Чудовища доктора Эйнштейна - Крис Импи

Группа ученых под руководством британского радиоастронома Денниса Уолша, используя 2,1-метровый телескоп обсерватории Китт-Пик, обнаружила два квазара с одинаковыми спектрами. Шансы найти два квазара с одинаковыми спектрами, находящихся так близко в небе, были очень малы – настолько малы, что по пути в Китт-Пик Уолш написал на доске своего коллеги Дерека Уилла условия пари: «Нуль квазаров: я плачу Дереку 25 центов. Один квазар: он платит мне 25 центов. Два квазара: он платит мне доллар». Уолш вспоминал: «Когда я позвонил Дереку на следующее утро и рассказал о нашей находке, он засмеялся, и я сказал: “Ты должен мне доллар. Если бы я поставил сто долларов на два квазара с одним и тем же красным смещением, ты бы принял пари?” Он ответил: “Конечно”. Так я потерял 99 долларов и сохранил друга. ‹…› У меня было четверо сыновей-подростков, никто из них не проявлял особого интереса к науке. Теперь на их вопрос: “Ну, и кому оно нужно, это гравитационное линзирование?” – я мог ответить, что я на нем заработал»[270].

Квазары выглядели как близнецы, но оказались миражом, а не двумя квазизвездными объектами, по случайному совпадению имеющими одинаковые спектры. Свет одного квазара двумя разными путями огибал находящуюся на линии наблюдения галактику, давая два изображения. Массивная галактика отклоняет свет очень слабо, всего на одну тысячную градуса. К этой первой гравитационной линзе свет идет 8,7 млрд лет, но чуть больше одного светового года у него уходит на то, чтобы обойти галактику с одной стороны – в сравнении с другой. Поскольку свет квазара имеет переменную яркость, имеется временная задержка в год с небольшим в изменениях, наблюдаемых в одном и другом изображениях. Это было использовано при хитроумном измерении скорости расширения Вселенной[271].

Гравитационное линзирование встречается редко, поскольку требует, чтобы фоновый квазар и галактика переднего плана находились почти точно на одной линии. При многих тысячах изученных квазаров обнаружено менее ста случаев линзирования. В дюжине из них совпадение идеально, и вместо нескольких изображений находящаяся на луче зрения галактика превращает точечный источник света, квазар, в эйнштейново кольцо[272] – наглядную демонстрацию общего принципа относительности в действии. В зависимости от геометрии свет, порождаемый энергией аккреции вблизи сверхмассивной черной дыры, предстает в виде дуги, множественных изображений или идеального кольца.

В 1990-х гг., когда начал работу космический телескоп «Хаббл», была открыта другая ситуация линзирования: не свет единичного квазара распадался на несколько изображений, а свет множества далеких галактик на луче зрения линзировался галактическим скоплением. Иногда формируются множественные изображения, но чаще свет фоновой галактики деформируется в дугу. Отличительным признаком этого типа линзирования является скопление, окруженное маленькими дугами, собранными в концентрические круги вокруг центра скопления (илл. 46). Каждое искаженное изображение – это эксперимент в области гравитационной оптики. Такие дуги были замечены у нескольких сотен скоплений – таким образом, астрономы накопили десятки тысяч примеров отклонения света массой[273].

Любая масса отклоняет свет, будь она видимой или невидимой, поэтому линзирование – это лучший инструмент астрономов для картирования темной материи в галактиках, их скоплениях и межгалактическом пространстве. Линзирование дает самое убедительное свидетельство того, что темная материя существует и является преобладающим и повсеместно распространенным компонентом Вселенной.

Горизонт событий черной дыры – это место, где останавливается время и замирает излучение. Таково положение специальной теории относительности Эйнштейна: свет имеет универсальную и постоянную скорость 300 000 км/с. Свет, покидающий черную дыру, встречается со столь сильной гравитацией, что теряет скорость и энергию. Этот эффект называется гравитационным красным смещением. Горизонт событий черной дыры соответствует месту с бесконечным красным смещением, и свет оказывается в ловушке.

Раз мы не можем экспериментально проверить теорию на черной дыре, откуда мы узнаем о влиянии гравитации на излучение? Давайте поставим мысленный эксперимент на Земле. Представим, что выпускаем фотон с вершины башни к основанию, превращаем его энергию в массу (согласно формуле Е = mc2), роняем массу к подножию башни и превращаем ее обратно в фотон. Казалось бы, все очевидно, но не торопитесь! Когда мы роняем массу, она набирает скорость и приобретает гравитационную энергию. Энергия вычисляется по формуле mgh, где m – масса, g – ускорение вследствие гравитации Земли, а h – высота башни. Когда мы превращаем массу обратно в фотон, он имеет бо?льшую энергию. Мы можем повторять это действие многократно, создавать энергию и богатеть! Но никто пока не заработал на цикличном подбрасывании света, и значит, в рассуждении кроется ошибка. Единственная возможность сохранить энергию в этом сценарии – иными словами, сделать так, чтобы она не изменилась, – предположить, что свет находится под влиянием гравитации, то есть теряет энергию, когда поднимается с поверхности Земли на вершину башни. Потеря энергии означает, что свет смещается к более длинным – или красным – волнам. Это и есть гравитационное красное смещение.