Что же это за птица – квазар?
Возможности описать и понять какое-то новое явление всегда ограничены преобладающим научно-техническим инструментарием. Если бы к нам ненадолго занесло человека XVIII столетия, он, вернувшись, описывал бы автомобиль как карету без лошади, а лампочку – как свечку без пламени. Если ничего не знаешь о двигателях внутреннего сгорания и об электричестве, до подлинного понимания будет далеко. А теперь позвольте мне с этой оговоркой заявить, что мы, кажется, понимаем основные принципы устройства квазара. Согласно так называемой «стандартной модели» двигателями и квазаров, и всех активных галактик считаются черные дыры. Внутри горизонта событий – границы черной дыры во времени и пространстве – вещество так сконцентрировано, что для того, чтобы вырваться оттуда, нужна скорость больше скорости света. Поскольку быстрее света двигаться невозможно и это ограничение фундаментально, если попадаешь в черную дыру, то это навсегда – даже если состоишь из чистого света.
* * *
Читатель вправе спросить, как это объект, не испускающий никакого света, может быть источником энергии для объекта, испускающего рекордное количество света во Вселенной? В конце 60-х и в 70-е годы астрофизики довольно быстро успели разобраться, что экзотические свойства черных дыр добавляют в арсенал теоретиков поистине поразительные инструменты. Согласно некоторым хорошо известным законам гравитационной физики, когда газообразное вещество устремляется в черную дыру, то прежде, чем опуститься за горизонт событий, оно разогревается и испускает интенсивное излучение. Энергию оно получает от почти безотходной переработки потенциальной энергии гравитации в тепло. Между прочим, преобразование потенциальной энергии гравитации все мы наблюдали в обычной жизни на Земле, хотя не всегда понимали, что это такое. Если вам случалось уронить тарелку на пол и разбить ее, если вы когда-то сталкивали что-то с подоконника во двор и оно разбивалось вдребезги внизу, значит, вы понимаете, что такое потенциальная энергия гравитации и на что она способна. Проще говоря, это неприкосновенный запас энергии, которым тело обладает просто благодаря расстоянию от другого тела, о которое оно ударится, если упадет. Когда тело падает, то обычно набирает скорость. Но если что-то остановит падение, вся энергия, которую тело успело накопить, преобразуется в ту разновидность энергии, которая все ломает и разбивает. Именно поэтому у вас больше шансов погибнуть при прыжке с высокого здания, чем с низкого.
Если что-то мешает телу набрать скорость, однако оно продолжает падать, то преобразование потенциальной энергии происходит как-то иначе – обычно в тепло. Это наглядно видно на примере того, как нагреваются космические корабли и метеоры, когда входят в атмосферу Земли: им хочется набрать скорость, но мешает сопротивление воздуха. Английский физик XIX века Джеймс Джоуль поставил опыт, ставший знаменитым: он придумал устройство, которое размешивало воду в емкости, вращая лопасти энергией опускающихся грузов. Потенциальная энергия грузов передавалась воде и успешно повышала ее температуру. Вот как Джоуль описывал, что у него получилось:
Лопасть двигалась в емкости с водой, преодолевая сильное сопротивление, так что грузы (по четыре фунта каждый) опускались медленно – со скоростью около фута в секунду. Блоки находились на высоте двенадцати ярдов от земли, а следовательно, когда грузы опускались до самого низа, их требовалось поднимать обратно, чтобы возобновить движение лопастей. Когда эта операция была повторена шестнадцать раз, при помощи весьма чувствительного и точного термометра было зарегистрировано повышение температуры воды. … Из этого я могу заключить, что получено доказательство наличия эквивалентных отношений между теплом и обычными видами механической мощности… Если мои представления верны, то температура реки Ниагары из-за падения с высоты 160 футов поднимается примерно на одну пятую градуса.
(Shamos 1959, p. 170)
Речь в мысленном эксперименте Джоуля идет, само собой, о великом Ниагарском водопаде. Но если бы он знал о существовании черных дыр, то, пожалуй, сказал бы: «Если мои представления верны, то температура газа, устремившегося к черной дыре, поднимается на миллион градусов в результате падения с высоты в миллиард миль».
* * *
Как вы, вероятно, уже догадались, черные дыры с аппетитом заглатывают и звезды, подобравшиеся слишком близко. Парадокс галактических двигателей состоит в том, что черные дыры, чтобы светиться, должны есть. Тайна топлива для галактических двигателей состоит в том, что черная дыра способна безжалостно и с наслаждением разрывать звезды в клочки еще до того, как те достигнут горизонта событий. Приливные силы гравитации черной дыры вытягивают шарообразные в нормальных обстоятельствах звезды примерно так же, как приливные силы Луны вытягивают земные океаны, отчего и возникают приливы и отливы. Газ, который прежде был частью звезд, а может быть, находился внутри обычных газовых облаков, не может просто набрать скорость и упасть в черную дыру, поскольку газ уже разодранных в клочья звезд мешает безоглядному свободному падению. А что в результате? Потенциальная энергия звезды, находящейся в гравитационном поле, преобразуется в огромное количество тепла и излучения. И чем больше гравитация цели, тем больше запас гравитационной потенциальной энергии, которую можно преобразовать.
Покойный Жерар де Вокулер, великолепный специалист по морфологии галактик, задумавшись о том, как стремительно растет количество терминов для описания диковинных галактик, поспешил напомнить астрономическому сообществу, что автомобиль, пострадавший в аварии, не становится автомобилем другой марки (de Vaucouleurs 1983). Философия автокатастроф привела к созданию стандартной модели активных галактик, которая позволила по большей части унифицировать весь этот зоопарк. В этой модели много всевозможных гибких параметров, которые объясняют почти все основные наблюдаемые черты галактик. Например, газ, устремляющийся в черную дыру, прежде чем попасть за горизонт событий, часто образует непрозрачный вращающийся диск. Если направленный наружу поток излучения не может проникнуть за диск уплотнившегося газа, излучение оказывается направлено вверх и вниз от диска, и за счет истекающего вещества и излучения возникает колоссальная реактивная тяга. Наблюдаемые свойства такой галактики будут разными в зависимости от того, куда направлен реактивный выброс, на вас или в сторону, и от того, как движется испускаемый материал – медленно или с околосветовой скоростью. На то, как диск выглядит, влияет его плотность и химический состав, а также темп поглощения звезд.
Чтобы прокормить здоровый квазар, нужно, чтобы его черная дыра заглатывала до десяти звезд в год. Другие, не такие активные галактики из нашего балаганчика растерзывают в год гораздо меньше звезд. Светимость некоторых квазаров меняется день ото дня и даже час от часа. Позвольте удивить вас и объяснить, почему это так необычно. Если бы активная часть квазара была размером с Млечный Путь (100 000 световых лет в поперечнике) и решила бы засветиться вся одновременно, то вы узнали бы об этом сначала по той стороне галактики, которая расположена к вам ближе, а потом, через 100 000 лет, до вас дошел бы и свет с дальней стороны галактики. То есть вам потребовалось бы 100 000 лет только на то, чтобы пронаблюдать, как весь квазар светится одновременно. Чтобы яркость квазара колебалась в пределах нескольких часов, габариты его двигателя не должны превышать несколько световых часов. А сколько это? Примерно с Солнечную систему.
