виртуальную цветовую палитру, выбирая, как правило, для графических изображений небесных радиоисточников палитру всех цветов радуги. Но нам казалось, что для черной дыры этот выбор был бы не совсем удачным.

Цветовая палитра “Тепло” (от черного к белому через оранжевый и желтый) показалась мне гораздо более подходящей. Она соответствовала цветам расплавляемого железа. Теперь тень выглядела окруженной огненным кольцом, чем‐то напоминавшим горячую корону при солнечном затмении. Я решил, что это очень удачный выбор цветов для светящегося монстра, окружающего черную дыру, и позволил себе некоторые вольности ради усиления художественного эффекта.

В январе 2000 года мы, озаглавив свою работу “Изображение тени черной дыры в центре Галактики”, опубликовали ее в Astrophysical Journal[126]. Мы описали там, как можно увидеть черную дыру. Это было короткое “послание”, которое, по условиям журнала, должно было уместиться всего на четырех страницах, и потому некоторые результаты моделирования были обнародованы несколько позже – в трудах конференции[127]. Многие мои коллеги по‐прежнему считали идею утопической, но тем не менее эта короткая статья стала одной из самых цитируемых моих работ. В пресс-релизе я с гордостью заявил: “Скоро мы получим возможность увидеть черную дыру!”[128] На самом деле это произошло только через двадцать лет.

9

Создание глобального телескопа

В поисках телескопов и денег

Астрономия без телескопов напоминает симфонический оркестр без инструментов. Чтобы с помощью глобального интерферометра получить простое изображение, требуется по крайней мере пять расположенных в разных местах телескопов. А еще лучше – десять. Если отбросить возможность украсть эти телескопы, то откуда их можно было взять? На рубеже тысячелетий достаточного количества подобных телескопов просто не было, а тем, которые имелись, угрожало закрытие из‐за отсутствия денег. Давно планировавшееся создание новых телескопов все время находилось под угрозой срыва, так что условия для реализации нашего амбициозного проекта были более чем сложными[129].

Но самым мощным и самым важным инструментом должна была стать Атакамская большая миллиметровая антенная система (ALMA), этакая горилла-доминант весом более трех центнеров. Данный глобальный проект ценой в миллиард евро осуществлялся совместно Европой, Америкой и Японией. Гигантский телескоп, состоящий из объединенных в одну матрицу 66 отдельных антенн диаметром до 12 метров каждая, должен был соответствовать чувствительности 80‐метрового телескопа и разрешающей способности изображения 16‐километрового телескопа. Уже когда мы писали свою “теневую” статью, было ясно, что ALMA станет “главным действующим лицом” замышлявшегося всемирного эксперимента. Для нас включение ALMA в РСДБ-сеть было делом первостепенной важности[130], а вскоре об этом заговорили и сами работавшие в ALMA ученые[131]. Но и здесь завершение работы откладывалось до 2011 года, так что к финансам на РСДБ относились вполне рационально. Самый обнадеживающий ответ, полученный мною, звучал так: “Денег на реализацию вашего проекта у нас нет, но мы позаботимся, чтобы возможность его осуществить осталась”.

В 2003 году при вступлении в должность внештатного профессора университета Неймегена я делал доклад, где рассказал о своей мечте – получить изображение черной дыры – и еще о том, что чем больше мы узнаём о Вселенной, тем лучше начинаем понимать ограниченность наших возможностей. Одна из голландских газет напечатала на первой странице, что я “стучусь в ворота ада”[132]. Мне подумалось, что звучит это вполне неплохо.

В 2004‐м мы сделали еще один небольшой шаг к воротам ада. Нам с Джеффом Бауэром и еще с четырьмя коллегами удалось выполнить лучшие для того времени РСДБ-измерения галактического центра на длинных волнах миллиметрового диапазона[133]. Антенная система со сверхдлинными базами (VLBA) – континентальный радиоинтерферометр, представляющий собой сеть из десяти радиотелескопов, расположенных в разных штатах США. Полученные данные были наконец настолько точными, что мы смогли выполнить расчет и сделать поправки на потерю четкости изображения, вызванную горячим газом Млечного Пути. Впервые нам удалось определить истинные размеры источника как функцию длины волны. В полном соответствии с предсказанием нашей модели с уменьшением длины волны он уменьшался. Это означает, что самые короткие волны должны фактически достигать горизонта событий. Теперь стало окончательно ясно, что в ближайших окрестностях черной дыры действительно излучаются именно миллиметровые волны. “Благодаря радиотелескопам через тридцать лет туман наконец рассеялся”, – процитировало мои слова немецкое информационное агентство ДПА.

В тот же год астрономы обсерватории Грин-Бэнк в Западной Вирджинии отмечали годовщину[134]: тремя десятилетиями ранее, в 1974‐м, здесь впервые было проведено исследование Стрельца A* в радиодиапазоне. На торжественной церемонии состоялось открытие мемориальной доски, посвященной этому событию. В тот же вечер я устроил импровизированный семинар, на котором мы с Шепом Доулманом и Джеффом Бауэром рассказывали собравшимся ученым о тени Стрельца A* и о том, с помощью каких методов можно ее измерить. В конце я попросил проголосовать: пришло ли время для такого предприятия – или оно по‐прежнему слишком проблематично? Ответ аудитории не допускал двух толкований: теперь подавляющее большинство собравшихся экспертов верило, что изображение черной дыры получить можно. Оставалось только понять, как это сделать.

Чтобы иметь возможность продолжить совместный эксперимент, после семинара мы с Доулманом и Бауэром провели по моей инициативе несколько телеконференций[135]. Я считал, что необходима глобальная кооперация, вроде той, которая привычна для физиков, занимающихся элементарными частицами. Нет смысла изображать одинокого ковбоя. Работа должна быть спланирована, выполнена и опубликована большим коллективом ученых, работающих в разных областях: в одном проекте должны быть объединены эксперимент, обработка данных и моделирование.

Мы четко сформулировали стоящую перед нами научную задачу: провести эксперимент, цель которого – подтвердить или опровергнуть нашу гипотезу. Как физики-специалисты в области элементарных частиц искали бозон Хиггса, так мы искали тень черной дыры. Тень либо есть, либо нет. Мы хотели исследовать лишь один небесный объект, но, чтобы сделать это, нам требовался весь мир. А чтобы объединить усилия всего мира, требовалось время.

Принадлежащая Массачусетскому технологическому институту обсерватория Хейстек, расположенная в тихой лесистой местности под Бостоном, была ведущим центром РСДБ. Тогда там начали разрабатывать аппаратуру, которая позволила бы существенно увеличить объем сохраняемых одновременно данных. Шеп Доулман был одним из участников этой программы. Защитив диссертацию в MIT, он как постдок приехал ненадолго в Бонн, где мы мельком и пообщались. Вернувшись в США, Доулман продолжил работу в обсерватории Хейстек. В его распоряжении была хоть и небольшая, но все же сеть из четырех телескопов на Гавайях, в Аризоне и Калифорнии. Как и я, он тоже хотел провести первые тестовые эксперименты.

В то время я работал на радиотелескопе LOFAR, где сначала был просто участником проекта, а затем стал председателем совета директоров. Благодаря этому у меня появился личный опыт проведения крупномасштабных физических экспериментов и я понял, как создаются международные научные сообщества. Кроме того, я продолжал исследования галактического центра и участвовал в нескольких РСДБ-экспериментах. Но в Нидерландах у меня не было доступа к телескопам миллиметрового диапазона. Предстояло ждать ALMA.

Группа Доулмана по‐прежнему работала с четырьмя телескопами, расположенными в трех разных местах. В 2006 году все эти антенны были одновременно направлены на галактический центр. Сначала у группы ничего не получалось, но в 2007‐м ей удалось провести успешные измерения на длине волны 1,3 миллиметра, а еще через год она с гордостью обнародовала свои результаты[136]. Хотя это все еще не было изображением, однако с помощью самых коротких длин волн астрономам удалось определить размер Стрельца A* гораздо точнее, чем десятью годами ранее в экспериментах Кричбаума. Размер Стрельца A* оказался именно таким, какого можно было ожидать на основании параметров тени и светового кольца! Возбуждение нарастало. Я был ужасно доволен – теория опять подтвердилась. Просто нам пока не удается увидеть тень!

Доулман усердно работал, продвигая наш проект в Соединенных Штатах, а я старался сделать то же самое по другую сторону Атлантики. Чтобы собрать много денег, необходима существенная поддержка из самых разных источников. В 2007 году европейские астрономы впервые выступили с совместной программной статьей, определяющей направление развития астрономии[137], куда вошел и наш “теневой эксперимент”. Теперь наша идея получила официальное признание как одна из наиболее важных научных целей европейской астрономии в ближайшее десятилетие. То же самое произошло и в США. Название выпущенного Национальной академией наук США обзора Astro2010: The Astronomy and Astrophysics Decadal Survey, где были определены основные направления исследований и приоритетное финансирование на ближайшие десять лет, говорило само за себя: “Новые миры, новые горизонты в астрономии и астрофизике”.

Незадолго до выхода этой десятилетней программы, во время ежегодной конференции Американского астрономического общества (AAS), проходившей в Калифорнии в городе Лонг-Бич, Доулман организовал семинар, куда пригласил и меня. Целью семинара была демонстрация широкой международной поддержки таких планов.

Во время короткого перерыва между заседаниями я подсел к Доулману и Дэну Маррону. Маррон в то время работал в Чикаго, а позднее перебрался в Аризону. В последующие несколько лет я еще яснее осознал важность хорошего маркетинга для научного предприятия, подобного нашему. Но тогда у нашего проекта не было даже яркого, запоминающегося названия. Никто, кроме нескольких фанатичных умников, точно не знает, что это за штука – “субмиллиметровая антенная система для РСДБ”. “Это не дело! Нам срочно нужно придумать что‐то, привлекающее внимание”, – сказал я собравшимся и предложил название: Event Horizon Array (“Антенная система горизонта событий”). После оживленной дискуссии мы сошлись на Event Horizon Telescope – “Телескоп горизонта событий”, или сокращенно EHT. Название – наш символ, наш бренд – родилось за чашечкой кофе, во время тех перерывов, которые зачастую дают больше, чем полноценные лекции, и бывают более продуктивными.

Позднее некоторые из участников этого семинара написали для Astro2010 статью с изложением стратегии будущих исследований[138]. Здесь наш проект впервые был официально представлен под своим новым именем.

Теперь в Америке деньги нам стали выделяться несколько щедрее, да и радиоастрономы в Бонне тоже активизировали свое участие в новых РСДБ-экспериментах с телескопами IRAM в Испании и Франции. В работу включился и новый телескоп Атакамский исследовательский эксперимент (APEX) в Чили. Затем, в 2011 году, настала очередь Нидерландов. В один прекрасный день в начале лета мне неожиданно позвонил Йозеф Энгелен – в прошлом директор по науке Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН), а теперь председатель Нидерландской организации научных исследований (NWO). Мы были знакомы благодаря моим работам по космомикрофизике. “Надеюсь, ты сидишь”, – начал он. Удивленный, я встал. “Дорогой Хайно! – сказал он веско. – Я звоню, поскольку сам хотел сообщить тебе, что в этом году за работу с LOFAR и визуализацию черных дыр тебе присуждена премия Спинозы”. Это звучало очень здорово, но что такое премия Спинозы? Как у иностранца у меня были досадные пробелы в знаниях. К счастью, прежде чем я успел задать вопрос, он объяснил: “По сути, это голландская Нобелевская премия!”. На мгновение у меня возник соблазн спросить, не звучит ли это так же, как “нидерландский чемпионат мира”, но я удержался. “Она гораздо больше Нобелевской премии, – продолжал он. – Ты получишь 2,5 миллиона евро”. Теперь я наконец‐то сел. Энгелен добавил: “Ты можешь использовать премиальные деньги как хочешь. Конечно, не на личные нужды, а на исследования”. Разумеется, я уже знал, на что потрачу эту премию.

Построение Телескопа горизонта событий

Через несколько месяцев, прихватив, так сказать, чемодан денег, я отправился в Тусон, Аризона, на первое международное стратегическое совещание, посвященное Телескопу горизонта событий. Большой телескоп ALMA в Чили был наконец построен, и теперь все самые важные представители ключевых научных организаций и обсерваторий должны были собраться вместе. Я встретился со многими друзьями и коллегами.

Мы подробно обсудили последние научные достижения в области теории. За последние годы очень возросли вычислительные возможности так называемых суперкомпьютеров. Если для составления прогноза погоды этим гигантским калькуляторам удается рассчитать направление движения масс воздуха вокруг Земли, то они способны и моделировать движение газа вокруг черной дыры. Подобный расчет можно выполнить GRMHD-методом. GRMHD – аббревиатура английского словосочетания general relativistic magnetohydrodynamics (релятивистская магнитогидродинамика). Звучит замысловато, и на самом деле так оно и есть. Вычисления методом GRMHD основаны на очень сложных моделях, описывающих поток намагниченной плазмы в искривленном, вращающемся пространстве-времени. Еще большее число программ необходимо, чтобы рассчитать, как происходит излучение радио- и световых волн, как они изгибаются и поглощаются горячими газами, окружающими черную дыру. Эти компьютерные расчеты дают гораздо более подробную картину, чем все наши расчеты в двухтысячные годы. Современные мегакомпьютеры “выдают” прекрасные, удивительно красивые изображения. Используя их вычислительные мощности, астрономы повсюду обнаруживали тени черных дыр, подтверждая тем самым наши основные гипотезы. Возникла целая “теневая индустрия”, и практически во всех моделях были видны тени и кольца света. Таким образом, на уровне теории было достигнуто полное согласие.

Меня поразили компетентность и отношение к работе молодого ученого Моники Мошчибродской. Диссертацию она защитила в Варшаве, в Астрономическом центре имени Николая Коперника, под руководством известного теоретика Бажены Черны, изучающей дисковую аккрецию, а практические навыки приобрела у Чарльза Гамми – одного из ведущих американских экспертов в области численного моделирования. Ее “прогноз погоды” для Стрельца A*[139] оказался одним из лучших. Прежде в этой области исследований доминировали исключительно мужчины, однако Моника хотела добиться успеха. Я предложил ей место в университете Неймегена и попросил набрать группу численного моделирования. Это трудное поле деятельности. Программирование, выполнение расчета и анализ результатов отнимают невероятное количество времени и энергии и требуют упорства, позволяющего проводить долгие одинокие часы за компьютером. Позднее Монике удалось усовершенствовать наши старые, построенные еще в 90‐е, модели струйных выбросов[140] и удивительно точно предсказать, как будет выглядеть изображение, полученное впоследствии с помощью EHT[141].

Еще одной новостью, о которой много говорили на конференции, были новые оценки масс Стрельца A* и черной дыры в M87, которые оказались больше, чем считалось ранее. Согласно новым оценкам получалось, что M87 весит не два миллиарда солнечных масс, а скорее три. Одна из групп исследователей даже утверждала, что эта черная дыра в 6 миллиардов раз тяжелее Солнца. Если это так, ее тень должна быть настолько большой, что нам удастся ее увидеть! Неужели теперь у нас есть два кандидата, с которыми можно работать? Черная дыра в M87 была все же несколько меньше, чем Стрелец A*, но зато она находится в северной части неба и ее легче наблюдать из Северного полушария, где расположено большинство наших телескопов. К тому же в этом случае нам не закрывает обзор Млечный Путь. Он не будет размывать изображение черной дыры в M87, а это значит, что одной проблемой окажется меньше. Ох! Это слишком хорошо, чтобы быть правдой. Я осторожничал. А вдруг это тот случай, когда веришь в то, во что хочешь верить? Слишком часто попытки оценить массы черных дыр в нашей Галактике заканчивались неудачами. Но попробовать все же стоило.

Дискуссии ученых на стратегической встрече в Тусоне проходили в зале заседаний, но параллельно шли и закулисные переговоры, на которых директора обсерваторий и ведущих научных организаций обсуждали разнообразные научно-политические вопросы. Я оказался меж двух огней, однако в конце концов нам удалось согласовать общий план действий. Основа единого глобального курса была заложена.

Теперь все выглядело серьезно, и нам требовались дополнительные средства. Поодиночке ни отдельные телескопы, ни даже большие обсерватории, такие как ESO и NRAO (Национальная радиоастрономическая обсерватория, США), не могли взять на себя финансирование проекта создания EHT, проведение научных исследований и анализ результатов. Имеющиеся ресурсы и персонал обсерваторий позволяли только поддерживать работу телескопов. Сейчас все зависело от нас, и надо было действовать. Но с чего начать?

Иногда помогает случай. В 2012 году, возвращаясь с конференции LOFAR в Двингело, я столкнулся в поезде со своим коллегой Майклом Крамером. Мы одновременно защитили диссертации, но затем наши пути не пересекались. В то время Крамер был третьим по счету директором Радиоастрономического института Макса Планка в Бонне. Он занимался пульсарами и успешно использовал их как инструмент для проверки основополагающих принципов теории относительности Эйнштейна. Мы быстро настроились на общую волну. Пятью годами раньше именно мы с Крамером стали первыми астрономами, получившими значительные деньги от Европейского исследовательского совета (ERC). Я использовал их, чтобы финансировать новаторские измерения космических частиц с помощью LOFAR, а он построил напоминающую РСДБ сеть для измерения гравитационных волн с использованием пульсаров. Гравитация интересовала нас обоих. Проекты, которые мы вели, уже сворачивались, деньги были потрачены, и нам обоим не терпелось начать что‐то новое.

Я говорил о EHT, а он о том, как с помощью пульсаров измерять с невероятной точностью пространство-время вокруг черной дыры. Мы решили подать совместную заявку в ERC и вступить в борьбу с самыми лучшими европейскими научно-исследовательскими группами. Правда, свои шансы получить такую значительную сумму, как 15 миллионов евро, мы оценивали всего в полтора процента[142]. Для подачи заявки нужна была группа из трех человек, и нам удалось привлечь итальянского астронома Лучано Реццоллу. Раньше он занимался гравитационными волнами и испаряющимися черными дырами в Институте Альберта Эйнштейна в Потсдаме, а теперь преподавал в Университете Гете во Франкфурте.

Нам потребовалось какое‐то время, чтобы познакомиться поближе, но уже совсем скоро мы полным ходом двинулись вперед. Совместная работа над проектом, названном нами BlackHoleCam[143], заняла полгода. Каждому телескопу, включая EHT, нужна камера, и мы намеревались обзавестись ею. В случае Телескопа горизонта событий “камера” – это совокупность регистраторов данных и программ для их анализа.

Затем, в первые месяцы ожидания, произошло маленькое чудо. Один из разделов нашей заявки относился к использованию ALMA для поиска пульсаров в галактическом центре – необычайно рискованное, авантюрное предприятие. Десятилетиями астрономы пытались обнаружить пульсары в центре Млечного Пути. Там их должны были быть тысячи, но к описываемому мною моменту не удалось обнаружить ни одного. По счастливому стечению обстоятельств в те несколько месяцев, пока наша заявка находилась на рассмотрении, в галактическом центре вспыхнул совершенно новый пульсар. Мы первыми увидели его с помощью 100‐метрового Эффельсбергского радиотелескопа и провели необходимые измерения. В сентябре 2013 года в журнале Nature была опубликована наша статья, которая привлекла большое внимание[144]. Мы показали, что все‐таки существует возможность наблюдать пульсары в непосредственной близости от большой черной дыры в нашей собственной Галактике. Природа оказала нам неоценимую услугу: это открытие уж безусловно не шло вразрез с нашей заявкой. Сколько же пульсаров там еще спрятано?

К нашему удивлению, несмотря на интенсивные поиски, пока больше ни одного пульсара в галактическом центре не обнаружено. Почему – остается одной из главных загадок Млечного Пути. Как и то, почему “наш” пульсар решил “привлечь к себе внимание” именно тогда, когда нам это было так нужно. Но мы его не придумали: наше открытие подтвердили другие астрономы. Разве не говорил я уже, что иногда в науке просто должно повезти?

Процесс отбора заявок напоминает кастинг. Наша заявка должна была пройти несколько отборочных раундов. И в конце каждого раунда безжалостное жюри голосует: за или против. Мы добрались до финала и были приглашены в Брюссель, чтобы лично предстать перед жюри. Вот теперь‐то уж нам никак не хотелось провалиться! День за днем мы репетировали наше выступление, готовились ко всем возможным вопросам и, когда подошло время, отправились в столицу Европейского союза, где расположена штаб-квартира Европейского исследовательского совета.

В приемную наша троица зашла в прекрасном настроении. Команда, которой предстояло выступать со своим проектом перед нами, была уже здесь: высокоуважаемые профессора известного всему миру Оксфордского университета сидели, сгорбившись, или нервно мерили шагами помещение.

Через двадцать минут из комнаты, где заседала комиссия, появилась еще одна группа соискателей. Выглядели они подавленно: “Нам задавали очень конкретные вопросы о планах финансирования!” Мы похолодели. Здесь собрались одни из лучших и наиболее опытных ученых со всей Европы, но они чувствовали себя школьниками на устном экзамене. Зайдя в комнату, где должен был состояться наш доклад, и увидев комиссию из двадцати человек, сидевших вдоль U-образного стола, мы ощутили себя римскими гладиаторами, вышедшими на арену и взглянувшими в лицо научной смерти. Не хватало только торжественной музыки.

Лучше наша презентация пройти не могла. Майкл, Лучано и я “играли” удивительно синхронно, а закончили свое выступление – и это был высший пилотаж! – за секунду до конца отведенного нам времени. Затем пришла очередь вопросов, на которые мы отвечали, не противореча друг другу, как сплоченная, хорошо подготовленная команда. Среди членов комиссии единственным астрономом, хорошо понимавшим суть дела, была Катрин Сезарски – в прошлом директор ESO. Ее вопрос был прицельно направлен на слабое место нашей заявки: “Как вы связаны с Телескопом горизонта событий?” Организационная структура EHT была еще не до конца ясна. А что если там возникнет конфликт и все развалится? “Мы намерены стать частью этого проекта и сотрудничать с ним с целью объединения ресурсов, – сказали мы. – Но чтобы укрепить свою позицию на переговорах, нам нужны деньги. Впрочем, если это будет необходимо, мы готовы провести эксперимент самостоятельно”. Катрин Сезарски улыбнулась. Очевидно, мы дали правильный ответ на один из самых важных вопросов. Комиссия была на нашей стороне.

Наше время почти истекло. “У меня есть еще один вопрос”. Это говорил другой член комиссии. “Я не понимаю двух пунктов в представленном вами бюджете. Они касаются работы с общественностью. Не могли бы вы объяснить их поподробнее?” У меня заколотилось сердце. Он спрашивает о картинках! Внезапно моя голова превратилась в одну большую черную дыру. Я, запинаясь, пробормотал что‐то неопределенное. Презентация закончилась, и мы, ни в чем не уверенные, отправились домой. Все прошло так, как надо? У нас получилось? Или в последние пять минут мы все завалили?

Спустя две недели пришло письмо от президента ERC. За свою жизнь я получил много подобных писем. Стоит прочесть лишь первые три слова – и вы уже все узнаете. Открыв конверт, я увидел: “Рад вам сообщить…” Наша заявка одобрена! Я встал и обошел свой кабинет. Я был счастлив и спокоен. Правда, из‐за моих путаных объяснений в последние пять минут комиссия выделила нам на миллион евро меньше. Никогда раньше я не терял столько денег за столь короткое время. И все же: мы выиграли! Мы первыми добыли деньги для EHT – целых 14 миллионов евро. Возможна ли теперь успешная кооперация с американцами?

В тот же день я отправил мейл Доулману, сообщив, что хочу встретиться с ним в Бостоне. Я купил билет и через три дня уже сидел в кабинете вместе с ним и с директором обсерватории Хейстек Колином Лонсдейлом, который, оставаясь все время сдержанным и уравновешенным, помог нам договориться. Два дня мы обсуждали следующие шаги и сошлись на том, что нам необходимо подписать промежуточный договор о намерениях, заявив о совместной работе над Телескопом горизонта событий.

Вместе с Димитриосом Псалтисом, теоретиком, специалистом по гравитации из Аризоны, и другими коллегами из США Доулман работал над своей собственной заявкой на большой грант в Национальный научный фонд США (NSF) – самый крупный фонд, спонсирующий научные проекты в Америке. Мы написали письмо в поддержку этого проекта, указав, что готовы работать с группой Доулмана. И эту заявку тоже одобрили, так что еще 8 миллионов долларов было выделено на EHT штаб-квартирой NSF в Вирджинии.

Однако встречей в Бостоне дело отнюдь не закончилось. Вернувшись в Европу, мы должны были сформировать команду. Стать менеджером проекта я сумел уговорить Ремо Тилануса. До того, как в 2015 году голландцы вышли из проекта, этот опытный астроном долго представлял Нидерланды в руководстве телескопа JCMT на Гавайях и много сделал для развития сети РСДБ.

Тогда же в моем кабинете в Неймегене неожиданно объявились пятеро интересующихся EHT аспирантов, которым я смог предложить места в докторантуре. Так начала складываться наша замечательная команда. Казалось, все эти люди были посланы мне Богом, хотя многие из них и жили неподалеку от Неймегена. В конечном счете в нашу команду вошли представители семи государств[145].

Наш девиз звучал так: “Мы собираемся по‐хорошему завоевать мир”, – и я повторял его каждому. Мои студенты и ученые, с которыми я трудился, обладали достаточной свободой. Мне хотелось, чтобы каждый из них отыскал собственный стимул для работы, нашел свое место в команде и определил, чем конкретно он будет заниматься. Только в этом случае человек сможет отдаться делу всей душой. Важно, чтобы у каждого была своя, соответствующая его возможностям цель, к которой он стремится, и чтобы члены группы не конкурировали друг с другом, а их способности дополняли способности остальных.

В ноябре 2014 года на конференции в Институте теоретической физики “Периметр” в городе Уотерлу в Канаде закулисная дипломатия достигла своего апогея; доклады отошли на второй план. Несколько десятков астрономов сражались за роли в команде EHT. Кто займет руководящие должности? Какова будет организационная структура? В последний вечер узел надо было или развязать, или разрубить. Переговоры продолжались чуть ли не до ночи. Битва никак не кончалась, и хотя кулаки в ход и не шли, время от времени кто‐нибудь принимался стучать ими по столу. Но все‐таки, уже ближе к полуночи, мы договорились о том, что будет представлять из себя EHT. Договоренность была скреплена рукопожатиями, и мы согласились на этом остановиться. (Правда, утром кое‐кто все же попытался пересмотреть принятые решения.)

Потребовалось еще около пятидесяти телеконференций, чтобы прийти к временным договоренностям о создании научного сообщества EHT. Это произошло летом 2016 года. А еще через год все документы были официально подписаны – но к тому времени мы уже провели свой эксперимент. Сообщество включало в себя тринадцать институциональных партнеров: четыре в Европе, четыре в Соединенных Штатах, три в Азии и по одному в Мексике и в Канаде. Каждый из партнеров имел равное представительство в совете, сформировавшем высший руководящий орган.

Команда из трех человек – директора, администратора проекта и научного руководителя – должна была отвечать за вопросы повседневного менеджмента, а одиннадцать избранных членов научного совета – разрабатывать научную программу и наблюдать за ее выполнением.

Шеп Доулман стал директором, Димитриос Псалтис – научным руководителем. Ремо Тиланус отвечал за повышение эффективности работы. Я возглавил научный совет, а моим заместителем избрали моего давнего коллегу Джеффа Бауэра. К этому времени он переехал на Гавайи и начал работать в Институте астрономии и астрофизики академии Синика в Тайбэе. Антон Зенсус, руководитель группы РСДБ в Бонне, и Колин Лонсдейл из обсерватории Хейстек взяли на себя руководство правлением.

Так была поделена власть. И ни на руководящих должностях, ни в совете директоров не оказалось ни одной женщины. Это было проблемой EHT с того момента, как зародилась сама мысль о таком телескопе. Гордиться тут, разумеется, нечем. Только в ученый совет входили две женщины. Одна из них, Сера Маркофф, преподает сейчас в Амстердаме.

Экспедиция в Аризону

Мы не только проводили интенсивные и сложные переговоры, но еще и готовились к первому эксперименту. Телескоп ALMA наконец‐то заработал, так что можно было приступить к планировавшимися на январь 2015 года первым РСДБ-измерениям[146]. Мы должны были показать, что как технологически, так и организационно готовы к проведению основного эксперимента. Все телескопы требовалось оснастить одним и тем же РСДБ-оборудованием последнего поколения.

Первый финансовый транш от Европейского исследовательского совета пришел 1 сентября 2014 года. В тот же самый день Ремо Тиланус сделал необходимые заявки на РСДБ-оборудование – чтобы особо важные приборы с длительным циклом изготовления пришли на телескопы вовремя. В одной из бостонских компаний заказали так называемый аналоговый регистратор Mark 6. Инженеры в Гронингене с помощью коллег из Бонна в короткие сроки изготовили по чертежам Хейстека электронные фильтры.

Через обсерваторию Хейстек следовало разослать на разные телескопы сотни самых современных накопителей на жестких дисках. Но их поставка запаздывала, и после снежной бури, покрывшей зимой 2015 года Новую Англию толстым слоем снега и льда, все замерло. Один из коллег поскользнулся и получил открытый перелом. Доллары еще не поступили, и мы не могли закупить достаточное число жестких дисков в Соединенных Штатах. Ремо Тиланусу пришлось импровизировать. За пять дней ему удалось разместить большой заказ на поставку дисков через систему заказов университета в Неймегене, а затем доставить их из Нидерландов в Бостон, откуда диски можно было разослать по всему миру.

До сих пор непонятно, как ему удалось с этим справиться. Это не просто чудеса глобализации, но еще невероятный, героический подвиг администратора проекта – подвиг, вряд ли кем‐нибудь замеченный.

В конце концов все необходимые комплектующие были доставлены, установлены и проверены на месте работающими там специалистами.

…Все готово, и в конце мая 2015 года, разъехавшись в разные стороны, мы отправляемся в первую большую совместную экспедицию. Наша цель – связать между собой как можно больше разбросанных по всему миру телескопов. Я еду в Соединенные Штаты, в Аризону, на Субмиллиметровый телескоп (SMT), находящийся на вершине горы Грэм. Я выезжаю из Тусона. Вокруг типичный суровый пейзаж американского юго-запада: голые скалы, кактусы, маленькие городки из передвижных деревянных домиков, магазин и музей сувениров The Thing – туристическая достопримечательность, не заметить которую невозможно, и тюрьма в пустыне: издалека видны большие щиты, предупреждающие о сбежавших заключенных. Сворачиваю в сторону, чтобы заехать в городок Стаффорд, расположенный недалеко от дороги на гору Грэм: надо закупить припасы на следующую неделю. Если путешествие по Галактике начинается в Аризоне, всем надо запасаться самому – буквально всем, кроме разве что полотенца.

В базовом лагере у подножья горы представитель службы безопасности вручает мне пропуск и переносную рацию. Старт моему приключению дает подъем на гору по магистрали 366 штата Аризона. В аэропорту я должен был взять автомобиль с полным приводом. В соответствии с американскими стандартами я получил гигантский красный пикап с низким расходом бензина. Еду вверх: от лагеря, расположенного на Высоких равнинах на высоте 1 000 метров над уровнем моря, карабкаюсь на высоту 3 200 метров – на вершину горы Грэм. Там на небольшом плато стоит телескоп. Миную указатели на Библейский лагерь церкви Иисуса Христа в Аризоне и кемпинг национального парка Шеннон. Ландшафт меняется. Если сначала он напоминал декорации из вестерна, то теперь это покрытые снегом вершины и хвойные леса, вполне уместные в Пиренеях.

Асфальтированная дорога закончилась. Дорога после шлагбаума ухабистая. Еду по ней до тех пор, пока путь мне не преграждает упавшее дерево. Я пропустил нужный поворот и должен разворачиваться. Я уже устал, а этот последний отрезок особенно крутой и узкий – настолько узкий, что две машины разъехаться здесь не могут. По радио я пытаюсь узнать, свободен ли путь. Спрашиваю: “Есть ли на подъездной дороге машины, идущие вниз?” Ответа нет, поэтому я сам объявляю, что вверх по дороге движется один автомобиль, и нажимаю на газ. Грузовичок, подпрыгивая на ухабах, ползет в гору, преодолевая повороты. Я даже не хочу думать о том, с чем можно было бы сравнить эту дорогу… как вдруг оказываюсь на просторной парковке. Чуть ниже вершины, прямо перед телескопом, находится чисто американское архитектурное сооружение.

Конструкция весом в 135 тонн – внушительно! Кухня и спальни располагаются внизу, а сам телескоп и приборы помещаются в верхней, подвижной части здания. Переднюю стену и крышу можно убирать, обеспечивая 10‐метровой чаше радиоантенны свободный обзор неба, – если, конечно, его не загораживает одно из деревьев, которые здесь находятся под охраной. В остальное время телескоп надежно спрятан внутри комплекса конструктивно связанных зданий. Лестничный пролет ведет к небольшой площадке и диспетчерской, расположенной непосредственно под антенной. Когда телескоп меняет направление, диспетчерская и лестница поворачиваются вместе с внешней частью здания. Во время наблюдений это постоянно приводит к путанице, поскольку всякий раз, когда телескоп ориентируют на новую точку на небе, лестница движется вместе с телескопом. Выходя из кухни или спальни, чтобы подняться наверх, я для начала должен отыскать лестницу, которая всегда не там, где была прежде. Ну чем не повод сойти с ума?

Сама тарелка состоит в основном из армированного углеродным волокном пластика, покрытого тонким слоем алюминия. Антенна сверкает, как гигантское зеркало, и поэтому ее никогда нельзя направлять на Солнце – не то она превратится в гигантское увеличительное стекло и расплавится. Именно так лишился антенны один из первых субмиллиметровых телескопов.

Гора – идеальное место для наблюдения неба, поскольку концентрация водяного пара в атмосфере, с которым связано затухание и изменение радиосигнала, здесь гораздо меньше. Некоторым людям приходится привыкать к разреженному воздуху: у них появляется одышка. У меня умеренно болит голова, но, к счастью, благодаря привычке играть в футбол и волейбол я могу без особых усилий подниматься в диспетчерскую. Из-за недостатка влаги в воздухе у меня пересыхает в горле, а кожа начинает шелушиться. В результате я часто просыпаюсь по ночам, но таков уж удел астронома. Даже привезенные мною вещи “ощущают” низкое давление: купленный внизу пакет с чипсами раздулся, а когда я открыл дезодорант, то он, громко выстрелив шариком и едва не попав им в меня, разлился по всей ванной. Надеюсь, в ближайшие дни не будет слишком жарко – потеть очень не хочется.

Снаружи, на вершине горы Грэм, растет восхитительный и благоуханный хвойный лес. Я выбираюсь на открытое место, и передо мной раскидывается величественная панорама: внизу – почти безлюдный простор, а сверху – небо. Как радиоастроном, работающий в субмиллиметровом диапазоне, я надеюсь, что небо будет безоблачным, так что волны, проходящие через атмосферу и достигающие антенны, будут минимально искажены. Обычные радиоволны легко проходят сквозь тучи, но короткие волны, составляющие предмет нашего исследования, поглощаются водяным паром в воздухе и в облаках.

Гора Грэм – территория астрономов. В двухстах метрах к востоку от SMT над верхушками деревьев высится серая громадина. Это – Большой бинокулярный телескоп (LBT, аббревиатура английского Large Binocular Telescope), гигантский оптический телескоп с двумя 8,4‐метровыми сегментированными зеркалами. Четверть акций этого телескопа принадлежит немецким исследовательским институтам. На производстве сегментированных зеркал специализируется Mirror lab Университета Аризоны. Перед моей поездкой на гору Питер Стритматтер, бывший директор обсерватории Стюарда[147], говорил мне: “Вы можете получить любое зеркало, какое захотите, – лишь бы его диаметр был равен 8,4 метра”. Стритматтер продавал телескопы очень умело.

К западу от SMT находится небольшая и с виду довольно невзрачная, но тем не менее весьма примечательная обсерватория. В ней располагается Ватиканский телескоп передовых технологий (VATT). Здание обсерватории слегка напоминает собор: длинный неф ведет к серебряному куполу, но под ним размещается не алтарь, а оптический телескоп диаметром 1,8 метра.

Влияние ватиканских астрономов чувствуется и сегодня. В XVI столетии именно они ввели современный календарь. В конце XIX века в Риме была основана современная обсерватория, однако затем, когда улицы ночью начали освещать, ее пришлось перенести в предместье городка Кастель-Гандольфо. В ХХ веке аффилированный с этой обсерваторией исследовательский центр был открыт в Аризоне.

Однажды, когда у меня выдался вечер, свободный от запланированных наблюдений, я нанес соседям визит. Сейчас в католической обсерватории работают три монаха-иезуита, которые ищут астероиды, представляющие для Земли потенциальную угрозу. Мне понравилась царящая там спокойная, дружелюбная атмосфера. Один из монахов – отец Ричард Бойле. Каждые два года он проводит в Ватикане летнюю школу для молодых астрономов со всего мира, в работе которой я тоже принимал участие. Но сейчас он практически не отходит от телескопа и живет на горе почти отшельником. Пребывание в обсерватории действительно носит какой‐то монашеский, созерцательный характер: жизнью астронома, ведущего наблюдения, распоряжается небо. Ее ритм задают звезды и галактики. Здесь вы ни на что не отвлекаетесь. Я очень люблю это время на горе, где жизнь проста, а ты ближе к небесам.

Наша команда в Аризоне довольно велика, и все ее члены – участники научного сообщества EHT. Среди них Винсент Фиш из обсерватории Хейстек и Дэн Маррон из Аризоны. Я заменяю здесь Дэна, а он приглядывает за нами из Тусона. Для такой большой команды в обсерватории не хватает спальных мест, так что одновременно все мы тут быть не можем. С самого начала я чувствую себя на SMT как дома. Конечно, мне было известно, как этот телескоп выглядит и как он работает, но вести наблюдения самому – это совсем другое дело. Путь от детектирования радиоизлучения до создания изображения, которое можно было бы показать коллегам-астрономам, физикам и всему миру, долог. Но когда перед тобой раскрывается Вселенная – это совершенно особое ощущение.

Сначала параболическая антенна телескопа собирает падающие на нее из космоса радиоволны и фокусирует их. Для наших длин волн поверхность антенны должна быть откалибрована так, чтобы точность составляла менее 40 микрометров, – а тут калибровка даже лучше. Отражаясь от вспомогательного зеркала, висящего над тарелкой телескопа на четырех опорах, волны собираются в фокус в аппаратурной кабине, расположенной за тарелкой. Здесь они направляются в волновод приемника через металлический рупорный облучатель, который фактически выполняет функцию рупора старого граммофона. В приемнике сигналы высокой частоты микшируются до более низкой частоты, а затем поступают в кабель. Благодаря этому процессу свободно распространяющиеся радиосигналы становятся электромагнитными волнами в медной проволоке.

Следующий шаг – сохранение волн. Как ни удивительно, сегодня даже свет можно хранить в цифровом виде! Сначала волны следует опять отфильтровать, чтобы их частоты соответствовали гораздо более низким частотам наших приборов. Устройство Дэна Вертимера, предназначавшееся изначально для программ SETI, преобразует повторно отфильтрованные волны в биты и байты. Теперь свет из глубин космоса соответствует пиксельной последовательности виртуальных “башен” высотой ноль, один, два или три блока. Конечно, высота “башен” – это только очень грубая аппроксимация осцилляций радиоволн, но “башен”, как и зарегистрированных радиоволн, очень много.

Объем регистрируемых данных невероятен: 32 гигабайта в секунду, то есть 32 миллиарда нулей и единиц в секунду. Если рисовать на бумаге “башни”-данные линиями миллиметровой толщины, то примерно через две секунды нам уже потребовался бы рулон бумаги, достаточный, чтобы обернуть весь земной шар. К счастью, теперь бумажную перфоленту заменили жесткие диски. Числовая революция явно сыграла на руку проекту EHT.

После записи измерений жесткие диски отсылаются по почте для дальнейшей обработки в Бостон и Бонн. И когда длительный процесс обработки этого гигантского массива данных будет завершен, появится крошечный рисунок. А ведь это только предварительная работа с информацией! На самом деле мы регистрируем радиошум, идущий от неба, от наших приемников и – очень слабый – от края черной дыры. К счастью, большая часть радиошумов, источниками которых являются небо и приемник, могут быть отфильтрованы при последующей обработке. Вся энергия сигналов космического радиоисточника, собранных таким телескопом за одну ночь, невероятно мала. Она эквивалентна энергии, приобретенной волоском длиной в 1 миллиметр, падающим с высоты 1 миллиметр на стеклянную пластинку. Маловероятно, что после этого на стекле останется хотя бы царапинка, и тем не менее мы можем измерить воздействие такого удара.

Чтобы затем данные можно было точно совместить, каждый телескоп нуждается в абсолютно точных часах. Точные часы изготавливаются в Швейцарии, что известно как простым покупателям, так и физикам. В нашем случае речь идет не об обычных механических чудо-часах, а о невероятно точном хронометре эры атомной физики. Город Невшатель вблизи Берна – один из главных центров, где изготавливают такие приборы. Именно здесь выпускаются атомные часы, используемые в навигационной спутниковой системе “Галилей”, – европейской альтернативе американской GPS. Наши атомные часы тоже из Невшателя. Это часы на основе водородного мазера, цена которых начинается с пятизначного числа за штуку.

Если ты астроном и работаешь с телескопом, то есть один человек, связываться с которым тебе не рекомендуется. Это – оператор, знающий свой телескоп от и до. Он или она, в полном соответствии с названием его или ее должности, сидя в диспетчерской перед стеной с экранами, управляет антенной телескопа, как капитан кораблем. На горе всегда одновременно присутствуют два оператора, сменяющие друг друга каждые двенадцать часов. Они живут поблизости и привычны к уединенной жизни на горе Грэм. (На языке апачей это название означает “Большая сидящая гора”.)

При определенных измерениях оператор может передать виртуальный руль находящимся в комнате астрономам, но он немедленно заберет его обратно, если возникнут какие‐то проблемы или дальнейшим наблюдениям помешает сильный ветер.

При РСДБ-экспериментах для каждого телескопа имеется четкое расписание, которого следует придерживаться. Теоретически это расписание должно соблюдаться автоматически, поскольку предполагается, что с точностью до доли секунды все телескопы в одно и то же время направлены на один и тот же радиоисточник. Чтобы предотвратить какие‐либо недоразумения, связанные с часовыми поясами, используется всемирное время – время пояса, в котором находится давно превращенная в музей английская Гринвичская королевская обсерватория.

Проводя измерения, мы не только наблюдаем за центром нашей Галактики или центром галактики M87. Для определения чувствительности наших телескопов мы между сеансами вновь и вновь направляем их радиоантенны на калибровочные источники. Часто для этих целей используются хорошо известные квазары или галактики. Одна из таких галактик была открыта Гершелем в конце XVIII века. Она известна как 3C 84 и расположена в 240 миллионах световых лет от Млечного Пути в скоплении галактик в созвездии Персей. Галактика 3C 84 – надежный и сильный источник радиоизлучения.

Часто за время одной сессии пеленгуются координаты трех или четырех разных квазаров. Только таким образом можно откалибровать всю систему. Для РСДБ даже атомные часы недостаточно точны. Их приходится корректировать с помощью этих космических источников, и тогда постфактум можно убедиться, что все часы идут в унисон.

На то, чтобы изменить направление антенны, требуется несколько минут. Операторы в Аризоне придумали заполняющую это время “отбивку”[148]: всякий раз при повороте телескопа в диспетчерской и в кухне звучит бодренькая мелодия Classical Gas из австралийского кинофильма “Тарелка”. Это кинофильм о 64‐метровой антенной тарелке телескопа обсерватории Паркс, принявшего данные прямой телевизионной трансляции при высадке человека на Луну. Те, кто наблюдал звезды или черные дыры на горе Грэм в Аризоне, никогда уже не смогут выбросить этот навязчивый мотив из головы.

Иногда дежурство на телескопе бывает выматывающим. Например, когда оказывается, что телескопы или приборы следует перенастроить. Атмосферная рефракция приводит к сдвигу видимого положения источников, а флуктуации температуры деформируют массивные антенны, что приводит к изменению направления их взора. Эти изменения минимальны, но заметны. Все источники ошибок следует выявить и устранить. Во время перерывов в наблюдениях необходимо регулярно корректировать “наведение” и фокусировку телескопа с помощью ярких калибровочных источников, большинство из которых – черные дыры. Бывает, что при плохой погоде нужный источник удается обнаружить не сразу, или мы его обнаруживаем, а затем опять теряем. Тогда, подобно человеку с биноклем, высматривающему что‐то в сумерках, мы ищем этот источник до тех пор, пока не находим его.

Положение радиоисточников в небе постоянно меняется: не стоит забывать, что Земля все время вращается. Наша задача состоит в том, чтобы телескоп всегда точно смотрел на “блуждающий” источник радиоизлучения. Другой вопрос связан с тем, что в Испании звезды и черные дыры восходят на небе и садятся раньше, чем в Аризоне. Это затрудняет РСДБ-эксперименты, в которых участвует несколько разбросанных по всему миру телескопов: находясь в разных местах, они не могут наблюдать один и тот же объект точно в одно и то же время. Иногда совместные наблюдения возможны только очень недолго.

Время от времени телескопы сами отказываются работать совместно. (Я не устаю повторять, что телескопы – это те же люди!) 21 марта 2015 года мы оповестили всех: “Погода подходящая”. Это означало, что наблюдения можно начинать вовремя. Но не прошло и часа, как у нас начались неожиданные технические проблемы. “Телескоп не работает должным образом. Чтобы починить его, операторы вынуждены отклониться от расписания”, – записали мы в журнале наблюдений.

В другой раз потребовалось остановиться, поскольку для дополнительного поворота не хватило длины кабелей. Как правило, телескопы рассчитаны на полтора оборота. Следя за каким‐то объектом на небе, их можно поворачивать в одну сторону только на такой угол. Когда этот максимальный угол достигнут, оператор должен опять развернуть все устройство, чтобы размотать кабели. Раздражаясь все больше, я жду, пока можно будет продолжить наблюдения. Минута за минутой звучит все та же песенка из “Тарелки”. Приходится пропустить по меньшей мере одну серию наблюдений и сразу приступить к следующей в нашем расписании.

В конце недели я покидаю гору Грэм со смешанными чувствами. Мы проделали большую работу, кое‐чему научились, однако погода была так себе. Усталый, но довольный я спускаюсь вниз. Через несколько месяцев мы обнаруживаем, что не все элементы были подогнаны оптимально, так что качество полученных тогда данных оставляет желать лучшего.

Весной 2016 года подошел срок второго общего тестирования. К этому времени несколько телескопов модернизировали. Однако важнее всего было то, что в этот раз мы в качестве эксперимента собирались интегрировать в нашу сеть телескоп ALMA в Чили. Если нам удастся показать, что при включении ALMA все работает хорошо, то можно будет продолжить подготовку к измерениям в 2017 году, – измерениям, которым предстояло стать уже не тестированием, а реальным началом реализации нашего большого проекта.

11 февраля 2016 года, еще до начала испытаний, “взорвалась научная бомба”. На этот день научное сообщество LIGO/Virgo назначило пресс-конференцию. Мы все ожидали сенсации. Уже просочились и начали циркулировать среди специалистов кое‐какие слухи, но тем не менее мы, вместе со многими слушателями по всему миру, стояли как завороженные в университетских аудиториях перед большими экранами и слушали это невероятное сообщение[149]. Ученым впервые удалось непосредственно наблюдать гравитационные волны, возникшие при слиянии двух черных дыр. Здесь, на Земле, они зафиксировали невероятно слабое подрагивание пространства. Эти черные дыры были в 30 раз тяжелее нашего Солнца, но все же в 200 000 раз легче черной дыры в центре Млечного Пути. “Итак, нам удалось «услышать» черные дыры, – сказал я возбужденно. – Теперь нам хочется увидеть одну из них!”

Меня поразила удачливость моих коллег. До их измерений никто вообще не был уверен, что существуют сливающиеся черные дыры такого размера. Сигнал гравитационных волн оказался гораздо сильнее, чем ожидалось; более того: открытие было сделано в конце тестовых испытаний. Если бы ученые закончили их на несколько часов раньше, они бы вообще не получили необходимые данные[150]. После этого им ни разу не удалось обнаружить столь же сильный сигнал. “Нам никогда так не повезет, – думаю я с завистью. – Когда в следующем году начнется наш большой эксперимент, погода гарантированно будет плохой, телескопы сломаются, а черная дыра M87 окажется гораздо меньше, чем мы думали”. Я твержу себе, что необходимо запастись терпением.

Через два месяца я опять еду по узкой дороге к Субмиллиметровому телескопу в Аризоне. Теперь к нашей команде присоединились мои аспиранты Майкл Янссен и Сара Иссаун[151]. Майкл, уроженец идиллического городка Калькар в немецкой земле Северный Рейн-Вестфалия, написал под моим руководством прекрасную магистерскую диссертацию. Сара происходит из семьи алжирских берберов. Когда она была маленькая, ее родители из‐за волнений в Алжире переехали в Квебек, а потом перебрались в Арнем, где устроились на работу в расположенную неподалеку хайтэк-компанию.

Сара начала изучать физику в Университете Макгилла в Монреале. Во время каникул она обратилась ко мне с вопросом, не найдется ли у меня для нее работы. Я передал ей данные, полученные в Аризоне в 2015 году, и был удивлен тем, что ей удалось с ними сделать. За очень короткий срок Сара улучшила калибровку кривых, а точнее – полностью их перерисовала. Она даже обнаружила ошибки в программном обеспечении телескопа. Я понял, что Сара – необычайно способный астрофизик. В 2016‐м я пригласил ее на телескоп в Аризону и буквально через три дня практически остался без работы: Майкл автоматизировал программы, а Сара, самый молодой член нашей команды, едва ли не полностью взяла на себя управление телескопом. Одновременно она еще занялась улучшением моих старых калибровочных измерений за 2015 год. В дальнейшем контроль над телескопом останется у нее в руках. А ведь тогда она еще даже не начала работу над диссертацией! По большому счету, Майкл и Сара принесли огромную пользу нашему EHT-проекту, ибо позднее занялись всеми калибровочными работами. Научное сообщество им за это весьма признательно.

С технической точки зрения результаты тестовых измерений оказались успешны, что позволило получить то самое согласие от ALMA, которое мы так долго ждали. Однако детально эти результаты мы никогда не анализировали и нигде не публиковали. Две серии измерений проверили на прочность как нашу команду, так и все научное сообщество EHT. Но если мы действительно хотели добиться успеха, то для начала нашей группе ученых и инженеров из разных стран и частей света следовало научиться работать вместе. Теперь мы знали: если все пойдет по плану, то в следующем году мы – теоретически – сможем осуществить задуманное, и наши шансы на успех достаточно велики.

Большой эксперимент

Начался обратный отсчет времени до старта нашего большого эксперимента. Посаженное зерно проросло и превратилось в здоровое растение. Пришло время собирать урожай.

Все участники проекта EHT с нетерпением ждали апреля 2017 года. На подготовку, преодоление научных и политических трений, решение технических проблем ушли годы, и теперь наша мечта оказалась в пределах досягаемости. В начале апреля 2017‐го все восемь EHT обсерваторий[152] – две обсерватории в Чили, две на Гавайях, по одной в Испании, Мексике и в Аризоне и, последняя, на Южном полюсе – должны были направить свои телескопы в одну и ту же точку на небе. Кроме того, одновременно с нами наблюдения будет проводить Сера Маркофф с большой группой астрономов. На земле и в космосе была наготове целая флотилия других телескопов – от ближних инфракрасных до гамма-телескопов. Мы рассчитывали перекрыть весь электромагнитный спектр так, чтобы не пропустить ни одного всплеска излучения.

Условия этой экспедиции будут экстремальными. В Чили астрономам придется столкнуться с сухим и разреженным воздухом на высоте более 5 000 метров над уровнем моря, тогда как тех, кто будет в Антарктиде, ждут чрезвычайно низкие температуры: там среднегодовая температура составляет –58 градусов по Фаренгейту (– 50 градусов по Цельсию). Планируемая авантюра чем‐то напоминала астрономию минувших лет, когда ученые, чтобы чуть лучше понять секреты космоса, ездили по всему земному шару, изучая небо там, где вести наблюдения лучше всего. Тогда, как и сейчас, провал отделяла от триумфа очень тонкая грань. Могло случиться так, что наша попытка получить изображение черной дыры завершилась бы неудачей, как, например, усилия Гийома Лежантиля, потратившего годы на безуспешные старания наблюдать прохождение Венеры по диску Солнца в Индии. Если бы погода и аппаратура не “сотрудничали” с нами, у нас ничего бы не получилось.

10

Экспедиция начинается

…Весна. Многие коллеги заканчивают последние приготовления. Разослано оборудование, написано бесконечное число мейлов, идут видеоконференции, проведены предварительные тесты. Чтобы легче было общаться друг с другом, мы запустили групповой чат, к которому присоединяется все большее и большее число участников. 5 марта немецкий астроном Даниэль Михалик отправляет послание из обсерватории в Антарктиде, где находится Южный полярный телескоп (SPT). Там, среди антарктических льдов, он пробудет несколько зимних месяцев. Михалик – сотрудник Европейского космического агентства, до этого участвовавший в программе космического оптического телескопа Gaia, – в течение следующих нескольких месяцев станет вместе с коллегой проводить EHT измерения. Они живут так близко к Южному полюсу, что маркер Южного полюса виден из их кухонного окна. Связь там очень плохая, и первая весточка, пришедшая от них в подтверждение того, что они живы, – цитата из песни “Комфортно оцепеневший” группы Pink Floyd: “Привет! Есть тут кто‐нибудь?”[153] Мы счастливы, что там, внизу, есть кто‐то, удерживающий для нас эту крепость.

Большинство моих коллег отправляется к своим телескопам ближе к концу марта. Спустя несколько дней ученые со всего мира уже на своих постах и ожидают знаменательный момент[154].

Именно тогда становится ясно, что неким чудесным образом EHT действительно превратился в истинно международный, истинно совместный проект. Каждый раз, когда к нашему групповому чату присоединяется кто‐то новый, его или ее приветствуют многочисленные коллеги. Радость мешается с волнением; напряжение возрастает. У любого из нас есть своя научная задача, которой следует заниматься, – иначе ничего не получится.

Никогда еще необходимость международного взаимопонимания не проявлялась столь наглядно, как во время измерений в 2017 году. И сегодня, глядя на фотографии таких разных команд, работавших каждая на своем телескопе, я радуюсь тому, что мы, даже не ставя перед собой специально такой цели, сумели объединить множество разных людей. Два пацифиста – Эйнштейн и Эддингтон – были бы довольны. Весь наш эксперимент прошел достаточно мирно. Так бывало не всегда прежде, и так не всегда будет в дальнейшем.

3 апреля в Дюссельдорфе я сажусь в самолет, направляющийся в Малагу. Оттуда еду на автобусе в Гранаду, где находится одна из площадок IRAM. Город готовится к Пасхе, на улицах особая атмосфера – приближается Страстная неделя, La Semana Santa. Наступила настоящая весна, температура поднялась до комфортных двузначных значений. Мне хочется остаться в Гранаде чуть дольше и посмотреть на празднества, но времени восхищаться красотами Андалусии нет. На горизонте, там, где на юго-востоке высятся покрытые снегом горы Сьерра-Невады, уже виднеется конечный пункт моего маршрута. В Гранаде можно утром сходить на пляж, а днем покататься на горных лыжах.

Телескоп IRAM располагается чуть ниже горной вершины Пико дель Велета. Ее высота 3 396 метров над уровнем моря, и это третья из самых высоких гор Испании. В средние века на эту вершину смотрели мавры из окон знаменитого дворца Альгамбра. Подъем на Пико дель Велета облюбовали велосипедисты, поскольку туда ведет самая высокогорная асфальтированная дорога в Европе. Мой путь к телескопу в Аризоне был весьма необычным, и его не сравнить с поездкой в апреле к 30‐метровому телескопу IRAM.

В нашу небольшую группу входит и Томас Кричбаум, который прежде уже несколько раз проводил здесь наблюдения. В микроавтобусе мы все вместе поднимаемся на гору. На пути к телескопу придется набрать 2 000 метров высоты всего за 30 километров. С горы вид Гранады великолепен. Водитель останавливается на несколько минут: нам надо привыкнуть к разреженному высокогорному воздуху. Для водителя остановка – возможность выпить чашечку кофе, а для меня – насладиться чудесным видом.

Выше, на склоне горы, уже виден внушительный телескоп. Мы выходим у лыжного подъемника и по снегу пробираемся мимо лыжной школы к красному ратраку с белой эмблемой IRAM по бокам. Укладываем чемоданы в черную металлическую корзину, забираемся в кабину и несколько последних метров до освещенного ярким солнечным светом телескопа преодолеваем на ратраке. На склонах – остатки подтаявшего ноздреватого снега, над нами – голубое небо. Все выглядит очень многообещающе.

Вид научных станций в самых отдаленных уголках Земли, где для их постройки требовались тонны бетона и стали, всегда производит сильное впечатление. На что только не идут люди в своей жажде исследований, в желании расширить горизонты познания! Телескоп IRAM – памятник любознательности, возвышающийся на высоте 2 920 метров над уровнем моря.

Этот телескоп построен в конце 70‐х годов. Именно тогда, по настоятельной просьбе директора Института Макса Планка[155], здесь появились первые подъемники для горнолыжников: он был страстным поклонником горнолыжного спорта, и ходили слухи, что это могло повлиять на выбор места для телескопа.

Сегодня на горе полным-полно и лыжников, и подъемников, но такое большое здание здесь всего одно. Это сооружение гораздо крупнее вращающейся конструкции с раздвигающимися стенами в Аризоне. Снежно-белый телескоп IRAM выглядит именно так, как должен выглядеть классический радиотелескоп. Чаша антенны диаметром в 30 метров располагается на конусообразном здании, куда можно войти через большую дверь, похожую на поднимающуюся дверь гаража. Поскольку антенна находится на открытом воздухе, для защиты от снега и льда предусмотрена возможность ее обогрева.

Прямо рядом с телескопом – трехэтажное бетонное здание, из окон которого открывается потрясающая панорама горного массива Сьерра-Невада. Здесь мы живем и работаем. Иногда, при низкой облачности, ландшафт внизу напоминает вид из окна самолета. Раз за разом, снова и снова туман накрывает весь телескоп, так что из диспетчерской нельзя рассмотреть даже его верхушку, но сейчас, в момент нашего приезда, нет и следа туч или тумана.

В команду EHT на Пико дель Велета входят пять человек[156]. Мне недостает только технического эксперта Хельге Роттмана. Мы с Роттманом вместе учились в аспирантуре. Проверив здесь, на Пико, перед нашим приездом все устройства, он отправился прямиком к телескопу APEX в Чили.

По сравнению с Аризоной 30‐метровый телескоп IRAM – это четырехзвездочный отель в стиле 70‐х годов. Здание здесь гораздо просторнее, чем на горе Грэм, да и лестницы всегда находятся на одном и том же месте. Кухня с непременно забитыми продуктами холодильником и кладовкой – одна на всех. Можно и соорудить что‐то самому, но вообще‐то заботиться о еде не надо: сменяющиеся команды обслуживающего персонала готовят для всех андалузские блюда. Кажется, что они соревнуются, кто накормит нас вкуснее. По приезде нам немедленно предложили суп, тефтели с запеченным перцем и роскошный десерт. Здесь же красуется гигантский кусок ветчины серрано: если кто‐то вдруг проголодается, он сможет отрезать себе несколько тонюсеньких ломтиков длинным и острым ножом. Кроме того, имеются испанский сыр и свежий виноград. Неудивительно, что у всех – инженеров, уборщиков и астрономов – настроение просто прекрасное. Если не следить за собой, можно так поправиться, что станешь походить на раздувшийся на горе Грэм в Аризоне пакет с чипсами.

Здесь даже появился свой талисман. Как‐то бродившая неподалеку по горам лиса учуяла, что тут есть чем поживиться, и стащила кусок ветчины… а может, это и легенда. И хотя кормить лису строго запрещено, приходит она регулярно. Неужто запрет соблюдают не все?

Наверху Wi-Fi нет: излучение может повлиять на чувствительную электронику. Это проблема для таких телефонных наркоманов, как я.

Часто на горе для работы на телескопе собирается добрая дюжина человек. Сейчас, кроме нас, здесь еще две исследовательские группы, с которыми мы делим время наблюдений: час наблюдений стоит 500 евро. В идеале телескоп должен быть загружен 24 часа в сутки. Если здесь или где‐то в другой части света погода бывает слишком плохой для наших целей, телескоп использует другая группа.

С 4 апреля 2017 года начинается промежуток в десять дней, когда мы можем проводить измерения. Винсент Фиш и Томас Кричбаум совместно составили программу измерений на каждый день для каждого телескопа и для каждого радиоисточника. Это трудная, кропотливая работа. Для выполнения нашей программы необходимо, чтобы в эти десять дней во всех разбросанных по всему миру местах, где находятся наши телескопы, по крайней мере пять из десяти ночей погода была достаточно хорошей. По опыту мы знаем, что такое случается не часто. Для лучшей координации наших действий мой коллега Дэн ван Россум из университета в Неймегене запрограммировал для EHT отдельную, работающую в онлайн-режиме сеть, куда стекаются данные всех телескопов. Так условия на других телескопах становятся видны всем. На этой платформе Герти Гертсема, опытный астрофизик из голландской метеослужбы, размещает прогнозы погоды для всех телескопов, полученные на основании глобальной модели Европейского центра среднесрочных прогнозов погоды. Моему взгляду открывается нечто удивительное: следующие три дня практически везде будет великолепная, безоблачная погода. Я немного обеспокоен: вдруг наша информация неверна? Могут ли голландцы и впрямь предсказывать погоду в горах?

Шеп Доулман устроил аналогичный коммуникационный центр в Бостоне: и туда тоже будет стекаться информация со всех телескопов. Съемочная группа готова записывать материал для документального фильма[157].

Вопрос о том, следует ли проводить измерения, должен решаться на телеконференциях, которые планируется устраивать за четыре часа до каждого из сеансов. Последние несколько лет все шло несколько хаотично. Как‐то будет на этот раз? Координировать восемь телескопов и несколько десятков научных сотрудников не легче, чем привести на экскурсию в кондитерский магазин группу невоспитанных и взбудораженных школьников в разгар Великого поста.

4 апреля проходит проверка всех EHT телескопов. В РСДБ-сети всегда обнаруживаются какие‐то технические неполадки, а ведь телескопы должны действовать, как игроки одной команды. Во всем, что относится к компьютерам, самым слабым звеном обычно является пользователь – то есть человек. Малейшая ошибка становится препятствием на пути успеха: перепутались два кабеля, неудачно помечены данные, нечаянно отдана неправильная команда… Все в напряжении. Специалисты еще раз проверяют приборы. В наш групповой чат приходит взволнованное письмо с Гавайев от Ремо Тилануса: “Интерференционные полосы между JCMT и SMA!!!!” Четыре восклицательных знака! “Полосы” означают, что по крайней мере эти два телескопа, JCMT и SMA на горе Мауна-Кеа на Гавайях, хорошо работают совместно. Все выглядит многообещающе. Я намереваюсь идти спать – “подзарядить” свои батарейки. На всякий случай опять проверяю прогноз погоды и понимаю, что завтра нас ждет серьезная работа. Томас Кричбаум все еще мерит шагами диспетчерскую. “Ты не собираешься ложиться?” – спрашиваю я. “Ох, я просто хочу удостовериться, что все в порядке”, – отвечает он, думая о чем‐то другом.

На следующий день напряжение нарастает. В разных местах с регистраторами данных Mark 6, которые часто барахлят, возникают какие‐то проблемы. Специалисты из Бостона пытаются помочь с этим. У нас, кажется, все в порядке. Кричбаум написал в чат: “Регистраторы на Пико запущены и работают”. Днем происходит решающая телеконференция. И – о чудо! – по всему миру, там, где находятся наши телескопы, прекрасная погода и все приборы работают!

“Запускаем РСДБ, это не тест”, – пишет всем Доулман. Сеанс измерений должен начаться ровно в 22:31 по всемирному координированному времени. В Испании это 00:30. Поскольку мы дальше всех на восток – у нас не только Солнце, но и черные дыры встают раньше, – то мы входим в группу начинающих сеанс телескопов. Время пошло.

Естественно, вся наша команда собирается в диспетчерской задолго до назначенного времени. Никто не хочет пропустить этот момент. Перед нами ядовито-зеленая с серебром панель управления 30‐метровой тарелкой-антенной. На панели множество больших ручек и переключателей, и выглядит она так, как если бы попала сюда из другого времени, – возможно, из кинофильмов 70‐х годов о Джеймсе Бонде. Здесь двое часов: одни часы показывают местное время, другие – звездное; большая красная кнопка в непредвиденных обстоятельствах полностью остановит всю аппаратуру. Только четыре экрана компьютеров на панели выдают тот факт, что теперь технология находится совсем на другом уровне.

Мои коллеги начинают нервничать, и я вместе с ними. А вдруг сейчас… нет-нет – сейчас все должно работать. Мы опять и опять проверяем приборы. Наши жесткие диски запрограммированы правильно? Они знают, когда надо начать записывать данные? План наблюдений готов, и он тот, что нужно? Приемник телескопа отправляет данные? Телескоп сфокусирован должным образом? В диспетчерской я неотрывно смотрю на числа, показывающие уровень водяного пара в атмосфере, и с трудом могу поверить, что они настолько хорошие. Чтобы убедиться в этом и успокоить нервы, я то и дело выхожу на улицу и смотрю вверх на ясное звездное небо. На нем ни единой тучки.

Кричбаум берет на себя руководство и садится перед экраном на место наблюдателя. Он использует время, оставшееся до начала наблюдений, для первых калибровочных измерений. Я сажусь с ним рядом. Все происходит ровно так, как тогда, когда я, молоденький студент, сидел возле него, а он объяснял мне, как управлять радиотелескопом. Есть вещи, которые остаются неизменными даже по прошествии двадцати пяти лет. Я расслабился, мне хорошо. Кричбаум наводит телескоп на космический радиоисточник. Мы ясно видим, как радиоизлучение сначала усиливается, а затем слабеет. Облегчение: сила сигнала вполне сравнима с силой нашего нетерпеливого ожидания.

Первым в нашем списке радиоисточников стоит OJ 287 – квазар, в центре которого имеется одна из самых больших известных черных дыр. Он находится на расстоянии 3,5 миллиарда световых лет от Земли в созвездии Рак. Некоторые полагают, что на самом деле это две черные дыры, обращающиеся друг относительно друга[158]. Мы, так сказать, используем OJ 287 для разогрева: его радиоизлучение видно на экране ясно и четко. На самом деле на экране видны только две колоколообразные кривые – и все. Предполагается, что первый “РСДБ-скан” (так мы называем свои измерения) продлится семь минут. Сейчас 00:31, и мы наконец приступаем. Изображение на экране меняется, и сигналы телескопа автоматически переходят в режим РСДБ.

Я перебегаю в находящуюся рядом аппаратную. Здесь на приборной стойке высотой в человеческий рост стоят издающие слабый шум регистраторы Mark 6, крутятся вентиляторы, мигают огоньки. На передней панели через короткие интервалы нервно вспыхивают зеленые лампочки – данные поступают, регистраторы работают. В тамбуре – дисплей аналого-цифрового преобразователя, переводящего радиоволны в нули и единицы, и дисплей атомных часов. Здесь тоже все в порядке. Я успокаиваюсь.

Из Чили к системе подключается Хельге Роттман. “Все четыре регистратора на Пико работают”, – пишет он в нашем групповом чате. Это мы уже знаем. Всю ночь я так и буду бегать в аппаратную, чтобы проверить, как идут дела. Сохранившиеся на этих жестких дисках данные определят либо наш успех, либо провал, но еще несколько месяцев мы не будем знать, что они скрывают. Именно столько времени займет их анализ.

Теперь наблюдения становятся монотонными. Кричбаум следит за каждым движением телескопа и делает пометки в журнале регистрации. Томас – наблюдатель старой школы. В диспетчерской он в своей стихии. “Ты по‐прежнему все записываешь от руки?” – удивленно спрашиваю я. Он делал так еще в те времена, когда мы вместе работали на Эффельсбергском радиотелескопе. Кричбаум требовал, чтобы и я следовал его примеру, но тогда я втайне от него написал программу для автоматической регистрации данных. “Ох, это помогает не заснуть, – отвечает он. – В четыре утра можно наделать множество глупых ошибок, так что лучше занять себя чем‐то”. Я со вздохом берусь за карандаш.

В период наблюдений все восемь телескопов EHT никогда не проводят измерения одновременно. Дело в том, что выбранные для сканирования радиоисточники нельзя наблюдать из разных мест в одно и то же время. Этой ночью измерения начинают “испанцы”: ровно в 22:31 по всемирному координированному времени телескопы ALMA и APEX в Чили, LMT в Мексике, SMT в Аризоне (все в бывших испанских колониях) и наш телескоп IRAM в Испании приступают к наблюдениям одного и того же квазара в далеком космосе. Две станции на Гавайях и телескоп на Южном полюсе все еще ждут своей очереди.

Постепенно я начинаю успокаиваться. Мы на верном пути. Теперь вопрос в том, что происходит на других станциях. Сообщения, непрерывно поступающие на наш чат, дают основания для надежды. “На APEX все в порядке”. Наши коллеги в Мексике, уже заступившие на смену, пишут: “LMT регистрирует, контроль сканов о’кей”. Доулман рапортует из Бостона, что и в Аризоне все проходит нормально. Но как дела на критически важном телескопе ALMA? Из Чили долго нет никаких известий. Затем мы видим обнадеживающее: “Пока ALMA видит все сканы”.

Все время возникают какие‐то мелкие проблемы, но так и должно быть. Мексика сообщает о трудностях при наблюдении OJ 287. Они не могут должным образом сфокусироваться. То же самое с камерой: четкость изображения у наших коллег недостаточна. Хотя вся сеть телескопов достаточно велика, что позволяет это компенсировать, но потом, когда надо будет найти способ адекватно восполнить потерю сигнала, калибровочной группе придется потрудиться. Затем команде в Мексике приходится прекратить наблюдения: по какой‐то причине не хватает мощности моторов. Они должны подождать, а затем начать все сначала. Сейчас их данные потеряны, но впереди у нас вся ночь.

Тем временем здесь, в нашей диспетчерской, приближается ключевой момент. По плану мы должны начать первое наблюдение M87. Без четверти три ночи. Нашему телескопу предстоит зафиксировать радиоизлучение прямо из центра гигантской галактики на расстоянии 55 миллионов световых лет от нас, где демонстрирует свою мощь сверхгигантская активная черная дыра, – а мы все еще точно не знаем, насколько она на самом деле велика.

“Источник M87” – такую команду я ввожу в компьютер. На экране высвечиваются координаты: прямое восхождение 12 ч. 30 мин. 49,4 сек.; склонение +12°23’28’’. Телескоп медленно поворачивается в направлении скопления галактик в Деве – второго по величине на небе. Мы как зачарованные следим за его движением на экране. Телескоп устанавливает правильный азимут; его угловая высота, или вертикальный угол, теперь тоже точен. Впоследствии, как и при любом другом большом повороте телескопа, надо будет ввести небольшие поправки. “Пико дель Велета на источнике M87 и регистрирует, установка на 3C 273”, – рапортует Кричбаум. Графики в диспетчерской показывают приемлемые уровни сигнала; жесткие диски вращаются и заполняются. Это обнадеживает. На экранах приборов мы видим, как телескоп, двигаясь против вращения Земли, следует за центром M87. Уже четыре часа мы поворачиваемся то к M87, то к калибровочному квазару, то обратно к M87, сканируя каждый источник несколько минут. Кажется, теперь все налажено и может работать без нашего участия.

Мы находимся в состоянии какого‐то транса. Ощущение странное: усталость берет верх даже над самыми выносливыми, но в то же время все полны решимости следить за малейшим движением телескопа. На самом деле я должен был рано утром сменить Кричбаума, чтобы он наконец мог немного поспать. Во всяком случае так мы с ним договорились. Но он никак не может уйти и остается на наблюдательном пункте всю ночь: похоже, у него есть какие‐то секретные резервы энергии, припасенные именно для такого случая.

Наступает рассвет. В 6:50 “проснулся” телескоп на Гавайях, и недолгое время мы наблюдаем за M87 вместе. Друг от друга нас отделяют невероятные 10 907 километров – самое большое расстояние в сети телескопов для этого источника! Теперь наш телескоп направлен прямо поверх гор – не станет ли это проблемой? Еще пятнадцать минут – и последний из тридцати четырех сканов в наших регистраторах. Огоньки перестают мигать. Кричбаум отсылает в групповой чат последнее сообщение: “Все РСДБ-сканирования завершены. Мы несколько устали и хотим отдохнуть после тридцати восьми часов наблюдений”. Бедняга не спал и предыдущую ночь. Мы тащимся к кроватям, а Сара Иссаун в Аризоне и ее коллеги на Гавайях должны продержаться еще несколько часов. Рабочая смена на телескопе в Аризоне – как находящемся в самом центре – самая длинная. И точно так же, как и мы, Сара не может оторваться от экрана. Ее наблюдения продлятся целых 19 часов – и плюс время на подготовку. Она все еще работает, когда мы встаем, чтобы подготовиться к следующей ночи. Отдохнуть по‐настоящему ей никак не удается.

Финальный отсчет

Первый раунд прошел успешно. Если бы только нам удалось продолжить в том же духе! Довольный Шеп Доулман поздравляет нас из Бостона с очень хорошо проведенной первой фазой наблюдений и желает всем спокойной ночи. Правда, многим из нас удастся сегодня поспать всего несколько часов, да и то только днем.

Все уже отправились отдыхать, но меня ждут дела совсем другого рода. Незадолго до начала нашей экспедиции на интернет-сайте BBC неожиданно появилась статья, где утверждалось, что мы вот-вот получим первое изображение черной дыры. Откуда они об этом узнали? Мы не рассылали пресс-релиз; мы вообще не знали, получится ли у нас что‐нибудь. А если все окончится очередным размытым пятном? Не завышены ли наши ожидания? Что если измерения придется проводить много лет? Я не избегаю прессы, но появление этой статьи сейчас – просто безумие.

Тем не менее ее оказалось достаточно, чтобы СМИ обрушились на нас, как настоящая лавина. Нам пришлось сделать информационное сообщение, и мой телефон звонит не переставая: журналисты со всего света хотят знать, как идут дела здесь, на Пико дель Велета. В прямом эфире я даю по скайпу интервью для Sky News и Al Jazeera, отвечаю на вопросы Dutch radio. Посетители наших страниц в социальных сетях так возбуждены, что вызывают недовольство старой гвардии радиоастрономов, о чем последние и сообщают на тех же сайтах. Я пытаюсь понизить градус ожиданий и говорю, что мы будем удовлетворены, если увидим нечто, напоминающее уродливый земляной орех.

Определенно, никаких шансов выспаться у меня уже нет, и это явно сказывается на моих языковых способностях. Несколько голландских пользователей Twitter[159] не соглашаются с моей грамматикой. Только узнав, что я вообще‐то немец, они несколько смягчаются. И это немало меня радует.

Вечером опять надо решать, подходящая ли погода для наблюдений. Условия везде образцово-показательные. Как и ожидалось, после короткой телеконференции поступает сигнал о начале второго раунда: мы опять слышим команду “запускаем РСДБ”. Сегодня вечером в нашем списке почти сто сканов, а это значит, что нас ждет еще более напряженная смена. Мы начинаем на два часа позже, чем вчера, – глубокой ночью. В течение многих часов мы каждые несколько минут переключаемся от 3C 273 к M87 и обратно. Слава богу, погода не меняется, и последний скан мы заканчиваем точно по расписанию в 7:30 утра. В это время центр галактики M87 находится под углом всего 10 градусов над горизонтом. Даже самые сильные радиоисточники в конце концов садятся за горизонт.

Во время наблюдений мы стараемся развлечься. Включается групповой чат – чем дольше тянется ночь, тем больше мы дурачимся. Все явно в хорошем настроении. Неожиданно с Южного полюса приходит фотография Даниэля Михалика с коллегой[160]. В теплых толстых куртках и лыжных очках они стоят перед массивной кабиной приемника Южного полярного телескопа, а за ними до самого горизонта простираются сотни километров льдов и снегов – необозримая плоская белая равнина, переходящая прямо в голубизну неба. Снимок доставляет особое эстетическое удовольствие. Он явно достоин висеть на почетном месте в любом музее науки. Теперь я понимаю, в каких невероятных условиях работают там эти двое: Михалик пишет, что температура невообразимо низкая: – 80 градусов по Фаренгейту (около –62 градусов по Цельсию).

Фотографии великолепные. Хочется, чтобы их было больше. Мне приходит в голову идея: прямо сейчас, немедленно, объявить “конкурс красоты” EHT. В отдельном сообщении я обращаюсь к коллегам с просьбой выложить фото, отражающие их впечатления от своих телескопов. Это позволит нам всем лучше представить себе рабочие места друг друга, а в некоторых случаях и впервые увидеть коллег. До начала экспедиции многие из участников проекта EHT даже не встречались лично. Неформальное соревнование на лучший снимок немного сплачивает команду.

На следующий день неясно, будет ли возможность проводить измерения. Погода в районе некоторых телескопов ненадежная, поэтому решение откладывается. Операторы в Испании начинают нервничать: если не принять его в ближайшее время, работу с телескопом начнет другая группа, а мы потеряем ночь. В последнюю минуту поступает сигнал начинать. Тот факт, что третью ночь подряд можно работать на всех телескопах, – это, конечно, подарок судьбы, но, с другой стороны, ночные смены сказываются буквально на всех. Доулман пишет, что сознает это и понимает, в каком напряжении находится наша команда. Но мы должны использовать имеющиеся у нас дни. Выспаться можно и потом.

В этот раз мы начинаем около шести утра по местному времени. В программе – галактический центр. Я сильно нервничаю, но все проходит прекрасно. На следующий день наша удача с погодой заканчивается. В Мексике идет дождь. Здесь, на Пико дель Велета, по прогнозу ожидается даже снег. В Аризоне погода тоже неподходящая, да вдобавок там сильный ветер. Возможно, даже слишком сильный для большого телескопа. Мы решаем устроить двухдневный перерыв. Может, в другие годы мы и продолжили бы работу, но сейчас по этому поводу никто не переживает. Все команды окончательно выдохлись.

Я использую свободное время для написания небольшой компьютерной программы, которую можно будет использовать, чтобы подготовить и начать новые раунды измерений. Для меня программирование – прекрасное успокоительное средство, нечто вроде медитации.

Через две ночи опять звучит команда “Запускаем РСДБ”. На критически важных станциях погода нормальная. Сегодня вечером нам это кажется нереалистическим: здесь воздух суше не стал. Правда, на Южном полюсе телескоп вообще не включился. Тамошняя команда пропустила несколько сканирований, но затем все наладилось и они присоединились к рабочему процессу. Еще одна ночь – и делу конец. Эта ночь тоже проходит гладко, всего с несколькими сбоями. Около восьми часов утра Пабло Торне сообщает с Пико дель Велета: “Мы закончили. Кроме двух пропущенных сканирований, здесь все прошло очень хорошо”. Мы сделали это! На Гавайях руководитель проекта Ремо Тиланус регистрирует наше сообщение, благодарит всех за работу и желает удачно добраться до дома. “Или покатайтесь на лыжах в свое удовольствие”, – телескоп он знает.

Мы откидываемся на спинки кресел – работа окончена. И хотя недосып берет свое, все ощущают торжественность момента: по крайней мере сегодня мы одержали большую победу. Пройдут месяцы, прежде чем мы узнаем, можно ли использовать наши данные. И все же то, что от нас зависело, мы сделали.

После окончания последней смены напряжение спадает и у команд других телескопов. Теперь надо отпраздновать это событие. Первый тост – Будем здоровы! – поступил с Южного полюса. Чтобы отметить окончание кампании, у них нашлась бутылка виски. Как они там ее раздобыли? В Мексике, на LMT, настроение тоже превосходное. Гопал Нараянан пишет, что последнее сканирование они выполняли под песню группы Queen “Богемная рапсодия”. Следующая в списке – песня шведской рок-группы Europe “Последний отсчет”. И в Бостоне тоже все довольны. Они слушают “Высоко над радугой” Израэля Камакавивооле. Но первый приз достается моим студентам в Аризоне. Сара Иссаун пишет: “Прямо сейчас мы слушаем песню Muse[161] «Сверхмассивная черная дыра»”. Меня положили на обе лопатки. Я знаю, что такое сверхмассивная черная дыра, но, может, мне кто‐нибудь скажет, кто такой Muse?

Путь домой

Экспедиции – это одни из наиболее ярких событий в научной карьере астронома. Но поскольку в разъездах приходится проводить довольно много времени, я всегда жду момента окончания работы и спешу поскорее вернуться к семье. Жена говорит, что всякий раз, как я возвращаюсь, ей прежде всего приходится “спускать меня на землю”. После измерительной кампании в Испании это действительно необходимо. Работа в течение нескольких ночей подряд полностью истощила силы участников EHT-измерений. Сейчас мне прежде всего надо выспаться, и, я уверен, это же относится к коллегам на других телескопах. Пока члены многочисленной команды EHT возвращаются из удаленных уголков Земли домой, к цивилизации, служба доставки отправляет по заданным маршрутам в больших деревянных ящиках около тысячи жестких дисков с зарегистрированными данными.

“Ради бога, пусть с ними не случится ничего плохого”, – думаю я. Уже бывало, что при перевозке данные РСДБ терялись. На этих дисках хранятся все сокровища EHT, все наши драгоценные материалы. Резервное копирование невозможно, поскольку объем данных слишком велик. Нам приходится работать без страховки, без ремней безопасности. Потеря данных будет неописуемой катастрофой и для нас, и для нашего проекта. Вся кампания пойдет прахом, и кто знает, когда мы опять дождемся такой хорошей погоды.

Один за другим наши ящики приходят в обсерваторию Хейстек. Оттуда часть данных пересылается в Институт Макса Планка в Бонне. Дольше всего приходится ждать жесткие диски с Южного полюса. До окончания антарктической зимы осталось полгода, и только тогда их можно будет отправить со станции Мак-Мердо. Все это время члены нашей команды на Южном полюсе будут оставаться на станции. Их ночь кончится еще не скоро.

За пять дней наблюдений каждый из восьми телескопов собрал около 450 терабайт данных. Это значит, что нам предстоит проанализировать порядка 3,5 петабайта, а петабайт – это число с 15 нулями! Первый шаг – согласовать данные разных телескопов, то есть стандартизовать и расположить данные в строго хронологическом порядке. Эту работу планируют разделить между собой команды из Массачусетса и Бонна. Кроме того, каждая из команд перепроверит часть данных других команд. Оба института десятилетиями занимаются подобной работой, и все же – доверяй, но проверяй.

Установление корреляционных зависимостей обусловлено необходимостью “выудить” радиоволны, сохраненные в безбрежном море данных, и наложить их одну поверх другой. EHT – это интерферометр, а информация, которую с его помощью можно получить, всегда представляет собой комбинацию волн, зарегистрированных двумя телескопами. Для наших целей сам по себе один телескоп вообще бесполезен. Интерференцию можно представить себе так: вы бросаете два камня в пруд, в результате чего на его поверхности образуются расходящиеся круги, иначе говоря, – волны. Когда волны перекрываются, они в определенных местах гасят друг друга, а в других местах усиливают, что приводит к появлению характерного узора. Полное название этого узора, состоящего главным образом из пересекающихся линий, “картина интерференционных полос”, но радиоастрономы для краткости называют его просто “полосы”. Исходя из направления и интенсивности линий, можно очень точно определить относительный размер камней и место, где они коснулись воды. Задача радиоастрономов сложнее: свои измерения они проводят не в тихом пруду, а, скорее, в океане во время шторма. Прежде чем что‐то можно будет увидеть, приходится накладывать друг на друга горбы и впадины невероятного количества волн, а для этого волны должны быть строго синхронизированы, так как иначе интерференционная картина развалится.

Для синхронизации радиоволны надо сдвинуть друг относительно друга так, чтобы они колебались, условно говоря, в одном и том же ритме. Эксперты в корреляционных центрах чем‐то напоминают ди-джеев, которые, регулируя скорости двух проигрывателей, выравнивают ритм двух разных песен. Песни звучат как одна мелодия, если их ритмы синхронизированы идеально. Отличие с радиоастрономами состоит в том, что последние работают не с двумя проигрывателями, а со сложными регистраторами данных Mark 6 с разных телескопов. Только когда эти данные идеально синхронизированы, телескопы начинают функционировать в РСДБ-режиме.

Ди-джей сразу знает, синхронизировал ли он проигрыватели, а нам предстоит долго ждать результатов. Если ди-джей ошибся и ритмы двух песен не синхронизированы, он сразу это заметит или в крайнем случае увидит, что танцующие затыкают уши и из‐за резких звуков убегают с танцпола. Но, проводя измерения, мы не можем проверить, все ли работает синхронно. Наш опыт наблюдений напоминает опыт первых исследователей морских просторов: без GPS, без каких‐либо ориентиров они плыли по безбрежным водам, надеясь добраться до далекой цели. До самого конца мы не будем знать, не пошли ли все наши усилия прахом. Как и путешественники, мы узнаем это, только благополучно добравшись до цели. Полосы – иначе говоря, хорошо перекрывающиеся структуры – обнаружить удается не всегда. До поступления результатов нам остается только ждать, нервничать и грызть ногти.

Чтобы подстроить темп каждого из телескопов, необходимо знать (и знать точно!) как положение каждого из них относительно неба, так и относительное время прихода радиоволн из космоса. Для оценки этих величин эксперты РСДБ используют модель движения Земли, учитывающую ее вращение, нестабильность вращения и измеренное смещение полюсов за счет движения и морей, и слоев атмосферы. Суперкомпьютер, который связывает между собой более тысячи операционных устройств, ищет в статических изображениях радиоволн, зарегистрированных каждой парой телескопов, общие колебания, сдвигая для этого волны так, чтобы они совпали друг с другом, и выбирает самые лучшие корреляции.

Подобные расчеты – дело трудоемкое и выматывающее. И для ошибок тут много места: если сместиться всего на миллисекунду, придется пересматривать миллионы альтернативных вариантов. Полный анализ корреляций часто продолжается дольше самих наблюдений. По этой причине начинают всегда с базисных тестов, которые включают небольшой объем данных, полученных двумя телескопами, что направлены на очень яркий квазар.

26 апреля 2017 года поступают первые сообщения о корреляциях. Майк Титус, эксперт по корреляциям из MIT, гордо рапортует, что обнаружены первые интерференционные полосы для данных, полученных при наблюдении за квазаром OJ 287, телескопами JCMT на Гавайях и LMT в Мексике. Вес взят. Это похоже на крик матроса: “Вижу землю!” Мы постепенно продвигаемся вперед. На следующий день Титус сообщает о еще более четкой интерференционной картине, построенной на основании данных телескопов JCMT, LMT и SMA для радиоисточника 3C 279. Практически каждый день поступают новые сведения об успехах, и мало-помалу в наши расчеты включается вся сеть. 5 мая я информирую директора IRAM[162], что EHT обнаружил интерференционные полосы от сигналов практически всех телескопов. Невероятно, но сработало, все сработало! Даже если у нас нет ни малейшего представления о том, что именно покажут наши данные, – они все равно лучшие из когда‐либо полученных в экспериментах такого рода! В космосе мы ступили на новую, неизведанную территорию.

Однако прошло целых девять месяцев, прежде чем мы закончили вычисление корреляции всех данных, включая данные с Южного полюса. Но еще до того, как у нас появилась хоть какая‐то информация о том, что конкретно нам станет известно на основании полученных данных, мы начали второй раунд наблюдений.

28 апреля 2018 года удача отвернулась от нас. Мы теряем целых три дня, поскольку не готов новый приемник одного из телескопов, да еще и погода не желает нам благоприятствовать. На Пико дель Велета я не вижу край телескопа – он теряется в тумане. Антенны телескопа ALMA в Чили неожиданно покрылись льдом, да и в Аризоне и на Гавайях погода так себе. И все же в наблюдениях первый раз принимает участие новый Гренландский телескоп (GLT), которым управляют наши коллеги из Тайбэя.

Затем приходят шокирующие новости: нам сообщают, что в Мексике нашу группу захватила вооруженная банда. Там и мой аспирант Майкл Янссен. Безостановочно ругая себя, я без надежды на успех стараюсь связаться с ним по телефону. Какие еще опасности подстерегают наших товарищей? Раньше ничего подобного не случалось, но сейчас именно я отвечаю и за проект, и за своих коллег. Наконец я дозваниваюсь до Майкла. “Черный пикап блокировал нам дорогу, когда мы пытались добраться до телескопа, – торопливо говорит он. – Нас окружили шестеро хорошо вооруженных мужчин в масках. Мы подняли руки. Один из них немного говорил по‐английски. Когда я понял, что он нервничает, то забеспокоился еще больше”. Описывая, что с ними происходило, Майкл говорит удивительно собранно, но я понимаю, насколько он потрясен. “Я пытался объяснить им, что мы астрономы. Затем началась неразбериха. Они сказали, что будут нас охранять, а потом уехали. Кэтрин Боуман и Линди Блэкберн уже добрались до телескопа. К счастью, с ними ничего не случилось, и со мной сейчас тоже все в порядке”, – заключает он. “Вы возвращаетесь сразу, как только это будет безопасно!” – говорю я. Затем у меня состоялся весьма эмоциональный разговор с Шепом Доулманом, после которого я позвонил директору телескопа[163]. Мы решили убрать оттуда нашу команду и закончить раунд без этой, хотя и столь важной, обсерватории.

Никто не знал, был ли этот инцидент неудавшимся покушением или спецоперацией секретной полиции. И мы не собирались это выяснять. Примерно тогда же обострились отношения между мафиози из штата Пуэбла и центральным мексиканским правительством. Позднее на извилистой, с плохим обзором дороге, ведущей к спящему вулкану Сьерра-Негра, стали все чаще устраиваться засады. В результате в феврале 2019 года в мексиканском Национальном институте астрофизики, оптики и электроники, управлявшим этим телескопом, пришли к логичному решению остановить на какое‐то время работу LMT и находящегося неподалеку Гамма-телескопа HAWC[164].

По этой и по другим причинам (технические проблемы с разными телескопами) следующий раунд измерений, намеченный на 2019 год, не состоялся. Мы хотели повторить попытку в 2020 году, и я планировал отправиться на NOEMA – новый телескоп IRAM на плато де Бюр во Французских Альпах, но в этот раз наши планы разрушил коронавирус. За две недели до старта кампании был объявлен локдаун – опять никаких измерений! Похоже, 2017 год оказался нашим годом чудес. Данные за 2017‐й должны были показать, удалось ли нам воспользоваться этой уникальной возможностью.

11

Разрешение изображения

Как радиосигналы становятся изображением

Изображения космического пространства не падают сами с неба. Напротив – каждый астроном знает, сколько терпения и усилий требуется от него, чтобы получить изображение космоса, особенно если световые волны хранятся на жестких дисках. Собрав данные, мы, по сути, должны смонтировать на компьютере телескоп, охватывающий весь земной шар, и понять, как будет антенна или зеркало этого гигантского телескопа обращаться с реальными волнами.

Математическая операция, которую выполняет зеркало, фокусируя идущий из космоса свет, называется преобразованием Фурье в честь французского математика Жана-Батиста Жозефа Фурье. Он ввел это преобразование в 1822 году, и сегодня его используют во всех мыслимых областях нашей повседневной жизни. Любой, кто хранит на своем компьютере сжатые JPEG-изображения или музыкальные MP3‐файлы, в том или ином виде использует преобразование Фурье. То же самое делают и наши уши, преобразуя колебания в ноты. С точки зрения математики уши, как и вогнутые зеркала, – гениальные математики, способные автоматически, даже во сне, выполнять сложные математические операции. Это знакомо любому, кто просыпался посреди ночи от писка неправильно поставленного будильника. Но если зеркало телескопа – компьютер, то сначала требуется решить сложную задачу: самим составить программу, выполняющую такие преобразования. Иначе говоря, научить компьютер пошагово выполнять эту операцию.

Уникальное свойство преобразования Фурье – возможность не учитывать часть информации, не теряя при этом общего представления об изображении или музыкальном фрагменте. Электронные устройства всегда используют преимущества процессов сжатия данных: при преобразовании Фурье изображения или музыкального произведения несущественная часть данных отбрасывается, а оставшаяся часть сохраняется. Однако в любой момент сохраненные данные можно преобразовать обратно в исходное изображение или музыкальный отрывок. Различия будут практически незаметны, но объем данных становится существенно меньше и, следовательно, больше изображений можно сохранить на одной карте памяти.

То же самое происходит, когда на объективе камеры есть пыль или поцарапано зеркало телескопа, с помощью которого мы смотрим на ночное небо: информация теряется, и зеркало не может выполнить преобразование Фурье полноценно. И все же мы не получим изображение с пустыми местами, на котором часть звезд отсутствует. Скорее оно просто станет не таким четким. Мы не замечаем, что нарушения, вызванные потерей информации, распределены по всему изображению. Каждая трещинка на зеркале равным образом влияет на изображения всех звезд. Однако с помощью компьютерного алгоритма можно выполнить расчет, убирающий большинство этих дефектов и тем самым очищающий изображение.

Именно по этой причине глобальный радиоинтерферометр не представляет собой гигантское отражающее зеркало, а состоит из большого числа связанных друг с другом маленьких телескопов; к тому же он не обязательно должен быть целостным. Он работает, даже если не покрывает всю поверхность планеты. Такой телескоп эквивалентен поцарапанному зеркалу с большим количеством отверстий – на самом деле, царапин и дырок на нем гораздо больше, чем зеркальной поверхности. Тем не менее, имея некоторые навыки и владея необходимым математическим аппаратом, точное изображение можно восстановить. Это позволяет сэкономить большое количество антенн и еще большее количество денег. Ведь не исключено, что некоторым поглощенным земными заботами людям требование покрыть всю Землю радиотелескопами могло бы показаться слишком затратным.

Фурье-преобразование изображения можно сравнить с симфонией: изображение, которое вы видите, – это музыка, которую вы слышите; Фурье-преобразование изображения – партитура симфонии; радиоинтерферометр – измерительное устройство, записывающее музыку и преобразующее ее в отдельные ноты партитуры.

В любой момент времени каждая из комбинаций двух телескопов сети РСДБ измеряет ровно одну “ноту” изображения, которую рассчитывает коррелятор. Расстояния между парами телескопов – базы. Их можно сравнить со струнами арфы разной длины, ответственными за разные звуки. Только здесь все наоборот: струны не производят звуки, а скорее “слышат” их, и чем длиннее струна, тем выше улавливаемое ею “изображение-нота”. Возвращаясь к аналогии с симфонией: короткие базы слышат главным образом тимпаны и контрабас, а длинные – только флейты-пикколо и треугольники.

Если вы собираетесь выполнить Фурье-преобразование изображения, например, головы человека, низкие изображения-ноты позволят уловить только форму головы, но не детали лица. С другой стороны, различить четкие контуры рта и носа, но не головы вокруг них, позволят высокие изображения-ноты. Важно то, какова, исходя из положения источника радиоволн, длина виртуальных струн. Если смотреть на струну под некоторым углом, она кажется короче, чем когда смотришь на нее прямо сверху. Поскольку Земля вращается, прогнозируемая длина струны и ее направление меняются, и в течение нескольких часов ночных наблюдений телескоп настраивается.

Чтобы с помощью РСДБ-сети получить хорошее изображение, чувствительность каждого отдельного телескопа должна быть точно откалибрована относительно каждого другого телескопа и время запаздывания между телескопами должно быть скорректировано. Это эквивалентно сборке и тщательной полировке зеркала, состоящего из нескольких сегментов, или точной настройке пианино. Наша калибровочная группа[165] приступает к работе весной 2018 года. Ее задача – убедиться в правильности микширования, то есть провести перед началом нашего концерта настройку аппаратуры и звука, регулируя уровни громкости многочисленных различных инструментов, принимающих участие в исполнении большого музыкального произведения. Только тогда у нас появится возможность сыграть симфонию, только тогда из какофонии наших данных может возникнуть гармоничное изображение черной дыры.

Однажды в середине мая, когда я уже собираюсь уходить, у меня в кабинете появляется Сара Иссаун и говорит подозрительно бесстрастным тоном: “Вы уже видели наши первые калибровочные графики для Sgr A* и M87? По-моему, они должны вас заинтересовать”. Настроение у Сары по обыкновению приподнятое, но сегодня ее глаза еще и как‐то плутовато поблескивают. Я с любопытством смотрю на экран. Отвожу взгляд… смотрю еще раз. И ошеломленно спрашиваю: “Вы все верите в то, что видите?” “Ну, это пока предварительные данные, и нам еще надо их тщательно перепроверить”, – отвечает она.

Калибровочная команда изучает состоящую из едва заметных точек кривую. Это – “звукоряд” для M87. Наподобие темброблока[166] старомодной Hi-Fi-стойки ди-джея, эта кривая показывает упорядоченную по частоте “громкость” каждой измеренной нами “ноты”. При смещении по ней в область “нот высокой частоты” изображения громкость монотонно снижается и постепенно доходит до нуля. Если бы изображение черной дыры было портретом, мы бы точно знали размер ее головы: чем высоких нот меньше, тем голова больше. Но затем кривая начинает опять подниматься вверх. Мы измерили и достаточно много громких высоких нот. У головы есть лицо, и мы его запечатлели! Самые высокие и самые важные для успеха нашего предприятия ноты достигли нас в самые последние минуты, когда наблюдение велось одновременно и в Испании, и на Гавайях. Поистине поразительно!

Я облегченно вздыхаю, но все‐таки продолжаю нервничать. “Это слишком хорошо, чтобы быть правдой!” Форму данной кривой знает каждый – она есть в любом учебнике по радиоастрономии[167]. “Боюсь сглазить, но кривая достаточно точно соответствует Фурье-преобразованию кольца. Если это действительно так, то объект M87 и впрямь настолько большой, насколько считают некоторые, и мы видим его тень”, – говорю я, испытывая почти благоговейный трепет. “Да, от шести до семи миллионов солнечных масс”, – улыбаясь, добавляет Сара.

“Хорошо, подождем и потом посмотрим”, – отвечаю я, сделав невозмутимое лицо. Тем не менее весь остаток дня я нервно расхаживаю по кабинету. Ощущение такое, будто вот-вот должен появиться очень важный гость, которого вы ждали десятки лет. Вскоре мы впервые его увидим. Благодарственная молитва звучит в комнате, где обычно рассуждают вполне трезво.

Большой сюрприз

Поскольку РСДБ измеряет не все ноты, то с точки зрения теории это означает, что наши данные можно сопоставить с большим числом изображений. Если нет полной нотной записи симфонии, то теоретически по имеющимся нотам можно наиграть большое число мелодий, хотя, вероятно, большинство из них будет звучать очень нескладно.

Меня беспокоит один вопрос: как убедиться, что мы не обманываем сами себя? Именно мы должны стать своими самыми строгими критиками. К счастью, кажется, в нашей команде все ясно осознают эту опасность, и потому, анализируя данные, мы проверяем каждый шаг по крайней мере двумя независимыми методами.

Калибровочная группа обрабатывает данные очень старательно. Линди Блэкберн, специалист в подобного рода задачах, создает один конвейер данных[168], а Майкл Янссен совместно с нашей группой – второй. Свой конвейер Майкл называет rPICARD[169]. Теперь остается только, подражая капитану из моего любимого сериала “Звездный путь”, скомандовать “Делай!”, чтобы начался полностью автоматический процесс обработки данных. Оба конвейера выдают сопоставимые результаты: инструмент настроен. Значит, откалиброванные данные можно использовать для построения изображения. Этой задачей займется большая, преданная своему делу группа специалистов по визуализации[170], составленная из числа всех членов сообщества EHT.

Путь до изображения, безупречного по научным меркам, все еще долог. В работе группы визуализации участвуют десятки коллег по всему миру. Их работа включает в себя много различных этапов. Есть большое число отличающихся друг от друга методов, которыми можно построить изображение. Здесь на сцену выходит Кэтрин Боуман – эксперт в области электронной обработки изображений, заинтересовавшаяся ею еще в старших классах школы. Окончив университет, Боуман сначала работала в MIT, а затем перешла в Гарвард. Она знает все о неоднозначности обработки изображений и о том, как лучше обойти самые опасные ловушки. Кэтрин регулярно проводит для EHT проверочные испытания РСДБ-экспертов и алгоритмов. Участники этих испытаний получают данные моделирования. Некоторые данные выглядят так, как действительно может выглядеть изображение черной дыры, на других виден джет, а некоторые напоминают снежную бабу в шапке, шарфе и с носом из морковки. Это нечто вроде своеобразного конкурса красоты: команды должны представить реконструированное изображение, не зная, что скрывается за данными. Есть даже подобие жюри, оценивающего результаты работы команд. Один раз в него входил и я. Так снова и снова мы проводим своего рода контроль качества нашего анализа данных, что позволяет команде визуализации отобрать несколько доказавших свою надежность алгоритмов, которые затем еще дорабатываются.

До сих пор команда визуализации работала только с данными моделирования и данными калибровочной группы. Но теперь все серьезно. Теперь им передали измеренные и настроенные нотные записи из симфоний M87 и Sgr A*. Напряжение невероятное: на что будет похожа наша черная дыра? Мы чувствуем себя, как дети рождественским утром. Под елкой лежит несколько огромных подарков, и теперь их следует развернуть. Но это подарки особого рода: развернуть их можно только один раз. Второго раза не будет. В науке разворачивание – оценка данных – это тоже эксперимент. И тот факт, что оценку выполняют люди, может повлиять на результат.

Чтобы разворачивать подарок независимо друг от друга, группа оценки делится на четыре подгруппы[171]. Я со своими аспирантами Сарой, Майклом и Фриком Рулофсом в команде II. Нашу команду, распределенную по трем континентам, возглавляют Сара и японский коллега Казунори Акияма.

Чтобы обеспечить независимость результатов каждой из команд, всякое общение между подгруппами запрещено. И, естественно, никому не позволено демонстрировать полученные изображения кому‐то вне EHT. Мы хотим быть абсолютно уверены, что утечек нет. Но, должен покаяться, я все же показываю изображения своей жене.

Расписание у групп визуализации очень жесткое. Ночью, 6 июня 2018 года, данные измерений для M87 и Sgr A * переданы всем четырем командам. Все очень взволнованы. Аспиранты немедленно приступают к анализу данных. Сначала каждый из них работает над изображением, порученным именно ему (или ей). Я в это время опять нахожусь в Соединенных Штатах, на конференции Американского астрономического общества, где рассказываю о нашей лунной радиоантенне. Я стараюсь скрывать волнение и втихомолку поддерживаю связь с Фриком и остальными. Этой ночью по всему миру появились первые изображения черной дыры. Никто не знает, кто был первым, да это и неважно. Пока я сижу в самолете, летящем обратно в Германию, дело продолжает двигаться вперед. Во время полета из Денвера мое внутреннее напряжение становится почти невыносимым. На борту в развлекательной программе я обнаружил короткое обучающее видео с Кэтрин Боуман. “К тому моменту как я приземлюсь, это уже будет неактуально”, – тихонько улыбаясь, думаю я. Когда наконец самолет останавливается на взлетно-посадочной полосе во Франкфурте, я вытаскиваю из кармана смартфон, чтобы взглянуть на изображения, построенные моей группой. Долгожданный гость вот-вот появится.

Мое эмоциональное состояние напоминает состояние героя-любовника в конце душещипательного романа позапрошлого века. Изображение – моя далекая возлюбленная. Я ждал десятки лет, зная о ее любви только благодаря пылким письмам, которыми мы часто обменивались. Хотя я никогда не видел свою возлюбленную, у меня в голове сложился ее четкий образ. Это – долгожданная гостья. И она должна вот-вот появиться. Взгляд на первое изображение сравним с первым взглядом в лицо возлюбленной, когда открывается дверца подъехавшей кареты. К радости ожидания примешиваются страх и тревога. Не подвело ли меня воображение? Может, это только мои фантазии? Что если реальность окажется гораздо грубее и уродливее? Что если ее вид оставит меня холодным? Но карета уже остановилась… дверца распахнулась.

Стараясь унять легкую дрожь, я открыл присланный мне Фриком файл специального формата, который используют астрономы[172]. Я в Германии, в междугородном скоростном поезде; передо мной мой ноутбук. Оглядываюсь исподтишка: остальные пассажиры не обращают на меня ни малейшего внимания. Окошко на экране наконец открывается, и я вижу нечто серое и нечеткое. Увеличиваю изображение, подстраиваю контраст, выбираю свою любимую, самую яркую цветовую шкалу… и вижу ее. Незамкнутый круг? Лошадиная подкова? Нет, скорее это что‐то вроде трех четвертей кольца. Ну разве она не красавица?!

Я не могу оторваться, не могу налюбоваться. Она пленительно нова, но в то же время выглядит так привычно, как если бы мы знали друг друга давным-давно. С час я парю в облаках, а затем опять становлюсь скептиком. Это был только мимолетный взгляд. А какой она покажется мне завтра? И даже если мое первое впечатление подтвердится, надо еще очень многое сделать, чтобы установить отношения. Будут ли они долговременными? До свадьбы пока далеко.

Вскоре приходит мейл от Казунори Акияма. На завтра он планирует телеконференцию с нашей командой – необходимо сравнить свои изображения с чужими. Казунори втолковывает нам, что перед отправкой файлов с изображениями их следует защищать паролем. Он тоже невероятно возбужден, о чем и сообщает словами: “Ууууу! Я не мог спать всю ночь”. Я бы предпочел отправиться прямиком в Неймеген и поговорить со своими студентами, но сейчас мне предстоит сделать доклад на конференции TEDxTalk[173] в университете Ахена. До начала заседания я прокрадываюсь в подсобку и, забившись в щель между стульями и коробками с едой, рассматриваю черные дыры, одну за другой. Какое облегчение! На каждом изображении виден круг. Итак, это все же не мои фантазии! Во время своего выступления рассказать о наших результатах я не могу. Доклад уже устарел, но делаю я его с упоением[174].

В конце июля в Бостоне в Гарвардском университете на чрезвычайно важном семинаре, посвященном визуализации[175], собралось более пятидесяти коллег, представляющих все сообщество EHT. Цель семинара – показать свои изображения: сначала калибровочных источников, а затем и M87. Семинар проходит в середине летних каникул. Мы с женой отдыхаем на Балтике. Но у меня никак не получается полностью отключиться от дел: ожидая последних новостей, я целыми вечерами не могу оторваться от телефона. На изображениях остальных трех групп тоже видны кольца. Теперь они не вызывают удивления, но – чрезвычайно обнадеживают. Юношеская любовь, такая пылкая и такая загадочная, наконец представлена семье влюбленного и сразу признана своей.

Теперь члены ученого совета EHT должны принять решение, что делать дальше и публиковать ли изображение. В течение лета стало понятно, что обработать и проанализировать данные наблюдений Стрельца A* гораздо сложнее. Поэтому сейчас речь идет только о результатах, относящихся к галактике M87. “Давайте сначала разберемся с тем, что легче”, – предлагает мой уважаемый коллега и вице-президент научного совета Джефф Бауэр.

Массивный монстр в M87 идеально подходит для наших целей: даже если поток раскаленной плазмы движется вокруг черной дыры со скоростью, близкой к скорости света, из‐за ее невероятных размеров требуется несколько дней или даже недель, чтобы газ совершил полный оборот. Мы потратили около восьми часов, пытаясь сделать снимок черной дыры в M87 с помощью глобального телескопа. И все это время она, как отъевшаяся медведица во время зимней спячки, оставалась практически неподвижной. С другой стороны, радиоисточник Стрелец A* в центре Млечного Пути меньше M87 в тысячу раз. Это значит, что частота вращения горячего газа в тысячу раз больше и во время съемок его нельзя считать неподвижным: он ерзает и прыгает, как непоседливый двухлетний ребенок на собственном дне рождения. Каждая фотография с длинной выдержкой оказывается в той или иной степени размыта, и получить четкое изображение из данных наших измерений гораздо труднее.

После семинара в Гарварде работавшие вслепую подгруппы визуализации расформировываются. Теперь уже вся команда целиком начинает все с самого начала. Мы приблизительно понимаем, как выглядит радиоисточник M87. Настало время, когда компьютеры должны выявить самые лучшие из всех возможных изображений. “Помериться силами” предстоит трем хорошо зарекомендовавшим себя, проверенным алгоритмам[176]. Команды имитируют дополнительные РСДБ-данные, обманчиво похожие на реальные, но тем не менее служащие прообразом других изображений. Некоторые из них – кольца, некоторые – диски, а другие – просто две кляксы. Данные автоматически обрабатываются алгоритмами, и команда визуализации выдает тысячи изображений. На конечном этапе максимально точно подбираются значения параметров, одинаково хорошо воспроизводящих все смоделированные изображения, включая и те, где посередине нет тени. Если выбрать алгоритм, хорошо реконструирующий только кольца, то мы будем просто сами себя обманывать.

Только теперь наша команда готова использовать три отобранные алгоритма с обновленными параметрами при обработке реально измеренных данных для M87. В итоге мы получаем три слегка различающиеся, но четкие изображения. Я никак не ожидал, что снимки будут такими красивыми. На них виден светящийся красный круг с темным пятном посередине. Цвет не случаен; он обусловлен теоретическими результатами нашей старой статьи о тени черной дыры. Коллега из Аризоны[177] немного скорректировал и подправил цветовую гамму. Увидеть радиочастотное излучение невозможно, но после публикации нашего изображения красное свечение будет ассоциироваться с черными дырами. Потом даже NASA стало использовать красный цвет для компьютерной анимации черной дыры[178]. Когда позднее я рассказал историю окрашенных в красный цвет радиоволн композитору Лотару Коссе, автору современной христианской музыки поклонения и прославления, он с восторгом сказал: “Я вижу цвета, о которых даже не подозревал”. Думаю, сказано очень точно.

Такие изображения уже можно обнародовать. Вроде как заключена тайная помолвка, и с этого дня начинаются приготовления к свадьбе.

Группа анализа готовится начать проверку результатов. Теперь работа идет полным ходом. Теоретики[179] трудятся круглосуточно. Используя суперкомпьютеры, они составляют гигантскую библиотеку моделей черных дыр, чтобы иметь возможность сравнивать их с нашими данными. Такого крупномасштабного и детального моделирования черных дыр не было еще никогда.

Другая команда[180] должна быть готова измерить черную дыру. Каковы ее размеры? Мы можем определить ее массу? А ориентацию?

От того, что за такое короткое время удалось сделать, захватывает дух; о бесчисленных подвигах – существенных и не очень – можно слагать легенды. Все выкладываются полностью, но адреналин и множество бессонных ночей дают о себе знать. То тут, то там кто‐нибудь доходит до предела своих возможностей или даже переходит за этот предел, а кто‐нибудь другой отстает или не может справиться с натиском обстоятельств. Кажется, что круглосуточная работа – акт героизма, но она же становится причиной агрессии, от которой одинаково страдают и сами герои, и их коллеги. На фоне впечатляющей глобальной кооперации нет-нет да и проявляет себя архаичное, буквально фанатичное отрицание всего инородного: фракции обрушиваются одна на другую, считая, что используются чужие – “не отсюда” – идеи и методы. Ухудшаются отношения между членами управленческой команды, так что совету директоров и научному совету приходится выступать в роли миротворцев. Одни подливают масло в огонь, другие пытаются его потушить, но в целом все мы – и сообщество EHT как таковое, и каждый из нас по отдельности – по‐прежнему преданы общему делу и выполняем свою работу максимально хорошо.

Димитриос Псалтис – научный руководитель проекта – пытается направить этот креативный шторм в более организованное русло и предлагает план публикации. Надо ли быстро обнародовать изображение, сопровождаемое короткой статьей, в одном из больших научных журналов, например, в Nature? Пожалуй, нет – это будет неправильно понято. Мы не должны подставляться: изображение настолько эффектно и настолько необычно, что нас могут обвинить в погоне за сенсацией. Сделано уже очень много, и все наши результаты должны быть задокументированы! После многочисленных обсуждений с нами и со всеми членами научного сообщества Псалтис предлагает план, получивший благословление научного совета: будет написано шесть научных статей. Мы хотим должным образом описать весь научный процесс, необходимый EHT для успешной работы. В него входят: технология РСДБ, калибровка данных, построение изображения, моделирование и анализ изображения – значит, по статье на каждый вопрос. Кроме того, должен быть обзор, обобщающий и классифицирующий полученные результаты. Всего выходит 204 страницы – почти книга, посвященная одному изображению.

В ноябре 2018 года на большое совместное собрание EHT в университет Неймегена приезжает 120 ученых[181]. Здесь пройдет совместное обсуждение всех различных аспектов EHT. Это первое общее собрание со времени последнего раунда наблюдений и после подписания в 2017 году соглашения о создании нашего научного сообщества. Много любви и старания вложила в подготовку этой недельной встречи моя ассистентка Катерина Кенигштайн. Конференция проходила в недавно отреставрированном старом иезуитском монастыре Берхманианум (теперь это корпус Неймегенского университета). Здесь, в старой капелле, под строгими взглядами святых мы будем обсуждать “направление атаки” EHT и шесть планируемых статей.

Утром в понедельник я стою на улице у монастыря и ожидаю прибытия автобусов, которые должны привезти моих коллег из близлежащих отелей. Когда открываются двери автобусов, я вижу так много знакомых лиц, что на душе сразу становится тепло. Вокруг царит хорошее, радостное настроение. Часто слышна фраза: “А я вас знаю: видел на экране”. До сих пор многие из нас никогда не встречались лично – лишь виртуально, на бесчисленных многочасовых видеоконференциях.

Через полтора года началась эпидемия коронавируса, многие из нас оказались в карантине, и правила работы большого числа компаний изменились. К тому времени для EHT дневные и ночные видеоконференции уже стали абсолютной нормой, но в 2018 году установленный нами самими карантин был прерван общей конференцией и интенсивной совместной работой. Этот опыт оказался невероятно важен для взаимоотношений внутри EHT. Он показал, какие эмоциональные факторы и социальные аспекты теряются, когда люди общаются друг с другом только с помощью экранов, камер и микрофонов. Атмосфера конференции в Неймегене заставила вспомнить о встречах одноклассников, на которых ты видишь все еще очень тебе близкие, но все же ставшие уже несколько чужими лица.

В перерывах повсюду стоит гул, как в пчелином улье: повсюду стихийно образуются группы, где идет непринужденный разговор. Обычно в это время в Нидерландах серо и сыро, но сейчас, как бы напоминая о тех днях, когда мы проводили наблюдения, погода нам благоволит. Следуя старой РСДБ-традиции, я настаиваю на коротком футбольном матче и даже забиваю гол. (Правда, на следующий день по лестнице подниматься трудновато.) Главное событие недели – прием, который организовала Катерина Кенигштайн в церкви Св. Стефана – самой большой церкви Неймегена. Поначалу выбор места показался мне странным, но потом я сообразил, что в секуляризованных Нидерландах это дает возможность научной организации финансово поддержать храм. Сильное впечатление произвел на всех оперный певец, выступивший на приеме. Когда, выйдя на балкон, он начал петь под аккомпанемент органа, из карманов появились телефоны, чтобы заснять его на видео, и носовые платки, чтобы промокнуть слезы.

На пленарных заседаниях координаторы, отвечающие за каждую из статей, представляют свои индивидуальные планы. Как ответственный координатор основной статьи, цель которой – подвести итог нашей работы, я спрашиваю у присутствующих: “Какова наша концепция? Что за историю мы рассказываем? Какие утверждения мы рискнем сделать?”

Мы определенно видим тень – именно такую, какую можно ожидать от черной дыры. Но, подчеркивает Псалтис, доказать, что черные дыры действительно существуют, мы никогда не сумеем. Можно только утверждать, что наши результаты совпадают с предсказаниями общей теории относительности, – и это совпадение достаточно впечатляющее. Наше изображение соответствует невероятно большому числу изображений, полученных теоретической группой при одно-однозначном моделировании на компьютере искусственных РСДБ-измерений. Это и подарок судьбы, и ее проклятие. Как я уже говорил, тень – очень надежный и очень заметный признак черных дыр. Но мы, например, не можем сказать, вращается ли наша черная дыра, а если вращается, то с какой скоростью.

И все же, поскольку мы научились проникать внутрь светящегося радиотумана, мы видим черное пятно. Имеется прямая корреляция между размером этого пятна и его массой. Кольцо – это свет, окутывающий черную дыру со всех сторон. Он ярче на границе темного пятна, и именно этого следует ожидать, когда газ вращается вокруг черной дыры со скоростью, близкой к скорости света, двигаясь по направлению к нам. В соответствии с общей теорией относительности такое движение с околосветовой скоростью фокусирует и усиливает свет в направлении вперед. Поскольку джет, а с ним и ось вращения плазмы, направлены вверх и вправо от нас и при этом нижняя часть газа движется по направлению к нам, то кольцо должно вращаться по часовой стрелке.

Однако наш главный результат – размер кольца. На языке астрономов его диаметр 42 угловые микросекунды. Кто бы мог подумать, что после всех этих лет, после обработки квадрильона графиков на суперкомпьютерах, ответ на самый главный вопрос – вопрос вопросов! – окажется 42[182]?! Все свелось к этому числу.

Нам на Земле кажется, будто черная дыра не превосходит размерами находящееся в Нью-Йорке горчичное зернышко с дырочкой, на которое мы смотрим из Неймегена. Другой пример – волосок, каким мы его видим с расстояния в 350 километров. Поскольку от нас до M87 около 55 миллионов световых лет, это соответствует диаметру в 100 миллиардов километров. Сравнивая с результатами моделирования, мы можем получить невероятную массу этакого чудища: около 6,5 миллиарда масс Солнца. По меркам нашей Солнечной системы длина окружности горизонта событий черной дыры такого размера должна быть в четыре раза больше орбиты Нептуна.

И все же в данный момент по‐прежнему неясно, что из “сфотографированного” надо считать – и что будет считаться – изображением. Ведь в общей сложности имеется двенадцать изображений: четыре дня измерений и три разных алгоритма обработки данных. В группе визуализации разгораются серьезные дебаты. Джефф Бауэр и я пытаемся выступать в роли арбитров. Наконец группа решает просто усреднить три алгоритмических метода и, используя данные за тот апрельский день 2017 года, когда условия для измерений были наилучшими, построить одно изображение. Изображения, полученные на основе данных за другие дни и с использованием каждого из алгоритмов, тоже будут представлены, но займут не такое видное место. Это – соломоново решение. Теперь каждый член команды по праву может утверждать, что в этом едином изображении представлена и его работа.

Остается еще последний важный вопрос: когда именно состоится публикация? По плану Шепа Доулмана это должно произойти в феврале. Ориентировочно во время большой пресс-конференции в Вашингтоне на ежегодном собрании Американской ассоциации содействия развитию науки – самой крупной научной конференции в мире. Мне кажется, что мы торопимся. Дэн Маррон и я стоим за перенос даты публикации на весну или даже на лето. Как и хорошая наука, хорошие научные статьи требуют времени, а в сутках всего двадцать четыре часа. Быстро выясняется, что февраль – это нереально, и все соглашаются сдвинуть публикацию на апрель, на время после запланированного, но позже отмененного раунда измерений. Призыв Доулмана “Энергично, но не выходя за рамки возможного” становится девизом посвященных. Чтобы подготовить все к апрелю, каждому из нас – даже с учетом дополнительного времени – предстоит напряженная работа. “Энергично” – это еще мягко сказано.

Родовые муки

До того как наше изображение наконец увидит свет, нам еще предстоит большая работа. С Astrophysical Journal согласовано, что выйдет специальный выпуск этого журнала, куда войдут шесть планировавшихся работ. У каждой из статей есть свои координаторы – обычно это координаторы соответствующей рабочей группы. Часто есть еще и ответственные за отдельные разделы дополнительные “субкоординаторы”. Текст, используя онлайн-платформу, пишут одновременно несколько авторов.

Шеп Доулман, Ремо Тиланус и Винсент Фиш – координаторы статьи об инструментарии. Джефф Бауэр, Димитриос Псалтис, Лучано Реццолла и я одновременно и координаторы, и авторы обзорной статьи. Мы – команда без рабочей группы. Это связано с тем, что наша задача – суммировать результаты выполнения всего проекта, в некоторых случаях еще до того, как полностью готовы статьи других групп. Опять и опять появляются новые черновые варианты, которые мы передаем остальным членам команды для дальнейшего обсуждения. Выверяется каждое предложение, каждая ссылка ставится под сомнение, а иногда и оспаривается. Все команды, занятые написанием текстов, шлифуют их до изнеможения. Надзор за процессом осуществляет издательский комитет[183]. Он же отбирает внутренних рецензентов из EHT, чтобы до отправки статей в журнал оценить каждую из них.

В обзоре мы должны не просто обобщить все остальные статьи, но и обсудить сильные и слабые стороны наших результатов. Возможно, кольцо обусловлено джетом и образовалось случайно? Может ли оно вскоре рассеяться, как кольцо сигаретного дыма в воздухе? Вероятно, нет, поскольку ничего подобного никто не видел, хотя РСДБ-измерений джетов вокруг черных дыр были тысячи. Да и наша структура выглядит стабильной. Могло ли здесь быть нечто, что выглядит как черная дыра, но на самом деле это что‐то совсем другое, вроде гигантского скопления еще неизвестных элементарных частиц? Например, бозонная звезда? Теоретики предлагают множество необычных, хотя и малообоснованных идей подобного рода, и мы, моделируя на компьютере, проверяем каждую такую гипотезу[184]. У нас нет оснований исключать их полностью: сумеречная область вокруг горизонта событий может скрывать все еще неизвестную и более сложную физическую картину. Однако в настоящий момент черная дыра – самое простое и наиболее правдоподобное объяснение, проясняющее целый ряд астрофизических явлений во Вселенной.

Реальный прорыв заключается в том, что мы первые подобрались к сверхмассивной черной дыре так близко, насколько это вообще возможно. Теперь мы можем сказать, что, сообразно с нашей информацией, темные, чудовищно массивные монстры, наблюдаемые в галактиках, действительно являются черными дырами.

Мы увидели собственными глазами тот объект, о возможности существования которого первые исследователи квазаров заговорили почти пятьдесят лет назад. Вскоре его увидит и весь мир. Начинается новый этап: после десятилетий поисков черных дыр мы приступаем к их измерению. Вопрос уже не в том, существуют ли черные дыры, а в том, понимаем ли мы, что это такое. Теперь стало ясно: даже если черные дыры не точно такие, как мы думали, они не слишком отличаются от нашего представления о них. В противном случае, полученное изображение выглядело бы иначе.

Горизонт событий уже не просто абстрактная математическая идея, как это было во времена Эйнштейна и Шварцшильда. Он стал конкретным местом, где можно вести научные исследования. Имея в своем распоряжении гравитационные волны, пульсары и Телескоп горизонта событий, мы обеспечены большим и разнообразным набором инструментов для детального изучения общей теории относительности на разных масштабах в самых далеких уголках Вселенной. Например, одно из фундаментальных предсказаний общей теории относительности состоит в том, что размер горизонта событий и его тени пропорционален массе черной дыры. Область тени является основным источником открытых в 2016 году гравитационных волн. В том случае гравитационные волны были обусловлены слиянием двух небольших черных дыр звездных масс. Гравитационно-волновые методы позволяют оценить их размер.

Наша черная дыра в сто миллионов раз тяжелее, но также и в сто миллионов раз больше маленьких черных дыр звездной массы. Именно этого мы и ожидали. Следовательно, подтверждается одно из основополагающих предсказаний теории Эйнштейна – так называемая масштабная инвариантность. И подтверждается оно удивительно наглядно – практически с точностью до восьмого знака после запятой.

Пока мы пишем статьи, я вдруг понимаю, что у нас есть еще одна проблема: у черной дыры в галактике M87 нет названия. Нет термина, обозначающего это гравитационное чудо. Астрономы никогда не задумывались, как следует называть подобные объекты. Или мы дадим имя нашему ребенку, или всегда будем использовать длинное, с трудом выговариваемое словосочетание “черная дыра в центре M87”. Ведь M87 – название всей галактики, а не только черной дыры.

После длительных обсуждений с соавторами мы, по примеру Стрельца A*, просто добавили звездочку к названию галактики. Для астрономов подобное решение выглядит логичным: так можно называть черные дыры и в других галактиках. Правда, позднее наш выбор совсем не понравился научным журналистам. Выразительное название способствует лучшему восприятию, а M87* нельзя рассматривать как ласковое прозвище. В шутку мы даже подумывали назвать нашу черную дыру Карлом или Альбертом, чтобы хотя бы таким образом отдать дань уважения Шварцшильду и Эйнштейну. Но отзовутся ли эти имена в сердцах большого числа людей?

Вскоре после появления нашей статьи Государственный университет в Хило на Гавайях разошлет пресс-релиз, в котором будет объявлено, что профессор-лингвист дал нашей черной дыре имя Поэхи[185]. Это слово, заимствованное из гавайской мифологии, означает примерно следующее: “разукрашенный темный источник бесконечного творения”. Название прекрасное, и гавайцы заслуженно им гордятся – теперь оно может стать частью их культуры. Но изображение получено телескопами, разбросанными по всему миру, и принадлежит всем людям и всем языкам. Возможно, каждой стране стоит придумать свое название для M87*?

Наш обзор окончен. Он занимает около 9 страниц, но чтобы перечислить всех участвовавших в проекте соавторов и спонсоров, все институты, университеты и радиотелескопы, требуется еще почти столько же места. Авторы перечисляются в порядке латинского алфавита. Начинает этот список Казунори Акияма, а заканчивает профессор из Аризоны Люси Зюрис, построившая SMT и работающая на нем.

В начале февраля мы официально направляем статью в Astrophysical Journal. Теперь остается только так называемое независимое рецензирование: наши результаты должны оценить эксперты, имена которых нам неизвестны. Обычно подобный процесс может растянуться на недели или месяцы, но в этом случаи “судьи” – рецензенты – уже отобраны, они ждут и готовы приступить к чтению. Это последний высокий барьер, который нам предстоит взять. Вдруг рецензенты отклонят нашу статью или обнаружат не замеченные нами ошибки? А иногда рецензенты бывают настроены враждебно и могут превратить жизнь автора в ад…

Через несколько дней мы получаем первый отзыв анонимного рецензента. Я лихорадочно просматриваю текст и с облегчением откидываюсь на спинку стула. Отзыв на удивление положительный: наши усилия и наша самокритика окупились сполна. От нас только требуется внести небольшие изменения. Существенных претензий к остальным статьям тоже нет.

До запланированной на конец апреля пресс-конференции остается всего несколько недель. В Америке, у Шепа Доулмана, все под контролем. Совместно с NSF (Национальным научным фондом) он планирует большую пресс-конференцию в Вашингтоне. В Европе мы готовим свою пресс-конференцию в Брюсселе. Оттачивая аргументацию, мы устраиваем регулярные видеоконференции со всеми ключевыми партнерами. Появляется план провести подобные мероприятия в Токио, Шанхае, Тайбэе и Сантьяго. В Риме, Мадриде, Москве и Неймегене брюссельская пресс-конференция будет транслироваться в прямом эфире. Ее сопроводят комментарии местных специалистов. Таким образом, граждане каждой из стран смогут услышать наши результаты на своем родном языке.

Для Европы это новшество. Обычно подобного рода пресс-конференции проходят в одном из больших научно-исследовательских учреждений – таких как Европейская южная обсерватория в Гархинге или ЦЕРН в Женеве. Никогда еще в политическом центре Европы ученые не устраивали научные пресс-конференции. Но полученное изображение – триумф и европейской кооперации ученых, и европейского финансирования. Сейчас идут мучительные переговоры о брексите. А это изображение – пример сотрудничества всех граждан нашего многонационального континента. Европейцы выделяли деньги на этот проект, они интересовались им и тем самым сыграли роль в его успехе. Это важно для меня.

20 марта 2019 года последняя статья принята в печать. Пресс-конференции давно запланированы. Теперь как никогда важно не допустить утечки информации. В проект, подобный нашему, вовлечено столько людей, что сделать это чрезвычайно трудно. Уже какое‐то время циркулируют слухи, что 10 апреля будет объявлено нечто очень важное.

Научные журналисты, услыхав, что по всему миру одновременно должны пройти целых шесть пресс-конференций, забили в набат. Изо дня в день я получаю бесчисленные запросы. Известный корреспондент New York Times, не пытаясь узнать что‐нибудь непосредственно у меня, звонит моей аспирантке Саре Иссаун. Он намерен под любым предлогом вытянуть из нее хоть какие‐то сведения, но Сара молчит. И все же этот корреспондент добивается своего: информацию он получает из Америки. Большинство журналистов считает, что мы покажем снимок черной дыры в центре Млечного Пути, – скоро им придется впопыхах переписывать заранее подготовленные статьи.

За день до пресс-конференции я вместе с Лучано Реццоллой, Моникой Мошчибродской, Антоном Зенсусом и его коллегой Эдуардо Росом еду в Брюссель. Нам предстоит устроить презентацию изображения. Наша многонациональная группа состоит из представителей пяти стран, говорящих как минимум на шести языках.

В Соединенных Штатах Шеп Доулман и три его американских соратника направляются в Вашингтон; с ними моя амстердамская коллега Сера Маркофф. Полным ходом идут приготовления и в Токио, Шанхае, Тайбэе и Сантьяго. Это тоже экспедиция планетарного масштаба, хотя и другого рода: сейчас мы не наблюдатели, а объекты наблюдений. Во многих университетах преподаватели и студенты будут следить за происходящим в прямом эфире точно так же, как несколько лет назад мы внимали официальному сообщению об открытии гравитационных волн. В этом астрономы напоминают футбольных болельщиков, которые собираются в барах и вместе смотрят матчи чемпионата мира. Правда, пива в нашем случае выпивается значительно меньше.

Накануне пресс-конференции мы с помощью медиа-эксперта проводим, так сказать, ее генеральный прогон. По воле случая это происходит в той же самой комнате, где не так давно, выступая перед комиссией Европейского исследовательского совета, мы отстаивали заявку на финансирование своего проекта. Жалюзи опущены. Я произношу вступительную речь и, нервничая, впервые показываю на экране наше изображение экспертам ЕС… И вот я уже смотрю на восторженные лица, на блестящие глаза; несколько секунд эти прошедшие огонь и воду профессионалы сидят в благоговейной тишине. Я начинаю осознавать всю силу эмоционального воздействия нашего изображения.

Вечером я возвращаюсь в гостиничный номер, чтобы еще раз обдумать свое выступление, и репетирую его перед зеркалом. Я хотел бы произнести на четырех языках слова: “Это первое в истории изображение черной дыры”. Сара Иссаун переводит фразу на французский, а на немецкий и голландский я перевожу ее сам. Пока я работаю, ко мне заглядывает мой сын Ник. Хотя Ник молод, он уже хорошо зарекомендовал себя как музыкант и кинокомпозитор. Он взялся написать музыку к нашему ролику, иллюстрирующему получение изображения черной дыры, для веб-сайта ESO[186]. Ник собирается включить снятые в день пресс-конференции сцены в свое первое музыкальное видео[187].

Около полуночи – неприятности на пиар-фронте. Научный журналист, мой старый университетский друг[188], обнаружил на нашем незащищенном вебсайте строго конфиденциальный пресс-релиз с изображением черной дыры. Это могло бы стать интернет-сенсацией, но, к счастью, мы были предупреждены. Несколько коллег провели бессонную ночь, пытаясь устранить утечку. Кто еще ее обнаружил? Только один человек? Назавтра мы напряженно ожидали начала пресс-конференции, но если кто‐то что‐нибудь и заметил, то промолчал, и ничто не омрачило дня торжества науки.

В 1992 году нобелевский лауреат Джордж Смут, демонстрируя первое радиоизображение нашей молодой Вселенной спустя всего 380 000 лет после Большого взрыва, триумфально заявил: “Для верующего человека это все равно что взглянуть в лицо Богу”. Я хотел, оттолкнувшись от его слов, пойти еще дальше и сказать вот что: если Большой взрыв – начало пространства и времени, то черные дыры – нечто вроде конца. И потому свое выступление на пресс-конференции я завершил так: “Мне кажется, что мы заглянули во врата ада”. И весь мир посмотрел туда вместе с нами.

Часть IV

Выход за пределы

Взгляд в будущее: главные нерешенные вопросы физики, место человечества во Вселенной и вопрос о Боге

Безусловное признание

Изображение производит оглушительное впечатление[189]. Похоже, оно интересует абсолютно всех. Ведущие мировые газеты и еженедельники публикуют репортажи об этом беспрецедентном достижении в истории науки и человечества. Нашему изображению отводится центральное место в новостных телевизионных программах. Оно взрывает социальные сети. Подобная реакция одновременно и радует, и пугает. Мы переживаем момент всеобщего ликования. Вспоминаются чувства, испытанные при высадке человека на Луну в июле 1969 года. Моя уже выросшая дочь собирается стать викарием, а пока она пастор-стажер в школе. “В телефоне каждого нашего учителя ваше изображение”, – с гордостью пишет она.

Дух захватывает, когда видишь, какое количество людей сразу стало считать это изображение своей собственностью. Оно включено в бесконечное число фотографий, его непрерывно расшаривают, воспроизводят на фотографиях кошек и в забавных мемах. На своей домашней странице Google использует изображение черной дыры как Google Doodle[190]. Это изображение висит на доске объявлений отдела новостей ведущих немецких средств массовой информации, его изменяют так, чтобы оно подходило к текущим политическим анекдотам. Фотография счастливой Кэтрин Боуман, впервые увидевшей изображение, стала интернет-хитом, а сама она, вовсе того не желая, – звездой социальных сетей[191]. В Китае большое фондовое агентство фотографий утверждает, что владеет копирайтом на наше изображение, и пытается его продать. Негодование в Сети приводит к 27‐процентному падению акций этой компании: спустя два дня после пресс-конференции цена компании снизилась на 125 миллионов евро[192].

12

За гранью воображения

Похоже, никогда раньше никакое научное изображение не будоражило воображение такого количества людей. Хотя, в конечном счете, наш успех – это и их успех. Ни один ученый, ни один член нашей команды не мог бы сделать это собственными силами. Мы не могли бы справиться со своей работой без помощи большого числа людей: пекарей, выпекающих для нас хлеб, уборщиков, поддерживающих чистоту в наших комнатах, поставщиков продуктов в обсерватории, инженеров. По большому счету, оказывая поддержку нашему глобальному содружеству, каждый внес свой вклад в этот всемирный проект.

Позднее многие коллеги из разных стран подробно расскажут мне, как они пережили этот невероятный день, как объясняли друзьям, соседям и журналистам, что же на самом деле было показано. Неделя после большой пресс-конференции проходит в “адреналиновом тумане”. Все в состоянии умоисступления: интервью, разговоры, а в перерывах – бесконечные мейлы и тексты. К церемонии представления нашего изображения мы все готовились на пределе своих возможностей, так что теперь я действую по инерции. Первый раз в жизни ощущаю странную тяжесть в груди. Уже несколько недель я напоминаю себе глохнущую на высоких оборотах машину, но света в конце туннеля все не видно.

На пять дней – и это во время такой важной для меня Страстной недели! – у меня запланировано семь докладов. Правда, пока происходящее на Пасху совсем не похоже. В день праздника Входа Господня в Иерусалим я делаю доклад в переполненном музее Неймегена; в Великий четверг я выступаю перед скопищем астрономов в Кембридже. Опять все места заняты. В аудитории присутствует Мартин Рис – британский королевский астроном, который первым, еще в 70‐е годы, привлек внимание к идее существования черных дыр. Теперь он видит первое изображение черной дыры и задает важнейший вопрос:

– А что, собственно, мы видим на этом изображении? Горизонт событий?

– Это тень, – отвечаю я и отчетливо чувствую, что и от меня самого, прежнего, осталась только тень. Мои силы на исходе, у меня першит в горле, кружится голова… До дома я добираюсь окончательно вымотанным, но все еще намеренным отпраздновать Пасху.

Следующий день – Страстная пятница. Как и каждый год, мы с женой идем на службу в Кёльнское отделение YMCA[193]. Именно здесь началась история моей веры. Нам говорят о смерти и страданиях Иисуса Христа: встреченный ликующей толпой при входе в Иерусалим в Вербное воскресенье, Он прощается с учениками в Великий четверг, и в ту же ночь Его предают. Страстная пятница – день мук и распятия на кресте. Я сижу в последнем ряду, слушаю знакомое повествование, думаю о триумфе последних нескольких дней – о том, каких трудов это стоило и какие тяготы легли на плечи всех участников, – и плáчу. Сейчас я очень нуждаюсь в спокойствии и силе, которые дает Пасха.

Чтобы прийти в себя, мне потребовалось несколько дней. К жизни я возвращался медленно: стеснение в груди окончательно прошло только через несколько недель.

Хотя это и не планировалось, первую публичную лекцию после Пасхи я прочел участникам SPRING – крупной христианской конференции, проходившей на западе Германии в Зауэрланде. На этой конференции научные доклады обычно проходят в крошечных комнатах для семинарских занятий, но под мою лекцию организаторы по первому же требованию выделили большой конференц-зал.

В набитом до отказа помещении нет и следа враждебности по отношению к науке – только доброжелательность и желание понять. Медсестры, рабочие, студенты, пенсионеры, учителя, офисные работники и предприниматели замерли в своих креслах и напряженно слушают. Мой друг музыкант Лотар Коссе говорит с воодушевлением: “Все возможно; все невозможно”, – и небеса и черные дыры появляются в его новом альбоме. Кажется, что черные дыры в равной мере очаровывают абсолютно всех. Но отчего это так?

Что черные дыры должны рассказать нам о нас самих

Гравитационный монстр, машина, питающаяся космосом, адская бездна – для описания черной дыры невозможно подобрать подходящую гиперболу. Однако, несмотря на свою пугающую славу, а вернее – благодаря ей, черные дыры – астрофизические динозавры – оказались столь же популярны, как злобный убийца тираннозавр Рекс[194]. Поражало уже то, что наше изображение черной дыры украшало обложки журналов по всему миру, но еще больше трогала эмоциональная реакция людей.

Мне рассказывали, как люди подпадали под обаяние этого изображения, как не могли спать накануне его демонстрации, как глубоко они были потрясены, увидав его. Ни бозон Хиггса, ни открытие гравитационных волн не вызвали такого всплеска эмоций. Но что же тогда черные дыры могут рассказать нам о нас самих?

Мне представляется, что они, как никакие другие научные объекты, выражают глубинную природу страха человека. Черные дыры – одна из больших тайн на широких просторах космоса. В астрофизике они символизируют безусловный конец. Это совершенные, беспощадные машины разрушения, что люди интуитивно и чувствуют. В нашем воображении черные дыры символизируют всепоглощающее ничто, границу, за которой всякая жизнь и всякая способность понимать заканчиваются. Вы словно бы заглядываете в адскую бездну.

Черные дыры рассказывают нам о мире, который во всем отличен от нашего. Это место, где свет движется не по прямой линии, а по кругу: глядя вперед, я вижу свою спину. Одному человеку кажется, что время практически остановилось, тогда как для другого оно идет нормально. Газ вращается со скоростью, близкой к скорости света, и может разогреться до катастрофически высоких температур, при которых все вещество распадается на отдельные частицы. От молекул и атомных ядер остается лишь расплавленное горячее облако протонов и нейтронов – плазма. Можно упасть в черную дыру; теоретически в ней можно выжить и даже проводить научные опыты, но вот только вам никогда не удастся рассказать кому‐нибудь о своих результатах. Информация, даже световые волны, черную дыру не покидает.

И такой потусторонний мир действительно существует – даже в физике. В общей теории относительности потусторонний мир не является чем‐то сверхъестественным, скорее он – важная составляющая теории. Мир разделен на две реальности: здесь – это пространство, с которым я связан, из которого я могу получать информацию и с которым я могу контактировать. А есть еще потустороннее там – пространство, которое я принципиально не могу постичь. Я ничего не узнаю о нем, оно молча смотрит на меня. Мой горизонт разделяет эти две области.

Черные дыры упорно бросают вызов нашей проницательности и принципиально отказываются удовлетворить наше любопытство. Все, что исчезает за горизонтом событий, остается там навечно, – если, конечно, исходить из предположения, что последнее слово в этом вопросе остается за теорией Эйнштейна.

Это вечно существующее потустороннее там, материальным выражением которого являются черные дыры, – одна из самых сложных проблем современной физики. В теории местонахождение пространства за горизонтом событий четко определено, и все же оно существует только в нашем воображении. Это потустороннее пространство настолько же реально, насколько и абсолютно нереально. Сегодня с помощью радиотелескопов можно с поразительной точностью определить, где в глубинах космоса следует искать ведущую туда дверь. Мы способны описать ее на языке физики и даже увидеть, как свет, образуя темное пятно, исчезает там и никогда не возвращается.

“Здесь, именно здесь, – можем сказать мы, – именно в этом месте находится пространство, не входящее в наш мир”. Но тогда нам следует безвольно опустить руки и признать, что определить его количественные характеристики мы не можем. Черные дыры – это потустороннее там посреди нашего мира.

Для физиков это нечто вроде объявления банкротства. Что за физика господствует в пространстве, существующем в строго определенном месте нашей Вселенной, но не поддающемся изучению? А это вообще естественная наука? “Поскольку мы можем вычислить, что происходит в этом пространстве, это, конечно, физика”, – скажут мне физики-теоретики. “Нет, не физика, – отвечу я. – Это физика потустороннего там!” Или фактически на сегодняшний день – метафизика.

Законы физики не заботят большинство людей, когда они думают о потустороннем. Но у каждого есть собственное представление о нем, уходящее своими корнями в глубокую древность. Идея потустороннего мира будоражит наше воображение, бросает нам вызов, и при этом она тесно связана со смертью. Черные дыры – просто еще один символ в данном достаточно длинном ряду.

Более 100 000 лет тому назад наши предшественники начали хоронить своих мертвых. Возможно, у них уже были какие‐то соображения о жизни после смерти. Никто не знает, каким могло быть их представление о потустороннем, но первые обряды, связанные с поклонением и эмоциональным отношением к умершим, обнаруживаются уже с самого начала, и они свидетельствуют, по меньшей мере, о культурной эволюции, приведшей к современным, ушедшим далеко вперед представлениям о потустороннем.

Многие подобного рода верования, присущие разным культурам, похожи. Это – вечная жизнь, Божий суд, рай и ад. В древности многие верили, что верхний мир предназначен для жизни, а нижний – для смерти. Греки называли место обитания мертвых Аидом[195]. В скандинавской мифологии богиня смерти Хель управляла Хельхеймом – миром мертвых. Вероятно, отсюда возникла более поздняя идея ада[196]. Павшие же викинги могли продолжать жизнь в Валгалле – рае для воинов. Римляне тоже считали, что внизу есть темное подземное царство, которое они называли Орк (Оркус). У майя преисподняя называлась Шибальба – место страха.

Концепция потустороннего мира установилась с появлением главных мировых религий. Христианство и ислам учат нас, что есть рай, или царство небесное, и что после смерти есть жизнь. В иудаизме существуют два разных верования: одно декларирует бессмертие души, продолжающей жить после смерти и возвращающейся к Богу, а другое, присущее ортодоксальным евреям, – воскресение из мертвых. Ортодоксы не кремируют своих мертвецов; похороны и упокоение мертвых для них священны. Буддисты и индуисты верят, что мы возрождаемся миллионы раз – возможно, даже как животные или растения. И только достигнув нирваны, душа прерывает этот цикл и завершает его.

Ко всем прежним мифам о потустороннем мире черные дыры добавляют свой – новый, современный. В этом мифе, появившемся под влиянием естественных наук, сугубо человеческие вопросы перемешаны с концепциями, почерпнутыми из современной физики. Для нас биологическая смерть означает преодоление некоего порога, переступив который, мы попадаем в потусторонний мир, о котором не знаем ровным счетом ничего. Нам даже не дано знать, существует ли он вообще. Есть ли впереди еще что‐то или только ничто? Каждый, ставший свидетелем смерти близкого человека, видел, как в последние минуты жизни умирающий покидает свое тело, оставляя по себе пустую оболочку. Мы не можем узнать о последних переживаниях, мыслях и мечтах любимого человека – он буквально уносит их с собой в могилу, в потусторонний мир. “Куда она уходит?” – спросил я себя, когда на моих глазах умерла мать. Всего несколькими минутами ранее я держал ее за руку и мы вместе молились.

Смерть потрясает нас до глубины души. Страх перед необратимостью конца – одна из наиболее фундаментальных, наиболее древних эмоций. Мы стараемся не поддаваться этому страху, но он продолжает оказывать на нас едва ли не магическое воздействие. До сих пор черные дыры существовали только как абстрактное понятие, как плод воображения, “оживающий” в голливудских фильмах, но теперь черная дыра впервые приобрела конкретные черты. Потрогать или почувствовать ее мы не можем, а вот увидеть – можем. И “смотря в глаза” этому легендарному монстру, мы одновременно вглядываемся в свой древний страх. Не есть ли это первый шаг в направлении его преодоления?

“Вот так и выглядит вход в ад, – слышу я шепот своего подсознания. – Причины для паники нет, ты в безопасности, ты просто сидишь в кресле за письменным столом”. Даже если я точно не знаю, что там происходит, я, по крайней мере, видел это собственными глазами. О безотчетном страхе речь теперь не идет – ведь его можно обрисовать и описать.

Когда я смотрю на изображение черной дыры, а в мое окно светит Солнце и Земля спокойно вращается вокруг своей оси, я прекрасно понимаю, что она очень далеко. Никакая черная дыра, даже ни одна из небольших черных дыр в нашем Млечном Пути, не утащит нас в потусторонний мир. Ближайшая к нам черная дыра тяжелее Солнца более чем в четыре раза и находится на расстоянии порядка тысячи световых лет от Земли[197]. На таком расстоянии ее гравитационное притяжение не больше притяжения обычной звезды, а горизонт событий сопоставим с размерами Боденского озера[198]. Шанс столкновения с подобной небольшой черной дырой исчезающе мал. По крайней мере, за последние 4 миллиарда лет такого не случалось, да и не должно случиться в ближайшем будущем.

С такого комфортного расстояния мы можем продолжать наблюдать черные дыры и наслаждаться экзотической физикой. Но снимок способен приобрести символическую силу, если принять точку зрения тех, кто полагает, что наше изображение относится не только к науке, но и к искусству и к мифологии[199]. Музей современного искусства в Нью-Йорке и Рейксмюсеум в Амстердаме приобрели отпечатки этого изображения для своих коллекций, а у некоторых людей снимок черной дыры висит в прихожей.

Художники умеют, уловив скрытый, абстрактный смысл слов и изображений, создать из этого реальность. Искусство же, в свою очередь, меняет реальность и интерпретирует ее. В этом смысле науке присущи некоторые черты искусства. Изображения, создаваемые наукой, никогда сами реальностью не являются. Они – свидетельство реальности. Рассказанная ими история создает новую, абстрактную реальность, которая, стимулируя совсем другие идеи и представления о мире, подсказывает новые вопросы.

Научное изображение не имеет цены, если за ним не стоит его история, и наше изображение тут не исключение: без своей собственной истории оно было бы просто темным пятном. Из этого следует, что значимость изображения определяется авторитетом сделавших его людей и той историей, которой они его снабдили. И это относится к любому научному открытию. Мы, ученые, зарабатываем себе на жизнь не одними лишь голыми фактами: очень важно то, что полученным нами результатам доверяют.

В нашем изображении сошлись не только вся история физики и достижения астрономов, но еще и эмоции, и огромное число мифов, и наполненная размышлениями тишина, и наблюдение звезд, и измерения на Земле и в космосе… а также представление о пространстве и времени, самая современная технология, глобальная кооперация, человеческое упорство, страх потеряться и надежда на что‐то совершенно новое. Это изображение подвело нас буквально к пределам наших возможностей, и однако мы получили ответы не на все вопросы, связанные с черными дырами… далеко не на все.

EHT продолжает работать. Повторно проанализировав старые данные, мы с помощью всего нескольких телескопов показали, что – в соответствии с теорией – за десять лет размер тени черной дыры M87* изменился не сильно. Нам также удалось зафиксировать, как магнитные поля закручиваются вокруг черной дыры M87*. Сейчас все с нетерпением ожидают возможности увидеть, что представляет собой черная дыра в центре Млечного Пути [200]. Удастся ли нам получить и такое изображение, или его испортит высокоскоростная турбулентность “космического супа” плазменных частиц? Продемонстрирует ли когда‐нибудь Sagittarius A* нам свою тень? Как будет выглядеть M87* через несколько лет? Возможно, нам даже удастся снять фильм, а не только сделать одну-единственную фотографию. Для дальнейших наблюдений остро необходимы новые телескопы. К счастью, вскоре новый телескоп появится в Африке[201] – дополнительная поддержка всегда приветствуется! Когда мы обзаведемся радиоантеннами на орбите Земли[202], станет возможным получать однозначные и впечатляюще четкие изображения. Если это произойдет, в нашем распоряжении окажется телескоп, размер которого превысит земной шар. И целого мира мало [203]: столько всего еще предстоит выяснить!

Кротовые норы

Когда я был ребенком, мы с родителями жили в большом многоквартирном доме. На заднем дворе, в садике, окруженном глухой стеной, была песочница и маленькая лужайка. Мне всегда хотелось знать, что там, с другой стороны, и в какой‐то момент ногтями и палочкой я начал проделывать в стене дырочку. Для моих детских слабых ручек это была тяжелая и кропотливая работа. Тайком от взрослых я несколько месяцев кряду проковыривал эту дырочку. Она становилась все больше и больше, но все же осуществить задуманное до конца мне не удалось: стена была для меня слишком прочной.

Когда я подрос и пошел в школу, у меня появилась возможность исследовать то, что находилось по другую сторону стены: здание школы располагалось именно там. Вместо того чтобы проходить сквозь стену, надо было просто выйти из двора, обогнуть забор, пройти квартал и, зайдя в большие ворота, попасть в то самое, казавшееся прежде таинственным место. Иногда следует просто проявить терпение. Надо вырасти и повзрослеть, и тогда ты поймешь, что прямой путь сквозь стену неправилен, а правильный путь ведет за угол.

Когда дело касается стен и границ, меня по‐прежнему мучает любопытство. Что там, по другую сторону? Удастся ли нам когда‐нибудь вырваться за пределы доступного? Можем ли мы обойти вокруг темных стен черных дыр? Нет ли в горизонте событий какой‐либо щелочки, куда можно заглянуть, или нам придется идти окольным путем?

13

За пределами теории Эйнштейна?

Этот же вопрос ставил в 1935 году и Альберт Эйнштейн, когда обсуждал со своим ассистентом Натаном Розеном, что происходит внутри черных дыр. Математическое решение уравнений Эйнштейна допускает существование белой дыры – противоположного черной дыре объекта, откуда материя и свет могут только выходить и куда извне попасть ничего не может. Ситуацию усложняет то, что теоретически белая и черная дыры могут быть связаны друг с другом с помощью моста, а значит, оказавшись внутри черной дыры, можно выйти из нее через белую дыру на другом конце.

В физике подобная конструкция стала известна как “мост Эйнштейна-Розена”. Однако в 50‐е годы принстонский профессор Джон Арчибальд Уилер сделал удачный рекламный ход и, к радости целого поколения писателей-фантастов, переименовал эти гипотетические структуры в кротовые норы. Согласно построению Эйнштейна и Розена, выбраться из черных дыр невозможно, однако кротовые норы могли бы соединить две далекие области Вселенной, что позволило бы передвигаться со скоростью, превышающей скорость света. Гипотетически даже есть возможность путешествовать во времени и посещать другую вселенную.

Но реально ли то, что допустимо с точки зрения математики? Математика – мифология науки. Это абстрактный метод описания, отображающий реальный опыт столь же хорошо, как и фантастические, воображаемые конструкции. То, что существует математически, может, но не обязано, существовать в реальности. Физики зарабатывают свой хлеб, устанавливая четкое различие между возможным и фактически существующим.

Что касается белых дыр и кротовых нор, то перед нами встает этот же вопрос: с точки зрения математики и дыры, и норы представляются возможными, но имеют ли они смысл с точки зрения физики? Нам еще предстоит обнаружить какое‐либо указание на то, что во Вселенной действительно существуют кротовые норы. Строя изображение M87*, мы, как один из вариантов, выдвинули предположение, что это может быть кротовая нора. Однако быстро стало ясно, что наше предположение неверно: размер M87* не соответствовал результатам моделирования[204].

Еще больше усложняет ситуацию то, что “математические” кротовые норы нестабильны: при прохождении через них вещества они коллапсируют. Так, по крайней мере, следует из теории. Это можно предотвратить, вводя новую форму материи, создающую антигравитацию. Просто антиматерия не подойдет, поскольку она подчиняется тем же законам гравитации, что и обычная материя. Антиматерия, подброшенная вверх, упадет вниз на землю[205], если только прежде, в процессе аннигиляции с обычной материей, сама не будет уничтожена, так что после нее останется только яркая вспышка.

Еще одна проблема состоит в том, что мы понятия не имеем, как именно могли бы образоваться в природе кротовые норы, через которые можно было бы двигаться. Нам остается только соорудить такую нору самим. Для некоторых креативных теоретиков это не проблема: “Поскольку мы ничего не знаем о технологиях и материалах, доступных развитым цивилизациям, мы, физики, абсолютно свободны в построении моделей преодолимых кротовых нор”, – утверждает Нобелевский лауреат по физике Кип Торн в газете New York Times[206]. Я настроен более скептично. Даже если кротовые норы и могут существовать, хотя бы теоретически, то нет гарантии, что они оправдают все возлагаемые на них надежды. Но право мечтать у нас есть.

Излучение Хокинга

Вероятно, в истории науки квантовая теория и общая теория относительности Эйнштейна являются самыми новаторскими теориями. Обе они фундаментальны, и обе описывают самый сущностный смысл нашего мира. Однако при попытке их объединить нам приходится преодолевать некий психологический барьер. И черные дыры, как никакие иные небесные объекты, демонстрируют этот неразрешимый конфликт.

Общая теория относительности описывает самое большое из всего большого – пространство-время. Жизнь каждого начинается и кончается в пространстве-времени; драма всей Вселенной проходит в пространстве-времени. Это театр, где разыгрывается эволюция нашей Вселенной. В пространстве-времени у всего есть свое место, свои точные координаты. Но, вспоминая сравнение пространства-времени с растянутой простыней, мы видим, что сцена этого театра не статична. Пространство-время больше напоминает гибкий фон – подыгрывающий, реагирующий, меняющийся в зависимости от действий актеров. Черная дыра – радикал на этих космических подмостках, она – тот персонаж, который разрывает декорации и ставит перед нами самые важные вопросы.

Все имеет время и место? Это верно? Нет! Ведь есть еще вторая, настолько же фундаментальная квантовая теория. Если теория относительности описывает очень большое, то квантовая теория рассказывает нам о самом малом из малого – о составе материи: о молекулах, атомах и элементарных частицах. При этом именно “строительные кирпичики” света – фотоны – делают пространство-время измеримым. Эти кванты света “вытягивают” пространство-время из мрака абстрактного математического описания на яркий свет данной нам в ощущениях реальности. Именно здесь встречаются теория относительности и квантовая механика.

Но, в отличие от теории Эйнштейна, в квантовой физике не у всего есть собственное место или собственное время. На протяжении очень коротких отрезков времени процессы могут идти и в одном, и в противоположном направлении. До тех пор, пока никто не видит частицу, она может одновременно находиться сразу в двух или в нескольких местах. В предельных случаях – на очень малых расстояниях и на очень коротких отрезках времени – квантовая теория открывает перед нами микроскопический мир, который чужд нам так же, как и макроскопический мир на краю черных дыр. Тем не менее обе теории, мирно уживаясь друг с другом, например, в смартфонах, вошли в нашу повседневную жизнь. Каждый чип, каждый полупроводник в нашем телефоне – это прикладная квантовая механика. Без квантовой механики не было бы интернета и процессоров компьютеров. Ну, а навигационная система телефона, с помощью которой мы определяем свой маршрут, использует результаты общей теории относительности.

На краю черных дыр происходит принципиальное столкновение этих двух теорий. Здесь должна “работать” совершенно новая физика, и на протяжении многих лет десятки тысяч самых блестящих ученых нашей планеты размышляют о том, какой эта новая физика должна быть. Однако явного успеха они пока не добились.

До сих пор это была чисто теоретическая проблема. Среди прочих ею занимался и выдающийся астрофизик Стивен Хокинг, пытавшийся понять, что происходит с квантовыми частицами на горизонте событий.

В физике квантовые объекты – самые маленькие из известных шалунов. Бог в своей бесконечной мудрости позволяет им вытворять такое, что нам и не снилось. Например, не спрашивая ни у кого разрешения, они могут “позаимствовать” немного энергии. Вся штука в том, что отдать ее обратно они должны так быстро, что никто этого не заметит.

Пустое пространство можно представить себе в виде гигантского пенящегося океана. Раз за разом брызги и капельки воды спонтанно взлетают в воздух, а затем падают вниз, вновь смешиваясь с водой в океане. Граница между океаном и воздухом размывается. Даже не плавая в воде, вблизи поверхности океана вы промокнете.

Точно так же крошечные частицы появляются и опять исчезают и в пустом пространстве. Следовательно, на самом деле пустое пространство не совсем пустое – скорее, оно заполнено взвесью частиц. Но, естественно, чтобы создать частицу из ничего, требуется энергия. Откуда же она берется? Над океаном дует ветер, поставляющий энергию каплям воды, но в пустом пространстве ветра нет. Поэтому природа использует простой, известный всем бухгалтерам трюк – она на короткое время занимает энергию у виртуальных квантов света. При этом образуется квантовая пара, состоящая из двух во всем противоположных друг другу “близнецов” – частицы и античастицы. Можно даже сказать – миниангела и минидемона. Если одна из частиц заряжена положительно, то другая – отрицательно; если одна вращается вправо, то другая – влево; если одна из частиц – материя, то другая – антиматерия. Вернемся к аналогии с океаном: частица напоминает капельку воды в воздухе, а античастица – пузырек воздуха в океане.

Когда эти два “близнеца” встречаются, их свойства нейтрализуются – материя и антиматерия уничтожают друг друга. От них не остается ничего, кроме короткого виртуального выброса энергии, возвращающейся обратно в океан пространства-времени. Причем взятый долг (энергия) погашается и никто не может выставить счет.

Но это напоминает финансовый кризис. Подобную аферу можно продолжать только до тех пор, пока никто ничего не замечает и все долги выплачиваются. Если речь идет об океане, то схема начинает давать сбой с началом шторма. Капли сдуваются с поверхности моря в направлении порта и разбрызгиваются по земле. Создается ощущение, что океан теряет воду; люди на берегу становятся мокрыми. Правда, чтобы таким образом вычерпать весь океан, потребуется целая вечность; кроме того, его пополняют реки и дожди.

Согласно Хокингу, такой же процесс происходит на краю черных дыр. Горизонт событий – берег океана пространства-времени. Черная дыра выступает в роли шторма, а гравитационная энергия заменяет энергию ветра.

В своих публичных лекциях Хокинг описывал этот процесс примерно так: на краю черной дыры рождаются пары близнецов – частиц и античастиц, – которые занимают энергию у ее сильного магнитного поля. Прежде чем они смогут отдать свой долг и аннигилировать, один из близнецов исчезает за горизонтом событий. Его выживший собрат уже не может объединиться со своим “антиблизнецом” и исчезает в необъятных просторах космоса. Временно образовавшаяся пара частиц внезапно становится одной постоянной частицей.

Но теперь эта частица не может вернуть взятую в долг энергию – сделка стала невыгодной. Черная дыра одолжила две частицы, а обратно получила только одну. В результате она теряет энергию и массу: словно бы устойчивый легкий ветерок сдувает частицы с ее поверхности. Так в ветреный день можно почувствовать, что где‐то рядом океан. Создается впечатление, будто черная дыра испускает излучение. Это – излучение Хокинга, о существовании которого ныне покойный британский ученый впервые заговорил в 1975 году.

Однако представление Хокинга о частице и античастице несколько неточно. В первую очередь оно объясняет метод расчета, используемый в квантовой механике. По сути дела, излучаются не частицы, а преимущественно фотоны, то есть свет с длиной волны, превышающей размер самой черной дыры. Кроме того, излучение испускается не прямо на горизонте событий, а исходит, скорее, из широкой области, окружающей черную дыру. Таким образом, это то же самое, как если бы источником излучения было гравитационное поле.

С формальной точки зрения излучение черной дыры можно описать и как тепловое излучение. Накрытая чашка горячего кофе через какое‐то время остынет, хотя от нее не идет пар. Это следствие теплового излучения чашки. Атомы на нагретой поверхности начинают слегка вибрировать, что приводит к испусканию квантовых частиц света. В 1900 году немецкий физик Макс Планк описал характерные особенности такого излучения, заложив тем самым основы квантовой механики. Планк связал квантовую механику с термодинамикой. Он показал, что любой непрозрачный темный объект независимо от его состава и формы излучает при нагревании.

Следовательно, посредством излучения, соответствующего в основном ближнему инфракрасному диапазону, чашка горячего кофе демонстрирует нам квантовую физику “в действии”. Излучая, она теряет энергию и постепенно остывает. Наши глаза не могут видеть такой свет, но тепловизоры могут. В то же время наши руки ощущают это излучение еще до того, как мы прикоснемся к чашке. Образно говоря, невидимый свет позволяет нам почувствовать квантовые колебания внутри чашки.

В математическую формулу, описывающую тепловое излучение, входит только температура, причем выглядит эта формула всегда одинаково: чем выше температура, тем выше частота света. Именно поэтому железо, когда его нагревают, сначала излучает в невидимом инфракрасном диапазоне, затем в видимом красном, затем становится желтым, а потом – белым: цвет меняется в соответствии с ростом температуры. Звезды горячее даже расплавленной стали и потому могут иметь голубой оттенок.

Испускаемое черными дырами излучение Хокинга может быть, по крайней мере теоретически, тем же тепловым излучением. Поэтому черной дыре можно приписать температуру, и эта температура зависит от ее массы. Чем черные дыры меньше, тем горячее они кажутся. Согласно Хокингу, если масса черной дыры порядка 0,5 процента массы Луны, она будет примерно такой же горячей, как чашка свежезаваренного кофе, и количество испускаемого ею излучения тоже будет примерно таким же. (Заметим, что при всей схожести вкус у них все‐таки будет разный.)

В результате излучения Хокинга черные дыры теряют энергию, а значит и массу – ведь согласно самой известной формуле Эйнштейна масса это, в конечном счете, энергия. Но в отличие от чашки с кофе, остывающей за счет теплового излучения, излучающая черная дыра становится все горячее. Чем меньше черная дыра, тем выше ее температура и тем сильнее испускаемое ею излучение. В какой‐то момент она исчерпывает себя и взрывается, излучив практически бесконечное количество тепла. Это может объяснить, почему, как полагают, в природе не существует маленьких черных дыр. Черная дыра с массой, равной массе двух дизельных локомотивов (что составляет 160 тонн), за счет собственного излучения проживет не дольше секунды.

Иначе обстоит дело с астрофизическими черными дырами. Черная дыра с массой порядка массы астероида Икар – около 100 миллионов тонн – просуществует примерно столько же, сколько и вся Вселенная. Жизнь черной дыры с массой Солнца продлится 10 67 лет, а для исчезновения M87* потребуются невообразимые 10 97 лет.

Я честно пытался найти способ продемонстрировать, что значат такие цифры, но это попросту невозможно. Однако попробуйте все же представить себе следующее: мы соберем в одном гигантском бассейне всю массу всей известной Вселенной – поместим туда все существующие в космическом пространстве звезды, планеты и туманности, а затем раз в десять миллиардов лет (примерно таков возраст нашей Вселенной) будем вынимать оттуда совсем крошечную порцию материи, повторяя это действие до тех пор, пока не вычерпаем весь бассейн. Так вот: Вселенная исчезнет в десять миллионов раз быстрее, чем M87* испарится за счет излучения Хокинга.

Более того: прежде чем черные дыры полностью испарятся, Вселенная с необходимостью должна умереть окончательно, стать пустой и темной, ибо каждая частица газа, каждая световая волна во Вселенной будет поддерживать рост черной дыры. На протяжении невообразимо длинных промежутков времени сверхмассивные черные дыры, такие как M87*, могут лишь увеличиваться. Излучение Хокинга M87* настолько слабо, что невозможно построить детектор, который – даже если удалось бы доставить его прямо к черной дыре – оказался бы способен за время жизни нашей Вселенной обнаружить хоть какие‐то доказательства его (излучения Хокинга) существования.

Тем не менее с чисто теоретической точки зрения черные дыры и в самом деле могут испариться, и в результате все, что когда‐то было ими захвачено, высвободится. Ничто не вечно – даже черные дыры.

При расчете излучения Хокинга наличие горизонта событий очень важно, но – если это излучение и самом деле является результатом затухания гравитационных полей, – возможно, рано или поздно подобным образом могут постепенно исчезнуть и нейтронные звезды, и даже обыкновенное вещество. Отсюда следует, что все гравитационные поля когда‐нибудь затухнут и превратятся в свет. Однако на сегодня это не более чем предположение.

В начале был свет, и не исключено, что и в конце, если до этого не произойдет нечто совершенно новое и захватывающее, во Вселенной останется только свет.

В завершение пресс-конференции, на которой мы торжественно продемонстрировали наше изображение, Карлос Моэдаш, еврокомиссар по науке, процитировал слова Стивена Хокинга: “Черные дыры не такие уж черные, как их изображают. Это не вечные тюрьмы. Материя может высвободиться из черной дыры как наружу, так и, возможно, в другую вселенную. Поэтому, ощутив себя в черной дыре, не сдавайтесь. Выход всегда есть”.

Столь обнадеживающее заявление стало удачным финалом этой знаменитой пресс-конференции. Но все же, если вернуться к мысли Хокинга, действительно ли черные дыры дают нам шанс воскреснуть, пройдя через ад? Не являются ли они чем‐то вроде чистилища на пути к истинному просветлению?

Пусть вас не вводит в заблуждение эта обманчивая надежда. Вероятность того, что после смерти и кремации налетевший вихрь соберет воедино пепел и дым и вы будете воссозданы из развеянного праха, гораздо больше вероятности вернуться назад после того, как вас заглотила черная дыра.

Однако физики-теоретики не готовы согласиться с вероятностью реализации такого практически невозможного сценария. Даже сама мысль об этом приводит их в ужас.

Исчезновение информации

У каждого времени есть свои важные задачи. Они влияют как на наше представление о мире, так и на науку. Как‐то один из моих коллег язвительно заметил, что его не удивляет, почему название для обозначения начала Вселенной, Большой взрыв, появилось вскоре после взрыва первой атомной бомбы. Сегодня мы живем в информационную эпоху и все чаще и чаще видим, как физику переписывают на языке теории информации. Самые последние вариации на эту тему: гравитацию можно описать в битах; законы природы напоминают язык программирования; или даже: вся Вселенная – это в действительности только большой компьютерный эксперимент[207]. На самом деле такие невероятные предположения не кажутся мне убедительными, но, вне всяких сомнений, теория информации стала важной составляющей естественных наук.

Все есть информация – материя, энергия и, возможно, даже черные дыры. И при этом одной из наиболее важных концепций является идея о том, что противоположно информации: отсутствие информации, беспорядок, или, на научном языке, энтропия. Суть в том, что такие концепции как свет и время, знание и невежество, случай и судьба – тесно связаны между собой.

Еще в конце XIX века австрийский ученый Людвиг Больцман занимался исследованием связи между термодинамическими величинами – такими как, например, теплота, давление, энергия, работа – и самыми маленькими частицами. Во времена Больцмана работу и энергию производили тепло и давление в паровых машинах. В паровой машине давление, приводящее в движение локомотив, создается за счет движения множества капелек водяного пара.

Частицы в бойлере похожи на играющих в надувном замке детей. Чем неистовее они скачут, тем сильнее сотрясается замок. Чем больше в замке прыгающих детей, тем сильнее давление на его стенки. Энергия и скорость отдельных детей соответствуют температуре в бойлере. В конце праздника дети устают, и энергия начинает убывать. Надувной замок перестает трястись; бойлер охлаждается.

До того как запустить детей в замок, я разделил их на две группы. Вначале я рассадил в замке спокойных ребят в синих футболках. Прозвучал свисток, игра началась, и туда ворвались дикие спортивные ребята в красных футболках. Произошло несколько крупных, но по большей части бескровных столкновений. Когда внутрь замка влетела дикая орда и все дети в красных футболках дружно навалились на заднюю стенку сооружения, оно начало угрожающе раскачиваться. В этот момент состояние в основном еще упорядоченное и энтропия низкая. Однако поскольку замок полон детей, спокойные ребятишки тоже начинают прыгать – иначе их свалят с ног, а разбушевавшиеся “красные футболки” начинают прыгать медленнее – иначе они будут сталкиваться друг с другом. Обе группы перемешиваются, свалка становится общей, ребят все труднее разделить на группы спокойных и буйных. Физики описали бы это так: надувной замок пришел в состояние теплового равновесия, и, поскольку все перемешалось – синие и красные футболки мелькают повсюду, – энтропия выросла. Если ребята снимут футболки, никто не узнает, кто к какой группе изначально принадлежал.

Нечто похожее происходит и в паровой машине. Когда бойлер, наполненный горячим воздухом, соединяют с холодным бойлером, воздух из горячего бойлера перетекает в холодный, заставляя турбину двигаться. Если перестать подавать тепло, температура бойлеров сравняется, частички газа в каждом из них будут двигаться с одинаковой скоростью, воздух больше не будет течь в одном направлении и турбина остановится. Система достигла теплового равновесия: все частицы полностью перемешаны. Упорядоченная система – горячие частицы здесь, а холодные там – превратилась в неупорядоченную; энтропия возросла, и система больше не производит работы. Физики говорят, что система термализована, что означает – полностью перемешана. Имеется одна большая масса подобных частиц, единственная характеристика которых – общая для всех температура.

Можно сказать, что беспорядок всегда только увеличивается. Для молодых родителей это одно из наиболее важных открытий, но оно относится и к физике. Увеличение беспорядка – основополагающий принцип термодинамики, который справедлив как для любой замкнутой системы, так и для любой детской. Никто никогда не станет свидетелем того, как один из двух бойлеров с одинаковой температурой спонтанно станет горячим, а другой – холодным. Точно так же кубики в детской не разделятся по цветам самопроизвольно. Чтобы уменьшить энтропию, сперва надо всегда потратить энергию. Уборка – утомительное, требующее усилий дело.

Тем не менее даже коробка со сваленными в беспорядке кубиками разных цветов не достигает состояния с максимальным уровнем энтропии. Чтобы его достичь, все кубики надо, измельчив, разделить на составные элементы, которые в финале должны излучиться в виде диффузного инфракрасного излучения. Значит, даже если в детской беспорядок, ситуация всегда может стать еще хуже.

Нам повезло, что нашей Вселенной всего несколько миллиардов лет. Если бы мы жили в бесконечно старой Вселенной, то, несмотря на все наши усилия, в ней бы царил максимальный беспорядок и полный хаос. Больше не было бы ни галактик, ни звезд, ни частиц, ни черных дыр. Свет растянулся бы до бесконечности и практически погас. Вселенная была бы не более привлекательна, чем дым от погасшей на ветру свечи в пустыне. В этом смысле конечность Вселенной безусловно является необходимым условием нашего существования.

Любопытно, что понятие энтропии используется и в теории информации. Еще в 1948 году американский математик Клод Элвуд Шеннон показал, что для этого требуется только заменить игрушки в детской или частицы газа в бойлере на буквы. Возьмем страницу этой книги. Предположим, мы с вами играем в “испорченный телефон” и я тихо читаю эти строки моей соседке, которая – по памяти и тоже тихо – передает их своему соседу, а тот, в свою очередь, своему… Понятно, что чем длиннее цепочка, тем больше ошибок вкрадывается в переданные слова. То, что, как я надеюсь, хотя бы в некоторой мере является информативным текстом, постепенно превратится в непонятную тарабарщину. Если продолжать передавать информацию, не делая поправок, она теряется и беспорядок непрерывно нарастает. Горячая кастрюля алфавитного супа никогда, ни за какой разумный промежуток времени, не превратится во вразумительный текст[208]. Мозгу автора нужна энергия – например, в форме солнечной энергии, запасенной в шоколаде, – которую он целенаправленно использует, чтобы написать логически связный текст.

Понятие энтропии можно распространить и на черные дыры. На самом деле черные дыры – величайшие уравнители и разрушители информации. В соответствии с законами Эйнштейна вся информация о свалившемся в черную дыру человеке – вся его история, его мысли, его внешний вид, его пол, его воспоминания – будет сведена к одному-единственному числу: его весу в тот момент, когда он выбывает из этой Вселенной. Это значит, что пять мешков с песком произведут на черную дыру большее впечатление, чем президент Соединенных Штатов.

Вся образованная черной дырой система полностью определяется ее массой и угловым моментом. В этом смысле, несмотря на свой исполинский размер, черные дыры – самые простые и самые незамысловатые объекты во Вселенной. Каждая клеточка дождевого червя несравнимо сложнее черной дыры.

Можно показать, что если температура черных дыр действительно равна температуре Хокинга, поверхность горизонта событий является мерой их энтропии. Поскольку, согласно теории Эйнштейна, черные дыры всегда могут только расти, их энтропия тоже может только возрастать, а полная информация – совокупная сложность Вселенной – должна уменьшаться. Если в какой‐то момент исчезает человек или дождевой червяк, Вселенная теряет крошечную частичку своей истории. На Земле люди или червяки по крайней мере оставят по себе бренные тела, но если они исчезнут в черной дыре, информация будет потеряна безвозвратно.

Если Хокинг прав, черные дыры постепенно испаряются: их масса, размер и энтропия уменьшаются. Однако полная энтропия Вселенной уменьшаться не будет, поскольку испущенное излучение уносит энтропию с собой. Для человека, попавшего в ненасытную адскую утробу черной дыры и уменьшившегося до размеров точки, это, в конечном счете, означает, что он будет расщеплен на отдельные мельчайшие составляющие и излучен черной дырой наружу во все части Вселенной. Правда, все его мысли тоже как‐то оттуда выберутся, но они будут безнадежно перепутаны и беспорядочно смешаются с квантовыми состояниями статической вечной Вселенной. Если же допустить неограниченное расширение Вселенной, то они в конечном счете канут в небытие.

Таким образом, испарившаяся черная дыра должна напоминать перевернутый ящик с разноцветными кубиками – совершеннейший беспорядок. Но поскольку полная энтропия не меняется в результате испарения, то черные дыры уже изначально – совершеннейший беспорядок. И действительно: в настоящий момент практически вся энтропия Вселенной сосредоточена в черных дырах[209].

Однако многие физики-теоретики не могут согласиться с потерей информации и говорят об информационном парадоксе черных дыр. Сохранение информации – неприкосновенный закон квантовой физики. Только при сохранении всей информации можно утверждать, что квантовая система развивается “законопослушно” и предсказуемо. В данный момент времени состояние невозмущенной, не измеренной, невидимой квантовой частицы однозначно определяется ее состоянием в предыдущий момент времени[210]. Таким образом, настоящее и будущее частицы прочно связаны. Уравнения квантовой механики обратимы: их можно решать в прямом и обратном направлениях и всегда с одним и тем же результатом. Однако в квантовой физике состояние частицы всегда можно описать только как меру вероятности, определяющей с относительной точностью значение одной характеристики частицы; остальные же характеристики остаются при этом неопределенными. В соответствии с принципом неопределенности Гейзенберга значения характеристик частицы никогда не могут быть измерены точно и каждое измерение, в свою очередь, может изменить состояние системы.

Это можно сравнить со стрельбой из лука. Когда в мишень целится хороший лучник, есть уверенность, что стрела в нее попадет. Хотя невозможно точно указать, в какое именно кольцо она воткнется, предсказать это с определенной вероятностью можно. Только когда стрела поразит мишень, становится точно известно, во сколько очков оценивается выстрел.

Квантовые частицы напоминают летящую по воздуху стрелу. Можно сказать, что стрела поражает мишень в момент измерения. Если оглянуться назад, то можно еще указать, кто из лучников выпустил стрелу. Задача обратима – стрела и лучник связаны. Именно поэтому физики в пределах определенной погрешности могут делать впечатляюще точные предсказания и связывать между собой причину и следствие.

Но если черные дыры разрушают квантовую информацию, то они прерывают и ясную траекторию движения во времени. Так сказать, прерывают полет стрелы. Это значит, что мы не будем знать, ни откуда она прилетела, ни куда направляется: стрела внезапно может вонзиться куда угодно – не исключено, что даже в стоящего за лучником зрителя. Какое‐либо даже небольшое сомнение в считающемся непреложным положении о сохранении информации заставляет сомневаться во всемогуществе квантовой физики и в предсказательных способностях физики вообще – и это серьезная проблема.

Некоторые теоретики полагают, что, возможно, квантовая информация запасается в центре черной дыры, то есть вблизи сингулярности. Но тогда вся информация, когда‐либо исчезнувшая за горизонтом событий, должна оставаться там до тех пор, пока черная дыра не испарится. Впрочем, особого смысла в этом предположении нет, поскольку даже просто для хранения информации требуются пространство и энергия. Безусловно, черная дыра слишком мала и в ней нет места, чтобы хранить информацию миллиарда Солнц.

Другие же физики считают, что информация задерживается на горизонте событий или сразу под ним. Возможно ли, что когда нечто пересекает горизонт событий, он начинает вибрировать, как мембрана, и таким образом сохраняет информацию? Возможно ли, что черные дыры – только информация, запасенная на их поверхности? Доведись Эйнштейну услышать подобные предположения, он перевернулся бы в гробу. Ведь, согласно его принципу эквивалентности, при свободном падении в темную бездну черной дыры частица не должна даже заметить переход через горизонт событий. Только “врезавшись” в сингулярность, она поймет, что что‐то пошло не так. В рамках общей теории относительности на горизонте событий места для информации нет.

Тем не менее большинство физиков полагает, что – так или иначе – информация накапливается в черных дырах и высвобождается оттуда вместе с излучением. Более того: они даже думают, что излучение черных дыр содержит секретный код, который, по крайней мере теоретически, можно расшифровать и который позволит выяснить, что с ними происходило в прошлом. Сам Стивен Хокинг, поначалу сомневавшийся, что такое возможно, проиграв пари[211], тоже перешел в лагерь сторонников этой идеи. А вот знаменитый математик Роджер Пенроуз, показавший, что существование черных дыр с необходимостью следует из теории Эйнштейна, настаивает, что на самом деле внутри черных дыр информация необратимо теряется. Короче говоря, мы пока еще не знаем, что в действительности гравитационное поле делает с квантовыми частицами.

Лично я, хоть и с некоторой осторожностью, склонен согласиться с мнением Пенроуза. Черные дыры – макроскопические объекты, не сводящиеся только к сингулярности в центре. Черная дыра – это скорее вся область искривленного пространства вокруг сингулярности. Она состоит из совокупности всех квантовых частиц внутри и вне сингулярности. Ни одна из этих квантовых частиц не является изолированной – на нее влияют все остальные частицы. Информация обобществляется[212]. Если это так, то можем ли мы по‐прежнему говорить об индивидуальном состоянии частицы и об информации, содержащейся в отдельной частице? Есть ли смысл использовать принципы квантовой физики, рассуждая о пространстве, если оно не квантовано? Обратима квантовая теория, но не реальная макроскопическая Вселенная. Почему же таковыми должны быть черные дыры? Может быть, это самый большой генератор случайных чисел в космосе?

Информационный кризис в физике в самом разгаре – об этом написаны целые книги. Ошибочна общая теория относительности – или ошибочна квантовая физика? Есть много убедительных гипотез, но мы не знаем, приведут ли они нас куда‐нибудь. Однако кризис в физике – это всегда возможность появления новой теории. Уже более сорока лет ученые пытаются согласовать теорию гравитации и квантовую физику, но пока безуспешно. Построение теории квантовой гравитации – дело невероятно сложное. В большинстве предлагаемых вариантов крайне трудно даже заставить яблоко упасть на землю.

Творческих идей хватает; скорее не хватает ясного намека свыше, какая из этих двух теорий правильна. Однажды Герман Николаи, один из ведущих исследователей в области гравитации из Потсдама, сказал мне: “Я не думаю, что продвинуться дальше удастся, только теоретизируя, – нужен эксперимент”. Нужна “квантово-гравитационная” экспедиция Эддингтона!

Однако пока это скорее кризис теоретической физики. Наше изображение черной дыры еще не позволяет подтвердить или опровергнуть многочисленные новые теории. В данный момент для его интерпретации требуется только общая теория относительности, которая много объясняет лучше, чем любой иной подход. Если, согласно новой теории, размер и форма тени и впрямь будут на несколько процентов отличаться, то со временем нам, возможно, удастся обнаружить этот эффект. Если же подобные отклонения имеют место только на размерах квантовых объектов, они могут так навсегда и остаться скрытыми от нас.

Теперь, когда у нас есть изображение черной дыры, проблема несостыковки двух теорий стала чуть реальнее и чуть более осязаемой, чем раньше. Вглядываясь в темное пятно тени, мы смотрим непосредственно на край горизонта событий, где соперничают гравитация и квантовая физика. Проблема объединения двух больших теорий отнюдь не абстрактна. Она реальна. Наш результат состоит в том, что мы отыскали для этой проблемы определенное место, так что теперь на нее можно просто указать пальцем. Истинная тайна этого изображения кроется не в ярком огненном кольце, а в его темной области.

14

Бесконечность знания и ограничения

Измеримо ли всё?

Одно из самых впечатляющих изображений было получено на основании снимков, сделанных космическим телескопом “Хаббл” в декабре 1995 года во время празднования Рождества. Телескоп, направленный на ничем не примечательный и почти случайно выбранный участок неба прямо над Ковшом Большой Медведицы, десять дней собирал снимки. Объединив 342 отдельные фотографии, исследователи построили изображение крохотного участка небесной сферы с очень высокой детализацией[213]. По сравнению с необозримыми просторами космоса эта область невероятно мала: примерно столько можно увидеть, глядя на небо через ушко иголки, которую держишь на расстоянии вытянутой руки. На фоне темного космического пространства светится множество крупных и мелких островков света. Если присмотреться, становится понятно, что каждое крохотное светлое пятнышко – это отдельная галактика. На одном этом изображении около 3 000 галактик. Чтобы отобразить все небо, требуется около 26 миллионов подобных крошечных изображений, что соответствует нескольким сотням миллиардов галактик. Считая, что каждая галактика состоит из сотен миллиардов звезд, мы приходим к выводу, что наша Вселенная содержит по крайней мере 10 22 звезд, хотя, вероятно, их гораздо больше.

“Как неисчислимо небесное воинство и неизмерим песок морской…”[214], – писал более 2 500 лет тому назад пророк Иеремия, рассуждая о неисчислимых величинах. Хотя невооруженным глазом он мог видеть на небе только несколько тысяч звезд, у него было ощущение непостижимой огромности космоса. Ведь звезд на небе и в самом деле так же много, как песчинок на морских берегах нашего мира, хотя точное число последних определить гораздо сложнее.

Мы живем в удивительное время. Сегодня своими глазами можно видеть то, о чем пророки могли только догадываться. Телескопы и спутники позволяют нам взглянуть на неизвестные миры – ни у одного поколения до нас такой возможности не было. Уподобившись Господу, мы можем смотреть на Землю сверху и видеть ее – голубую жемчужину, парящую на фоне черного бархата. Мы видим облака и песчаные вихри на Марсе, гигантские светящиеся пылевые облака, из которых рождаются новые звезды, и часть неба размером с игольное ушко, заполненную тысячами галактик, составляющими лишь крошечную часть их общего числа во Вселенной. Количество изображений из космоса настолько велико, что превосходит возможности одного человека воспринять и объяснить их: объем наших знаний все растет и растет.

Сказанное выше – свидетельство очевидного успеха науки и технологии. Наше время – эра естественных наук. Все можно измерить – даже людей. Если раньше принимать решения помогали интуиция, надежда и вера, то теперь на помощь приходят исследования, измерения, модели и базы данных. Каждое решение должно быть рационально обосновано и подкреплено объективными данными и моделями. Сегодня даже теологи и гуманитарии в своей работе используют позаимствованные у естественных наук компьютерные методы и статистические подходы. Вся наша жизнь завязана на технологии, которые вдобавок развлекают и вдохновляют нас. Теперь дети играют не во дворе, а с компьютером. Бог приручен, люди стали предсказуемы. Достигнем ли мы со временем такого состояния, когда – возможно, с помощью каких‐то компьютерных алгоритмов – сумеем рационально обосновать и подвести научный базис под каждое свое решение?

Физика вырвалась далеко вперед и находится в авангарде этого движения. Физика и астрономия не просто демонстрируют нам красоту Вселенной, но еще и ставят перед нами очень трудные, жизненно важные вопросы. Телескопы, позволяющие обернуться назад, к началу пространства и времени, делают возможным изучение Большого взрыва. А теперь мы сумели заглянуть и в пустоту черных дыр. Кто еще совсем недавно мог подумать, что такое возможно? В поле нашего зрения попали начало и конец времени. Не это ли величайший триумф физики? Не это ли последняя ступень длительной эволюции, цель которой – глубокое изучение и постижение нашего мира? Ученые всех континентов вместе трудятся ради того, чтобы проникнуть в остающиеся пока не разгаданными человеком великие тайны. Кто может сейчас остановить нас? Что может ускользнуть от нас теперь, когда совместно работает весь мир?

Для открытия бозона Хиггса, элементарной частицы, отвечающей за наличие массы, потребовались усилия одного континента. Совместная работа обсерваторий и ученых двух континентов позволила зарегистрировать колебания пространства-времени и наблюдать гравитационные волны. Понадобились совместные действия всего мира, чтобы нам удалось наконец увидеть черную дыру.

Человечество готовится к финальной битве, итогом которой должно стать получение ответов на главные вопросы физики и жизни. Неужели нам вот-вот предстоит раскрыть последние тайны природы? И мы сможем сорвать завесу неизвестности и взглянуть в лицо самого Бога?

На протяжении всей истории науки наши горизонты непрерывно расширялись, а знание и число открытий увеличивались экспоненциально. Страна становилась континентом, континент превращался в весь мир. Земной шар становился Солнечной системой. Солнечная система – всей Галактикой, Галактика – всей Вселенной. Теперь физики даже начали говорить о мультивселенной – нескольких различных вселенных.

Немецкий физик Филипп Жолли попал в анналы физики благодаря утверждению, что в этой науке уже открыто практически все. В конце XIX века он рекомендовал молодому Максу Планку отказаться от изучения физики. “Где‐нибудь в уголке, может, и остались какая‐то случайная пылинка или небольшой пузырек – пробелы, которые нужно исследовать и классифицировать, но система в целом достаточно надежна”, – вот какие его слова запомнились Планку. Свежеиспеченный студент университета Планк не изменил своего решения. Он распахнул двери для теории относительности Эйнштейна и стал основоположником квантовой физики.

“Значит, так все и будет продолжаться? Именно так?” – спрашиваю я себя. И я не единственный, кто задается этим вопросом[215]. Возможно, следующее большое открытие как раз и будет состоять в том, что открыть все невозможно. Осознание ограниченности наших возможностей – это еще и осознание необходимости смирения, умения принять неизбежное.

Ведь если вдуматься, то, по сути, новая физика основывается на ограничениях нашего знания, ставших одним из основных элементов физики как таковой. Тот факт, что в теории относительности скорость света конечна, означает, что мы не можем знать все: не можем подсчитать все звезды во Вселенной, не можем все точно измерить, не можем предсказать все с абсолютной точностью. Квантовая теория с ее принципом неопределенности Гейзенберга говорит нам, что ничто не может быть определено точно. Термодинамика и теория хаоса готовят нас к тому, что в конечном счете будущее непредсказуемо.

На сегодняшний день мы с помощью самых современных методик определили местоположение около двух миллиардов звезд из их общего числа в нашей Галактике. Это ничто в сравнении с количеством всех звезд во всех галактиках космоса. Нам никогда не удастся составить их полный каталог, не говоря уже о том, чтобы посетить эти звезды. Они – доносящееся до нас эхо прошлого. Многие из звезд уже не существуют, так что мы видим только исходивший от них много лет назад свет. Даже если бы у нас была возможность путешествовать со скоростью света, из‐за продолжающегося расширения Вселенной нам никогда не удалось бы достичь 94 процентов тех галактик, которые мы видим сегодня[216].

В соответствии со всем, что мы знаем, и согласно достигнутому на сегодняшний день консенсусу Большой взрыв и черные дыры – научная реальность. Но признание этой реальности повлекло за собой и признание реальностью связанных с Большим взрывом и черными дырами ограничений. Все, что за пределами этих ограничений, по‐прежнему относится к области математики и воображения. Мы не можем ни заглянуть в черную дыру, ни “услышать” время до Большого взрыва.

Естественно, мы будем по‐прежнему стараться раздвинуть эти пределы и найти щель, которая позволила бы нам посмотреть на то, что ранее было недоступно изучению. Однако нет гарантии, что такая щель существует. Любое фундаментальное расширение горизонтов науки потребует радикальной революции во всем, к чему мы пришли в физике. Допустит ли физика что‐то подобное? Какими бы громкими словами мы ни описывали ее историю, задним числом становится ясно, что развитие науки – это длинный эволюционный процесс, а не результат нескольких революций. Эйнштейн не отменил теорию Ньютона. В определенном смысле он отметил ее ограниченность и указал ее место в новой, более полной теории.

Разгадка последних больших тайн физики потребует объединенных усилий всего мира. Захватывающе интересные события ожидают нас в течение многих будущих десятилетий. Но что если и этого окажется недостаточно? Не потребуются ли нам гигантские интерферометры с десятками колоссальных телескопов, разбросанных по всему космосу? И ускорители частиц размером с планету? Кто за все это будет платить? Это вообще реально? А даже если реально, удастся ли получить ответы на все наши вопросы?

Не является ли, спрашиваю я себя, самый большой триумф естественных наук одновременно и их величайшим поражением? Ведь вполне возможно, что в разгар финальной битвы за окончательное покорение и полное понимание устройства мира мы осознаем, что в своей гордыне преследуем мираж и что сама по себе наука не приблизит нас ни на шаг к ответу на жизненно важные вопросы.

Можно ли исключить, что на важнейшие вопросы – “Откуда мы взялись и куда идем?” – вообще нельзя ответить с помощью технологий? Не иллюзорна ли наша убежденность в том, что нам все под силу? Нет, это не значит, что мы должны перестать спрашивать, однако же к природе, к Богу и к вопросам о нашем существовании нам придется относиться с большим смирением.

Впереди нас ждет еще много радостных мгновений, связанных с грядущими научными исследованиями, но они сами по себе – не сакральная цель. Наука – не абсолютный метод, объясняющий все в мире и за его пределами, а скорее торжество креативности человека и его любопытства. В конечном счете мы, физики, скорее всего проиграем последнюю битву за получение ответов на важнейшие вопросы, однако борьба за свет, разгоняющий тьму, и сама по себе дорогого стоит.

Туман времени

Кажется, что наука обладает пророческим даром, – ведь она делает удивительные предсказания! Способность предсказывать – основное требование, предъявляемое наукой к самой себе, а для многих людей – ее впечатляющее достижение. Полет мяча, поведение материалов, отклонение света вблизи Солнца или появление черных дыр – все это можно прекрасно рассчитать заранее. Сегодня даже прогнозы погоды стали вполне приемлемыми, и ученые полным ходом работают над прогнозом развития пандемии коронавируса. Может, когда‐нибудь мы достигнем состояния полной предсказуемости всего? И все будет предопределено? Но против этого восстает наша интуиция, и, к счастью, она права.

В молодости я задумывался над тем, что такое время. Я представлял себе время как окутанный густым туманом лес, через который я иду, не останавливаясь. Только Бог, посмотрев сверху, может разглядеть в тумане все возможные лесные тропинки; только Он видит одновременно и прошлое, и будущее. А я сам вижу лишь небольшой кусочек тропинки перед собой и небольшой кусочек тропинки позади себя. Мало-помалу передо мной из тумана неопределенности проступает будущее; позади же меня исчезает в тумане памяти прошлое. Порой я иду через лес быстро, порой медленно, но никогда не могу остановиться. На каждой развилке я должен принять новое решение, которое изменяет мою траекторию и ведет меня в новое, неизведанное будущее. Другие люди тоже шагают в этом туманном лесу по своим собственным тропинкам. Иногда я сталкиваюсь с ними, иногда мы идем вместе, иногда теряем друг друга из виду…

Но почему в этом туманном лесу мы движемся только в одном направлении? Почему в реальной жизни время течет только вперед? Почему в каждой точке стрела времени указывает лишь в одном направлении? И почему наше видение будущего ограничено?

Ведь в пространстве можно двигаться вперед и назад, влево и вправо и даже вверх и вниз. А еще в пространстве можно опять и опять возвращаться в одно и то же место. Со временем дело обстоит иначе. Время как параметр входит во многие уравнения физики, и в этих уравнениях время можно ускоренно перематывать вперед и назад, словно кинопленку. Но в реальной жизни, как бы нам того иногда ни хотелось, повернуть стрелки часов вспять невозможно.

Чтобы разобраться в этом, надо обратиться одновременно ко всем разделам физики: к квантовой физике – теории, имеющей дело с очень малыми объектами, к общей теории относительности – теории, описывающей очень большие объекты, и, наконец, к термодинамике – теории, имеющей дело с большим числом частиц.

Без времени нет развития, и это бесспорно. Оно и благословение, и проклятие. Ему мы обязаны как своим рождением и приобретением опыта, так и угасанием – смертью. Существование времени означает наличие начала и конца. В статической Вселенной нет ничего, из‐за чего можно страдать или что можно потерять, но нет и ничего такого, что можно испытать или открыть.

Вообще в физике появление времени интерпретируется как следствие энтропии – неотвратимого конца. В отличие от многих других законов физики второй закон термодинамики, относящийся к энтропии, определяет ее изменение только в одном направлении: энтропия должна увеличиваться. Точно так же, как время. Если сжечь книгу, чтобы поддержать работу паровой машины, та же самая книга никогда спонтанно не возродится из пепла. Где бы ни совершалась работа, куда бы ни прилагалась энергия, небольшая часть энергии теряется и исчезает в виде растущего беспорядка. Чтобы жить, дышать и двигаться, мы используем энергию и увеличиваем энтропию. По этой причине любое живое существо может двигаться во времени только в одном направлении.

Гравитация – тоже странная улица с односторонним движением. Электрические заряды могут быть как положительными, так и отрицательными, они могут притягиваться и отталкиваться; у магнитных полей есть северный и южный полюс, и только у гравитации нет своей “противоположности”. Массы всегда лишь притягиваются. В гравитационном поле Земли яблоко всегда падает только вниз, а черные дыры всегда только растут.

Но именно это “одностороннее движение” делает развитие возможным. Если бы после Большого взрыва вообще не было гравитации, газ и другая материя потерялись бы в пустоте космоса. Никогда не сформировались бы звезды, в ходе эволюции не появился бы человек. Без гравитации не светило бы Солнце, не росли бы растения, людям нечего было бы есть. Гравитации мы обязаны своим существованием.

У наводящего тоску закона, согласно которому энтропия всегда только возрастает, имеется, однако, и положительное следствие – целенаправленно используя энергию, можно уменьшить энтропию в определенных местах. Затратив немного энергии, я могу убрать в детской или написать книгу – и все это за счет полной энергии Вселенной. Только стрела времени и гравитация обеспечивают возможность существования в космосе островков креативности. Главный вопрос заключается в том, откуда изначально взялась вся эта энергия? Это остается одной из величайших загадок Вселенной.

Но именно то, что делает нашу жизнь возможной, ограничивает наше стремление знать все. Чем больше энтропия, тем меньше известно о прошлом и будущем отдельных частиц. Я знаю, что горящая книга в конечном счете превратится в пепел, но невозможно предсказать, как этот пепел будет распределен. Таким образом, ход событий в мире изначально не определен и не фиксирован.

Когда я разговариваю с людьми (даже с теми, чье мышление сформировано наукой), мне иногда кажется, что многие из них до сих пор, вопреки здравому смыслу, в глубине души придерживаются детерминистского мировоззрения. Если бы можно было знать точные условия, в которых мир находился в строго определенный момент времени, то ход вещей был бы абсолютно фиксирован и предсказуем и – да! – все можно было бы заранее рассчитать. Мир был бы одной большой компьютерной игрой, и свобода воли каждого отдельного человека была бы просто иллюзией, являясь, по сути, неизменяемым результатом заранее предопределенного развития квантовой системы клеток нашего головного мозга под влиянием получаемой извне информации. И это означало бы, что каждое ваше решение предопределено заранее, фактически даже задолго до того, как вы родились! Так это, значит, Большой взрыв решил, что теперь я предупреждающе подниму палец?

Мир непредсказуем. На самом деле – принципиально непредсказуем! Физики весьма гордятся (и по праву!) тем, что могут вычислить очень многое, но иногда они недооценивают ограниченность своих возможностей. Для физиков детерминизм – как розовый единорог: о нем мечтают, он завораживает, но его не существует в реальности. Детерминизм можно использовать только как аппроксимацию на коротких промежутках времени и в небольших, ограниченных областях пространства. Если я на равном расстоянии друг от дружки выстрою в ряд костяшки домино и толкну первую из них, то последняя костяшка неизбежно (детерминированно) упадет, правильно? И тем не менее ни будущее, ни прошлое принципиально нельзя предсказать. Туман случайностей лишает нас возможности ясно видеть вечность. В реальной жизни костяшки домино не всегда падают так, как мы предполагали. (Например, если в комнату удается пробраться коту Шрёдингера.)

Мой коллега из Лейдена Симон Портегис Цварт продемонстрировал это наглядно. С помощью компьютера он моделировал движение трех не вращающихся черных дыр – точечных масс, – используя только классический закон притяжения Ньютона, но при этом учитывая случайные сбои при численных расчетах. Он рассматривал чуть ли не самую простую из всех физических систем, какую только можно вообразить. Казалось бы, движение трех гравитирующих тел можно будет предсказывать с требуемой точностью сколь угодно долго как в прямом, так и в обратном направлении по времени. На самом же деле это вовсе не так: за промежуток времени, равный возрасту Вселенной, система может непредсказуемо измениться, – если только мы не знаем расстояния между черными дырами с точностью до планковской длины. Планковская длина – наименьшее из доступных изучению расстояний, которое гораздо меньше любой квантовой частицы и равно примерно 10–35метров. Измерить столь крошечные расстояния принципиально невозможно, поскольку на таких масштабах неприменимы все известные законы природы. Это значит, что даже в системе, состоящей из трех точечных масс, развитие становится необратимым и непредсказуемым. И наоборот – такую систему нельзя проследить в обратном направлении, двигаясь к ее исходному состоянию. Мы не можем сказать, какими эти три черные дыры были первоначально.

Если бы Симон Портегис Цварт и его коллеги вместо черных дыр рассматривали систему, состоящую из меняющихся планет, или вместо простых законов тяготения Ньютона использовали более сложные уравнения общей теории относительности Эйнштейна, система развивалась бы более хаотично. Ну а если бы добавились еще звезды и черные дыры, то все начало бы выглядеть как полный хаос. Нам следует научиться мириться с тем, что Вселенная принципиально непредсказуема и хаотична!

Надо ли говорить, что человек неизмеримо сложнее системы из трех черных дыр? Человек непредсказуем даже на коротких временных интервалах, что хорошо знают родители маленьких детей. Поэтому тем, кто мечтает когда‐нибудь перенести людей в компьютер и рассчитать все, что с ними случится, лучше мечтать о розовом единороге. Существование таких животных хотя бы не запрещено с точки зрения физики. Люди, безусловно, подчиняются законам природы, но на самом глубинном уровне они абсолютно свободны!

Даже на микроскопическом уровне источник принятия решения в мозгу очень быстро теряется в тумане неопределенности. Но никакая туманная, квантовая пена в моем мозгу не принимает за меня решение. Я, в противовес утверждениям некоторых физиков, действительно обладаю свободой воли, сам принимаю решения и сам несу за них ответственность[217]. Поскольку “мы” не настолько хаотичны, я не могу перенести ответственность с себя на квантовые частицы в мозгу, уверяя, будто они не имеют ко мне никакого отношения и сами принимают от моего имени произвольные решения. Я не просто сумма отдельных элементов, на которые меня можно разложить. Я еще и взаимодействие этих элементов, и их развитие во времени. Из всего этого постоянно “растет” что‐то новое, что‐то автономное – и это я, я сам[218].

Однако в философии ответ на вопрос о том, что такое это “я”, столь же туманен, как в физике вопрос о природе времени. Частью моего мировоззрения является убежденность, что я состою не только из квантового сумбура в моем мозгу, но и из своего прошлого и будущего – того, которое мой горизонт позволяет мне увидеть. Во мне собраны мои мысли, моя память, мое настоящее, мои надежды и моя вера. И все это – я. Значит, я могу меняться во времени, поскольку с каждым предпринимаемым мною шагом вместе со мной движется и мой горизонт. Поэтому я меняюсь непрерывно, никогда, однако, не становясь полностью кем‐то совсем другим.

Но откуда с точки зрения физики берутся этот туман времени, эта неопределенность в обоих направлениях? Причина, по которой мы не можем точно определить, что будет в будущем, или проследить, что было в прошлом, кроется в том, что в этом мире ничего нельзя знать абсолютно точно.

К примеру, чтобы определить какую‐то величину с бесконечной точностью, измерять ее надо бесконечно долго, но во Вселенной, возраст и размер которой конечны, это невозможно. По сути дела, во Вселенной, где есть время, нет ничего точного. Если нечто является бесконечно малым или бесконечно коротким, то для измерения этого нечто с бесконечной точностью требуется затратить бесконечное количество энергии, что можно даже доказать математически[219]. Отсюда следует знаменитый принцип неопределенности Гейзенберга, согласно которому никогда нельзя точно указать все характеристики квантовой частицы, – а то, что принципиально нельзя знать абсолютно точно, не существует в точных физических терминах!

В этом смысле математические уравнения, которые мы учим в школе, обманчивы. Они описывают несуществующую природу – ту, которая не существует именно в таком виде. Поэтому швейцарский физик Николя Гизин предложил использовать новую интуитивную математику[220], учитывающую неточность чисел. Числа только со временем становятся точными. Несколько преувеличенно это можно сформулировать так: равенство “два плюс два” становится абсолютно точным только по прошествии бесконечного времени. Чтобы выяснить, например, весит ли буханка хлеба ровно два килограмма, мне придется взвешивать ее неограниченно долго, но за это время хлеб либо заплесневеет, либо будет съеден.

Если бы скорость света была бесконечной, информация обо всем, происходящем в космосе, – даже о том, что происходит бесконечно далеко, – доходила бы мгновенно. Познаваемая Вселенная не имела бы пределов и была бы бесконечно большой. Все было бы связано со всем одновременно. Но поскольку скорость света конечна, в пространстве и во времени нет познаваемой бесконечности, а потому нет и абсолютной точности. Таким образом, конечная природа скорости света гарантирует нам определенную свободу – имеет значение только здесь и сейчас. Каждое место обладает своим уникальным настоящим прошлым и будущим. В данный момент я еще не могу даже представить себе, что повлияет на меня завтра. На самом деле, даже увидеть это я не могу – я могу только ждать. Будущее станет по‐настоящему видимым только завтра – вероятно.

Конечность – это в первую очередь еще и то, что делает возможной нашу жизнь. Согласно второму закону термодинамики безгранично расширившаяся и бесконечно старая Вселенная была бы нескончаемо случайной: в ней бы вечно ничего не происходило. Когда по прошествии почти неограниченно долгого времени выгорели бы все звезды, вся материя распалась, а все черные дыры испарились, Вселенная стала бы пустым, неструктурированным океаном излучения, наполненным бесконечно слабыми электромагнитными волнами.

Поэтому именно начало делает нашу Вселенную и пригодной для жизни, и такой привлекательной. Как говорится, в каждом начале есть толика волшебства. Но и конца нам не следует так уж бояться. В развитии Вселенной было настолько много неожиданных поворотов и креативности, что мы вправе ожидать еще чего‐то. Разве создавшая начало творческая сила не сможет выдержать испытание временем?

Жизнь в нашей Вселенной превосходно сбалансирована между случайностью и предсказуемостью. Мы и не свободны от законов природы, и не являемся их рабами. Будущее одной частицы совершенно случайно. Если в течение определенного периода времени наблюдать за несколькими частицами, то все, с ними происходящее, будет происходить с определенной вероятностью и регулярностью. Если же очень долго следить за очень большим ансамблем частиц, то для каждой из них возможно практически все. Жизнь человека протекает где‐то посередине. Она частично предсказуема, в ней находится место и элементам хаоса, и светлым моментам, но при этом мы обладаем свободой раз за разом принимать новые решения. Мне кажется, что аналогия с лесом в тумане достаточно хорошо иллюстрирует условия, в которых живет человек.

В начале… и по ту сторону

Когда я был ребенком, я часто, лежа ночью без сна, спрашивал себя: “Что там позади неба? А если позади неба есть что‐то, то что позади этого чего‐то? А что позади чего‐то, что позади чего‐то, что позади неба? Там Бог – или это бесконечная, божественная пустота?”

Некоторые физики утверждают, что задавать такие вопросы – ребячество[221]. Но задавать детские вопросы вовсе не значит быть инфантильным. Я рад, что, сохранив детское любопытство, никогда не переставал спрашивать. Да я и не смог бы вести себя иначе, даже если бы захотел.

Я стал ученым, чтобы обрести способность видеть то, что дальше, но моему научному взгляду никогда не достичь бесконечности. Бесконечность – это нечто, что я не могу ни осмыслить, ни эффективно измерить. Именно поэтому бесконечное не доступно науке. Бесконечность – математическая абстракция и метафизическое допущение.

В признанной сегодня модели Вселенной наше представление о бесконечности заканчивается Большим взрывом. С него начинаются наше время и наша история; в нем содержится все, что когда‐либо случится. Большой взрыв – избыток концентрированной энергии[222]. Все, что мы видим сегодня, все формы материи и энергии[223] – и даже нас самих! – можно, в конечном счете, проследить вплоть до этой первичной энергии.

Практически бесконечно малая область пространства неожиданно увеличивается и экспоненциально растет в течение всего 10–35секунд. Из этой первичной молниеносной вспышки чистой энергии и излучения формируется квантовый “суп” элементарных частиц. Образуются протоны и электроны – строительные кирпичики материи. Через 380 000 лет протоны и электроны объединяются в пары, образуя водород, который заполняет Вселенную. Материя и излучение неожиданно разделяются, и дальше “каждый идет своим путем”. Под действием собственной гравитации темная материя начинает концентрироваться: из остатков Большого взрыва возникают собирающие вокруг себя водород темные галактики. Они превращаются в галактики, наполненные яркими звездами, которые, заканчивая свою жизнь невероятно мощными взрывами, создают новые элементы и посылают их обратно в космическое пространство.

Из пепла первых звезд рождаются новые звезды, планеты, луны и кометы. Начинается звездный жизненный цикл – и в конце концов образуется наша Земля. На Земле появляется и собирается вода. Вместе со звездной пылью она образует грибки, возникают одноклеточные живые существа и растения. Эта новая жизнь меняет мир: начинает образовываться атмосфера, появляются облака, в ходе эволюции возникают животные. Последними появляются люди, которые при свете Солнца, Луны и звезд населили и завоевали Землю, построили города, познали мир, время и пространство и написали об этом книги. Все это результат тоху ва-боху[224] – Большого взрыва.

Тот факт, что наша Вселенная вообще функционирует, поразителен сам по себе. Если рассматривать его в физическом аспекте, то создание Вселенной можно сравнить с хождением по натянутому канату – каждый неверный шаг губителен. Будь гравитация существенно сильнее, произошел бы коллапс звезд в черные дыры. Слабее – темная энергия стала бы причиной рассеяния всего. А если бы электромагнитные силы были сильнее, звезды не могли бы светиться[225]. То, что сцепление шестеренок этого космического механизма делает жизнь возможной, остается величайшим чудом всех времен. Если бы во время Большого взрыва кто‐нибудь посмел предсказать, что из этого хаоса образуется Вселенная, его сочли бы сумасшедшим. В учебниках физики не предусмотрена возможность внезапного превращения звезд в самостоятельно думающие объекты, которые формируют собственное мнение, становятся личностями и занимаются творчеством, – и тем не менее мы существуем.

Те, кто пытается разгадать эту загадку, чаще всего говорят, что на самом деле существует не одна, а много вселенных, – как цветы в поле, они прорастают, живут и увядают. Каждая из этого множества вселенных несколько отлична от другой, и лишь по чистой случайности мы живем именно в этой, обеспечивающей возможность жизни, Вселенной, поскольку она единственная, которую нам дано видеть.

Но давайте продвинемся в наших рассуждениях чуть дальше. Возможно ли в нашей Вселенной отыскать следы старых вселенных? Например, обнаружить крупномасштабные структуры, образовавшиеся при столкновении двух разных вселенных? Лично я рискну предположить, что гипермассивные черные дыры – потенциально лучшие претенденты на роль ископаемых остатков старых вселенных. В конце концов, это именно то, что должно остаться после Вселенной наподобие нашей. На сегодняшний день не обнаружено ни единого свидетельства, подтверждающего подобную возможность. Как нет и никаких указаний на то, что параллельные вселенные вообще существуют и что мы можем каким‐то образом обнаружить их опытным путем.

Неясно также, можно ли, исходя из наличия одной-единственной – фактически невероятной! – Вселенной, сделать вывод, что вселенных должно быть много, поскольку это делает существование нашей Вселенной более вероятным. Если ваш сосед выиграл в лотерею миллион долларов, это не обязательно означает, что он играл миллион раз[226]. Нам нечего сказать, кроме того, что мы живем рядом с настоящим везунчиком. Наблюдая только этот розыгрыш и не будучи осведомленными о правилах его проведения, мы не смогли бы сделать вывод о том, сколько человек – или как много вселенных – принимало в нем участие.

Без конкретной надежды на доказательство встает вопрос: идея мультивселенной относится к физике или к метафизике? Мы не можем заглянуть ни за сингулярность в начале нашей собственной Вселенной, ни за ее границы. Даже если мы утверждаем, что мультивселенная не самообман, а настоящий физический объект, все равно остается вопрос: откуда взялась мультивселенная? Получается, что мы только смещаем наше собственное неведение на нейтральную территорию физики!

Стивен Хокинг утверждал, что задавать вопрос о происходившем до Большого взрыва все равно что спрашивать о том, что севернее Северного полюса. Он предложил модель мира, в которой временная координата никогда не начинается в нуле[227]. Мне это кажется всего лишь остроумной уловкой, поскольку Северный полюс – проблема только в определенной модели мира и в рамках определенной системы координат. Конечно, если считать, что мир ограничен поверхностью шара, ответить на этот вопрос действительно нельзя. И все же остается возможность отдалиться от поверхности шара и, двигаясь в любом направлении над Северным полюсом, задать правомерный вопрос о том, что может быть над и под ним.

Другие считают, что Вселенная образовалась спонтанно “из ничего”, – но это зависит от того, как именно данное “ничего” определяется. Каждая теория образования мира начинается с законов природы, с набора математических уравнений, а сегодня в большинстве случаев – с океана квантовой пены, из которой спонтанно появляется новая Вселенная. На самом деле ни в одной из моделей Вселенная не образуется “из ничего”, что справедливо и для нескольких вселенных.

“В начале было Слово…” Так начинается первый стих Евангелия от Иоанна – один из самых знаменитых стихов Библии[228]. В основе каждой из естественных наук лежат законы, в соответствии с которыми функционирует мир. Из этих законов конструируется “язык” науки. Но откуда взялось слово, которое было в начале? Откуда взялись законы? То, что с помощью законов становится чем‐то, – откуда оно берется?

“…и Слово было Бог”. Так сказано во второй, наиболее важной строке этого стиха. На протяжении тысячелетий люди задаются вопросом о первопричине, о первичной движущей силе, и в иудео-христианско-исламской традиции ответом на этот древний вопрос является “Бог”. В каком‐то смысле “Бог” – местоблюститель, и заполнить это “место” каждый должен сам. Тогда основной вопрос звучит так: “Кто или что есть Бог?” Даже из этой формулировки ясно, что затрагиваемый здесь вопрос явно выходит за рамки физики и ее ограничений.

Тем не менее кто‐то может считать, что проблема Бога вообще не относится к компетенции физики. Позиция агностика вполне понятна. Какие именно ответы давать на вопросы о том, что есть первопричина всего и в чем кроется смысл жизни, каждый человек решает для себя сам. Спрашивать его об этом не нужно – однако все же допустимо.

С учетом того, как развивалась современная астрофизика, позиция агностика совершенно разумна. В течение длительного периода, растянувшегося от античных времен до наших дней, астрологи и астрономы отделялись и отдалялись друг от друга. Сегодня коллеги не станут всерьез, как ученого, воспринимать астронома, практикующего астрологию. Они обвинят его в фальсификации науки.

Отстаивание наукой собственной независимости привело к тому, что в наше время религиозные, философские и теологические вопросы полностью исключены из естественных наук. Это было частью процесса освобождения науки от диктата церкви и философии. Но это не значит, что такие вопросы следует принципиально игнорировать. Наука решила ограничить область своей компетенции не относящимися к религии вопросами, но подобное решение нельзя полагать универсальным.

Точно так же науку нельзя использовать для доказательства отсутствия Бога лишь только потому, что вопрос о существовании Бога физика перед собой не ставит. Атеизм – вполне оправданная точка зрения, но научного обоснования у нее нет. Попытки воспользоваться наукой, чтобы доказать ошибочность убеждения в существовании Бога, кажутся мне столь же абсурдными, как попытки воспользоваться ею для доказательства Его существования.

Не только черные дыры убеждают нас в том, что ограничения – часть нашего мира. Если кто‐то осмелится задаться вопросами, выходящими за рамки физики, обойти вопрос о Боге ему не удастся. Именно потому, что природа накладывает принципиальные ограничения на то, что доступно нашему знанию, мы снова и снова наталкиваемся на установленные ею пределы и бряцаем своими вопросами перед небесными вратами. Эти ограничения являются своего рода проявлением милосердия: сдерживая наше высокомерие, они дают нам возможность верить и надеяться. Я не думаю, что физика, в которой полностью отсутствует Бог, возможна, – по крайней мере, если мы задаем вопросы, напрямую относящиеся к границе человеческого знания и даже выходящие за ее пределы. Где‐то глубоко внутри нас, людей, заложено стремление найти ответы на главные вопросы. Спрашивать откуда, куда и почему – это что‐то вроде первобытного инстинкта, часть души человека. Подобные вопросы занимают нас всю жизнь и заставляют искать на них ответы. В этих поисках свои роли отведены и религии, и философии, и науке. И дело очень осложняется, если одна из этих дисциплин утверждает свое эксклюзивное право на интерпретацию всего мира.

Вместо того чтобы приписывать только себе способность все объяснить, науке не мешало бы согласиться с существованием неких пределов и стать партнером в конструктивном диалоге. Я считаю опасным полагаться лишь на науку и технологии, когда речь идет о наших духовных потребностях, – опасным как для нас, так и для объективности науки.

Но стоит ли сегодня вообще говорить о Боге? Разве научный прогресс не отвел Богу роль своего рода заменителя, временного решения? И разве научный прогресс постепенно не оттеснял его во все меньшую, все более незначительную нишу? Утверждать вслед за Стивеном Хокингом, что Бог излишен, поскольку современная физика уже ответила на все вопросы, значит все слишком упрощать. Наоборот, я бы сказал, что сегодня Бог нужен как никогда. По большому счету, даже если науке и удалось разобраться с бесчисленными аспектами развития жизни и Вселенной, она все равно ни на шаг не приблизилась к ответу на главный вопрос философии – откуда взялись мы. Точно так же, как принципиально нельзя приблизиться к бесконечности, принципиально нельзя приблизиться и к началу всего сущего. Нынче мы знаем гораздо больше, чем когда‐либо прежде, но, соответственно, мы знаем больше и о том, о чем знать не можем. Сегодня пробел в нашем знании, который должен заполнить Бог, стал как никогда широким и существенно более принципиальным. В него попадает происхождение всей Вселенной (или, возможно, многих вселенных) и всего субатомного квантового мира. Откуда все это взялось и куда движется? Мы стали лучше понимать правила игры во Вселенной, но вот откуда появилась сама игра и кто придумал ее правила – на это ответа у нас нет. Мы могли бы взобраться на вершину Вавилонской башни знаний и, глядя оттуда на наш маленький мир, провозгласить полный триумф науки, но мы бы провозглашали триумф, который может никогда и не случиться. Мы можем объявить, что Бог мертв, но тогда мы окажемся далеко не первыми, чьи действия вызывают слабую улыбку на лице Того, Кто издалека смотрит на нас[229].

В связи с этим спор между верой и наукой представляется мне сравнимым с соревнованием в беге между черепахой и зайцем. Заяц-наука недооценивает своего оппонента, но когда добирается до финиша, то видит ждущую его черепаху.

Однако не является ли Бог только абстракцией, созданной воображением человека? Конечно, является, поскольку представление о Боге всякий раз формируется человеком и всегда абстрактно. Наш мозг старается сделать непознаваемое познаваемым и использует для этого абстрактные понятия. Но это не значит, что то, что стоит за этими понятиями, не существует. Комплексные числа – абстрактное понятие, связанное с математическими уравнениями, но тем не менее это понятие привело к предсказанию очень реального позитрона, который существует на самом деле.

По сути дела, описывающие вполне реальные процессы законы природы – это тоже созданные человеком абстрактные конструкции. Строго говоря, законы природы существуют только у нас в голове. Яблоко ничего не знает о законе притяжения Ньютона или общей теории относительности Эйнштейна, и все же всякий раз каждое яблоко падает вниз независимо от высоты, с которой его бросили. Закон притяжения реален, поскольку яблоко падает. По той же причине Бог, как основная движущая сила, реален, поскольку наш мир возник.

Законы природы – абстрактные характеристики реальности, записанные на языке математики. Но законы природы не характеризуют реальность исчерпывающе. Простые системы они описывают с удивительной точностью, но чем природа сложнее, тем труднее ее описать с помощью простой математики. Каждая математическая формула, каждая компьютерная программа – всегда лишь аппроксимация реальности. Только сама реальность является абсолютно точным описанием реальности, только сама Вселенная – абсолютно точное описание Вселенной, только сам человек – точное описание себя. Однако доступа к этому точному описанию у нас нет. Таким образом, все, что у нас есть, – это большое число неполных точек доступа к реальности, к Вселенной и к себе как к людям.

Точно так же лишь сам Бог является идеальным описанием Бога. Разговор о Боге может быть только невнятным. Любой, кто говорит, будто существует человек, знающий, кто есть Бог или кто не есть Бог, очевидно, не до конца понимает этого человека. Библейская заповедь, утверждающая, что мы не должны создавать себе конкретный образ Бога – кумира, – свидетельство глубокой мудрости. Бога нельзя запечатлеть ни в одном образе. Deus semper maior – Бог всегда больше, чем наше представление о Боге. Это верно как для верующих, так и для атеистов. Меня огорчает, когда я вижу, как Бога превращают в карикатуру, – либо для того, чтобы заручиться его поддержкой, либо чтобы посмеяться над ним. Бог – это не летающий макаронный монстр и не убеленный сединами чисто выбритый американец.

Но есть ли вообще смысл размышлять о Боге? В чем польза разговоров о Боге, если он находится за горизонтом того, что мы можем узнать? Даже если мы не можем исследовать момент создания космоса, мы, безусловно, можем изучать его последствия. Хотя происходящее внутри черной дыры измерить нельзя, физики выполняют расчеты, связанные с внутренней частью черных дыр.

В XVIII веке Готфрид Вильгельм Лейбниц предложил очень ограниченную концепцию Бога: он сравнил Бога с искусным часовщиком. Бог – это первопричина: он привел мир в движение, и с тех пор этот столь искусно созданный им механизм работает постоянно и неизменно. Работа Бога настолько совершенна, что ему больше не надо беспокоиться о Вселенной. Его мир – лучший из всех возможных миров. Бог Лейбница – этот безымянный и неприметный Бог эпохи Просвещения – до сих пор не дает покоя некоторым людям, хорошо знающим, что мир несовершенен.

На самом деле – в силу того, что в научном подходе причинно-следственные связи занимают центральное место, – даже эта идея о Боге-часовщике не столь уж нелогична. Если я верю, что Бог – просто безличная совокупность всех законов природы и начальных условий, существовавших в начале мира, значит, эти законы природы и начальные условия по‐прежнему задают форму и направление развития нашей Вселенной, которые я сегодня измеряю. Тогда астрофизика, в известном смысле, – поиск следов этого искусного часовщика, так сказать, при свете современности.

Точно так же богословы уже тысячелетия ломают голову над тем, кто и что такое Бог, и ищут знамения Бога в дне сегодняшнем. Для меня лично Бог больше, чем просто часовщик. В моей религии Библия доносит до нас огромное количество имен, встреч, историй, рассказанных Богом, и историй о нем. В других религиях есть свои, сопоставимые священные истории. Эти описания Бога создавались многими поколениями на основании радостного и болезненного опыта, поставленных вопросов, стремлений и надежд людей, живших в этом мире. Они все описывают прожитую реальность, но их язык – не язык математики, а скорее язык опыта, поэзии, мечты, сновидений и мудрости.

Язык математики не позволит мне разобраться в таких вопросах, как любим ли я или чего я стою (разве что, возможно, только если я сам математик, который, как это иногда случается, живет единственно красотой собственной науки). По-моему, это самонадеянность, а то и высокомерие – думать, будто я могу и даже обязан отмахнуться от всего человеческого опыта только потому, что сегодня я знаю физику лучше, чем люди знали ее сто лет назад.

Следовательно, поиск Бога актуален и важен по‐прежнему. То, как я представляю себе начало, определяет и мой взгляд на настоящее и будущее. От Бога-часовщика я ожидаю стабильности и надежности, но не интереса ко мне или к кому‐то еще как к отдельному человеку. Однако если я верю, что Бог – это не просто нечто, но и личность, то есть кто‐то наподобие Бога в монотеистических религиях, то я ожидаю, что Бог – это кто‐то, с кем я могу взаимодействовать, кто‐то, от кого я еще могу ожидать чего‐то нового и сегодня, и в будущем. Такой Бог дает мне шанс сблизиться с ним. В христианской религии личность Бога проявляется как в символических страданиях и искупительной жертве Иисуса Христа, так и в общности верующих и величии творения.

Физики (агностики или атеисты) могут отнестись к моей идее описания Бога как некой личности с известной долей скепсиса, но она не столь нелепа, как кажется. Поскольку человек состоит из протонов, протоны, соответственно, могут обладать рядом присущих человеку признаков. Очевидно, что из Большого взрыва, сгустка материи и нескольких законов природы физика может сотворить обладающих сознанием, способных абстрактно мыслить людей – с их эмоциями, чувством юмора и ощущением своего предназначения и ответственности. Таким образом, возможность зарождения жизни и формирование индивидуальности и идентичности должны были быть заложены – но не обязательно предопределены – самими законами Большого взрыва. По крайней мере совершенно ясно, что такая вероятность не исключалась, поскольку – вот же они мы! Вольно трактуя основополагающее утверждение Декарта “Я мыслю, следовательно, я существую”, можно также сказать: “Я существую, следовательно, это возможно”. Если материя думает и существует, почему тогда Бог-творец, Бог-первопричина не может быть личностью, обладающей разумом, эмоциями и мотивом? Если физики способны вообразить себе космос, полный жизни, неограниченных возможностей и мультивселенных, то отчего так уж иррациональна идея личностного Бога? Во всяком случае она куда более рациональна, чем восприятие мира как предварительно запрограммированной компьютерной симуляции, о чем втайне размышляют некоторые мои коллеги. То, что множество людей тысячелетиями верили в личностного Бога, еще не делает эту идею ошибочной и устаревшей.

Однако личность Бога находится за пределами того, что можно обнаружить любыми физическими методами. Если научное исследование Вселенной показало, насколько мы малы, то Бог говорит нам, насколько мы ценны. Физике недоступно измерение чувства собственной значимости. Оно должно прийти снаружи и ощущаться внутри. Когда кто‐то заявляет, что любит вас, понять суть этого заявления с помощью ускорителя частиц или телескопа нельзя… если только не рассматривать Вселенную (со всеми ее недостатками) как одно большое признание в любви к нам, людям. Но признание в любви – вещь абсолютно личная: кого‐то оно обрадует, а кого‐то оставит равнодушным. Два человека, получившие одно и то же письмо, могут прочесть его совсем по‐разному. Вопрос о личности Бога – чисто человеческое переживание, через которое каждый должен пройти самостоятельно. Физика не способна сделать это за нас. Однако же своим опытом нам дозволено поделиться: наше переживание может быть похоже на подобные переживания других, а значит, они не совсем случайны и произвольны.

Меня всегда удивляет, когда люди спрашивают, каким образом я совмещаю науку и веру. На самом деле я ничем не отличаюсь от ученых, работы которых лежат в основе современной физики. Многие выдающиеся исследователи – например, Николай Коперник, Иоганн Кеплер, Макс Планк и Артур Эддингтон – были глубоко набожными людьми. И сегодня в кабинетах Академии наук и искусств Нидерландов с одними коллегами я могу обсуждать последние сюрпризы в квантовой физике, а с другими – серьезные теологические вопросы.

Для меня законы природы, как и я сам, – часть творения. Если яблоко падает в соответствии с законами природы, то, с моей точки зрения, это не только пример превосходной физики, но и доказательство надежности творца, который оставался и останется одним и тем же и вчера, и сегодня, и завтра, и вовеки. Другие же видят только падающее яблоко.

Для меня Бог не просто нечто, а некто. Я ощущаю эту сторону Бога в своей собственной жизни, в жизни тех, кто был прежде меня, и в жизни окружающих меня людей. Я открываю для себя Бога и в уединенной молитве, и в общей молитве в храме, и в собственных размышлениях об Иисусе, и в величавой красоте Вселенной. Вглядываясь в космос, я пытаюсь рассмотреть не только физический мир, жизнь и необъятные просторы Вселенной, но и то, что стоит за этим. Знакомя меня все с новыми удивительными вещами, физика не отменяет мою веру, а скорее расширяет и углубляет ее. Воспринимая Иисуса Христа как личность, я открываю для себя человеческую сторону творения и творца. Так я обретаю Бога, который есть начало и конец, Бога, которому я не должен и не могу ничего доказать, Бога, в котором я уже дома.

Но точно так же, как скептицизм играет важную роль в развитии науки, так и сомнения – важный элемент моей веры. Экспериментальным основанием веры является жизнь, и поэтому я обязан подвергать свою жизнь и свою веру критическому разбору. Возможно, так много людей сомневается сегодня в церкви именно потому, что некоторые церкви относятся к себе недостаточно критически! Природа мира и природа Бога всегда превосходят по сложности то, что способен осмыслить наш ограниченный разум. Наука без самокритики – шарлатанство, религия без сомнений – святотатство, политика без нерешительности – мошенничество. Знать все мы не можем.

Установленные природой пределы и неполнота нашего знания – это тоже часть магической силы, ибо подобные ограничения превращают нас в искателей. Неопределенность этого мира – вот что позволяет нам принимать все новые решения и задавать все новые вопросы. Представляете, насколько непривлекательной стала бы наука, если бы нельзя было открыть ничего нового? И чем была бы жизнь без вопросов? Жизнь, в которой все можно рассчитать заранее? И разве нуждались бы вы в Боге, в которого не надо верить, потому что вы и так все о нем уже знаете? Есть нечто заманчивое в том, что не все известно и не все может быть доказано. Это тоже форма свободы – а возможно, даже ее основа.

Естественно, я не могу запретить Богу представить доказательства своего существования в нашем мире и тем самым отнять у меня свободу веры, но он бы меня этим глубоко разочаровал!

Ведь не исключено, что истинное назначение человека в этом мире и далеко за его пределами как раз и состоит в том, чтобы задавать вопросы и продолжать поиск. Это именно то, что выделяет нас на фоне подавляющей части Вселенной. Ограниченность знания – одновременно и благословение, и вызов. Само понятие горизонта подразумевает невозможность ступить за горизонт – но зато его всегда можно расширить. Мы расширяем свой горизонт, продолжая движение вперед: думая, задавая вопросы, сомневаясь, надеясь, любя и веря.

В начале этой книги я взял вас в путешествие по космосу. Мы видели Луну и планеты Солнечной системы, мы осмотрели Млечный Путь и добрались до выгоревших звезд и черных дыр. Путешествие по Вселенной – эстафета, в которой поколения астрономов, открывая новые миры, передают следующим за ними эстафетную палочку знаний. Для меня это не покорение новых территорий, а скорее паломничество, предпринятое ради развития нашего разума и нашего духа. Оно заканчивается возвращением к самим себе, к нашим нерешенным вопросам. И это означает, что пришло время остановиться, перестать ощущать себя гордыми завоевателями мира и снова сделаться скромными искателями.

Тот, кто ищет, всегда надеется обнаружить нечто интересное, так что любой ищущий – непременно носитель надежды. Когда мой коллега и телеведущий Гаральд Леш закончил свою приветственную речь на праздновании столетнего юбилея Немецкого астрономического общества, его спросили о значимости гуманности и веры. Гаральд сослался на апостола Павла, который писал о том, что всегда остается – всегда пребывает – в человеке: “А теперь пребывают сии три: вера, надежда, любовь; но любовь из них больше[230]”.

Мы, люди, всего лишь пылинки на чуть большей пылинке в неизмеримо громадном космосе. Мы не можем заставить звезды взрываться, не можем раскрутить колеса галактик, и это не мы воздвигли над нами небесный свод. Но мы можем восхищаться Вселенной и задавать о ней вопросы. В этом мире мы можем верить, надеяться и любить, и это делает нас совсем особой звездной пылью.

Если сегодня Земля исчезнет из Солнечной системы, если Солнечная система исчезнет из нашей Галактики, если из космического пространства исчезнет весь Млечный Путь, Вселенная этого не заметит. И тем не менее она лишится кое‐чего очень ценного, а именно – нашей веры, нашей надежды и нашей любви. А еще – наших вопросов, задавая которые, мы несем свет, рассеивающий тьму.

2. Вид центра Млечного Пути в радиосвете (изображение получено с помощью радиотелескопов MeerKAT в Южной Африке и VLA в США). Мы видим сияние горячего газа в магнитных полях в диске нашей Галактики на расстоянии 27 000 световых лет. За ярким пятном справа от центра скрывается центральная черная дыра нашей Галактики – Стрелец А*.

3. Звездный танец вокруг черной дыры в галактическом центре – симуляция, основанная на реально измеренных движениях звезд. Звезды мчатся со скоростью несколько тысяч километров в секунду вокруг одной точки – радиоисточника Стрелец А*.

5. Формирование новой солнечной системы, удаленной от нас на расстояние 450 световых лет. На изображении видны пылевые кольца вокруг протозвезды HL Тельца. Протопланетный диск примерно в три раза больше орбиты Нептуна вокруг Солнца. Изображение получено с помощью телескопов ALMA в миллиметровом диапазоне длин волн.

6. Остаток сверхновой диаметром 23 световых года. В результате взрыва звезды в центре образовалась компактная нейтронная звезда или даже черная дыра.

7. Галактика Андромеды – сестра Млечного Пути. Ее размер составляет сотни тысяч световых лет в диаметре, она состоит из сотен миллиардов звезд, и ее отделяет от нас примерно 2,5 миллиона световых лет. В диске из коричневых пылевых облаков формируются новые звезды.

8. Большая эллиптическая галактика Геркулес А находится на расстоянии 2,1 миллиарда световых лет от нас в скоплении галактик. Черная дыра выбрасывает в космос струю плазмы (джет) длиной 1,6 миллиона световых лет. Изображение получено путем совмещения изображения в радиодиапазоне, сделанного телескопом VLA (красный цвет), с изображением, сделанным космическим телескопом “Хаббл” в видимом диапазоне длин волн (черный цвет, другие цвета).

10. Глобальная сеть телескопов, входящих в Телескоп горизонта событий (EHT).

11. Коллектив астрофизиков после окончания кампании наблюдений в 2017 г. (слева направо: С. Санчес, Р. Азулай, И. Руис, Х. Фальке, Т. Кричбаум) на фоне одного из телескопов EHT – IRAM с тарелкой 30 м на Пико дель Велета.

12. Один из телескопов EHT – JCMT, Мауна-Кеа, высота 4 200 м над уровнем моря, Гавайи.

13. Один из телескопов EHT – ALMA, плато Чайнантор, высота 5 000 м над уровнем моря, Чили.

Благодарности

Идея написать эту книгу появилась в результате разговоров с научным журналистом журнала Der Spiegel Йоргом Рёмером. После публикации изображения черной дыры в апреле 2019 года он взял у меня интервью, а потом сопровождал во время нескольких моих публичных выступлений. Как‐то, сидя во вьетнамском ресторане в Гамбурге, мы обсуждали черные дыры, Бога и Вселенную. Он – критически мыслящий журналист, я – искренне верующий ученый, но объединяют нас любопытство и увлеченность наукой.

Эта книга, над которой мы замечательно потрудились вместе, должна была походить на наши с ним разговоры. Мы хотели связать мою маленькую личную историю с большой историей открытия человечеством Вселенной и поведать об этом доступным каждому языком. Вот почему события описываются здесь так, как видел их я. Речь идет о том, с чем я сам имел дело, чему сам научился и что сам узнал. Я вспоминаю эпизоды из жизни ученого, прошедшего путь от любопытного ребенка до известного профессора, и цитирую несколько библейских строк, представляющихся мне трогательными.

А еще эта книга рассказывает о том периоде моей жизни, когда я не смог бы справиться без любви и поддержки моей семьи и проявленного ею терпения. Моя чудесная жена – лучшая среди всех школьных администраторов и прекрасная спутница жизни – прочла гранки этой книги и исправила остававшиеся в ней ошибки.

Мои коллеги профессор Франк Вербунт (Утрехт/Неймеген), профессор Герхард Бёрнер (Мюнхен) и доктор Маркус Пёсель (Гейдельберг) – рецензенты нашей с Йоргом Рёмером рукописи – оказали нам неоценимую услугу, высказав свои критические замечания. Саре Иссаун мы благодарны за то, что она проверила верность английского перевода книги.

Наш агент Аннет Брюггеманн помогла воплотить нашу идею в жизнь, сыграв ключевую роль в создании этой книги. Штефан Грюневальд из института Рейнгольда предоставил нам пространство для планирования. Все время работы над немецким вариантом книги наш издатель Том Краушаар и наш редактор Йоханнес Чайя, как и все сотрудники издательства “Клетт-Готта” (Klett-Cotta), помогали нам, проявляя профессионализм и преданность делу.

И, наконец, я должен поблагодарить всех моих коллег за их работу – как прошлую, так и нынешнюю. Не всех мне удалось назвать здесь. Многие фамилии пришлось перенести в примечания, но перечень все равно вышел неполным. И хотя все соавторы статей о черных дырах перечислены ниже, я мог бы вспомнить еще многих и многих.

Йорг благодарен своей жене и своим двум дочерям, которым часто приходилось оставаться без него во время коронавирусного локдауна. Он также выражает благодарность своим работодателям – руководству журнала Der Spiegel – за предоставленную возможность осуществить этот проект. Наконец, что не менее важно, Йорг хочет поблагодарить своих близких друзей и коллег за советы и помощь.

Большую часть доходов от этой книги я планирую направить на благотворительность.

Фрехен, округ Кёльн, сентябрь 2020 г.

Хайно Фальке

Kazunori Akiyama – Казунори Акияма,

Antxon Alberdi – Антсон Алберди,

Walter Alef – Вальтер Алеф,

Keiichi Asada – Кэйити Асада,

Rebecca Azulay – Ребекка Азулай,

Anne-Kathrin Baczko – Энн-Катрин Бачко,

Mislav Baloković – Мислав Балокович,

John Barrett – Джон Баррет,

Ilse van Bemmel – Ильза ван Беммель,

Dan Bintley – Дэн Бинтли,

Lindy Blackburn – Линди Блэкберн,

Wilfred Boland – Уилфред Боланд,

Katherine L. Bouman – Кэтрин Л. Боуман,

Geoffrey C. Bower – Джеффри К. Бауэр,

Michael Bremer – Майкл Бремер,

Christiaan D. Brinkerink – Кристиан Д. Бринкеринк,

Roger Brissenden – Роджер Бриссенден,

Silke Britzen – Силке Бритцен,

Avery Broderick – Эвери Бродерик,

Dominique Broguiere – Доминик Брогьер,

Thomas Bronzwaer – Томас Бронцваер,

Do-Young Byun – До Ён Бён,

John E. Carlstrom – Джон Э. Карлстром,

Andrew Chael – Эндрю Чейл,

Chi-kwan Chan – Чи-Кван Чан,

Koushik Chatterjee – Кошик Чаттерджи,

Shami Chatterjee – Шами Чаттерджи,

Ming-Tang Chen – Мин-Тан Чен,

Yongjun Chen – Ёнджун Чен,

Члены команды EHT, авторы статей о черных дырах

Ilje Cho – Илье Чо,

Pierre Christian – Пьер Кристиан,

John E. Conway – Джон Э. Конвей,

James M. Cordes – Джеймс М. Кордес,

Geoffrey B. Crew – Джеффри Б. Крю,

Yuzhu Cui – Южу Цуй,

Jordy Davelaar – Джорди Давелаар,

Roger Deane – Роджер Дин,

Jessica Dempsey – Джессика Демпси,

Gregory Desvignes – Грегори Десвиньес,

Jason Dexter – Джейсон Декстер,

Shep Doeleman – Шеп Доулман,

Ralph P. Eatough – Ральф П. Итоу,

Heino Falcke – Хайно Фальке,

Vincent L. Fish – Винсент Л. Фиш,

Ed Fomalont – Эдвард Фомалонт,

Raquel Fraga-Encinas – Ракель Фрага-Энсинас,

Bill Freeman – Уильям Т. Фриман,

Per Friberg – Пер Фриберг,

Christian M. Fromm – Кристиан М. Фромм,

Peter Galison – Питер Галисон,

Charles F. Gammie – Чарльз Ф. Гэмми,

Roberto García – Роберт Гарсия,

Olivier Gentaz – Оливье Гентаз,

Boris Georgiev – Борис Георгиев,

Ciriaco Goddi – Сириако Годди,

Roman Gold – Роман Голд,

José L. Gómez – Хосе Л. Гомес,

Minfeng Gu – Минфэн Гу,

Mark Gurwell – Марк Гурвелл,

Michael H. Hecht – Майкл Х. Хехт,

Ronald Hesper – Рональд Хеспер,

Luis C. Ho – Луис К. Хо,

Paul Ho – Пол Хо,

Mareki Honma – Мареки Хонма,

Chih-Wei L. Huang – Чжи-Вэй Л. Хуан,

Lei Huang – Лэй Хуан,

David Hughes – Дэвид Хьюз,

Shiro Ikeda – Широ Икеда,

Makoto Inoue – Макото Ноуэ,

David James – Дэвид Джеймс,

Buell T. Jannuzi – Бьюэлл Т. Джаннузи,

Члены команды EHT ￼

Michael Janßen – Майкл Янссен,

Britton Jeter – Бриттон Джетер,

Wu Jiang – У Цзян,

Michael D. Johnson – Майкл Д. Джонсон,

Svetlana Jorstad – Светлана Йорстад,

Taehyun Jung – Тэхён Юнг,

Mansour Karami – Мансур Карами,

Ramesh Karuppusamy – Рамеш Каруппусами,

Tomohisa Kawashima – Томохиса Кавасима,

Mark Kettenis – Марк Кеттенис,

Jae-Young Kim – Джэ Ён Ким,

Jongsoo Kim – Джонсу Ким,

Junhan Kim – Джунхан Ким,

Motoki Kino – Мотоки Кино,

Jun Yi Koay – Джун И Коай,

Patrick M. Koch – Патрик М. Кох,

Shoko Koyama – Сёко Кояма,

Carsten Kramer – Карстен Крамер,

Michael Kramer – Майкл Крамер,

Thomas P. Krichbaum – Томас П. Кричбаум,

Cheng-Yu Kuo – Ченг-Ю Куо,

Huib Jan van Langevelde – Хойб Ян ван Лангевельде,

Tod R. Lauer – Тод Р. Лауэр,

Yan-Rong Li – Ян-Ронг Ли,

Zhiyuan Li – Чжиюань Ли,

Michael Lindqvist – Майкл Линдквист,

Kuo Liu – Куо Лю,

Elisabetta Liuzzo – Элизабетт Лиуццо,

Wen-Ping Lo – Вен-Пин Ло,

Andrei P. Lobanov – Андрей П. Лобанов,

Laurent Loinard – Лоран Луанар,

Colin Lonsdale – Колин Лонсдейл,

Ru-Sen Lu – Ру-Сен Лу,

Nicholas R. MacDonald – Николас Р. Макдональд,

Jirong Mao – Цзижун Мао,

Sera Markoff – Сера Маркофф,

Daniel P. Marrone – Дэниел П. Марроне,

Alan P. Marscher – Алан П. Маршер,

Iván Martí-Vidal – Иван Марти-Видаль,

Satoki Matsushita – Сатоки Мацусита,

Lynn D. Matthews – Линн Д. Мэтьюз,

Lia Medeiros – Лия Медейрос,

Karl M. Menten – Карл М. Ментен,

Izumi Mizuno – Изуми Мизуно,

Yosuke Mizuno – Ёсуке Мизуно,

James M. Moran – Джеймс М. Моран,

Kotaro Moriyama – Котаро Морияма,

Monika Mościbrodzka – Моника Мошчибродская,

Cornelia Müller – Корнелия Мюллер,

Hiroshi Nagai – Хироси Нагаи,

Masanori Nakamura – Масанори Накамура,

Ramesh Narayan – Рамеш Нараян,

Gopal Narayanan – Гопал Нараянан,

Iniyan Natarajan – Иниян Натараджан,

Roberto Neri – Роберто Нери,

Chunchong Ni – Чунчун Ни,

Aristeidis Noutsos – Аристейдес Нуцос,

Hiroki Okino – Хироки Окино,

Héctor Olivares – Гектор Оливарес,

Tomoaki Oyama – Томоаки Ояма,

Feryal Özel – Ферьял Озель,

Daniel Palumbo – Дэниел Палумбо,

Harriet Parsons – Гарриет Парсонс,

Nimesh Patel – Нимеш Патель,

Ue-Li Pen – Уэ-Ли Пен,

Dominic W. Pesce – Доминик В. Пеше,

Vincent Piétu – Винсент Пьету,

Richard Plambeck – Ричард Пламбек,

Aleksandar Popstefanija – Александр Попстефания,

Oliver Porth – Оливер Порт,

Ben Prather – Бен Пратер,

Jorge A. Preciado-López – Хорхе А. Пресиадо-Лопес,

Dimitrios Psaltis – Димитриос Псалтис,

Hung-Yi Pu – Хунг-Йи Пу,

Ramprasad Rao – Рампрасад Рао,

Mark G. Rawlings – Марк Дж. Роулингс,

Alexander W. Raymond – Александр У. Рэймонд,

Luciano Rezzolla – Лучано Реццолла,

Bart Ripperda – Барт Рипперда,

Freek Roelofs – Фрик Рулофс,

Alan Rogers – Алан Роджерс,

Eduardo Ros – Эдуардо Рос,

Mel Rose – Мел Роуз,

Arash Roshanineshat – Арш Рошанинешат,

Члены команды EHT ￼

Daniel R. van Rossum – Дэниел Р. ван Россум,

Helge Rottmann – Хельге Роттман,

Alan L. Roy – Алан Л. Рой,

Chet Ruszczyk – Чет Рушчик,

Benjamin R. Ryan – Бенджамин Р. Райан,

Kazi L. J. Rygl – Кази Л. Дж. Рыгл,

Salvador Sánchez – Сальвадор Санчес,

David Sánchez-Arguelles – Давид Санчес-Аргуэльес,

Mahito Sasada – Махито Сасада,

Tuomas Savolainen – Туомас Саволайнен,

F. Peter Schloerb – Ф. Петер Шлёрб,

Karl-Friedrich Schuster – Карл-Фридрих Шустер,

Lijing Shao – Лицзин Шао,

Zhiqiang Shen – Чжицян Шэнь,

Des Small – Дес Смолл,

Bong Won Sohn – Бон Вон Сон,

Jason SooHoo – Джейсон СуХу,

Fumie Tazaki – Фуми Тадзаки,

Paul Tiede – Пол Тиде,

Michael Titus – Майкл Титус,

Kenji Toma – Кенджи Тома,

Pablo Torne – Пабло Торне,

Tyler Trent – Тайлер Трент,

Sascha Trippe – Саша Трипп,

Shuichiro Tsuda – Шуичиро Цуда,

Jan Wagner – Ян Вагнер,

John Wardle – Джон Уордл,

Jonathan Weintroub – Джонатан Вайнтруб,

Norbert Wex – Норберт Векс,

Robert Wharton – Роберт Уортон,

Maciek Wielgus – Мацек Вельгус,

George N. Wong – Джордж Н. Вонг,

Qingwen Wu – Цинвэнь Ву,

André Young – Андре Янг,

Ken Young – Кен Янг,

Ziri Younsi – Зири Юнси,

Feng Yuan – Фэн Юань,

Ye-Fei Yuan – Е-Фэй Юань,

J. Anton Zensus – Дж. Антон Зенсус,

Guangyao Zhao – Гуанъяо Чжао,

Shan-Shan Zhao – Шань-Шань Чжао,

Ziyan Zhu – Зиян Чжу.

Juan-Carlos Algaba – Хуан-Карлос Альгаба,

Alexander Allardi – Александр Алларди,

Rodrigo Amestica – Родриго Аместика,

Jadyn Anczarski – Джейдин Анчарски,

Uwe Bach – Уве Бах,

Frederick K. Baganoff – Фредерик К. Баганофф,

Christopher Beaudoin – Кристофер Бодуан,

Bradford A. Benson – Брэдфорд А. Бенсон,

Ryan Berthold – Райан Бертольд,

Ray Blundell – Рэй Бланделл,

Sandra Bustamente – Сандра Бустаменте,

Roger Cappallo – Роджер Каппалло,

Edgar Castillo-Domínguez – Эдгар Кастильо-Домингес,

Richard Chamberlin – Ричард Чемберлин,

Chih-Cheng Chang – Чжи-Ченг Чанг,

Shu-Hao Chang – Шу-Хао Чанг,

Song-Chu Chang – Сон-Чу Чанг,

Chung-Chen Chen – Чунг-Чен Чен,

Ryan Chilson – Райан Чилсон,

Tim Chuter – Тим Чутер,

Rodrigo Córdova Rosado – Родриго Кордова Росадо,

Iain M. Coulson – Иэн М. Коулсон,

Thomas M. Crawford – Томас М. Кроуфорд,

Joseph Crowley – Джозеф Кроули,

John David – Джон Дэвид,

Mark Derome – Марк Дером,

Matthew Dexter – Мэтью Декстер,

Sven Dornbusch – Свен Дорнбуш,

Kevin A. Dudevoir (deceased) – Кевин А. Дюдевуар (ныне покойный),

Sergio A. Dzib – Серджио А. Дзиб,

Andreas Eckart – Андреас Эккарт,

Chris Eckert – Крис Эккерт,

Neal R. Erickson – Нил Р. Эриксон,

Aaron Faber – Аарон Фабер,

Joseph R. Farah – Джозеф Р. Фарах,

Vernon Fath – Вернон Фат,

Члены команды EHT ￼

Thomas W. Folkers – Томас У. Фолкерс,

David C. Forbes – Дэвид К. Форбс,

Robert Freund – Роберт Фройнд,

David M. Gale – Дэвид М. Гейл,

Feng Gao – Фэн Гао,

Gertie Geertsema – Герти Гертсема,

Arturo I. Gómez-Ruiz – Артуро И. Гомес-Руис,

David A. Graham – Дэвид А. Грэм,

Christopher H. Greer – Кристофер Х. Грир,

Ronald Grosslein – Рональд Гросслейн,

Frédéric Gueth – Фредерик Гет,

Daryl Haggard – Дэрил Хаггард,

Nils W. Halverson – Нильс У. Халверсон,

Chih-Chiang Han – Чжи-Чианг Хань,

Kuo-Chang Han – Куо-Чанг Хань,

Jinchi Hao – Цзиньчи Хао,

Yutaka Hasegawa – Ютака Хасэгава,

Jason W. Henning – Джейсон У. Хеннинг,

Antonio Hernández-Gómez – Антонио Эрнандес-Гомес,

Rubén Herrero-Illana – Рубен Эрреро-Ильяна,

Stefan Heyminck – Стефан Хайминк,

Akihiko Hirota – Акихико Хирота,

Jim Hoge – Джим Ходж,

Yau-De Huang – Яу-Де Хуанг,

C. M. Violette Impellizzeri – C. M. Виолетта Импеллиццери,

Homin Jiang – Хомин Цзян,

Atish Kamble – Атиш Камбле,

Ryan Keisler – Райан Кейслер,

Kimihiro Kimura – Кимихиро Кимура,

Derek Kubo – Дерек Кубо,

John Kuroda – Джон Курода,

Richard Lacasse – Ричард Лакасс,

Robert A. Laing – Роберт А. Лэнг,

Erik M. Leitch – Эрик М. Лейтч,

Chao-Te Li – Чао-Те Ли,

Lupin C.‐C. Lin – Люпен К.‐К. Лин,

Ching-Tang Liu – Чинг-Тан Лю,

Kuan-Yu Liu – Куан-Ю Лю,

Li-Ming Lu – Ли-Мин Лу,

Ralph G. Marson – Ральф Г. Марсон,

Pierre L. Martin-Cocher – Пьер Л. Мартен-Коше,

Kyle D. Massingill – Кайл Д. Массингилл,

Callie Matulonis – Калли Матулонис,

Martin P. McColl – Мартин П. Макколл,

Stephen R. McWhirter – Стивен Р. МакВиртер,

Hugo Messias – Хьюго Мессия,

Zheng Meyer-Zhao – Чжэн Мейер-Чжао,

Daniel Michalik – Даниэль Михалик,

Alfredo Montaña – Альфредо Монтана,

William Montgomerie – Уильям Монтгомери,

Matias Mora-Klein – Матиас Мора-Кляйн,

Dirk Muders – Дирк Мудерс,

Andrew Nadolski – Эндрю Надольски

Santiago Navarro – Сантьяго Наварро,

Chi H. Nguyen – Чи Х. Нгуен,

Hiroaki Nishioka – Хироаки Нисиока,

Timothy Norton – Тимоти Нортон,

Michael A. Nowak – Майкл А. Новак,

George Nystrom – Джордж Нистром,

Hideo Ogawa – Хидео Огава,

Peter Oshiro – Питер Осиро,

Scott N. Paine – Скотт Н. Пейн,

Harriet Parsons – Гарриет Парсонс,

Juan Peñalver – Хуан Пенальвер,

Neil M. Phillips – Нил М. Филлипс,

Michael Poirier – Майкл Порье,

Nicolas Pradel – Николя Прадель,

Rurik A. Primiani – Рюрик А. Примиани,

Philippe A. Raffin – Филипп А. Раффин,

Alexandra S. Rahlin – Александра С. Рахлин,

George Reiland – Джордж Рейланд,

Christopher Risacher – Кристофер Рисачер,

Члены команды EHT ￼

Ignacio Ruiz – Игнасио Руис,

Alejandro F. Sáez-Madaín – Алехандро Ф. Саес-Мадаин,

Remi Sassella – Реми Сасселла,

Pim Schellart – Пим Шелларт,

Paul Shaw – Пол Шоу,

Kevin M. Silva – Кевин М. Сильва,

Hotaka Shiokawa – Хотака Сиокава,

David R. Smith – Дэвид Р. Смит,

William Snow – Уильям Сноу,

Kamal Souccar – Камаль Суккар,

Don Sousa – Дон Соуза,

Ranjani Srinivasan – Ранджани Шринивасан,

William Stahm – Уильям Стам,

Anthony A. Stark – Энтони А. Старк,

Kyle Story – Кайл Стори,

Sjoerd T. Timmer – Сьорд Т. Тиммер,

Laura Vertatschitsch – Лаура Вертачич,

Craig Walther – Крейг Уолтер,

Ta-Shun Wei – Та-Шун Вэй,

Nathan Whitehorn – Натан Уайтхорн,

Alan R. Whitney – Алан Р. Уитни,

David P. Woody – Дэвид П. Вуди,

Jan G. A. Wouterloot – Ян Г. А. Воутерлоот,

Melvyn Wright – Мелвин Райт,

Paul Yamaguchi – Пол Ямагучи,

Chen-Yu Yu – Чен-Ю Ю,

Milagros Zeballos – Милагрос Себальос,

Lucy Ziurys – Люси Зюрис.

Аккреционный диск: Вращающийся диск, состоящий из газа, окружающий объект большой массы, который, подобно водовороту, увлекает магнитные поля и материю (плазму, газ или пыль) к центру.

Активные галактические ядра: Центральная область галактик, из которой идет мощный поток излучения. Активность ядер объясняется наличием сверхмассивных черных дыр.

Американское астрономическое общество (AAS): Профессиональная организация астрономов, публикующая два важных журнала по астрономии.

Антенная система со сверхдлинными базами (VLBA): Радиоинтерферометр, представляющий собой сеть из десяти 25‐метровых антенн с расстояниями между ними до 8 600 километров. Аналогичный интерферометр в Европе – Европейская сеть РСДБ, или EVN.

Астрономическая единица (а.е.): Среднее расстояние от Земли до Солнца – стандартная мера расстояний в астрономии. 1 а.е. = 149 597 870 700 км.

Атакамская большая миллиметровая антенная система (ALMA): Самый большой телескоп, работающий в миллиметровом и субмиллиметровом диапазоне. Это сеть, состоящая из 66 радиоантенн, расположенных в пустыне Атакама, Чили, на высоте примерно 5 000 метров над уровнем моря.

Атакамский исследовательский эксперимент (APEX): 12‐метровый телескоп; находится в Чили вблизи телескопа ALMA.

Атомы: Строительные блоки материи, из которых состоят наши элементы. Атомные ядра строятся из тяжелых, положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов. Еще в атомах имеются одна или несколько оболочек легких, отрицательно заряженных электронов.

Глоссарий

Белая дыра: Гипотетическая область пространства-времени, которая может только извергать материю, а не поглощать. Этот объект – антипод черной дыры.

Белый карлик: После прекращения ядерного синтеза большинство старых звезд превращаются в компактные шары, радиус которых примерно равен радиусу Земли, а весят они примерно как Солнце. Сначала они очень горячие и светят бело-голубым светом, но потом постепенно остывают.

Большой взрыв: Начальный момент в развитии нашей Вселенной, когда материя и энергия вырвались из крошечной точки. Согласно современной модели, используемой космологами, это произошло около 13,8 миллиарда лет назад. С тех пор Вселенная расширяется.

Большой миллиметровый телескоп (LMT): 50‐метровый радиотелескоп, расположенный на высоте 4 593 метров над уровнем моря на вершине бездействующего вулкана Сьерра-Негра в Мексике; часть телескопа EHT.

Ватиканский телескоп передовых технологий (VATT): Оптический телескоп на горе Грэм, штат Аризона, оператором которого является Ватиканская обсерватория.

Гайа (Gaia): Космический аппарат с телескопом, запущенный Европейским космическим агентством для составления карты расположения звезд в галактике Млечный Путь.

Галактика: Система из сотен миллиардов звезд, планет и газовых туманностей, связанных друг с другом гравитацией и обращающихся вокруг центра. Нашей галактикой является Млечный Путь.

Галактический центр: Центр галактики Млечный Путь, расположенный на расстоянии 26 000 световых лет от Земли.

Глобальная система позиционирования (GPS): Сеть спутников, используемых для определения положения на Земле.

Горизонт событий: Невидимая граница, окружающая черную дыру, за которой вещество, излучение и вся информация необратимо исчезают в черной дыре.

Гравитационные линзы: Согласно общей теории относительности эффект гравитационной линзы возникает всякий раз, когда свет отклоняется под влиянием очень массивного объекта. Если на пути к Земле световые волны проходят мимо массивного объекта, например, галактики, звезды или черной дыры, то траектория движения волн вблизи него уже будет не прямой линией, а искривленной. Когда это происходит, можно наблюдать эффекты, подобные тем, которые вызываются оптической линзой из стекла, позволяющие сделать выводы о форме и массе объекта, создающего эффект гравитационной линзы.

Гравитация: Сила притяжения между массивными телами. В общей теории относительности представляется в виде искривления пространства-времени.

Гренландский телескоп (GLT; Greenland Telescope): 12‐метровый телескоп в Гренландии; является частью как Телескопа горизонта событий (EHT), так и глобальной сети миллиметровых радиоинтерферометров со сверхдлинной базой (Global mm-VLBI Array).

Двойные звезды: Система из двух звезд, которые обращаются друг относительно друга. В Млечном Пути каждая вторая звезда находится в двойной или кратной системе. Если одна звезда коллапсирует и превращается в черную дыру, она может начать постепенно заглатывать вторую звезду и при этом излучать волны в рентгеновском диапазоне (такие системы называются рентгеновскими двойными системами).

Джет: Поток горячей концентрированной плазмы, выбрасываемой некоторыми космическими объектами с помощью магнитных полей. Джеты из черных дыр испускаются со скоростью, почти равной скорости света, и их протяженность в космосе составляет миллионы световых лет.

Европейская южная обсерватория (ESO): Европейская научная организация. Управляет чилийскими оптическими телескопами типа VLT и обсерваторией Ла Силла, а также в качестве партнера участвует в работе радиообсерваторий ALMA и APEX.

Европейский исследовательский совет (ERC): Общеевропейская организация, финансирующая научные исследования выдающихся ученых.

Европейское космическое агентство (ЕКА): Космическое агентство ЕС занимается строительством космических телескопов и разработкой и эксплуатацией спутников.

Закон Хаббла-Леметра: Закон, устанавливающий, что в результате расширения Вселенной галактики удаляются от нас тем быстрее, чем они дальше от нас. Используется для определения расстояний между внегалактическими объектами по красному смещению спектральных линий элементов.

Звезда: Горячий газовый шар, вырабатывающий энергию в процессе ядерного синтеза. Солнце – тоже звезда. Чем больше и тяжелее звезда, тем она горячее и тем короче ее жизненный цикл.

Излучение абсолютно черного тела (излучение Планка): Универсальное излучение, испускаемое любым непрозрачным телом, которое зависит только от температуры и размера объекта. Излучение звезд и реликтовое излучение относятся к этому типу.

Излучение Хокинга: Модель, предложенная Стивеном Хокингом, согласно которой в результате квантовых эффектов черные дыры постепенно испаряются. До сих пор не подтверждена экспериментально.

Институт миллиметровой радиоастрономии (IRAM): Ассоциация исследователей Германии, Франции и Испании. В ведении института находится телескоп NOEMA, расположенный во Франции (на высоте 2 600 метров над уровнем моря), и 30‐метровый телескоп на Пико дель Велета в Испании (на высоте 2 920 метров над уровнем моря); оба телескопа – части телескопа EHT (Телескопа горизонта событий).

Интерферометрия: Техника, основанная на наложении волн. В радиоастрономии оказалось возможным совместить радиоволны, зарегистрированные разными телескопами, и с помощью результирующей интерференционной картины получать изображения с высоким разрешением (см. радиоинтерферометр; радиоинтерферометрия со сверхдлинной базой [РСДБ]).

Квазар (квазизвездный радиоисточник): Активное ядро (см. черные дыры) очень удаленной галактики, испускающее мощное излучение и отличающееся высокой светимостью.

Квантовая физика: Область физики, описывающая физические системы, в которых определенные состояния могут принимать только фиксированные (дискретные/квантованные) значения. В основном это относится к мельчайшим элементарным частицам.

Китайская национальная космическая администрация (КНКА): Китайское государственное космическое агентство, отвечающее только за спутники и космические зонды, но не за полеты человека в космос.

Космический телескоп “Хаббл”: Многофункциональный космический аппарат, принадлежащий НАСА и ESA и исследующий космическое пространство сразу в нескольких диапазонах электромагнитного спектра, от инфракрасного до видимого и ультрафиолетового.

Космическое микроволновое излучение (3К излучение): Излучение абсолютно черного тела, соответствующее состоянию ранней Вселенной, возникшее в то время, когда она стала прозрачной, то есть примерно через 380 000 лет после Большого взрыва. Его можно зарегистрировать в любой точке космоса в радиочастотном и микроволновом диапазоне.

Красное смещение: В результате расширения Вселенной и быстрого удаления от нас галактик свет смещается в сторону больших длин волн, или “более красных” цветов (см. эффект Доплера). Свет от края черной дыры также смещается в красную сторону из‐за сильнейшего искривления пространства-времени.

Красный гигант: Раздувшаяся, стареющая звезда, в которой ядерный синтез происходит только в ближайшем к ядру слое. Звезда разбухает и излучает красный свет.

Кротовая нора (Мост Эйнштейна-Розена): Гипотетическая структура, связывающая две отдаленные области пространства-времени. Общая теория относительности допускает – но не требует – существование такого “туннеля”.

Массачусетский технологический институт (MIT): Известный политехнический университет в Кембридже, штат Массачусетс.

Международная космическая станция (МКС): Единственная космическая станция, на которой постоянно находятся космонавты. Она обращается вокруг Земли на высоте 400 километров.

Мессье 87 (M87): Гигантская эллиптическая галактика, расположенная на расстоянии 55 миллионов световых лет от Земли. Сверхмассивная черная дыра в ее центре – первая черная дыра, изображение которой смогли получить астрономы с помощью телескопа EHT. Впервые внесена в каталог Шарлем Мессье.

Миллиметровые волны: Радиоволны с частотами в диапазоне примерно от 43 ГГц до 300 ГГц и длинами волн от 1 до 10 мм.

Млечный Путь: Наша галактика, имеющая форму диска со спиральными рукавами. Содержит от 200 до 400 миллиардов звезд. Период обращения Солнца вокруг центра Млечного Пути составляет 200 миллионов лет.

НАСА (Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства): Космическое агентство США.

Национальная радиоастрономическая обсерватория (NRAO): Центр исследований и разработок в области радиоастрономии США. Является оператором (или принимает участие в совместном управлении) различных радиотелескопов, среди которых ALMA, VLA и VLBA.

Национальный научный фонд США (NSF): Самый крупный фонд, спонсирующий научные проекты в Америке.

Нейтронная звезда: Сколлапсировавшая сверхкомпактная звезда, которая весит примерно столько же, сколько Солнце, но имеет диаметр всего около 20–25 километров; состоит из нейтронов (см. атомы). Последняя фаза развития многих массивных звезд.

Низкочастотная антенная система (LOFAR): Европейский радиоинтерферометр, включающий 30 000 низкочастотных радиоантенн, которые выслеживают сигналы, посланные Вселенной на ее ранней фазе развития. Оперативный центр радиоинтерферометра находится в Нидерландах.

Обсерватория Хейстек: Радиоастрономическая обсерватория, принадлежащая Массачусетскому технологическому институту и находящаяся в городе Вестворд, штат Массачусетс.

Общая теория относительности: Теория Эйнштейна, в которой устанавливается соотношение между пространством, временем и гравитацией. Массы искривляют пространство, а искривленное пространство определяет движение масс и течение времени.

Общество Макса Планка: Большое элитное сообщество, объединяющее научно-исследовательские институты различного профиля.

Очень большая антенная система (VLA): Радиоинтерферометр, состоящий из двадцати семи 25‐метровых радиотелескопов, расположенных в штате Нью-Мексико на площади радиусом до 36 километров.

Очень большой телескоп (VLT): Обсерватория, включающая в себя четыре отдельных 8‐метровых телескопа. Входит в состав Европейской южной обсерватории, расположенной на горе Серро Параналь на высоте 2 850 метров над уровнем моря.

Параллакс: Кажущийся сдвиг в положении космического объекта при рассмотрении его с двух разных точек. Используя этот эффект и значение астрономической единицы, можно измерить расстояние от Земли до звезд.

Парсек (параллакс и секунда): Астрономическая единица длины, эквивалентная примерно 3,26 светового года или 206 000 астрономическим единицам. Этот термин происходит от способа измерения расстояний с использованием параллакса звезд.

Плазма: Сверхгорячий газ протонов и электронов, в котором атомы разбиты на отдельные компоненты.

Планета: Сферический космический объект, образованный из газа или скалистых пород, обращающийся вокруг Солнца практически без трения. Сама не производит энергию посредством ядерного синтеза, а только отражает солнечный свет. В нашей Солнечной системе восемь планет (Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун). Планеты, обращающиеся вокруг других солнц, называются экзопланетами.

Преобразование Фурье: Математическая операция, которая преобразует волны в их частоты и наоборот. Используется в радиоинтерферометрии для восстановления изображений, поскольку радиотелескопы измеряют “частоту кадров”.

Протозвезда: Молодая звезда в стадии развития.

Пульсар: Быстро вращающаяся нейтронная звезда, излучающая радиоволны, подобно маяку, и посылающая вспышки через равные промежутки времени.

Радиоинтерферометр: Сеть радиотелескопов, синхронно наблюдающих какой‐либо космический объект. В результате этого можно добиться более высокого разрешения, эквивалентного разрешению телескопа с базой, равной расстоянию между двумя наиболее удаленными друг от друга телескопами в сети.

Радиоинтерферометрия со сверхдлинной базой (РСДБ): Метод интерферометрических измерений, в котором телескопы, установленные на огромном расстоянии друг от друга, синхронизуются так, чтобы наблюдать радиоисточник одновременно. Реальное изображение затем формируется с помощью компьютера.

Релятивистская магнитогидродинамика (GRMHD): Математический метод, позволяющий моделировать движение газа в магнитном поле вокруг черных дыр.

Сверхновая: Очень мощный взрыв массивной звезды в конце ее жизни.

Световой год: Расстояние, которое свет проходит в вакууме за один год; 1 cветовой год = 0.307 парсека = 9.46047 10 12 км.

Сингулярность: Точка за горизонтом событий черной дыры, в которой сконцентрирована вся масса, а кривизна пространства-времени бесконечна. Начальная стадия образования Вселенной, называемая сингулярностью Большого взрыва или изначальной сингулярностью.

Cинхротронное излучение: Электромагнитное излучение, возникающее при пролете электронов сквозь магнитные поля на скорости, близкой к скорости света. Описывает эффект излучения радиоволн черными дырами.

Скорость света: Равна 299 792,458 км/сек. Всегда постоянна. Ни информация, ни материя не могут распространяться со скоростью, превышающей скорость света.

Смитсоновская астрофизическая обсерватория (SAO): Астрономический исследовательский институт в Кембридже, штат Массачусетс.

Солнечная масса: Стандартная астрономическая единица массы, равная 2 × 10 30 кг.

Спектроскопия: Метод, при котором свет раскладывается по цветам, то есть по длинам волн (в спектр). Как известно из квантовой физики, атомы различных элементов поглощают или испускают свет в узком интервале длин волн и, следовательно, могут быть идентифицированы по этим длинам волн. Радиальные скорости можно измерять по смещению этих длин волн и эффекту Доплера.

Специальная теория относительности: Одна из теорий относительности Эйнштейна, в которой описывается зависимость пространственных и временных характеристик от скорости относительного движения. В ней, в отличие от общей теории относительности, не учитывается влияние гравитации, которая становится важной при приближении к скорости света.

Стрелец A* (Sgr A*): Компактный радиоисточник в галактическом центре. Сверхмассивная черная дыра в центре Млечного Пути с массой, как у четырех миллионов Солнц, расположенная на расстоянии 26 000 световых лет от Земли.

Субмиллиметровая антенная система (SMA): Интерферометр из восьми радиотелескопов, являющийся частью сети EHT. Расположен на вершине вулкана Мауна-Кеа на Гавайях на высоте 4 115 метров над уровнем моря.

Телескоп горизонта событий (EHT): Глобальная сеть радиотелескопов РСДБ, работающих в области миллиметровых длин волн. С их помощью удалось получить первое изображение черной дыры.

Телескоп Джеймс Клерк Максвелл (JCMT): Радиотелескоп на Гавайях, работающий в субмиллиметровом диапазоне длин волн; часть EHT.

Темная материя: Неизвестная форма материи, о существовании которой можно судить только по влиянию ее гравитации. Считается, что на ее долю приходится около 85 процентов общей массы барионного вещества Вселенной.

Темная энергия: Еще не до конца понятая сила, которая, как считается, ведет к ускоренному расширению Вселенной. По сегодняшним оценкам темная энергия составляет примерно 70 процентов всей энергии во Вселенной.

Транзит Венеры: Прохождение Венеры по диску Солнца. Измерив время прохождения и угловые координаты в начале и конце процесса, астрономы рассчитали расстояние между Землей и Солнцем (астрономическую единицу).

Угловая секунда: Угловая единица. Окружность можно разделить на 1 296 000 угловых секунд. В окружности 360 градусов, в каждом градусе 60 угловых минут, в каждой минуте 60 угловых секунд. В аcтрономии используется для определения угловых расстояний между небесными объектами или их размеров.

Фотоны: Частицы электромагнитного излучения. Свет может на всех длинах волн проявлять свойства как частиц, так и волн.

Цефеиды: Пульсирующие переменные звезды с периодами пульсаций от одного до ста дней. Чем они ярче, тем реже пульсируют. Измеряя период их пульсации, можно рассчитать их истинный уровень яркости или светимости и, сравнив его с измеренной яркостью, рассчитать расстояние до них. Чем дальше звезда, тем слабее нам кажется ее свет.

Черная дыра: Объект в космосе, масса которого сосредоточена в крошечной области. В его окрестности гравитация настолько сильна, что не может вырваться даже свет. Черные дыры образуются в результате коллапса очень массивных звезд после взрыва сверхновой. Они также находятся в центрах галактик, где они могут быть в миллиарды раз тяжелее Солнца и называются “сверхмассивными”.

Шаровые скопления: В основном старые сферические группы звезд, насчитывающие до 100 000 звезд, гравитационно связанные с галактиками и обращающиеся вокруг них.

Экзопланеты: Планеты, обращающиеся вокруг всех звезд, кроме Солнца.

Электромагнитные волны: Излучение безмассовых частиц, которые движутся со скоростью света в вакууме. Примеры такого излучения: видимый свет, инфракрасное или тепловое излучение, микроволны и радиоволны, а также рентгеновские и гамма-лучи.

Энтропия: Мера беспорядка в системе. Если не добавлять энергию извне, энтропия системы может только возрастать.

Эффект Доплера: Эффект, объясняющий сдвиг частоты/длины волны света в процессе относительного движения наблюдателя и объекта наблюдения. В астрономии этот эффект используется для измерения движения небесных объектов вдоль линии наблюдения.

Эффельсбергский радиотелескоп: Стометровый радиотелескоп в горах Эйфель, находящийся под управлением Радиоастрономического института Макса Планка в Бонне.

Южный полярный телескоп (SPT): 10‐метровый радиотелескоп на станции Амундсена-Скотта на Южном полюсе. Расположен в Антарктике на высоте 2 817 метров над уровнем моря, входит в сеть EHT.

Ядерный синтез: Звезды производят энергию, сплавляя атомные ядра, в первую очередь – ядра атомов водорода, которые при этом превращаются в гелий.

GRAVITY: Интерферометр, входящий в состав Европейской южной обсерватории и объединяющий четыре телескопа VLT. С его помощью, например, получены в инфракрасном свете изображения высокого разрешения звезд в галактическом центре.

SETI (поиск внеземного разума): Общий термин для программ по обнаружению жизни в открытом космосе, которые начали появляться в 1960‐х годах.

Дополнительную информацию и разъяснение астрономических терминов можно найти на: https://www.einstein-online.info (в разделе Useful/Dictionary)

Источники иллюстраций

1. © EHT (Event Horizon Telescope)

2. © Heino Falcke, SARAO (South African Radio Astronomy Observatory), NRAO (National Radio Astronomy Observatory)

3. © ESO (European Southern Observatory)

4. Космический телескоп “Хаббл” © NASA & ESA (European Space Agency)

7. © Adam Evans, Flickr, Creative Commons Attribution 2.0 Generic

8. Красный цвет: радиоизображение, сделанное телескопом VLA. Черный и белый цвета: Космический телескоп “Хаббл” © NRAO & NASA

9. © Jordy Davelaar / Radboud University

10. © EHT, Astrophysical Journal Letters

11. © Salvador Sánchez

12. © William Montgomerie

13. © ESO

Примечания

1

Прямая трансляция конференции в Брюсселе: https://youtu.be/Dr20f19czeE. Пресс-релиз ESO: https://www.eso.org/public/germany/news/eso1907. Запись зум-конференции по черным дырам: https://www.eso.org/public/germany/videos/eso1907c. Пресс-конференция Nsf: https://www.youtube.com/watch?v=lnJi0Jy692w.

2

См. фото на цветной вкладке: рис. 1.

3

Плотность воздуха на низких околоземных орбитах составляет 5 х 10–9г/см^3, а нормальная плотность воздуха на Земле составляет 1,204 кг/м^3 (10–3 г/см^3): Kh. I. Khalil and S. W. Samwel. Effect of Air Drag Force on Low Earth Orbit Satellites During Maximum and Minimum Solar Activity. // Space Research Journal 9 (2016): 1–9. https://scialert.net/fulltext/?doi=srj.2016.1.9.

4

Ethan Siegel. The Hubble Space Telescope Is Falling. // Starts with a Bang. Forbes, October 18, 2017. https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2017/10/18/the-hubble-space-telescope-is-falling/#71ac8b1b7f04. Mike Wall. How Will the Hubble Space Telescope Die? // Space.com, April 24, 2015. https://www.space.com/29206‐how-will-hubble-space-telescope-die.html.

5

Иов: 26:7 (Библия короля Иакова).

6

По данным на август 2023 г. – более 630. См. https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_space_travellers_by_first_flight. – Прим. науч. ред.

7

Псалмы 90:4 (Библия короля Иакова).

8

S. M. Brewer, J.‐S. Chen, A. M. Hankin, E. R. Clements, C. W. Chou, D. J. Wineland, D. B. Hume, and D. R. Leibrandt. 27Al+ Quantum-Logic Clock with a Systematic Uncertainty below 10–18. // Physical Review Letters 123 (2019): 033201. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2019PhRvL.123c3201B.

9

Рёмер использовал орбиту спутника Юпитера Ио в качестве часов. Он заметил, что эти часы немного замедляют свой ход, когда Земля на своей околосолнечной орбите находится дальше от Юпитера по сравнению с тем, что было несколькими месяцами ранее. Свет от Юпитера доходил до Земли на несколько минут позже, чем должен был бы: “часы Ио” отставали.

10

Майкельсон родился в Пруссии и в 2 года вместе с родителями переехал в США: https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1907/michelson/biographical.

11

Достоверно не установлено, что на Эйнштейна существенным образом повлиял эксперимент Майкельсона-Морли. Вероятно, признаки относительности в поведении электромагнетизма были для него более важными. См. Jeroen Van Dongen. On the Role of the Michelson-Morley Experiment: Einstein in Chicago. // Archive for History of Exact Sciences 63 (2009): 655–63, https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2009ar Xiv0908.1545V.

12

Andre and Marit’s Moon bounce wedding. // YouTube, February 15, 2014. https:// www.youtube.com/watch?v=Rh^3z8TwGwrY.

13

Adam Hadhazy. Fact or Fiction: The Days (and Nights) Are Getting Longer. // Scientific American, June 14, 2010. https://www.scienti camerican.com/article /earth-rotation-summer-solstice.

14

M. P. Van Haarlem, and 20 °Contributors. Lofar: The Low Frequency Array. // Astronomy and Astrophysics 556 (2013): A2.

15

P. K. Wang and G. L. Siscoe. Ancient Chinese Observations of Physical Phenomena Attending Solar Eclipses. // Solar Physics 66 (1980): 187–93. https:// doi.org/10.1007/BF00150528; также см. https://eclipse.gsfc.nasa.gov/Sehistory /Sehistory.html#–2136.

16

Yuta Notsu, et al. Do Kepler Superflare Stars Really Include Slowly Rotating Sun-like Stars?: Results Using APO 3.5 m Telescope Spectroscopic Observations and Gaia-Dr2 Data. // The Astrophysical Journal 876 (2019): 58. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2019ApJ…876…58N.

17

Твит Марка МакКогрина от 5 января 2020 г.: @markmccaughrean, January 5, 2020. https:// twitter.com/markmccaughrean/status/1213827446514036736.

18

Сведения о многих артефактах, относящихcя к каменному веку (пещера Ласко, пластина из кости орла в Дордони c резьбой, Стоунхендж, карта Луны из Наута), остаются расплывчатыми и спорными. См. Karenleigh A. Overmann. The Role of Materiality in Numerical Cognition. // Quaternary International 405 (2016): 42–51. https://doi.org/10.1016/j.quaint.2015.05.026; P. J. Stooke. Neolithic Lunar Maps at Knowth and Baltinglass, Ireland. // Journal for the History of Astronomy 25, no. 1 (1994): 39–55. https://doi.org/10.1177/002182869402500103. Тем не менее присущее людям любопытство свидетельствует в пользу того, что наши предки начали интересоваться небом раньше, чем появились достоверные письменные доказательства этого.

19

Jörg Römer. Als den Menschen das Mond eber packet. // Der Spiegel, July 16, 2019. https://www.spiegel.de/wissenschaft/mensch/mond-in-der-achaeologie-zeitmesser-der-steinzeit-a-274766.html.

20

Международная небесная система отсчета (ICRS) представляет собой систему координат, созданную на основе наблюдений квазаров с помощью радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой (РСДБ). Ориентация Земли в пространстве в рамках этой системы определяется в соответствии с параметрами ориентации Земли Международной службы вращения Земли и систем отсчета (IERS). Ее можно использовать, например, для соотнесения координат на Земле в Международной земной системе отсчета (ITRS) с координатами спутника: https://www.iers.org/Iers/En/Science/Icrs/Icrs.html.

21

John Steele. A Brief Introduction to Astronomy in the Middle East. 2008. // London: Saqi. Ученые, занимающиеся древним Ближним Востоком, сталкивались со свидетельствами использования эрзац-королей. В Месопотамии во время солнечного или лунного затмения вместо царя, скомпрометированного дурным предзнаменованием, сажали на трон марионеточного правителя. Для этой цели выбирался заключенный или умственно отсталый человек, а настоящий король жил сто дней как простой крестьянин. Только по прошествии этого срока жрецы разрешали королю вернуться.

22

Евангелие от Матфея 2:1–13 (Библия короля Иакова). Нигде в библейском тексте на самом деле не говорится, что дары младенцу Иисусу принесли именно короли (волхвы) или что их трое. Не исключено, что, судя по историческому контексту, упоминаемые персонажи являлись опытными астрологами. Более подробную информацию по теме можно найти в моем блоге WordPress. (Heino Falcke. The Star of Bethlehem: A Mystery (Almost) Resolved?. October 28, 2014. https://hfalcke.wordpress.com/2014/10/28/the-star-of-bethlehem-a-mystery-almost-resolved), а также в цитируемой в блоге литературе, в частности: George H. Van Kooten and Peter Barthel, eds. The Star of Bethlehem and the Magi: Interdisciplinary Perspectives from Experts on the Ancient Near East, the Greco-Roman World, and Modern Astronomy. // The Hague: Brill Academic Publishers. (2015).

23

Bede. De Natura Rerum; Johannes De Sacro Bosco (b. 1230 Ad). Tractatus de Sphaera. См. http://www.bl.uk/manuscripts/Viewer.aspx?ref=harley_ms_3647_f024r.

24

John Freely. Before Galileo: The Birth of Modern Science in Medieval Europe // New York: Overlook Press. (2014).

25

Sebastian Follmer. Woher haben die Wochentage ihre Namen. // Online Focus, September 11, 2018. https://praxistipps.focus.de/woher-haben-die-wochentage – ihre-namen-alle-details_96962.

26

Картина мира в астрономии индийского астронома Арьябхата (род. в 476 г.) была геоцентричной, но при этом он считал, что Земля вращается. См. Kim Plofker. Mathematics in India. // Princeton: Princeton University Press. (2009). Больше информации по астрономии Индии см. N. Podbregar. Jantar Mantar: Bauten für den Himmel. // scinexx.de, September 15, 2017. https://www.scinexx.de/dossier/jantar-mantar-bauten – fuer-den-himmel.

27

Joseph Needham, With The Research Assistance Of Wang Ling. Science and Civilisation in China: Vol. 2, History of Scientific Thought. // Cambridge: Cambridge University Press. (1956). Процит. в: The Chinese Cosmos: Basic Concepts. // Asia for Educators. http://afe.easia.columbia.edu/cosmos/bgov/cosmos.htm.

28

Cм. Например: Peter Harrison. The Territories of Science and Religion. // Chicago: University of Chicago Press. (2015). Резюме, написанное автором, можно найти здесь: https://theologienaturwissenschaften.de/en/dialogue-between-theology-and-science/editorials/conflict-myth.

29

Другим подобным мифом, нашедшим свое воплощение в известном фильме, является миф о Гипатии, убитой толпой разъяренных христиан, и о сожжении ими Александрийской библиотеки. Библиотеки на тот момент уже не существовало, а убийство на самом деле было скорее политическим, так что история Гипатии – безусловно мудрой и отважной женщины – не может служить обоснованием тезиса об извечной вражде религии и науки. К тому же нам приходится опираться лишь на весьма скудные свидетельства. См. Charlotte Booth. Hypatia: Mathematician, Philosopher, Myth. // Stroud, UK: Fonthill. (2016). См. также: Maria Dzielska. Hypatia wird zum Opfer des Christentums stilisiert. // Der Spiegel. April 25, 2010. https://www.spiegel.de/wissenshaft/mensch/interview-zum-lm-agora-hypatia-wird-zum-opfer-des-christentums-stilisiert-a-690078.html; и Cynthia Haven. The Library of Alexandria – Destroyed by an Angry Mob with Torches? Not Very Likely. // The Book Haven (blog). March 2016. https:// bookhaven.stanford.edu/2016/03/the-library-of-alexandria-destroyed-by-an-angry-mob-with-torches-not-very-likely.

30

Изобретателем телескопа обычно считается Ханс Липперсхей из Миддельбурга, но были и другие, кто приписывал создание телескопа себе.

31

Mario Livio. Galileo and the Science Deniers. // New York, Simon & Schuster. (2020; русский перевод: Марио Ливио. Галилей и отрицатели науки / Пер. с англ. Н. Колпаковой. – М.: Альпина нон-фикшн. 2022). Другое мнение можно найти в рецензии на эту книгу: Thony Christie. How to Create Your Own Galileo. // The Renaissance Mathmeticus (blog). May 27, 2020. https://thonyc.wordpress.com/2020/05/27/how-to-create-your-own-galileo. Кристи показывает, что нынешний образ Галилея сильно романтизирован, и беспощадно критикует книгу Ливио.

32

Ulinka Rublack. Der Astronom und die Hexe: Johannes Kepler und seine Zeit. // Stuttgart: Klett-Cotta. (2019).

33

Ньютон был профессором богословия, и коллеги ценили его как выдающегося исследователя Библии, но он также втайне занимался алхимией и не чурался некоторых еретических идей. Robert Iliffe. Newton’s Religious Life and Work. // The Newton Project, http://www.newtonproject.ox.ac.uk/view/contexts/Cntx00001.

34

В IV эпизоде Хан Соло с гордостью заявляет, что однажды прошел Дугу Кесселя за 12 парсеков. Звучит как упоминание об отрезке времени, хотя, по мнению некоторых фанатов, имеется в виду расстояние. Cм. https://jedipedia.fandom.com/wiki/parsec. Астрономы всегда начинают ерзать на стульях, когда слышат эту фразу.

35

Alberto Sanna, Mark J. Reid, Thomas M. Dame, Karl M. Menten, and Andreas Brunthaler. Mapping Spiral Structure on the Far Side of the Milky Way. // Science 358 (2017): 227–30. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2017Sci…358..227S.

36

Это скорее философский вопрос. Cовершенно пустое пространство, в котором энтропия равна нулю, не развивается, так что и время там измерять незачем. Полностью пустое пространство без материи и энергии вакуума – это ничто в самом прямом смысле слова, и физикам сказать о нем нечего, хотя в математике этот вопрос и рассматривается.

37

Термин свет использован здесь в более общем смысле и включает в себя все формы взаимодействия, которые в основном передаются со скоростью света. Пространство не имеет смысла в гипотетической вселенной, заполненной материей, которая никогда не взаимодействует. И тут возникает естественный вопрос: а что мы должны называть реальностью? Решения уравнений Эйнштейна существуют в пространстве-времени и без света и материи. Конечно, в этом случае пространство и время сводятся к чисто математическому понятию, которое можно описать термином ничто.

38

См. например: Philip Ball. Why the Many-Worlds Interpretation Has Many Problems. // Quanta Magazine, October 18, 2018. https://www.quantamagazine.org/why-the-many-worlds-interpretation-of-quantum-mechanics-has-many-problems-20181018; Robbert Dijkgraaf. There Are No Laws of Physics. There’s Only the Landscape. // Quanta Magazine, June 4, 2018. https://www.quanta magazine.org/there-are-no-laws-of-physics-theres-only-the-landscape-20180604.

39

Процесс, при котором информация о квантовых состояниях теряется при переходе их в макроскопические объекты, обычно описывается в рамках концепции декогерентности. Более полное и доступное изложение квантовой физики можно найти, например, в книге Claus Kiefer. Der Quantenkosmos: Von der zeitlosen Welt zum expandierenden Universum. // Frankfurt: S. Fischer. (2008).

40

Причина, по которой физики говорят в этом контексте о скорости света, – чисто историческая. С точки зрения современной науки эту максимальную скорость можно было бы назвать “скоростью гравитации”, поскольку с этой скоростью распространяются гравитационные волны, или – еще лучше – “скоростью причинности”, то есть предельной скоростью распространения взаимодействий. В теории относительности скорость света – фундаментальная характеристика пространства-времени, устанавливающая естественное соотношение между пространственной и временной шкалами.

41

J. C. Hafele and Richard E. Keating. Around-the-World Atomic Clocks: Predicted Relativistic Time Gains. // Science 177 (1972): 166–68. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1972Sci…177..166H. Тут важно вот что: все три пары часов двигались относительно невращающейся “инерциальной системы” – такой как центр Земли или определенные звезды! На экваторе часы, оставшиеся на Земле, двигались на восток со скоростью 1 600 км/час. Если мы летим на восток на аэробусе А330 со скоростью 990 км/час, наша скорость складывается из скорости вращения Земли и скорости самолета, то есть становится равной 2 500 км/час. Если мы летим на запад, мы движемся относительно центра Земли на 900 км/час медленнее, чем земная поверхность, то есть со скоростью 700 км/час, – но все‐таки движемся на запад, хотя и медленнее! Мистер Клок, который летит на восток, движется с самой большой скоростью относительно центра Земли, и, соответственно, время у него течет медленнее. А Мистер Клок, летящий на запад, движется с наименьшей скоростью, и время у него течет быстрее, чем у остальных. Часы, которые покорно ждали на Земле, тоже не находились в состоянии покоя относительно центра Земли, и они служили нам эталоном времени. Они тикали медленнее, чем тикали бы часы в центре Земли, быстрее, чем часы, летящие на восток, и медленнее, чем часы, летящие на запад. Таким образом, этот эксперимент действительно проверил правильность теории относительности и принципа эквивалентности.

42

R. Malhotra, Matthew Holman, and Thomas Ito. Chaos and Stability of the Solar System. // Proceedings of the National Academy of Science 98, no. 22 (2001):12342–43. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2001Pnas…9812342M.

43

Это мой коллега, много лет возглавлявший нашу кафедру.

44

Физик и математик Пьер Симон Лаплас написал в 1823 году трактат Traité de mécanique céleste, который явился важным вкладом в развитие небесной механики. А математик Урбен Леверрье в 1846 году сумел предсказать существование Нептуна, исходя из возмущений орбиты Урана.

45

А именно – в сериал “Звездный Путь”. – Прим. пер.

46

Эйнштейн начал службу в Патентном бюро клерком третьего разряда, но ко времени опубликования своих работ по теории относительности уже получил повышение.

47

Hanoch Gutfreund and Jürgen Renn. The Road to Relativity: The History and Meaning of Einstein’s “The Foundation of General Relativity”. // Princeton: Princeton University Press. (2015).

48

Pauline Gagnon. The Forgotten Life of Einstein’s First Wife. // Scientific American, December 19, 2016. https://blogs.scienti camerican.com/guest-blog/the-forgotten-life-of-einsteins-first-wife. Несколько иная характеристика была дана ей Алленом Эстерсоном и К. Кэссиди в книге Ruth Lewin Sime. Einstein’s Wife: The Real Story of Mileva Einstein-Maric. // Boston: MIT Press. (2019).

49

Игра слов: Эйнштейн, или “Айнстайн”, в переводе с немецкого – один камень. – Прим. пер.

50

Из личной переписки, цитируемой в: Gutfreund, H. und J. Renn. The Road to Relativity: The History and Meaning of Einstein’s “The Foundation of General Relativity”. // Princeton: Princeton University Press, 57. (2015).

51

Albert Einstein. How I Created the Theory of Relativity. Воспроизведено в: Y. A. Ono. // Physics Today 35, no. 8 (1982): 45. https://physicstoday.scitation.org/doi/10.1063/1.2915203.

52

Строго говоря, принцип эквивалентности применим только к точечным массам. В примере Эйнштейна ноги человека притягиваются к Земле слегка сильнее, чем голова. Это результат действия так называемых приливных сил. Земля мала, и воздействие этих сил минимально. Но при падении в черную дыру Эйнштейн определенно заметил бы этот эффект: человека фактически бы растянуло, как макаронину.

53

Замечательная проверка принципа эквивалентности была проведена с помощью радиоастрономических измерений пульсара в тройной системе, где, кроме него, имелись еще два белых карлика: https://www.mpg.de/14921807/allgemeine-relativitaetstheorie-pulsar; G. Voisin, et al. An Improved Test of the Strong Equivalence Principle with the Pulsar in a Triple-Star System. // Astronomy & Astrophysics 638 (2020): A24, https://www.aanda.org/articles/aa/abs/2020/06/aa38104-20/aa38104–20.html.

54

Hanoch Gutfreund and Jurgen Renn. The Road to Relativity: The History and Meaning of Einstein’s “The Foundation of General Relativity”. // Princeton: Princeton University Press. (2015).

55

Daniel Kennefick. Testing Relativity from the 1919 Eclipse: A Question of Bias. // Physics Today 62, no 3. (2009): 37. https://physicstoday.scitation.org/doi/10.1063/1.3099578.

56

Свет отклоняется наполовину из‐за кривизны пространства, а наполовину – из‐за кривизны времени. Второй эффект уже учтен в ньютоновской теории, которая предсказывает вдвое меньшее отклонение по сравнению с общей теорией относительности.

57

J.‐F. Pascual-Sánchez. Introducing Relativity in Global Navigation Satellite Systems. // Annalen der Physik 16 (2007): 258–73. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2007AnP…519..258P. Простыми вычислениями можно показать, что ошибка в отсчете времени в 39 микросекунд в день приводит к ошибке в определении расстояний в 10 километров. Этот расчет приводится во многих популярных статьях, но неясно, применим ли он к реальным системам, где все спутниковые часы дают сравнимую погрешность. Более точные расчеты находятся на стадии разработки (M. Pössel and T. Müller).

58

Хороший обзор эффектов общей теории относительности в связи с работой систем GPS см. Neil Ashby Relativity in the Global Positioning System. // Living Reviews in Relativity 6 (2003): article no. 1. https://link.springer.com/article/10.12942/lrr-2003–1.

59

Благодарю за это замечание Чжун Е. Oelker, et al. Optical Clock Intercomparison with 6x10–1 9 Precision in One Hour. // arXiv eprints (February 2019). https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2019arXiv190202741O.

60

См. Глоссарий, Спектроскопия.

61

Joshua Sokol. Stellar Disks Reveal How Planets Get Made. // Quanta Magazine, May 21, 2018. https://www.quantamagazine.org/stellar-disks-reveal-how-planets-get-made-20180521.

62

Небольшое присутствующее в нас количество атомов водорода, возможно, никогда не находилось в звездах, а дрейфовало к нам через пространство в диффундирующем газе с момента Большого взрыва.

63

Первоначально планета Димидий называлась “51 Пегаса b”. Большинство астрономов признает и это название.

64

J. E. Enriquez, et al. The Breakthrough Listen Initiative and the Future of the Search for Intelligent Life. // American Astronomical Society Meeting Abstracts 229 (2017): 116.04. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2017Aas…22911604E.

65

G. W. Collins, W. P. Claspy, and J. C. Martin. A Reinterpretation of Historical References to the Supernova of AD 1054. // Publications of the Astronomical Society of the Pacific 111, no. 761 (1999): 871–80. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs /1999PASP..111..871C.

66

Некоторые ученые действительно связывают пиктограмму в каньоне Чако со сверхновой, взрыв которой произошел 4 июля 1054 года в восточной части созвездия Телец: https://www2.hao.ucar.edu/Education/SolarAstronomy/supernova-pictograph. Однако недавно эта версия была поставлена под сомнение: Clara Moskowitz. ‘Supernova’ Cave Art Myth Debunked. // Scientific American, January 16, 2014. https://blogs.scientificamerican.com/observations/e28098supernovae 28099‐cave-art-myth-debunked.

67

Точнее, сам сигнал Джоселин Белл обнаружила 6 августа 1967 г., а к 28 ноября он был надежно разделен на серию импульсов с периодом 1,337 с. – Прим. науч. ред.

68

Ingrid H. Stairs. Testing General Relativity with Pulsar Timing. //Living Reviews in Relativity 6 (2003): 5. https//ui.adsabs.harvard.edu/abs/2003Lrr…..6….5S.

69

M. Kramer and I. H. Stairs. The Double Pulsar. // Annual Review of Astronomy and Astrophysics 46 (2008): 541–72. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2008 ARA&A..46..541K.

70

Андреас Брунтхалер случайно обнаружил сверхновую SN 2008iz в своих данных.

71

N. Kimani, et al. Radio Evolution of Supernova SN 2008iz in M 82. //Astronomy and Astrophysics 593 (2016): A18. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2016 A&A…593A..18K.

72

J. R. Oppenheimer and G. M. Volko. On Massive Neutron Cores. // Physical Review 55, no. 374 (1939): 374; однако впервые нейтронные звезды были предсказаны В. Бааде и Ф. Цвикки: W. Baade and F. Zwicky. Remarks on Super-Novae and Cosmic Rays. // Physical Review 46 (1934): 76–77. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs /1934PhRv…46…76B.

73

Шварцшильд, возможно, занимался поиском решения не на Восточном, а на Западном фронте, в Южных Вогезах. Это следует из его письма Арнольду Зоммерфельду: https://leibnizsozietaet.de/wp-content/uploads/2017/02/Kant.pdf.

74

Спустя несколько месяцев голландский ученый Йоханнес Дросте независимо нашел даже более элегантное решение, которое, однако, полностью проигнорировали, поскольку Дросте опубликовал эту работу на голландском языке. В то время было еще важно уметь общаться по‐немецки.

75

Hanoch Gutfreund and Jurgen Renn. The Road to Relativity: The History and Meaning of Einstein’s “The Foundation of General Relativity”. // Princeton: Princeton University Press. (2015).

76

Lexikon Der Astronomie: Schwarzschild-Lösung. https://spektrum.de /lexikon/astronomie/schwarzschild-loesung/431.

77

Я полагал, что придумал нечто действительно оригинальное, использовав для описания черной дыры аналогию с рекой, но, как оказалось, об этом уже была написана целая научная статья: Andrew J. S. Hamilton and Jason P. Lisle. The River Model of Black Holes. // American Journal of Physics 76 (2008): 519–32. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2008Amjph..76..519H.

78

Jeremy Bernstein. Albert Einstein und die Schwarzen Löcher. // Spektrum der Wissenschaft, August 1, 1996. https://www.spektrum.de/magazin/albert-einstein-und-die-schwarze-loecher/823187.

79

В данном случае точка не означает точку пространства в том смысле, в котором она понимается в общей теории относительности. Центральная сингулярность – это граница пространства-времени бесконечной кривизны.

80

Ann Ewing. ‘Black Holes’ in Space. // The Science News-Letter 85, no. 3 (January 18, 1964): 39. https://jstor.org/stable/3947428? seq=1.

81

Roy P. Kerr. Gravitational Field of a Spinning Massasan Example of Algebraically Special Metrics. // Physical Review Letters 11 (1963): 237–38. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1963PhRvL..11..237K.

82

Этот эффект играет значительную роль в формировании плазменных струй в черных дырах (хотя и не является абсолютно необходимым). Он называется процессом Блэндфорда-Знаека и является вариантом процесса Пенроуза, который описывает механизм извлечения энергии из вращающейся черный дыры с помощью света или частиц.

83

Информацию об этом африканском телескопе миллиметровых длин волн можно найти по ссылке: https://www.ru.nl/astrophysics/black-hole/africa-millimetre-telescope; M. Backes, et al. The Africa Millimetre Telescope. // Proceedings of the 4th Annual Conference on High Energy Astrophysics in Southern Africa (Heasa 2016): 29. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2016heas.confE..29B.

84

Mistkäfer orientieren sich an der Milchstraße. // Spiegel Online, January 24, 2013. https://www.spiegel.de/wissenschaft/natur/mistkaefer-orientieren-sich-an-der-milchstrasse-a-879525.html.

85

После открытия Гершелем в 1781 г. Урана британский король Георг III назначил исследователю пожизненное жалование, и тот перестал профессионально заниматься музыкой и полностью посвятил себя астрономии и телескопостроению. – Прим. науч. ред.

86

Dirk Lorenzen. Die Beobachtung der Andromeda-Galaxie. // Deutschlandfunk, October 5, 2018. https://www.deutschlandfunk.de/vor-95‐jahren-die-beobachtung-der-andromeda-galaxie.732.de.html?dram: article_id=429694.

87

Trimble, V. The 1920 Shapley-Curtis Discussion: Background, Issues, and Aftermath. // Publications of the Astronomical Society of the Pacific 107, no. 718 (1995): 1133. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1995Pasp..107.1133T.

88

E. P. Hubble. The Realm of the Nebulae. // New Haven: Yale University Press. (1936). Доступно онлайн здесь: https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1936rene.book…..H.

89

M. J. Reid and A. Brunthaler. The Proper Motion of Sagittarius A*. III. The Case for a Supermassive Black Hole. // The Astrophysical Journal 892 (2020): 39. https:// ui.adsabs.harvard.edu/abs/2020ApJ…616..872R.

90

В частности, по закону Хаббла, чем дальше от нас находится галактика, тем быстрее она от нас удаляется. – Прим. пер.

91

Emilio Elizalde. Reasons in Favor of a Hubble-Lemaître-Slipher’s (HLS) Law. // Symmetry 11 (2019): 15. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2019Symm…11…35E.

92

По версии самого Ловелла, эта история выглядела так: “Когда был запущен спутник, Советы объявили частоту, и любой мог поймать ее с помощью обычного приемника. Мне позвонил Кокберн, в то время директор по управляемым вооружениям в Министерстве авиации. Он сказал: «Как вы думаете, сможем ли мы убедить вас поставить радар на ваш телескоп, чтобы мы могли обнаружить ракету-носитель?» Это был мой шанс. Нам удалось запустить радар и телескоп, а также подключиться к диспетчерской. Мы получили потрясающее отражение от контрольной ракеты. Это спасло нас. В этом значение 4 октября”. – Прим. науч. ред.

93

Ричард Поркас был последним, кто сфотографировал 90‐метровый телескоп в Грин-Бэнк. Фото долго висело в коридоре Радиоастрономического института Макса Планка в Бонне.

94

Ken Kellermann. The Road to Quasars (lecture, Caltech Symposium: “50 Years of Quasars”, September 9, 2013). https://sites.astro.caltech.edu/q50/pdfs/Kellermann.pdf.

95

Maarten Schmidt. The Discovery of Quasars (lecture, Caltech Symposium: “50 Years of Quasars,” September 9, 2013). https://sites.astro.caltech.edu/q50 /Program.html.

96

Charles H. Townes and Reinhard Genzel. Das Zentrum der Galaxis. // Spektrum der Wissenschaft, June 1990. https://www.spektrum.de/magazin/das-zentrum-der-galaxis/944605.

97

Произносится как “Садж А стар”.

98

Когда слишком много вещества падает на черную дыру, возникает такое сильное излучение, что газ сдувается его радиационным давлением. Максимальный предел аккреции массы называется пределом Эддингтона.

99

Heino Falcke and Peter L. Biermann. The Jet-Disk Symbiosis. I. Radio to X-ray Emission Models for Quasars. // Astronomy and Astrophysics 293 (1995): 665–82. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1995A&A…293..665F.

100

Heino Falcke and Peter L. Biermann. The Jet/Disk Symbiosis. Iii. What the Radio Cores in GRS 1915+105, NGC 4258, M 81, and SGR A* Tell Us About Accreting Black Holes. // Astronomy and Astrophysics 342 (1999): 49–56. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1999A&A…342…49F.

101

Roland Gredel, Ed. The Galactic Center, 4th ESO/CTIO Workshop. // ASPC 102 (1996). http://www.aspbooks.org/a/volumes/table_of_contents/?book_id=214.

102

A. Eckart and R. Genzel. Observations of Stellar Proper Motions Near the Galactic Centre. // Nature 383 (1996): 415–17. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1996Natur.383..415E.

103

B. L. Klein, A. M. Ghez, M. Morris, and E. E. Becklin. 2.2μm Keck Images of the Galaxy’s Central Stellar Cluster at 0.05 Resolution. // The Galactic Center 102 (1996): 228. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1996Aspc..102..228K.

104

A. M. Ghez, M. Morris, E. E. Becklin, A. Tanner, and T. Kremenek. The Accelerations of Stars Orbiting the Milky Way’s Central Black Hole // Nature 407 (2000): 349–51. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2000Natur.407..349G.

105

Karl M. Schwarzschild, Mark J. Reid, Andreas Eckart, and Reinhard Genzel. The Position of Sagittarius A*: Accurate Alignment of the Radio and Infrared Reference Frames at the Galactic Center. // The Astrophysical Journal 475 (1997): L111–14. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1997Ap…475L.111M.

106

M. J. Reid and A. Brunthaler. The Proper Motion of Sagittarius A*. II. The Mass of Sagittarius A*. // The Astrophysical Journal 616 (2004): 872–84. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2004ApJ…616..872R.

107

R. Schödel, et al. A Star in a 15.2‐Year Orbit Around the Supermassive Black Hole at the Centre of the Milky Way. // Nature 419 (2002): 694–96. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2002Natur.419..694S.

108

L. Meyer, et al. The Shortest-Known-Period Star Orbiting Our Galaxy’s Supermassive Black Hole. // Science 338 (2012): 84. https://ui.adsabs.harvard.edu /abs/2012Sci…338…84M.

109

R. Genzel, et al. Near-Infrared Flares from Accreting Gas Around the Supermassive Black Hole at the Galactic Centre. // Nature 425 (2003): 934–37. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2003Natur.425..934G.

110

F. K. Bagano, et al. Rapid X-Ray Flaring from the Direction of the Supermassive Black Hole at the Galactic Centre. // Nature 413 (2001): 45–48. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2001Natur.413…45B.

111

Gravity Collaboration and R. Abuter, et al. Detection of Orbital Motions Near the Last Stable Circular Orbit of the Massive Black Hole Sgr A*. // Astronomy and Astrophysics 618 (2018): L10. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2018 A&A…618L..10G.

112

Geoffrey C. Bower, Melvyn C. H. Wright, Heino Falcke, and Donald C. Backer. Interferometric Detection of Linear Polarization from Sagittarius A* at 230 GHz. // The Astrophysical Journal 588 (2003): 331–37. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2003ApJ…588..331B.

113

H. Falcke, E. Körding, and S. Marko. A Scheme to Unify Low-Power Accreting Black Holes: Jet-Dominated Accretion Flows and the Radio/X-Ray Correlation. // Astronomy and Astrophysics 414 (2004): 895–903. https://ui.adsabs.harvard.edu /abs/2004A&A…414..895F.

114

F. Yuan, S. Marko, and H. Falcke. A Jet-ADAF Model for Sgr A*. // Astronomy and Astrophysics 383 (2002): 854–63. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2002 A&A…383..854Y.

115

Евангелие от Иоанна 20:29 (Библия короля Иакова).

116

Разрешение изображения телескопа выражается в угловых единицах, здесь в радианах (рад) (2π рад равны 360°). Формула описывает, насколько большим должно быть угловое расстояние между двумя световыми точками, чтобы их можно было различить по отдельности.

117

Alan E. E. Rogers, et al. Small-Scale Structure and Position of Sagittarius A* from VLBI at 3 Millimeter Wavelength. // Astrophysical Journal Letters 434 (1994): L59. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1994ApJ…434L.59R.

118

T. P. Krichbaum, et al. VLBI Observations of the Galactic Center Source SGR A* at 86 GHz and 215 GHz. // Astronomy and Astrophysics 335 (1998): L106–10. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1998A&A…335L.106K.

119

Heino Falcke, et al. The Simultaneous Spectrum of Sagittarius A* from 2 °Centimeters to 1 Millimeter and the Nature of the Millimeter Excess. // The Astrophysical Journal 499 (1998): 731–34. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs /1998ApJ…499..731F.

120

H. Falcke, et al. The Central Parsecs of the Galaxy: Galactic Center Workshop (proceedings of a meeting held in Tucson, Arizona, September 7–11, 1998). https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1999Aspc..186…..F.

121

J. A. Zensus and H. Falcke. Can VLBI Constrain the Size and Structure of SGR A*? // The Central Parsecs of the Galaxy, ASP Conference Series 186 (1999): 118. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1999Aspc..186..118Z.

122

Наглядную визуализацию траекторий света можно найти на сайте: T. Müller and M. Pössel. Ray tracing eines Schwarzen Lochs und dessen Schatten. // Haus der Astronomie. http://www.haus-der-astronomie.de/3906466 /BlackHoleShadow.

123

Tilman Sauer and Ulrich Majer, eds. David Hilbert’s Lectures on the Foundations of Physics 1915–1927. // Springer Verlag, (2009). Также см. M. Von Laue. Die Relativitätstheorie. // Friedrich Vieweg & Sohn, 226. (1921).

124

C. T. Cunningham and J. M. Bardeen. The Optical Appearance of a Star Orbiting an Extreme Kerr Black Hole. // The Astrophysical Journal 183 (1973): 237–64. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1973ApJ…183..237C; J.‐P. Luminet. Image of a Spherical Black Hole with in Accretion Disk. // Astronomy and Astrophysics 75 (1979): 228–35. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1979A&A….75..228L; S. U. Viergutz. Image Generation in Kerr Geometry. I. Analytical Investigations on the Stationary Emitter-Observer Problem. // Astronomy and Astrophysics 272 (1993). https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1993A&A…272..355V. Для первой статьи расчеты и графики выполнялись вручную, для второй расчеты выполнялись на компьютере, а графики от руки, а для третьей и расчеты, и графики выполнялись на компьютере.

125

Позднее профессор Фердинанд Шмидт-Калер, который в то время пытался поддержать мою работу и которому я благодарен за рекомендацию вручить мне премию Берлинско-Бранденбургской академии наук, сообщил мне, что бывший его ученик всего через несколько недель после нас и совершенно от нас независимо также ввел термин “тень черной дыры”, хотя и в очень абстрактной и математической статье. A. De Vries. The Apparent Shape of a Rotating Charged Black Hole, Closed Photon Orbits, and the Bifurcation Set A4. // Classical and Quantum Gravity 17 (2000): 123–44. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs /200 °Cqgra..17..123D.

126

Heino Falcke, Fulvio Melia, and Eric Agol. Viewing the Shadow of the Black Hole at the Galactic Center. // The Astrophysical Journal 528 (2000): L13–16. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2000ApJ…528L..13F.

127

Heino Falcke, Fulvio Melia, and Eric Agol. The Shadow of the Black Hole at the Galactic Center. // American Institute of Physics Conference Series 522 (2000): 317–20. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2000Aipc..522..317F.

128

Пресс-релиз: First Image of a Black Hole’s ‘Shadow’ May Be Possible Soon. // Max Planck Institute for Radio Astronomy in Bonn. January 17, 2000. http://www3.mpifr-bonn.mpg.de/sta /junkes/pr/pr1_en.html.

129

К тому времени Институт Макса Планка в Бонне и обсерватория Стюарда совместно построили на горе Грэм в Аризоне телескоп Генрих Герц (HHT) с десятиметровым зеркалом. Когда через несколько лет немцы вышли из этого проекта, телескоп переименовали. Он стал называться Субмиллиметровым телескопом (SMT), и университет Аризоны продолжал поддерживать его работу самостоятельно. На Гавайях на горе Мауна-Кеа был телескоп Джеймс Клерк Максвелл (JCMT) с диаметром главного зеркала 15 метров. Сегодня на JCMT работают астрономы из многих стран, в том числе из Китая, Кореи, Японии и академии Синика в Тайбэе. Стабильно продолжали работать два европейских телескопа, находящихся в ведении Института миллиметровой радиоастрономии (IRAM), – один в Испании на Пико дель Велета, а другой на плато де Бюр во Французских Альпах. Другие обсерватории, среди которых был Большой миллиметровый телескоп (LMT) в Мексике, только планировалось построить. Место, выбранное для этого 50‐метрового сверхтелескопа, подходило нам идеально, но первые измерения на нем собирались проводить только в 2011 году, а выполнение научных программ откладывалось на еще более позднее время. Даже телескоп на Южном полюсе, предназначавшийся специально для космологических исследований, был задействован только в 2007 году. Но еще восемь лет потребовалось на то, чтобы моему коллеге Дэну Маррону из Аризоны и его сотрудникам удалось успешно подсоединить телескоп, расположенный в безлюдной Антарктиде, к РСДБ-сети.

130

H. Falcke, et al. Active Galactic Nuclei in Nearby Galaxies. // American Astronomical Society Meeting Abstracts 200 (2002): 51.06. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2002Aas…200.5106F.

131

P. A. Shaver. Prospects with Alma in: R. Bender and A. Renzini, eds. The Mass of Galaxies at Low and High Redshift: Proceedings of the European Southern Observatory and Universitäts-Sternwarte München Workshop Held in Venice, Italy, 24–26 October 2001. // Springer- Verlag, 357. (2003). https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2003mglh.conf.357S.

132

De Gelderlander, April 2003.

133

G. C. Bower, et al. Detection of the Intrinsic Size of Sagittarius A* Through Closure Amplitude Imaging. // Science 304 (2004): 704–8. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2004Sci…304..704B.

134

S. Markoff, et al., eds. // GCNEWS – Galactic Center Newsletter,” vol. 18. http://www.aoc.nrao.edu/~gcnews/gcnews/Vol.18/editorial.shtml.

135

Протоколы этих совещаний есть в моем личном архиве. Иногда в них принимал участие и наш чилийский коллега Нил Нагар.

136

Sheperd S. Doeleman, et al. Event-Horizon-Scale Structure in the Supermassive Black Hole Candidate at the Galactic Centre. // Nature 455 (2008): 78–80. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2008Natur.455…78D.

137

A Science Vision for European Astronomy. // Garching: ASTRONET, 27. (2010).

138

Sheperd Doeleman, et al. Imaging an Event Horizon: submm-Vlbi of a Super Massive Black Hole. // Astro2010: The Astronomy and Astrophysics Decadal Survey 68 (2009). https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2009astro2010S.68D.

139

Monika Mościbrodzka, et al. Radiative Models of SGR A* from Grmhd Simulations. // The Astrophysical Journal 706 (2009): 497–507. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2009ApJ…706..497M.

140

Monika Mościbrodzka, Heino Falcke, Hotaka Shiokawa, and Charles F. Gammie. Observational Appearance of Inefficient Accretion Flows and Jets in 3D GRMHD Simulations: Application to Sagittarius A*/ // Astronomy and Astrophysics 570 (2014): A7. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2014A&A…570A…7M.

141

Monika Mościbrodzka, Heino Falcke, and Hotaka Shiokawa. General Relativistic Magnetohydrodynamical Simulations of the Jet in M 87. // Astronomy and Astrophysics 586 (2016): A38. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2016A&A…586A..38M. Но работа Декстера также уже дала отличные прогнозы, основанные на Grmhd-моделировании: Jason Dexter, Jonathan C. Mckinney, and Eric Agol. The Size of the Jet Launching Region in M87. // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 421 (2012): 1517–28. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2012Mnras.421.1517D.

142

Поскольку дело выглядело почти безнадежным, заявок по нашей тематике было в конечном счете подано в два раза меньше, так что в действительности наши шансы равнялись 3 процентам.

143

Изображения и видео из нашего проекта, поддержанного ERC, можно найти здесь: https://blackholecam.org. C. Goddi, et al. BlackHoleCam: Fundamental Physics of the Galactic Center. // International Journal of Modern Physics D 26 (2017): 1730001–239. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2017Ijmpd.. 2630001G.

144

R. P. Eatough, et al. A Strong Magnetic Field Around the Supermassive Black Hole at the Centre of the Galaxy. // Nature 501 (2013): 391–94. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2013Natur.501..391E.

145

Докторанты: Майкл Янссен (Нижний Рейн), Сара Иссаун (Канада), Фрик Рулофс, Джорди Давелаар, Томас Бронцваер (Нидерланды), Ракель Фрага-Энсинас (Испания), Шань-Шань (Китай); постдок: Корнелия Мюллер (Германия); старшие научные сотрудники: Сириако Годди (Италия), Моника Мошчибродская (Польша), Дэн ван Россум (Германия); администратор проекта: Ремо Тиланус (Нидерланды).

146

L. D. Matthews, et al. The Alma Phasing System: A Beamforming Capability for Ultra-High-Resolution Science at (Sub) Millimeter Wavelengths. // Publications of the Astronomical Society of the Pacific 130 (2018): 015002. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2018Pasp..130a5002M.

147

Обсерватория Стюарда – исследовательское подразделение факультета астрономии Университета Аризоны. – Прим. пер.

148

Вероятно, идея использовать эту мелодию пришла в голову Бобу Моултону, но запрограммировал ее Том Фолкерс, написавший всю операционную систему для SMT.

149

Здесь можно найти твиты и фотографии, сделанные 11 февраля 2016 года, когда после защиты диссертации мы следили за пресс-конференцией научного сообщества Ligo/Virgo в аудитории университета Неймегена: https://twitter.com/hfalcke/status/697819758562041857? s=21; https://twitter.com/hfalcke/status/697805820143276033? s=21.

150

Интервью с Карстеном Данцманом, данное им радиостанции Deutschlandfunk, 12 февраля 2016 года: https://www.deutschlandfunk.de/gravitationswellen-nachweis-einstein-hatte- recht.676.de.html?dram: article_id=345433.

151

Mickey Steijaert. The Rising Star of Sara Issaoun. // Vox: Independent Radboud University Magazine, June 21, 2019. https://www.voxweb.nl/international/the-rising-star-of-sara-issaoun.

152

См. фотографию на вкладке и глоссарий названий телескопов, участвовавших в EHT эксперименте: ALMA и APEX в пустыне Атакама в Чили, SMT на горе Грэм в Аризоне, Джеймс Клерк Максвелл и Субмиллиметровая антенная система (SMA) на Мауна-Кеа на Гавайах, 30-метровый телескоп IRAM на Пико дель Велета в Сьерра-Неваде, Большой миллиметровый телескоп (LMT) на спящем вулкане Сьерра-Негра в Мексике и Южный полярный телескоп (SPT) на станции Амундсена-Скотта на Южном полюсе. Наблюдать галактику M87 телескопом SPT нельзя, поскольку она расположена в северной части неба.

153

Pink Floyd, Comfortably Numb, track 6 on The Wall, Harvest Records, 1979.

154

В этот раз Майкл Янссен вместе со специалистом-компьютерщиком из Массачусетского технологического института Кэтрин Боуман отправились в Мексику. Мой итальянский коллега Сириако Годди с Джеффом Кроули из обсерватории Хейстек уехали в Чили к радиотелескопам ALMA. Ремо Тиланус полетел на Гавайи, чтобы вместе с Мареки Хонма и другими коллегами из Азии работать на телескопе JCMT. Сара Иссаун была старшей на телескопе в Аризоне вместе с Фриком Рулофсом и Джунхан Кимом, подготовившими за рождественские праздники Южный полярный телескоп.

155

Петер Мезгер был директором группы субмиллиметровых волн в Радиоастрономическом институте Макса Планка. Его книга “Загляни в холодную Вселенную” (Blick in das kalte Weltall), опубликованная в 1992 году, рассказывает об истории телескопов, в частности – миллиметровых и субмиллиметровых телескопов.

156

Томас Кричбаум из Бонна и Ребекка Азулай – молодой испанский постдок, специалист по MPI (интерфейсу передачи сообщений) – и еще два испанца: Пабло Торне и Сальвадор Санчес из IRAM. Торне специализируется на астрономических наблюдениях, а Санчес – на технических устройствах. Вначале вместе с нами был и директор обсерватории Карстен Крамер.

157

Действительно, было снято два фильма: “Черные дыры и горизонт познания” (The Edge of All We Know) Питера Галисона и “Охотники за черными дырами” (How to See a Black Hole: The Universe’s Greatest Mystery, Windfall Films) Генри Фрейзера. Оба фильма появились по инициативе гарвардской группы.

158

M. J. Valtonen, et al. A Massive Binary Black-Hole System in OJ 287 and a Test of General Relativity. // Nature 452 (2008): 851–53. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2008Natur..452.851V.

159

Заблокирован в РФ по решению прокуратуры. – Прим. ред.

160

Вторым на Южном полюсе побывал Эндрю Надольски.

161

Muse – британская рок-группа. – Прим. пер.

162

Карл Шустер, директор IRAM.

163

Дэвид Хьюз, директор LMT.

164

Lizzie Wade. Violence and Insecurity Threaten Mexican Telescopes. // Science, February 6, 2019. https://www.sciencemag.org/news/2019/02/violence-and-insecurity-threaten-mexican- telescopes#.

165

В калибровочную группу входят Линди Блэкберн и Мацек Вельгус из Гарвардского университета, Чи-Кван Чан из Аризоны и мои аспиранты Сара Иссаун и Майкл Янссен, а также Ильза ван Беммель из Двингело.

166

Темброблок – компьютерная программа в составе высококлассных стереофонических комплексов (Hi-Fi), позволяющая избирательно корректировать амплитуду сигнала в зависимости от частотных характеристик. – Прим. пер.

167

A. R. Thompson, J. M. Moran, and G. W. Swenson. Interferometry and Synthesis in Radio Astronomy, 3rd Edition. // Springer Verlag. (2017).

168

Конвейер данных – набор соединенных последовательно элементов обработки данных, где выход одного элемента является входом следующего. – Прим. пер.

169

Конвейер Radboud для калибровки данных с высоким угловым разрешением: M. Janßen, et al. rPICARD: A Casa-Based Calibration Pipeline for VLBI Data. Calibration and Imaging of 7mm Vlba Observations of the Agn Jet in M 87. // Astronomy and Astrophysics 626 (2019): A75. https://ui.adsabs.harvard.edu /abs/2019A&A…626A..75J. Также в работе принимала участие команда из софтверной компании JIVE под руководством Марка Кеттениса и Ильзы ван Беммель, а также Кази Рыгл и Элизабетт Лиуццо из Болоньи.

170

Группу визуализации возглавляет молодежная команда под руководством Майкла Джонсона, Кэтрин Боуман и Казунори Акияма. В нее также входит и аспирант из Гарварда Эндрю Чейл. Что касается европейцев, то тут неоценимый вклад вносят Томас Кричбаум и Хосе Луис Гомес из Испании. Всего в этой группе задействовано более пятидесяти ученых. Среди них Сара Иссаун и Моника Мошчибродская, пробующая свои силы в обработке визуальной информации.

171

Первая команда – Боуман и группа Джонсона из Гарварда. Я с моими аспирантами Фриком Рулофсом, Майклом Янссеном и Сарой Иссаун во второй команде. Томас Кричбаум, Хосе Луис Гомес из Испании и их коллеги составляют третью команду, специализирующуюся на алгоритме CLEAN. В четвертой команде новая группа наших азиатских коллег под руководством Кэйити Асада.

172

FITS (Flexible Image Transport System) – гибкая система передачи изображений.

173

TED (аббревиатура от англ. technology, entertainment, design – технологии, развлечения, дизайн) – американский частный некоммерческий фонд, известный прежде всего своими ежегодными конференциями. Миссия конференции состоит в распространении уникальных идей; избранные лекции доступны на веб-сайте конференции. Видеозаписи выступлений публикуются на сайте TED.com и доступны бесплатно для просмотра и скачивания. – Прим. пер.

174

H. Falcke. How to Make the Invisible Visible (lecture, Tedxrwth Aachen, 2018). https://www.youtube.com/watch?v=ZheBi4e9xoM.

175

Изображения, о которых шла речь на семинаре в Гарварде в 2017 году, можно посмотреть здесь: https://eventhorizontelescope.org/galleries/eht- imaging- workshop- october-2017.

176

Есть два метода “регуляризованного максимального правдоподобия” (RML) – (eht-визуализация и SMILI) и алгоритм CLEAN.

177

Чи-Кван Чан возглавлял группу по определению цветовой палитры.

178

Francis Reddy. Nasa Visualization Shows a Black Hole’s Warped World. // nasa.gov, September 25, 2019. https://www.nasa.gov/feature/goddard/2019/nasa-visualization-shows-a-black-hole-s-warped-world.

179

Теоретические группы EHT сформировалась вокруг Чарльза Гамми в Иллинойсе, Рамеша Нараяна в Гарварде, Лучано Реццолла во Франкфурте и Моники Мошчибродской в Неймегене.

180

Членами этой команды руководили: в Аризоне – Ферьял Озель, в Японии – Кэйити Асада, в Гархинге – Джейсон Декстер и в канадском Институте теоретической физики “Периметр” – Эвери Бродерик. Тем временем Кристиан Фромм из франкфуртской группы BlackHoleCam разработал новый “генетический алгоритм”, позволяющий оценить параметры черной дыры, сравнивая ее изображение с результатами моделирования.

181

Фотографии и видео, сделанные во время конференции научного сообщества в Неймегене: https://www.ru.nl/astrophysics/black-hole/event-horizon-telescope-collaboration-0/eht- collaboration- meeting-2018.

182

В книге Дугласа Адамса “Путеводитель для путешествующих автостопом по Галактике” (и, соответственно, в фильме 2005 г. “Автостопом по Галактике”) ответ на “Главный вопрос жизни, Вселенной и вообще” должен был решить все проблемы Вселенной. Он был получен в результате семи с половиной миллионов лет непрерывных вычислений на специально созданном компьютере – Думателе. По утверждению компьютера, ответ был несколько раз проверен на правильность, но он может всех огорчить. Оказалось, что ответ на вопрос – “42”. – Прим. ред.

183

Издательский комитет EHT возглавляли Лоран Луанар из Мексики, мой голландский коллега Хойб Ян ван Лангевельде, а также Рамеш Нараян и Джон Уордл из Соединенных Штатов.

184

Yosuke Mizuno, et al. The Current Ability to Test Theories of Gravity with Black Hole Shadows. // Nature Astronomy 2 (2018): 585–90. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2018NatAs…2..585M.

185

Uh Hilo Professor Names Black Hole Capturing World’s Attention. // пресс-релиз, University of Hawai’i, April 10, 2019. https://www.hawaii.edu/news/2019/04/10/uh-hilo-professor-names-black-hole.

186

Видео сменяющихся изображений черной дыры: https://www.eso.org/public/germany/videos/eso1907c.

187

Музыкальное видео Ника с кадрами, снятыми на мобильный телефон во время пресс-конференции, и изображением черной дыры: [Nik], Wahrscheinlich (музыкальное видео). https:/www.youtube.com/watch?v=oaubcdpsfcw.

188

Тревогу поднял блогер-астроном Даниэль Фишер, https://skyweek.lima-city.de. Спасибо ему! Предупредил нас и Ральф Нестлер из Der Tagesspiegel.

189

L. L. Christensen, et al. An Unprecedented Global Communications Campaign for the Event Horizon Telescope First Black Hole Image. // Communicating Astronomy with the Public Journal 26 (2019): 11. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2019Capj…26…11C.

190

Google Doodle: https://www.google.com/doodles/4rst-image-of-a-black-hole.

191

Tim Elfrink. Trolls Hijacked a Scientist’s Image to Attack Katie Bouman. They Picked the Wrong Astrophysicist. // The Washington Post, April 12, 2019. https://www.washingtonpost.com/nation/2019/04/12/trolls-hijacked-scientists-image-attack-katie-bouman-they-picked-wrong-astrophysicist.

192

L. L. Christensen, et al. An Unprecedented Global Communications Campaign.

193

YMCA, ИМКА – от англ. Young Men’s Christian Association – “Юношеская христианская ассоциация”. – Прим. пер.

194

Тираннозавр Рекс – один из самых крупных наземных хищников и символ кинофильма “Парк юрского периода”. – Прим. пер.

195

Точнее, царством Аида (Гадеса), бога смерти и подземного мира мертвых. – Прим. ред.

196

По-английски ад hell. – Прим. ред.

197

Th. Rivinius. A Naked-Eye Triple System with a Nonaccreting Black Hole in the Inner Binary. // Astronomy and Astrophysics 637 (2020): L3. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2020A&A…637L…3R.

198

Диаметр этой черной дыры равен примерно 24 километрам.

199

История этого изображения как предмета искусства стала темой диссертации Эмили Скулберг из Кембриджа.

200

Первое изображение сверхмассивной черной дыры, расположенной в центре Млечного Пути, было представлено на пресс-конференции 12 мая 2022 г. – Прим. науч. ред.

201

M. Backes, et al. The Africa Millimetre Telescope. // Proceedings of the 4th Annual Conference on High Energy Astrophysics in Southern Africa (HEASA 2016): 29. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2016heas.confE..29B.

202

Freek Roelofs, et al. Simulations of Imaging the Event Horizon of Sagittarius A* from Space. // Astronomy and Astrophysics 625 (2019): A124. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2019A&A…625A.124R; Daniel C. M. Palumbo, et al. Metrics and Motivations for Earth-Space VLBI: Time-Resolving Sgr A* with the Event Horizon Telescope. // The Astrophysical Journal 881 (2019): 62. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2019ApJ…881…62P.

203

“И целого мира мало” – название одного из фильмов о Джеймсе Бонде (1999 г.). – Прим. пер.

204

Event Horizon Telescope Collaboration, et al. First M87 Event Horizon Telescope Results. I. The Shadow of the Supermassive Black Hole. // Astrophysical Journal Letters 875 (2019): L1. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2019ApJ…875L…1E.

205

Гипотезу о том, что антиматерия падает точно ровно так же, как и обычная материя, сейчас экспериментально проверяют в ЦЕРН: Michael Irving. Does Antimatter Fall Upwards? New CERN Gravity Experiments Aim to Get to the Bottom of the Matter. // New Atlas, November 5, 2018. https://newatlas.com/cern-antimatter-gravity-experiments/57090.

206

Dennis Overbye. How to Peer Through a Wormhole. // New York Times, November 13, 2019. https://www.nytimes.com/2019/11/13/science/wormholes- physics- astronomy- cosmos.html.

207

Примеры теорий гравитации, основанных на теории информации, см. в: Martijn Van Calmthout. Tug of War Around Gravity. // Phys.org, August 12, 2019. https://phys.org/news/2019–08‐war-gravity.html; Stephen Wolfram. Finally We May Have a Path to the Fundamental Theory of Physics… and It’s Beautiful. // stephenwolfram.com (блог), https://writings.stephenwolfram.com/2020/04/finally-we-may-have-a-path-to-the-fundamental-theory-of-physics-and-its-beautiful; Tom Campbell, et al. On Testing the Simulation Theory. // International Journal of Quantum Foundations 3 (2017): 78–99. https://www.ijqf.org/archives/4105; M. Keulemans. Leven we eigenlijk in een hologram? Het zou zomaar kunnen. // de Volkskrant, March 10, 2017. https://www.volkskran.nl/wetenschap/leven-we-eigenlijk-in-een-hologram-het-zou-zomaar- kunnen~bb4boda^3/.

208

На самом деле, если бесконечно долго помешивать алфавитный суп в большой кастрюле, то можно случайно написать книгу. Но вот понять, что это уже случилось, будет практически невозможно. Вам просто следует перестать помешивать точно в нужный момент, иначе книга немедленно исчезнет. Так что целесообразнее ее писать, а не ждать, пока она неожиданно появится.

209

Ethan Siegel. Ask Ethan: What Was the Entropy of the Universe at the Big Bang? // Forbes, April 15, 2017. https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2017/04/15/ask-ethan-what-was-the-entropy-of-the-universe-at-the-big-bang.

210

В квантовой физике сохранение информации в квантовой системе, т. е. развитие ее волновой функции, описывается термином унитарность, а процесс измерения называют коллапсом волновой функции. “Состояние” квантовой частицы и/или ее волновая функция только определяет вероятность получить определенное значение измеряемой величины. До каждого измерения характеристики квантовой частицы мы можем лишь определить наиболее вероятное значение интересующей нас величины – т. е. среднее значение по нескольким измерениям. Но когда какое‐то значение измерено, оно остается неизменным до того, как будет измерено еще что‐то. Таким образом, множественные измерения меняют значения характеристик частицы.

211

Schwarze Löcher erinnern sich an ihre Opfer. // Spiegel Online, March 9, 2004. https://www.speigel.de/wissenschaft/weltall/hawking-verliert-wette-schwarze-loecher-erinnern-sich-an-ihre-opfer-a-289599.html.

212

Если расчет, описанный в статье Maximilian Kiefer-Emmanouilidis, et al. Evidence for Unbounded Growth of the Number Entropy in Many-Body Localized Phases // Physical Review Letters 124 (2020): 243601, https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.243601, верен, то термализация информации возможна даже в изолированной системе без гравитации.

213

Английское название этого изображения Hubble Deep Field. – Прим. пер.

214

Иеремия 33:22.

215

John Horgan. The End of Science. // New York: Little, Brown. (1997).

216

Ethan Siegel. No Galaxy Will Ever Truly Disappear, Even in a Universe with Dark Energy. // Forbes, March 4, 2020. https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2020/03/04/no-galaxy-will-ever-truly-disappear-even-in-a-universe-with-dark-energy.

217

Сэм Харрис в книге “Свобода воли, которой не существует” (New York: Free Press, 2012, 5; русский перевод Александры Соколинской, издательство “Альпина Паблишер”, 2015) пишет: “Свобода воли – это иллюзия. Наша воля просто дело не наших рук. Мысли и намерения возникают из находящихся на заднем плане причин, о которых мы не знаем и над которыми мы не имеем никакого сознательного контроля. У нас нет свободы, которая, как мы думаем, у нас есть. Свобода воли в действительности более (или менее), чем иллюзия – в том смысле, что это понятие не может быть четко концептуально определено. Либо наша воля имеет определенные причины и мы не ответственны за них, либо эти причины случайны, и мы тоже за них не ответственны”.

218

В данном контексте ученые начали обсуждать вопрос о применимости в этом случае теории эмерджентности, т. е. наличия у системы свойств, не присущих ее компонентам по отдельности; несводимости свойств системы к сумме свойств ее компонентов.

219

Пример для читателей, знакомых с математикой: в плоском пространстве я определяю частоту световой волны с помощью преобразования Фурье. Но абсолютно точно значение частоты можно определить, только интегрируя волну по времени t в интервале —∞ ≤ t ≤ ∞. Тогда, например, Фурье-преобразование синусоидальной функции точно совпадает с дельта-функцией. Если имеющееся в моем распоряжении время меньше бесконечности, то при преобразовании даже идеальной синусоиды я не получу абсолютно точную частоту. По той же причине я могу абсолютно точно измерить положение точки в определенное время или в определенном месте, только если в моем распоряжении будет бесконечное число частот или длин волн. Но поскольку каждое событие и каждая частица всегда конечны в пространстве и существуют конечное время, эти величины всегда неточны.

220

Natalie Wolchover. Does Time Really Flow?: New Clues Come from a Century-Old Approach to Math. // Quanta Magazine, April 7, 2020. https://www.quanta magazine.org/does-time-really-flow-new-clues-come-from-a-century-old-approach-to-math-20200407.

221

Lawrence Krauss. A Universe from Nothing: Why There Is Something Rather than Nothing. // New York: Atria Books (2014): Pos. 104/3284 (Kindle version).

222

По этой причине в начале Вселенной энтропия, вообще говоря, была ниже, чем сейчас, когда энергия и масса в значительной степени распределены по пространству. Каждая отдельная звезда, планета или человек могут показаться более “упорядоченными”, чем Большой взрыв, но в контексте всей Вселенной это ничего не меняет. Ситуацию опять можно сравнить с кубиками в детской. Вначале, в момент Большого взрыва, они все были в небольшой коробке, а теперь разбросаны по гигантской игровой комнате. Даже если взять несколько кубиков и построить из них тут и там маленькие красивые домики, общая картина будет являть собой невероятный беспорядок.

223

За исключением, вероятно, “темной энергии”, которая может быть энергией пустого пространства.

224

Тоху ва-боху – библейское словосочетание на иврите (Бытие 1:2), описывающее состояние земли непосредственно перед сотворением света. – Прим. пер.

225

Martin Rees. Just Six Numbers: The Deep Forces that Shape the Universe. // New York: Basic Books. (2001).

226

K. Landsman. The Fine-Tuning Argument. // arXiveprints (May 2015): 1505.05359. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2015arXiv150505359L.

227

Мне, разумеется, хотелось бы обсудить с ним данный вопрос, но у нас, к счастью, есть хотя бы возможность прочесть, что он об этом думал: Stephen Hawking. Brief Answers to the Big Questions. // London: John Murray. (2018).

228

От Иоанна 1:1. Полный текст этой строки: “В начале было Слово, и Слово было у Бога, и Слово было Бог”. (Синодальный перевод.)

229

Бытие 11:1–9, Вавилонская башня. В этой знаменитой истории Бог сошел, чтобы посмотреть на башню, которую строили сыны человеческие.

230

Апостол Павел, 1‐е Послание к Коринфянам 13:13, стих о любви.

Content

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

Предисловие

Введение А ведь мы действительно можем их увидеть

Об этой книге

Часть I Путешествие сквозь пространство и время Краткое описание нашей Солнечной системы и первые шаги астрономии

1 Человечество, Земля и Луна

2 Солнечная система и наши изменяющиеся представления о Вселенной

Часть II Тайны Вселенной Путешествие по той Вселенной, какой мы ее знаем сегодня, и по истории современной астрономии и радиоастрономии: революция, спровоцированная теорией относительности, рождение звезд и черных дыр, тайна квазаров, расширяющаяся Вселенная и Большой взрыв

3 Самая счастливая мысль в жизни Эйнштейна

4 Млечный Путь и населяющие его звезды

5 Мертвые звезды и черные дыры

6 Галактики, квазары и Большой взрыв

Часть III Путешествие за изображением черной дыры Моя поездка на Телескоп горизонта событий и получение первого изображения черной дыры

7 Галактический центр

8 Как получить изображение

9 Создание глобального телескопа

10 Экспедиция начинается

11 Разрешение изображения

Часть IV Выход за пределы Взгляд в будущее: главные нерешенные вопросы физики, место человечества во Вселенной и вопрос о Боге

12 За гранью воображения

13 За пределами теории Эйнштейна?

14 Бесконечность знания и ограничения

Благодарности

Члены команды EHT, авторы статей о черных дырах

Глоссарий

Источники иллюстраций

Примечания