Примечания

Предисловие

     Это также отсылка к сборнику коротких рассказов британского писателя Мартина Эмиса об угрозе ядерной войны. Имеется в виду уравнение Эйнштейна E = mc2, описывающее колоссальную мощь, заключенную в ядре атома. См.: Martin Amis, Einstein’s Monsters (London: Jonathan Cape, 1987).

1. Сердце тьмы

     R. MacCormmach, Weighing the World: The Reverend John Michell of Thornhill (Berlin: Springer, 2012).

     J. Michell, Philosophical Transactions of the Royal Society of London 74 (1784): 35–57.

     S. Schaffer, “John Michell and Black Holes,” Journal for the History of Astronomy 10 (1979): 42–43.

     Опыт Майкельсона и Морли представлял собой попытку обнаружить эфир — пронизывающую космос диффузную среду, гипотеза существования которой была предложена для объяснения распространения силы гравитации и электромагнитных волн. Этот знаменитый «неудачный» физический эксперимент показал, что свет приходит с одинаковой скоростью, независимо от движения Земли, перемещающейся вокруг Солнца со скоростью 30 км/с. Нулевой результат эксперимента сыграл основополагающую роль в формулировании специальной теории относительности. Новые данные исключают наличие переносящей свет среды с точностью до 1 из 1017.

     C. Montgomery, W. Orchiston, and I. Whittington, “Michell, Laplace, and the Origin of the Black Hole Concept,” Journal of Astronomical History and Heritage 12 (2009): 90–96.

     В студенческие годы, изучая физику в Лондоне, я ездил в Кембридж, пытаясь постичь личность Исаака Ньютона. Я хотел понять, что за человек стоит за уравнениями. Коллега провел меня в комнаты Ньютона в Тринити-колледже. В его кабинете с узкими арочными окнами и панелями из темного дерева было сумрачно даже в полдень. Я читал, что он решал проблемы, «непрестанно размышляя о них», и мой сопровождающий рассказал об одном из редких случаев, когда Ньютон принимал гостей. Он пошел в кладовую за бутылкой портвейна, заметил на столе неоконченные расчеты и занялся ими. Забытые гости тихонько удалились.

Во дворе я прошел по засыпанным гравием дорожкам, где 300 лет назад Ньютон чертил схемы тростью. Члены колледжа привыкли перешагивать через них, если заставали гения за работой. Во второй половине дня я поехал в дом в Вулсторп Мэнор, где прошло детство Ньютона. Его часто отправляли в соседнюю деревню с поручениями или просили отвести подковать коня. Через несколько часов мать находила его на мосту, где он стоял, уставившись на воду, уйдя в свои мысли: поручения забыты, конь куда-то убрел. Я был рад увидеть за домом яблоневый сад.

     Из предисловия к кн.: Richard S. Westfall, Never at Rest: A Biography of Isaac Newton (Cambridge, UK: Cambridge University Press, 1983).

     J. Stachel et al., Einstein’s Miraculous Year: Five Papers That Changed the Face of Physics (Princeton: Princeton University Press, 1998).

     Мысленный эксперимент — мощный инструмент развития науки, восходящий к древнегреческой философии, способ задать гипотетический вопрос Природе. Галилей осуществил один из первых мысленных экспериментов в физике, размышляя о том, с какой скоростью падали бы разные тела, сброшенные с башни (вопреки расхожему мнению, он никогда не ставил его на практике). Эйнштейн с помощью мысленных экспериментов прорабатывал вопросы относительности, и ученые-физики начала XX в. часто использовали этот метод, пытаясь понять следствия квантовой теории материи.

   Теория носит математический характер и устрашающе сложна, но имеется ряд научно-популярных введений в нее. К лучшим относятся R. Geroch, General Relativity from A to B (Chicago: University of Chicago Press, 1978); D. Mermin, It’s About Time: Understanding Einstein’s Relativity (Princeton: University of Princeton Press, 2005 и конечно, классическая работа Альберта Эйнштейна: Relativity: The Special and General Theory (New York: Crown, 1960). Биография Эйнштейна: A. Pais, Subtle is the Lord: The Science and Life of Albert Einstein (Oxford: Oxford University Press, 1982).

   The Sonnets of Robert Frost, edited by J.M. Heley (Manhattan, KS: Kansas State University, 1970).

   D.E. Lebach et al., “Measurement of the Solar Gravitational Deflection of Radio Waves Using Very-Long-Baseline Interferometry,” Physical Review Letters 75 (1995): 1439–42.

   C.W. Chou, D.B. Hume, T. Rosenband, and D.J. Wineland, “Optical Clocks and Relativity,” Science 329 (2010): 1630–33.

   N. Ashby, “Relativity and the Global Positioning System,” Physics Today, May 2002, 41–47.

   Цит. по: S. Chandrasekhar, “The General Theory of Relativity: Why Is It Probably the Most Beautiful of All Existing Theories,” Journal of Astrophysics and Astronomy 5 (1984): 3–11.

   В аспирантуре я пытался усвоить общую теорию относительности, и опыт убедил меня, что мое будущее связано с наблюдениями, а не с теорией. Много лет спустя я провел некоторое время «в тени Эйнштейна» во время творческого отпуска в Принстоне. Он жил там почти 20 лет, с 1936 г. до смерти, работая не в Принстонском университете, а в находящемся рядом Институте перспективных исследований. Однажды я заглянул в его бывший кабинет, извинившись перед нынешним владельцем — выдающимся канадским математиком Робертом Ленглендсом. По дороге от съемного дома, где я жил, к институту я проходил мимо белого дощатого дома Эйнштейна на улице Мерсер. Впоследствии в его доме жили физик Фрэнк Вильчек, затем экономист Эрик Маскин, оба также нобелевские лауреаты. Я гадал, можно ли стать умнее, живя в доме с такой историей.

После смерти Эйнштейна его останки исчезли. Врач, проводивший вскрытие, извлек мозг и сохранил его части в сосуде в своем кабинете в Уэстоне (Миссури). Офтальмолог забрал глаза и спрятал в банковском сейфе. В Принстоне я слышал, что прах Эйнштейна был развеян над рекой Делавэр к югу от города. Во время пробежек по берегу реки я размышлял, какие извилистые пути в пространстве и времени подхватили его атомы после Большого взрыва, пропустили их через ядра звезд, на краткое время собрали их воедино ради уникального постижения относительности и растворили в море.

   The Collected Papers of Albert Einstein, volume 8A, The Berlin Years: Correspondence, edited by R. Schulmann, A.J. Kox, M. Janssen, and J. Illy (Princeton: Princeton University Press, 1999).

   A. Pais, J. Robert Oppenheimer: A Life (Oxford: Oxford University Press, 2006).

   J.R. Oppenheimer and H. Snyder, “On Continued Gravitational Contraction,” Physical Review 56 (1939): 455–59.

   R. Rhodes, The Making of the Atomic Bomb (New York: Simon & Schuster, 1986).

   J.A. Hijaya, “The Gita of Robert Oppenheimer,” Proceedings of the American Philosophical Society 144, no. 2 (2000), .

   C.W. Misner, K.S. Thorne, and J.A. Wheeler, Gravitation (New York: W.H. Freeman, 1973).

   A. Finkbeiner, “Johnny and Oppie,”2013, .

   Сложному отношению Оппенгеймера к своей работе над бомбой и его опале посвящено несколько прекрасных книг. См.: K. Bird and M.J. Sherwin, American Prometheus: The Triumph and Tragedy of J. Robert Oppenheimer (New York: Alfred A. Knopf, 2005), и M. Wolverton, A Life in Twilight: The Final Years of J. Robert Oppenheimer (New York: St. Martin’s Press, 2008). Описание проекта атомной бомбы изнутри: H. Bethe, The Road from Los Alamos (New York: Springer, 1968). Многие физики испытывали недобрые чувства в адрес Эдварда Теллера, более воинственного, чем Уилер, и демонстративно отказавшегося поддержать Оппенгеймера, когда того лишали допуска к секретной работе.

   Цитируется с чужих слов в автобиографии Уилера: J.A. Wheeler, Geons, Black Holes, and Quantum Foam: A Life in Physics (New York: Norton, 1998).

   В действительности история более запутана. Исследование Марсии Бартусяк показало, что термин «черная дыра» впервые прозвучал на собрании ученых в конце 1963 г. и был использован в публикации в начале 1964 г. Бесспорно, однако, что он стал популярным благодаря Уилеру. См.: .

   S. Hawking, A Brief History of Time (New York: Bantam, 1988). Хокинг вспоминал, что издатель его предупредил: каждое уравнение, приведенное в книге, уменьшит число читателей вдвое. Так что он выбросил из рукописи всю математику, ограничившись единственным уравнением E = mc2. Тем не менее книга читается довольно туго, поэтому Хокинг написал сокращенную и упрощенную версию: S. Hawking, The Illustrated Brief History of Time (New York: Bantam, 1996). В предисловии Карла Сагана к первому изданию рассказывается о случайной встрече в Лондоне в 1974 г., когда Хокинга принимали в Королевское общество. Глядя, как молодой человек в инвалидном кресле медленно вписывает свое имя в книгу, на первых страницах которой значится имя Ньютона, он понял, что Хокинг — уже легенда.

   Поп-культура часто сводила образ Стивена Хокинга к архетипу — блестящий интеллект, запертый в разрушающемся теле, поэтому трудно понять, что это был за человек. Добавление к этой плоской картинке третьего измерения вскрывает некоторые неприятные истины. Его первая жена Джейн Уайльд пожертвовала научной карьерой, чтобы заботиться о Стивене и растить их троих детей практически в одиночку. Впоследствии он бросил ее ради одной из своих сиделок (с ней также последовали брак и развод). Воспоминания Уайльд рисуют образ человека, способного на эгоизм и женоненавистничество, но ее точку зрения затмили его собственные воспоминания, а также медийная картинка, уподобленная героическому нарративу. Проблемные стороны личности Хокинга не умаляют его удивительного жизнелюбия перед лицом пожизненного изнуряющего заболевания. См.: Jane Hawking, Music to Move the Stars: A Life with Stephen Hawking (Philadelphia: Trans-Atlantic, 1999); ее вторая, менее резкая версия воспоминаний: Travelling to Infinity: My Life with Stephen (London: Alma, 2007).

   K. Ferguson, Stephen Hawking: His Life and Work (New York: St. Martin’s Press, 2011). Более старой, но лучше раскрывающей его вклад в физику, является биография: M. White and J. Gribbin, Stephen Hawking: A Life in Science (Washington, DC: National Academies Press, 2002).

   Евклидова геометрия — это знакомая всем формальная система, применимая к линейному пространству ньютоновской гравитации. Чтобы справиться с общей теорией относительности, Эйнштейну пришлось обратиться к инструментарию топологии — области математики, которая описывает пространство (произвольной размерности), деформированное растяжением, смятием или сгибанием. Его гениальность проявилась в том числе в умении осознать, что в физическую теорию гравитации можно включить математику.

   S. Hawking and R. Penrose, “The Singularities of Gravitational Collapse and Cosmology,” Proceedings of the Royal Society A 324 (1970): 539–48.

   Электрический заряд — третье возможное свойство черной дыры. Однако, поскольку черные дыры образуются при коллапсе материи, являющейся электрически нейтральной, заряженная черная дыра считается искусственным построением, маловероятным в реальности. Электрическая сила на 40 порядков сильнее гравитации, и даже самый слабый электрический заряд препятствовал бы формированию черной дыры. Рой Керр обобщил решение уравнений черной дыры для случая ее вращения почти через 50 лет после первого решения Шварцшильда в работе: R.P. Kerr, “Gravitational Field of a Spinning Mass as an Example of Algebraically Special Metrics,” Physical Review Letters 11 (1963): 237–38. Общая теория относительности позволяет такую сложную геометрию пространственно-временного континуума, что уравнения лишь в редких случаях имеют полное решение, только приближенное, с широкими допущениями относительно симметрии.

   J.D. Bekenstein, “Black Holes and Entropy,” Physical Review D7 (1973): 2333–46.

   S. Hawking and R. Penrose, The Nature of Space and Time (Princeton: Princeton University Press, 2010), 26. Хокинг написал много узкоспециальных статей об излучении и испарении черных дыр; наиболее доступной является статья: S. Hawking, “Black Hole Explosions?” Nature 248 (1974): 31–32.

   A. Einstein and N. Rosen, “The Particle Problem in the General Theory of Relativity,” Physical Review Letters 48 (1935): 73–77.

   S. Weinberg, The First Three Minutes (New York: Basic Books, 1988), 131.

   M. Amis, Night Train (New York: Vintage, 1999), 114.

   A.Z. Capri, From Quanta to Quarks: More Anecdotal History of Physics (Hackensack, NJ: World Scientific, 2007).

   В обиходном значении энтропия означает беспорядок, но изначальное определение из физики связано с количеством эквивалентных микроскопических конфигураций системы. Поскольку имеется огромное число способов сделать черную дыру — по сравнению с относительно ограниченным количеством возможностей сделать звезду, энтропия черной дыры очень высока. С математической точки зрения черная дыра солнечной массы имеет энтропию в 100 млн раз выше, чем Солнце.

   D. Overbye, “About Those Fearsome Black Holes? Never Mind,” New York Times, July 22, 2004, .

   Это отсылка к Эйнштейну, называвшему подгонку своего решения для общего принципа относительности под принятую у астрономов начала 1900-х гг. картину статичной Вселенной своей «грубейшей ошибкой». Для объяснения гравитации Эйнштейн ввел так называемую космологическую константу. По иронии, теперь известно, что Вселенная ускоряется и что это поведение хорошо описывается космологической константой.

   Нам хорошо знакомы приливные силы, действующие в Солнечной системе. Ближняя сторона Земли испытывает более сильное притяжение Луны, чем дальняя, и, когда океаны реагируют на эту разницу, возникают приливы. Солнце также оказывает на Землю приливное воздействие, но более слабое из-за большего расстояния. Если приливная сила, действующая на твердое тело, например естественный спутник и астероид, превышает его прочность, то тело разрушается. Граница области, внутри которой меньшее тело разрывается приливными силами большего тела, называется пределом Роша. Приливные силы, действующие на маленький спутник Юпитера Ио, вызывают на нем самую мощную вулканическую активность в Солнечной системе. В математическом выражении приливное ускорение в теле размером d на расстоянии R от тела массой M равно 2GMd/R3.

   У научных пари интересная история. Одно из первых известных пари было связано с гравитацией. В 1648 г. английский архитектор Кристофер Рен предложил книгу стоимостью два фунта стерлингов (эквивалентно сегодняшним $400) любому, кто сумеет вывести законы движения планет Кеплера из закона обратной квадратичной зависимости для гравитации. Этот вызов был намеренной попыткой заставить Исаака Ньютона завершить расчеты и опубликовать результат, что он впоследствии и сделал в своем главном труде о гравитации Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, нарушив, однако, сроки пари.

   A. Strominger and C. Vafa, “Microscopic Origin of the Bekenstein–Hawking Entropy,” Physical Letters B379 (1996): 99–104.

   Объединение квантовой теории с общей теорией относительности заняло последние 20 лет жизни Эйнштейна. Он так и не добился успеха. Некоторые самые очевидные идеи квантовой гравитации — например, что гравитация переносится частицей — гравитоном, быстро упирались в технические проблемы. Роль времени также очень сильно различается в квантовой механике и общей теории относительности. Теория струн считается многообещающим подходом, но создает огромное число состояний вакуума, в которых трудно разобраться. По иронии, недавний прогресс в описании черных дыр с точки зрения теории струн отчасти связан с отключением гравитации! По всей видимости, пройдет немало лет, прежде чем это направление исследований созреет или выдаст предсказания, которые можно будет проверить.

   A. Strominger and S. Hawking, “Soft Hair on Black Holes,” Physical Review Letters 116 (2016): 231301–11. Более читабельное интервью с Энди Строминджером о его работе можно найти в блоге Сета Флетчера Dark Star Diaries: .

2. Черные дыры, рожденные смертью звезд

     Баланс гравитации и давления в звезде, получающей энергию термоядерного синтеза, называется гидростатическим равновесием. Это процесс с отрицательной обратной связью, как у термостата. Если по какой-то причине Солнце испытает внешнее давление и будет сжато, температура уплотнившегося газа увеличится, скорость реакции ядерного синтеза возрастет и будет создано большее давление, которое несколько расширит Солнце. Если по какой-то причине Солнце несколько расширится, внутренняя температура упадет, ядерный синтез замедлится и Солнце, создавая меньшее внутреннее давление, немного сожмется. Звезды, подобные Солнцу, долгое время сохраняют устойчивость и не имеют ничего общего с бомбами.

     Про звезду, синтезирующую гелий из водорода, говорят, что она находится на главной последовательности. В начале XX в. астрономы Эйнар Герцшпрунг и Генри Норрис Рассел продемонстрировали, что, если представить светимость звезд в зависимости от их цвета или температуры поверхности, они не займут все части диаграммы. Большинство звезд укладывается в диагональ от высоких яркости и температуры до низких яркости и температуры. Звезды, использующие другие виды ядерного топлива или коллапсировавшие в свои конечные состояния, лежат в других частях диаграммы.

     Закон излучения, при помощи которого можно описывать звездный свет, называется законом Стефана — Больцмана. Он описывает абсолютно черное тело, но с некоторыми оговорками его можно применять и к звездам. Закон Стефана — Больцмана гласит, что вся энергия, излученная звездой, пропорциональна произведению площади поверхности и температуры в четвертой степени. Следовательно, излучение быстро уменьшается с уменьшением размера звезды и еще быстрее — с падением ее температуры.

     E. Öpik, “The Densities of Visual Binary Stars,” Astrophysical Journal 44 (1916): 292– 302.

     A.S. Eddington, Stars and Atoms (Oxford: Clarendon Press, 1927), 50.

     Цит. по кн.: J. Waller, Einstein’s Luck (Oxford: Oxford University Press, 2002).

     Физическое состояние белого карлика называется вырожденным веществом. Давление вырожденного газа зависит только от плотности, но не от температуры. Вырожденное вещество сжимаемо, поэтому радиус белого карлика большой массы меньше, а его плотность выше, чем у белого карлика малой массы. Высокое содержание углерода и квазикристаллическая атомная структура белых карликов нашли отражение в песне рок-группы Pink Floyd из альбома Wish You Were Here «Shine On, You Crazy Diamond» являющейся аллюзией на эти небесные тела (а также посвящением основателю группы Сиду Барретту).

     S. Chandrasekhar, “The Maximum Mass of Ideal White Dwarfs,” Astrophysical Journal 74 (1931): 81–82.

     J.R. Oppenheimer and G.M. Volkoff, “On Massive Neutron Cores,” Physical Review 55 (1939): 374–81.

   P. Haensel, A.Y. Potekhin, and D.G. Yakovlev, Neutron Stars (Berlin: Springer, 2007).

   Ответом Роберта Форварда на этот вызов стала книга «Яйцо дракона» (Dragon’s Egg, New York: Del Rey, 1980), ныне классика научной фантастики. Он изобразил крохотные разумные существа, живущие на поверхности нейтронной звезды, которые развиваются и мыслят в миллион раз быстрее людей.

   См.: J. Emspak, “Are the Nobel Prizes Missing Female Scientists?” Live-Science, October 5, 2016, . В других областях, в которых вручается Нобелевская премия, женщины лишь немного более удачливы. В астрономии соотношение полов постепенно улучшилось, но мужчин с высшими учеными званиями попрежнему больше, чем женщин, и мужчинам вручается львиная доля главных наград. Я довольно хорошо знаком с Джоселин Белл, мы какое-то время пересекались в Королевской обсерватории в Эдинбурге, и вместе с моей матерью она долгие годы посещала один тот же квакерский молитвенный дом. Джоселин Белл живо описывает момент открытия, когда увидела на ленте самописца регулярные всплески, не имеющие очевидного объяснения. Она, словно детектив, рассматривала и отвергала другие объяснения, одно за другим. Что касается Нобелевской премии, Джоселин без малейшей горечи говорит об этом упущении в начале жизненного пути, поскольку во всех остальных отношениях сделала блистательную карьеру. См. ее собственный рассказ: J.S. Bell Burnell, “Little Green Men, White Dwarfs, or Pulsars?” Annals of the New York Academy of Science 302 (1977): 685–89.

   Талеб Н. Черный лебедь. М., 2015. В этом случае «черным лебедем» являются черные дыры, которые были предсказаны, но считались редкостью, которую, по мнению некоторых, невозможно обнаружить.

   S. Bowyer, E.T. Byram, T.A. Chubb, and H. Friedman, “Cosmic X-Ray Sources,” Science 147 (1964): 394–98.

   Две статьи, в которых Лебедь Х-1 был назван первым достоверным кандидатом в черные дыры: B.L. Webster and P. Murdin, “Cygnus X-1: A Spectroscopic Binary with a Massive Companion?” Nature 235 (1971): 37–38; C.T. Bolton, “Identification of Cygnus X-1 with HDE226868,” Nature 235 (1971): 271–73. Статья с указанием точного положения источника рентгеновских лучей: L. L.E. Braes and G.K. Miley, “Detection of Radio Emission from Cygnus X-1,” Nature 232 (1971): 246.

   Из: Bruce Rolston, “The First Black Hole,” news release, University of Toronto, November 10, 1997, , .

   Канадская группа Rush, работающая в жанре прогрессив-рок, услышала о первой черной дыре вскоре после ее открытия и написала цикл песен «Cygnus Х-1», вошедший в два ее альбома, 1977 и 1978 гг. В этом аллегорическом сочинении исследователь проникает в черную дыру с криком: «Звук и ярость переполняют меня, разрывается каждый нерв». Во второй части цикла он находится за горизонтом событий в мире под названием Олимп, где встречает воюющие племена Аполлона, управляемые логикой, и племена Диониса, управляемые эмоциями. Апофеоз астрономии и рок-музыки случился на два года раньше, в 1975 г., когда Pink Floyd выпустили концептуальный альбом Wish You Were Here с композицией из девяти частей «Shine On You Crazy Diamond». Песня является двойной метафорой: с одной стороны, данью памяти человеку, который ярко горел, но рано ушел, с другой — аллюзией на белые карлики, состоящие из квазикристаллического углерода. «Твои глаза смотрят как черные дыры на небе», — пел Роджер Уотерс.

   Аналогией является ситуация с детскими качелями или качалкой-балансиром. Когда на концы качалки садятся два человека одного веса, они находятся в равновесии. Если сядут ребенок и взрослый, то взрослый должен сместиться ближе к середине, чтобы уравновесить ребенка. Это рычаг с центром равновесия работает так же, как орбита с центром масс. Когда массы резко различаются, как у планеты и звезды, вокруг которой она вращается, орбита звезды настолько мала, что она едва покачивается. Например, Юпитер, самая массивная планета Солнечной системы, заставляет Солнце покачиваться с периодом, равным 12-летнему орбитальному периоду Юпитера.

   Обычно орбиты являются эллиптическими, а не круговыми, но это усложнение не влияет на основу рассуждений. Скорость движения по орбите меняется по мере ее прохождения, но средняя скорость является такой же, что и при круговой орбите той же длины.

   Полное решение для двойной орбиты дает уравнение PK3/2πG = M sin3i/(1 + q)2, где Р — период, К — половина полной амплитуды изменения лучевой скорости, М — масса черной дыры, а q — соотношение массы компаньона и массы черной дыры.

   D. Sobel, The Glass Universe: How the Ladies of the Harvard Observatory Took the Measure of the Stars (New York: Viking, 2016).

   C. Brocksopp, A.E. Tarasov, V.M. Lyuty, and P. Roche, “An Improved Orbital Ephemeris for Cygnus X-1,” Astronomy and Astrophysics 343 (1998): 861–64.

   J. Ziolkowski, “Evolutionary Constraints on the Masses of the Components of the HDE226868/Cygnus X-1 Binary System,” Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 358 (2005): 851–59.

   J.A. Orosz et al., “The Mass of the Black Hole in Cygnus X-1,” Astrophysical Journal 724 (2011): 84–95.

   Это краткое обсуждение повлекло за собой десятки статей и тысячи часов наблюдений, возвысивших Лебедь Х-1 до звания эталонного кандидата в черные дыры. Потребовались годы, чтобы устранить погрешности наблюдения и отвергнуть другие модели. Например, чтобы обойтись без черной дыры, первые модели вводили систему тройных звезд из голубого сверхгиганта и тесной двойной системы, включающей звезду главной последовательности и нейтронную звезду. Постепенно выяснилось, что эти модели крайне маловероятны. См.: H.L. Shipman, “The Implausible History of Triple Star Models for Cygnus X-1: Evidence for a Black Hole,” Astrophysical Letters 16 (1975): 9–12.

   J. Ziolkowski, “Black Hole Candidates,” in Vulcano Workshop 2002, Frontier Objects in Astrophysics and Particle Physics, edited by F. Giovanelli and G. Mannocchi (Bologna: Italian Physical Society, 2003), 49–56, и J.E. McLintock and R.A. Remillard, “Black Hole Binaries,” in Compact Stellar X-Ray Sources, edited by W. H.G. Lewin and M. van der Klis (Cambridge, UK: Cambridge University Press, 2006), 157–214.

   Другой способ регистрации изолированных черных дыр основывается на их способности притягивать разреженный газ из межзвездной среды. Если этот газ нагревается, падая в черную дыру, он излучает спектр определенного вида в видимом диапазоне. Одно исследование перебрало почти 4 млн звездных источников из Слоуновского цифрового небесного обзора и выделило 40 из них подходящего цвета со слабым рентгеновским излучением. Ни один из претендентов не подтвердил статус черной дыры, и вердикт этому методу поиска черных дыр пока не вынесен.

   Темная материя — одна из величайших нерешенных проблем космологии. Движение звезд в галактиках всех типов свидетельствует о том, что они должны удерживаться вместе какой-то формой материи, не излучающей свет, но добавляющей до шести совокупных масс всех звезд. Исследования методом микролинзирования показали, что, по крайней мере в Млечном Пути, темная материя не может состоять из звездных остатков или субзвездных объектов. Инфракрасные наблюдения дополнительно исключили любые каменистые тела — от планет до пылинок. Лучшее оставшееся объяснение — неизвестная массивная, слабо взаимодействующая субатомная частица.

   L. Wyrzykowski, Z. Kostrzewa-Rutkowska, and K. Rybicki, “Microlensing by Single Black Holes in the Galaxy,” Proceedings of the XXXVII Polish Astronomical Society, 2016. Несмотря на сложность, микролинзирование — важное дополнение к статистическим данным о черных дырах двойных систем. Не найдены черные дыры в двойных системах менее 6 солнечных масс, а почти все нейтронные звезды имеют массы от одной до двух солнечных. Похоже, имеется «разрыв» в распределении масс звездных остатков от 2 до 6 солнечных масс, что, возможно, поставит под сомнение принятые ныне теории их формирования. К счастью, микролинзирование не подтверждает наличие разрыва.

   E.A. Poe, “A Descent into the Maelstrom” (1841), in The Collected Works of Edgar Allan Poe, edited by T.O. Mabbott (Cambridge, MA: Harvard University Press, 1978).

   Знаменитая американская дамба Гувера, введенная в действие в 1936 г., вырабатывает в 25 раз меньше электроэнергии и не входит в крупнейшие 50 электростанций мира по объемам производства энергии. Максимальную пиковую выработку дает спорная (по имеющимся и потенциальным негативным последствиям. — Прим. пер.) гидроэлектростанция «Три ущелья» в Китае, но по среднегодовой выработке ее слегка опережает «Итайпу».

   Момент импульса частицы — mvr: произведение массы частицы, ее скорости и расстояния до центра вращения. Сохранение момента импульса при орбитальном движении демонстрируется вторым законом Кеплера. Планета или комета, подходя ближе к Солнцу, движется быстрее, следовательно, уменьшение r компенсируется увеличением v, и произведение остается постоянным.

   Настоящие вычисления требуют привлечения общей теории относительности и некоторых приближений. Единственным более эффективным процессом выработки энергии является аннигиляция вещества и антивещества, при котором масса-энергия выделяется с эффективностью 100%. Однако это очень редкая ситуация во Вселенной, тогда как энергия аккреции выделяется всеми черными дырами в двойных системах. Полное описание см. в учебниках, например: J. Frank, A. King, and D. Raine, Accretion Power in Astrophysics, 3rd edition, (Cambridge, UK: Cambridge University Press, 2002).

   Вычисление характера потери момента импульса, которое позволяет веществу упасть в черную дыру, было большой проблемой. Ответ включает турбулентность и магнитные поля, пронизывающие аккреционный диск. Первая «стандартная» модель аккреционного диска, частично решившая проблему: N.I. Shakura and R.A. Sunyaev, “Black Holes in Binary Systems: Observational Appearance,” Astronomy and Astrophysics 24 (1973): 337–55. Прорыв связан с осознанием того, что магнитные поля могут в огромной мере усиливать перенос момента импульса; см.: S.A. Balbus and J.F. Hawley, “A Powerful Local Shear Instability in Weakly Magnetized Disks: I. Linear Analysis,” Astrophysical Journal 376 (1991): 214–33. Чтобы полностью смоделировать ситуацию, понадобились вычислительные возможности современных компьютеров. Трехмерные магнитогидродинамические расчеты относятся к числу самых сложных в астрофизике.

   D. Raghavan et al., “A Survey of Stellar Families: Multiplicity of Solar-Type Stars,” Astrophysical Journal Supplement 190 (2010): 1–42.

   Воображаемая поверхность, ограничивающая область вокруг одного из компонентов двойной системы, в которой вещество гравитационно привязано к этому компоненту, называется полостью Роша — в честь французского астронома и математика середины XIX в. В разделенной двойной системе каждая звезда имеет собственную полость Роша. В полуразделенной двойной системе «капли» соприкасаются, и масса может перетекать через точку соприкосновения, которая называется точкой Лагранжа — в честь итальянского астронома и математика середины XVIII в. В контактной двойной системе звезды имеют общую оболочку, и значительная часть массы является общей. Перенос массы между более удаленными друг от друга звездами возможен, если одна звезда массивна и является источником ветра: часть газа, разлетающегося во все стороны, будет падать на компаньона.

   D. Prialnik, “Novae,” in Encyclopedia of Astronomy and Astrophysics, edited by P. Murdin (London: Institute of Physics, 2001), 1846–56. Около десяти новых звезд появляется в Млечном Пути ежегодно. По большей части они зажигаются в масштабах времени от 1000 до 100 000 лет. Небольшое число эффектных новых вспыхивает в течение человеческой жизни, они достаточно яркие, чтобы быть видимыми без телескопа. Т Северной Короны, или «Вспыхивающая звезда», становилась одной из самых ярких звезд на небе в 1866 г. и в 1949 г., а RS Змееносца разгоралась настолько, что была видна невооруженным глазом пять раз за минувшее столетие, в последний раз в 2006 г.

   Этот сценарий может показаться малозначительной заумью, но является основным в современной астрономии. Некоторые сверхновые (типа II) возникают, когда умирает единичная массивная звезда, но их светимость очень сильно различается. Однако если сверхновая взрывается в двойной системе (так называемый тип Iа), то вещество поступает к белому карлику «порционно», упорядоченным образом, и светимость систем отличается всего на 15%. Такие сверхновые, будучи «стандартными бомбами», являются соответственно и «стандартными свечами», по которым можно измерять расстояние. Поскольку сверхновые могут быть яркими, как целая галактика, они видны за миллиарды световых лет. Сверхновые типа Iа помогли открыть ускорение расширения Вселенной и темную энергию в середине 1990-х гг.; эта работа была удостоена Нобелевской премии. См.: S. Perlmutter, “Supernovae, Dark Energy, and the Accelerating Universe,” Physics Today, April 2003, 53–60.

   K.A. Postnov and L.R. Yungelson, “The Evolution of Compact Binary Systems,” Living Reviews in Relativity 9 (2006): 6–107.

3. Сверхмассивные черные дыры

     Телескоп обошелся ему в $2000 — около $33 000 на сегодняшние деньги. Ребер все делал сам: клал цемент, работал с металлом и деревом, собирал электрическую часть и приемник, вел наблюдения, очищал данные и давал им астрономическую интерпретацию.

     Вследствие вращения Земли вокруг Солнца каждая звезда встает и садится на четыре минуты раньше с каждым днем. За год накапливается 24 часа, и все ночное небо описывает над нами круг. Поэтому звездное небо немного отличается от солнечного. Янский использовал это, чтобы показать, что его радиосигнал имеет внеземное происхождение, как и несколько десятилетий спустя Джоселин Белл в отношении пульсаров.

     K. Jansky, “Electrical Disturbances Apparently of Extraterrestrial Origin,” Proceedings Institute of Radio Engineers 21 (1933): 1837. Можно провести удивительную параллель со случайным открытием, сделанным через три десятилетия после обнаружения микроволнового реликтового излучения, оставшегося от Большого взрыва. В 1964 г. Арно Пензиас и Роберт Вильсон в Лабораториях Белла решали вопрос о применимости спутниковой связи на микроволнах. Отслеживая источники радиопомех своего радиоприемника, они обнаружили слабое остаточное «шипение» одинаковой силы во всех частях неба. Это было излучение всей Вселенной, охладившейся и ставшей разреженной вследствие расширения космического пространства. Это открытие не было проигнорировано Лабораториями Белла. В 1978 г. Пензиас и Вильсон получили за него Нобелевскую премию по физике.

     В честь первопроходца Янского единица плотности потока радиоизлучения была названа «янский», и он оказался в числе немногих пионеров изучения электричества, имена которых были присвоены единицам измерения: Ватт, Вольт, Ом, Герц, Ампер и Кулон. Янский умер в 1950 г. в 44 года от брайтовой болезни, приводящей к отказу почек. Ему не удалось увидеть стремительное развитие научного области, родоначальником которой он стал.

     Цит. в: W.T. Sullivan, ed., Classics of Radio Astronomy (Cambridge, UK: Cambridge University Press, 1982).

     Эту историю рассказывает Джон Краус в: Big Ear (Delaware, OH: Cygnus-Quasar Books, 1994), и в: J.D. Kraus, “Grote Reber, Founder of Radio Astronomy,” Journal of the Royal Astronomical Society of Canada 82 (1988): 107–13.

     G. Reber, “Cosmic Static,” Astrophysical Journal 100 (1944): 279. См. также комментарий, написанный для сотого номера журнала: K.I. Kellerman, “Grote Reber’s Observations of Cosmic Static,” Astrophysical Journal 525 (1988): 371–72.

     Kraus, “Grote Reber, Founder of Radio Astronomy”.

     В спектроскопии длина волны спектральных линий соответствует химическим элементам и указывает на химический состав вещества, а физическое состояние газа определяет тип линий. Если более холодный газ находится вокруг более горячего источника энергии, как во внешней оболочке звезды, наблюдаются линии поглощения. Именно их увидел Фраунгофер в спектре Солнца в начале 1800-х гг. Линии излучения возникают, как правило, в разреженном горячем газе. Большая ширина спектральных линий указывает, что газ, в котором они рождаются, движется с большими скоростями. Это признак исключительно мощного источника энергии.

   S.J. Dick, Discovery and Classification in Astronomy: Controversy and Consensus (Cambridge, UK: Cambridge University Press, 2013).

   Мне посчастливилось воспользоваться 2,5-метровым телескопом обсерватории Маунт-Вилсон за год до того, как его законсервировал Институт Карнеги. Все более яркие огни Лос-Анджелеса за несколько лет до этого сделали его неконкурентоспособным, но было восхитительно работать с телескопом, 30 лет являвшимся самым большим в мире — тем самым, с помощью которого Эдвин Хаббл доказал, что галактики находятся очень далеко от Млечного Пути и что Вселенная является огромной и расширяется. Я помню ряд деревянных шкафчиков за северным столбом-опорой, на одном из которых значится имя Хаббла — тщательно выгравированное на медной пластинке. Возможно, Хаббл оставил в нем свой ланч? На полу купола, под ногами, я увидел капли ртути. Подшипники телескопа плавают на ртути, и она протекает; за долгие годы из-за частых контактов с ней умерло несколько сотрудников. Во времена Хаббла наблюдатели работали несколько часов, делали перерыв на ужин, за которым следовал портвейн и сигара, затем возобновляли труды. Ужин в обсерватории Маунт-Вилсон был традиционным и официальным. На вершине горы старший астроном садился во главе стола, остальные штатные астрономы — рядом с ним, студенты и постдоки вроде меня — на дальнем конце. Ужин подавал блистательный, но вспыльчивый французский шеф-повар, открывший несколько ресторанов в окрестностях Лос-Анджелеса, но все они разорились, потому что он ссорился с клиентами и спонсорами. Обсерватория Маунт-Вилсон стала бы идеальным пристанищем для творческого социопата. Еда была великолепная, но такая сытная, что я чуть не засыпал на ходу, а ночь все тянулась. Чтобы взбодриться, я поднялся на лестницу, которая опоясывала купол в три пролета. Над головой мерцали звезды, а внизу сияющей сетью расстилались огни города.

   C.K. Seyfert, “Nuclear Emission in Spiral Galaxies,” Astrophysical Journal 97 (1943): 28–40.

   Райл и Ловелл были физиками, прекрасно понимавшими возможности методов радионаблюдений — открывалось новое окно во Вселенную. Они легко преодолели разрыв между инженерной и научной «культурами», и каждый из них организовал в одном из ведущих университетов исследовательскую группу, превратив радиоастрономию в еще одну ветвь астрономии. Специалист по военным радарам Роберт Дикке создал исследовательскую группу в МТИ, но радиоастрономия удивительно медленно приживалась в Соединенных Штатах, на родине Янского и Ребера.

   Вклад Руби Пэйн-Скотт описан в кн.: M. Goss, Making Waves: The Story of Ruby Payne-Scott, Australian Pioneer Radio Astronomer (Berlin: Springer, 2013). Начало истории радиоастрономии превосходно раскрывается в кн.: W.T. Sullivan III, Cosmic Noise: A History of Early Radio Astronomy (Cambridge, UK: Cambridge University Press, 2009).

   Когда Райл и другие ученые продемонстрировали, что в действительности излучение Лебедя А является неизменным, а наблюдаемая переменность вызвана отклонением радиоволн облаками ионизированного газа в верхних слоях земной атмосферы, это привело ученый мир в еще большее недоумение. Но так и не было покончено с гипотезой «радиозвезды», потому что в оптическом диапазоне звезды мерцают, а планеты нет. Это объясняется тем, что звезды являются точечными источниками, а планеты — дискообразными и мерцание планеты для земного наблюдателя размывается. По той же логике, если Лебедь А мерцает, он должен быть точечным или по крайней мере иметь маленький угловой размер.

   B. Lovell, “John Grant Davies (1924–1988),” Quarterly Journal of the Royal Astronomical Society 30 (1989): 365–69.

   Действительная формула имеет вид θ = 1,22 (λ/D), где θ — угловое разрешение в радианах, λ — длина волны наблюдения, D — диаметр телескопа (в тех же единицах измерения).

   Метод является радиоаналогом интерферометра Майкельсона или опыта Янга с двойной щелью. Представьте источник, расположенный точно в зените двух радиотелескопов. Длина пути волн к каждой тарелке одинакова, поэтому, когда эти волны соединяются, они вызывают увеличение амплитуды. По мере движения источника разница между путями изменяется; когда она составляет половину длины волны, два сигнала при наложении нейтрализуются. Таким образом, при движении источника возникает интерференционный рисунок из сильных и слабых сигналов. Ширина интерференционных полос определяется расстоянием между двумя тарелками, поэтому положение источника можно установить с высокой точностью. Группа радиоастрономов из Австралии предложила оригинальную версию этого метода. Антенну поместили на прибрежную скалу и обратили на восток. Когда радиоисточник восходил, то радиоизлучение поступало на антенну как напрямую под малым углом, так и по чуть более длинному пути, отражаясь от поверхности моря. Антенна и ее «зеркальное отражение» являлись двумя элементами интерферометра.

   Цит. в предисловии редактора к кн.: Quasi-Stellar Sources and Gravitational Collapse: Proceedings of the First Texas Symposium on Relativistic Astrophysics, edited by I. Robinson, A. Schild, and E.L. Schucking (Chicago: University of Chicago Press, 1965).

   Цит. в кн.: J. Pfeiffer, The Changing Universe (London: Victor Gollancz, 1956).

   A. Alfven and N. Herlofson, “Cosmic Radiation and Radio Stars,” Physical Review 78 (1950): 616. Другие ранние статьи: G.R. Burbidge, “On Synchrotron Radiation from Messier 87,” Astrophysical Journal 124 (1956): 416–29; V.L. Ginzburg and I.S. Syrovatskii, “Synchrotron Radiation,” Annual Reviews of Astronomy and Astrophysics 3 (1965): 297–350.

   Чтобы связать сильные радиоисточники с оптическими компонентами, пришлось преодолеть серьезные технические проблемы. Разные радиообзоры не всегда одинаково оценивают силу и даже существование конкретного источника. Угловые размеры радиоисточников разнятся от десятков угловых минут до нескольких угловых секунд, и то, что увидит интерферометр, зависит от количества элементов массива и дистанции между ними, а также от частоты, на которой ведется наблюдение. Кроме того, количество радиоисточников в любой области неба довольно быстро возрастает с уменьшением радиопотока. Это значит, что могут иметься множественные источники вблизи предела регистрации, «притворяющиеся» одним, более сильным. Это так называемый «предел путаницы» (confusion limit) исследования.

   C. Hazard, M.B. Mackey, and A.J. Shimmins, “Investigation of the Radio Source 3C273 by the Method of Lunar Occultations,” Nature 197 (1963): 1037–39; M. Schmidt, “3C273: A Star-like Object with Large Redshift,” Nature 197 (1963): 1040; J.B. Oke, “Absolute Energy Distribution in the Optical Spectrum of 3C273,” Nature 1987 (1963): 1040–41; J.L. Greenstein and T.A. Matthews, “Redshift of the Unusual Radio Source: 3C48,” Nature 197 (1963): 1041–42. Современный обзор хронологии: C. Hazard, D. Jauncey, W.M. Goss, and D. Herald, “The Sequence of Events that led to the 1963 Publications in Nature of 3C273, the first Quasar and the first Extragalactic Radio Jet,” in Proceedings of IAU Symposium 313, edited by F. Massaro et al. (Dordrecht: Kluwer, 2014).

   Интервью с Мартеном Шмидтом по поводу 50-й годовщины его открытия: .

   В действительности и австралийский радиоастроном Джон Болтон, и американский астроном Алан Сэндидж имели в 1960 г. спектр 3С 48 — и оба упустили реальную возможность открыть первый квазар на три года раньше Шмидта.

   Космологическое красное смещение является иным физическим явлением, чем доплеровское смещение. Доплеровское смещение возникает, когда волна распространяется в среде и источник волны движется относительно наблюдателя. Типичный пример — сирена, звук которой повышается, когда полицейская машина приближается, и понижается, когда машина удаляется. Космологическое красное смещение не требует среды, поскольку изменение длины волны вызывается расширением пространственно-временного континуума повсеместно во Вселенной.

   Космология распространяет принцип Коперника, согласно которому мы не занимаем особого положения в Солнечной системе, на всю Вселенную. Это фундаментальное допущение современной космологии, до сих пор не опровергнутое ни одним наблюдением. Галактики возле Млечного Пути не выглядят сколько-нибудь отличающимися или иначе распределенными в сравнении с галактиками в дальних областях Вселенной (за исключением эволюционных эффектов).

   Закон Хаббла: v = H0D, где v — скорость удаления, D — расстояние, а коэффициентом пропорциональности является постоянная Хаббла, или нынешняя скорость расширения Вселенной. Приблизительное значение малого красного смещения, выраженное в скорости удаления и скорости света, — z = v/c. Точная релятивистская формула: z = √(1 + v/c) / (1 — v/c).

   M. Schmidt, “Large Redshifts of Five Quasi-Stellar Sources,” Astrophysical Journal 141 (1965): 1295–1300.

   F. Zwicky and M.A. Zwicky, Catalogue of Selected Compact Galaxies and of PostEruptive Galaxies (Guemligen, Switzerland: Zwicky, 1971). Статья, ставшая причиной спора: A. Sandage, “The Existence of a Major New Constituent of the Universe: The Quasi-Stellar Galaxies,” Astrophysical Journal 141 (1965): 1560–68. Случай описан в статье: K.I. Kellerman, “The Discovery of Quasars and its Aftermath” Journal of Astronomical History and Heritage 17 (2014): 267–82.

   Следующий этап строительства гигантских телескопов отличался такой же яростной конкуренцией, что и текущий. Каждый из планируемых к постройке 20-метровых и бóльших телескопов оценивается минимум в миллиард долларов. Гигантский Магелланов Телескоп оказался в выгодном положении, поскольку пять из семи зеркал уже имелись в Аризонском университете, а выравнивание вершины горы и строительство началось в Чили. Проект Калтеха по созданию 30-метрового телескопа остановился из-за протестов гавайских активистов-аборигенов на Мауна Кеа, но теперь к нему вернулись. В Чили отправится и 39-метровый телескоп Европейской Южной обсерватории, и этот проект хорошо финансируется благодаря международному соглашению большинства европейских партнеров. Темной лошадкой в гонке является Китай, который может перепрыгнуть через класс 8–10 м и построить гигантский телескоп на Тибетском плато.

   Вычисления Сейферта были представлены в: L. Woltjer, “Emission Nuclei in Galaxies,” Astrophysical Journal 130 (1959): 38–44. Расчет энергии радиогалактик был представлен в: G. Burbidge, “Estimates of the Total Energy and Magnetic Field in the Non-Thermal Radio Sources,” Astrophysical Journal 129 (1959): 849–52.

   V. Ambartsumian, “On the Evolution of Galaxies,” in The Structure and Evolution of the Universe, edited by R. Stoops (Brussels: Coudenberg, 1958), 241–74.

   E. Salpeter, “Accretion of Interstellar Matter by Massive Objects,” Astrophysical Journal 140 (1964): 796–800; Ya.B. Zeldovich, “On the Power Source for Quasars,” Soviet Physics Doklady 9 (1964): 195–205.

   Главными сторонниками идеи некосмологического красного смещения в 1960-х и на протяжении 1970-х гг. были Хэлтон Арп и Билл Тиффт со стороны наблюдений и Фред Хойл и Джефф Бербидж со стороны теории. Противостояние «на поле» красного смещения квазаров вызывало бурные и непримиримые дебаты на конференциях. В значительной мере полемика улеглась к 1980-м гг. с принятием космологической интерпретации, но даже сейчас некоторые исследователи утверждают, что квазары не находятся на тех расстояниях, о которых говорят их красные смещения. С аргументами наблюдателей можно познакомиться в: H.C. Arp, “Quasar Redshifts,” Science 152 (1966): 1583, теоретиков — G. Burbidge and F. Hoyle, “The Problem of the Quasi-Stellar Objects,” Scientific American 215 (1966): 40–52.

   Все радиоизлучение объясняется синхротронным излучением с эмиссией электронов в горячей, но разреженной плазме. Перенос энергии должен быть очень эффективным, чтобы выйти так далеко за пределы Галактики. Пузыри являются местами, где релятивистские частицы «врезаются» в разреженную межгалактическую среду, часто создавая горячие точки усиленного излучения. Горячая плазма пронизана магнитными полями, что означает, что радиоизлучение имеет линейную поляризацию.

   D.S. De Young, The Physics of Extragalactic Radio Sources (Chicago: University of Chicago Press, 2002).

   Статьи об открытии: A.R. Whitney et al., “Quasars Revisited: Rapid Time Variations Observed Via Very Long Baseline Interferometry,” Science 173 (1971): 225–30; M.H. Cohen et al., “The Small Scale Structure of Radio Galaxies and Quasi-Stellar Sources at 3.8 Centimeters,” Astrophysical Journal 170 (1971): 207–17. Видимое движение со сверхсветовой скоростью было предсказано на основе теоретических рассуждений пятью годами раньше в статье: M.J. Rees, “Appearance of Relativistically Expanding Radio Sources,” Nature 211 (1966): 468–70.

   A.-K. Baczko et al., “A Highly Magnetized Twin-Jet Base Pinpoints a Supermassive Black Hole,” Astronomy and Astrophysics 593 (2016): A47–58.

   Области ионизованного водорода вокруг молодых горячих звезд также являются источником сильных эмиссионных линий, но линии в спектрах галактик Сейферта требуют большего количества ультрафиолетового излучения, чем могут дать молодые звезды. Галактики Сейферта с очень широкими эмиссионными линиями, указывающими на движение газа со скоростью до 5% световой, относят к типу 1, а галактики с более узкими эмиссионными линиями относят к типу 2. Сейфертовские галактики типа 1 обычно ярче галактик типа 2. Имеется даже промежуточный тип «Сейферт 1,5», где эмиссионные линии имеют слабые широкие крылья, наложенные на яркие узкие пики. Астрономы также обнаружили разновидность галактик со слабовозбужденными линиями излучения в ядрах — LINER. Они более активны, чем нормальные галактики, но менее активны, чем сейфертовские. Как видите, классификация активных галактик сложна и запутана.

   Такие наблюдения «родительских галактик» квазаров в 1990-х гг. помогли покончить с представлениями о красных смещениях квазаров как некосмологических. Наблюдался непрерывный спектр активных ядер от относительно спокойных ближних до очень далеких и ярких, и данные согласовывались с предположением об их нахождении в галактиках, удаленных на расстояния, на которые указывает красное смещение в расширяющейся Вселенной. Тем временем некоторые свидетельства в пользу некосмологического красного смещения исчезли. Отсутствовало преобладание красных смещений определенных значений, распределение было гладким, а кажущиеся ассоциации квазаров с большим красным смещением и галактик с малым красным смещением оказались совпадениями, не указывающими на физическую связь между ними.

   R.D. Blandford and M.J. Rees, “Some Comments on the Radiation Mechanism in Lacertids,” in Pittsburgh Conference on BL Lac Objects, edited by A.M. Wolfe (Pittsburgh: University of Pittsburgh, 1978).

   C.S. Bowyer et al., “Detection of X-Ray Emission from 3C273 and NGC5128,” Astrophysical Journal 161 (1970): L1–L7.

   Первое высокочувствительное исследование рентгеновского излучения квазаров: H. Tananbaum et al., “X-Ray Studies of Quasars with the Einstein Observatory,” Astrophysical Journal 234 (1979): L9–13. Грег Шилдс первым предположил, что источником УФ-излучения квазаров является аккреционный диск: G.A. Shields, “Thermal Emission from Accretion Disks in Quasars,” Nature 272 (1978): 706–08. Мэтт Малкан первым построил подробные модели аккреционного диска: M.A. Malkan, “The Ultraviolet Excess of Luminous Quasars: II. Evidence for Massive Accretion Disks,” Astrophysical Journal 268 (1983): 582–90.

   D.B. Sanders et al., “Continuum Energy Distribution of Quasars — Shapes and Origins,” Astrophysical Journal 347 (1979): 29–51.

   IceCube Collaboration, “Neutrino emission from the Direction of the Blazar TXS0506 + 056 Prior to the IceCube-170922A Alert,” Science 361 (2018), 147–51.

   Я писал диссертацию о блазарах, которыми увлекся, потому что они обеспечивали лучшую видимость центрального водоворота. К каждому сеансу я готовил «актуальный список» из нескольких десятков объектов, и наблюдение за ними через малые телескопы выявило признаки необычной активности. Иногда объект оказывался пустышкой, пятнышком света, мелким, как мельничный пруд. В других случаях обнаруживалась центральная черная дыра, объедавшаяся газом и звездами и исторгавшая высокоэнергетическое излучение и электроны, распространяющиеся со скоростью 99,999% скорости света. Как вымышленного рассказчика из новеллы Эдгара По, меня притягивала пугающая красота глубокого и беспощадного гравитационного колодца.

   M.A. Orr and I. W.A. Browne, “Relativistic Beaming and Quasar Statistics,” Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 200 (1982): 1067–80. Если релятивистский джет направлен близко к лучу зрения, его поток легко может увеличиться в 1000 раз. Противоположный джет быстро движется прочь от наблюдателя, поэтому происходит его ослабление; в результате наблюдатель видит односторонний джет. Распространяющееся радиоизлучение не является частью релятивистского джета, и потому его поток не затронут этим эффектом.

   Развитие этой идеи можно проследить по двум статьям, вышедшим с интервалом более 20 лет: R.J. Antonucci, “Unified Models for Active Galactic Nuclei and Quasars,” Annual Reviews of Astronomy and Astrophysics 31 (1993): 473–521; H. Netzer, “Revisiting the Unified Model of Active Galactic Nuclei,” Annual Reviews of Astronomy and Astrophysics 53 (2015): 365–408.

4. Гравитационные двигатели

     Самым знаменитым изображением этого мифа является картина Тинторетто «Происхождение Млечного Пути» (1575), хранящаяся в Национальной галерее в Лондоне. По большей части в западных странах люди живут в крупных городах и их пригородах, и световое загрязнение заслоняет им Млечный Путь. Я опрашиваю миллениалов, посещающих большой курс, который читаю в Аризонском университете: обычно только 10% из них когда-либо видели Млечный Путь.

     Z.M. Malkin, “Analysis of Determinations of the Distance between the Sun and the Galactic Center,” Astronomy Reports 57 (2013): 128–33.

     W.M. Goss, R.L. Brown, and K.Y. Lo, “The Discovery of Sgr A*,” in “Proceedings of the Galactic Center Workshop — The Central 300 Parsecs of the Milky Way,” Astronomische Nachrichen, supplementary issue 1 (2003): 497–504.

     M.J. Rees, “Black Holes,” Observatory 94 (1974): 168–79.

     Инфракрасные датчики часто создавались для военных целей — например, для отображения места боевых действий в ночное время и отслеживания целей по тепловому излучению, что замедлило внедрение датчиков в гражданской и исследовательской сферах. Кроме того, инфракрасное изображение должно работать с тепловым фоном, в миллионы раз более мощным, чем оптическое излучение ночного неба. История вопроса: G.H. Rieke, “History of Infrared Telescopes and Astronomy,” Experimental Astronomy 125 (2009): 125–41. История разработки датчиков: A. Rogalski, “History of Infrared Detectors,” Opto-Electronics Review 20 (2012): 279–308. Оптическая астрономия совершила большой рывок в конце 1970-х гг., когда приборы с зарядовой связью (ПЗС) были перемещены из исследовательских лабораторий в обсерватории.

     Скучивание изображений в области плотного расположения звезд или ровное распределение света в изображении галактики возникает, когда изображения существенно превышают размеры самих звезд. Проходя через атмосферу Земли, свет звезд существенно размывается независимо от размера источника света. Звезды в нашей части Млечного Пути отдалены друг от друга и почти никогда не сталкиваются; расстояние между ними в миллионы раз больше их размера. Даже в центральной области Млечного Пути интервалы между звездами в десятки тысяч раз больше их самих, и их слияния почти никогда не происходят.

     Немецкая группа: A. Eckart and R Genzel, “Observations of Stellar Proper Motions Near the Galactic Centre,” Nature 383 (1996): 415–17; A. Eckart and R. Genzel, “Stellar Proper Motions in the Central 0.1 pc of the Galaxy,” Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 28 (1997): 576–98. Американская группа: A.M. Ghez, B.L. Klein, M. Morris, and E.E. Becklin, “High Proper Motion Stars in the Vicinity of Sagittarius A*: Evidence for a Supermassive Black Hole at the Center of our Galaxy,” Astrophysical Journal 509 (1998): 678–86.

     Цит. в: .

     Райнхард Генцель объясняет, почему так важно, чтобы в непосредственной близости имелась массивная черная дыра, которая в тысячи раз ближе любой другой активной галактики или квазара: «Центр нашей Галактики — это уникальная лаборатория, где мы можем изучать фундаментальные процессы сильной гравитации, звездной динамики и звездообразования, в высшей степени актуальные для ядер всех остальных галактик, причем с уровнем детализации, который никогда не будет доступен за пределами нашей Галактики». Цит. в: .

   Неуверенность Андреа Гез как молодого ученого давно осталась в прошлом. Теперь Андреа — суперзвезда и образец для подражания среди молодых женщин, занимающихся астрономией. Гез не было и 40 лет, когда ее избрали в Национальную академию наук, в 2008 г. она получила стипендию Макартура, считающуюся «призом для гениев». Слава никак на нее не повлияла, и она охотно рассказывает, что получает такое же удовольствие от науки, как в раннем детстве, когда она собирала пазлы: «Научные исследования — чудесная стезя, ведь стоит начать работать над одним вопросом, находишь не только ответ, но и новые загадки. Думаю, это мной и движет, всегда есть вопросы без ответов, новые загадки».

   F. Roddier, Adaptive Optics in Astronomy (Cambridge, UK: Cambridge University Press, 2004).

   A.M. Ghez et al., “Measuring Distance and Properties of the Milky Way’s Supermassive Black Hole with Stellar Orbits,” Astrophysical Journal 689 (2008): 1044–62; and S. Gillesen et al., “Monitoring Stellar Orbits Around the Massive Black Hole in the Galactic Center,” Astrophysical Journal 692 (2009): 1075–1109.

   S. Gillesen et al., “A Gas Cloud on its Way Towards the Supermassive Black Hole in the Galactic Centre,” Nature 481 (2012): 51–54.

   S. Doeleman et al., “Event-Horizon Scale Structure in the Supermassive Black Hole Candidate at the Galactic Centre,” Nature 455 (2008): 78–80.

   A. Boehle et al., “An Improved Distance and Mass Estimate for Sgr A* from Multistar Orbit Analysis,” Astrophysical Journal, 830 (2016): 17–40.

   M. Schmidt, “The Local Space Density of Quasars and Active Nuclei,” Physica Scripta 17 (1978): 135–36.

   D. Lynden-Bell, “Galactic Nuclei as Collapsed Old Quasars,” Nature 223 (1969): 690–94.

   Формула радиуса сферы гравитационного влияния: Rg = GM/v2, где М — масса черной дыры, а v — дисперсия, или разброс скоростей звезд в пределах этой сферы, обусловленный как черной дырой, так и самими звездами. На основании наблюдаемых масштабных соотношений между массой черной дыры и распределением скоростей звезд получаем Rg ≈ 35 (M/109)1/2 парсек.

   Объединяя формулу радиуса сферы гравитационного влияния Rg = GM/v2 с формулой радиуса Шварцшильда RS = GM/c2, получаем Rg/RS = (c/v)2, что составляет около 106 для массивной галактики, где v = 200–300 км/c.

   R.F. Zimmerman, The Universe in a Mirror: The Saga of the Hubble Space Telescope and the Visionaries Who Built It (Princeton: Princeton University Press, 2010).

   Я работал с телескопом «Хаббл», когда он впервые был запущен в космос, и еще много раз в дальнейшем. «Работал» не следует понимать буквально — даже опытные астрономы не могут позволить себе двигать телескоп туда-сюда и смотреть, как в поле зрения появляются тусклые галактики. При стоимости $8 млрд это слишком дорогое оборудование, и риск вызвать его сбой из-за неосторожного пользователя должен быть исключен. После распределения орбит, сопровождающегося яростной конкуренцией, астрономы подают свои списки объектов, и компьютерный алгоритм согласовывает их, так чтобы свести к минимуму расход энергии, изменения инструмента и время на развороты телескопа. Через несколько недель обработанные данные можно скачать с защищенного сайта. Никакой романтики!

   Сложности и тонкости неизбежны. Галактики — трехмерные объекты, трехмерные движения тел в пространстве проецируются на двумерную плоскость неба, а щель спектрографа дает лишь одномерный срез дисперсии скоростей. В результате необходимо строить модели на основе данных, делать в ходе анализа различные допущения. По-разному ориентируя щель, можно приблизиться к двумерной карте скоростей, но для этого нужно тратить на каждую галактику много вожделенного времени работы телескопа.

   L. Ferrarese and D. Merritt, “Supermassive Black Holes,” Physics World 15 (2002): 4–46; and L. Ferrarese and H. Ford, “Supermassive Black Holes in Galactic Nuclei: Past, Present, and Future,” Space Science Reviews 116 (2004): 523–624.

   R. Bender et al., “HST STIS Spectroscopy of the Triple Nucleus of M31: Two Nested Disks in Keplerian Motion around a Supermassive Black Hole,” Astrophysical Journal 631 (2005): 280–300.

   R. P. van der Marel, P. T. de Zeeuw, H.-W. Rix, and G.D. Quinlan, “A Massive Black Hole at the Center of the Quiescent Galaxy M32,” Nature 385 (1997): 610–12.

   K. Gebhardt and J. Thomas, “The Black Hole Mass, Stellar Mass-to-Light Ratio, and Dark Halo in M87,” Astrophysical Journal 700 (2009): 1690–1701.

   M.C. Begelman, R.D. Brandford, and M.J. Rees, “Theory of Extragalactic Radio Sources,” Reviews of Modern Physics 56 (1984): 255–351.

   R.D. Blandford, H. Netzer, and L. Woltjer, Active Galactic Nuclei (Berlin: Springer, 1990).

   M.C. Begelman and M.J. Rees, “The Fate of Dense Stellar Systems,” Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 185 (1978): 847–60; and M.C. Begelman and M.J. Rees, Gravity’s Fatal Attraction: Black Holes in the Universe (Cambridge, UK: Cambridge University Press, 2009).

   P. Khare, “Quasar Absorption Lines: an Overview,” Bulletin of the Astronomical Society of India 41 (2013): 4–60.

   W. L.W. Sargent, “Quasar Absorption Lines and the Intergalactic Medium,” Physica Scripta 21 (1980): 753–58.

   D.H. Weinberg, R. Dave, N. Katz, and J. Kollmeier, “The Lyman-Alpha Forest as a Cosmological Tool,” in The Emergence of Cosmic Structure, AIP Conference Series 666, edited by S. Holt and C. Reynolds, 2003, 157–69.

   Теория линзирования предполагает получение определенного количества странных изображений, частью увеличенных, частью уменьшенных. Самая распространенная геометрия линзирования дает пару увеличенных изображений и одно уменьшенное, обычно слишком тусклое и не вполне различимое, поэтому просматривается пара изображений. Если линзируемый объект имеет сложное распределение массы, то возможно возникновение большего количества дополнительных изображений: астрономы наблюдали линзированные квазары, повторенные четыре, шесть и даже десять раз. Обзор возникающих феноменов см. в: T. Sauer, “A Brief History of Gravitational Lensing,” Einstein Online, Volume 4, 2010, .

   Британский телескоп Шмидта хорошо описал бывший сотрудник Фред Уотсон: Stargazer: Life and Times of the Telescope (London: Allen and Unwin, 2004). См. также резюме: .

   M. Miyoshi et al., “Evidence for a Black Hole from High Rotation Velocities in a SubParsec Region of NGC4258,” Nature 373 (1995): 127–29.

   A.J. Baarth et al., “Towards Precision Black Hole Masses with ALMA: NGC1332 as a Case Study in Molecular Disk Dynamics,” Astrophysical Journal 823 (2016): 5–73.

   B.M. Peterson, “The Broad Line Region in Active Galactic Nuclei,” Lecture Notes in Physics vol. 693 (Berlin: Springer, 2006), 77–100.

   Чтобы надежно оценить массу, нужно учесть много нюансов и преодолеть много сложностей. Быстро движущийся газ, дающий эмиссионные линии, собран в облака, а не распределен равномерно, и облака, имеющие разную плотность и находящиеся на разном расстоянии от черной дыры, генерируют разные эмиссионные линии. Геометрия газа влияет на время запаздывания сигнала. Например, газ, образующий кольцо, имеет параболическую поверхность постоянного времени запаздывания. При более сложной трехмерной геометрии газа усложняется и анализ. Неравномерное распределение переменности, обусловленной превратностями погоды и расписанием работы телескопа, добавляет проблем. До 100 астрономов могут участвовать в одной из таких интенсивных программ по составлению карты отражений, и все ради получения массы нескольких черных дыр.

   M.C. Bentz et al., “NGC5548 in a Low-Luminosity State: Implications for the BroadLine Region,” Astrophysical Journal 662 (2007): 205–12.

   B.M. Peterson and K. Horne, “Reverberation Mapping of Active Galactic Nuclei,” in Planets to Cosmology: Essential Science in the Final Years of the Hubble Space Telescope, edited by M. Livio and S. Casertano (Cambridge, UK: Cambridge University Press, 2004).

   Обзор методов: B.M. Peterson, “Measuring the Masses of Supermassive Black Holes,” Space Science Review 183 (2014): 253–75. Большое количество данных представлено в: A. Refiee and P.B. Hall, “Supermassive Black Hole Mass Estimates Using Sloan Digital Sky Survey Quasar Spectra at 0.7 < z < 2,” Astrophysical Journal Supplements 194 (2011): 42–58.

   Для сравнения, мировое потребление энергии составляет около 20 ТВт, что в 1026 раз меньше энергии, выделяемой квазаром.

   J. Updike, “Ode to Entropy,” in Facing Nature (New York: Knopf, 1985).

   В физике существует фундаментальное различие между тепловыми и нетепловыми процессами. В тепловом процессе физическая система находится в равновесии и имеет специфическую температуру. В этом случае она испускает излучение абсолютно черного тела в широком интервале длин волн, но с четко выраженным пиком, длина волны которого обратно пропорциональна температуре (закон Вина). Если процесс нетепловой, физическая система не уравновешена и не имеет специфической температуры. Она излучает в широком диапазоне, и энергия в спектре обычно распределена по степенному закону. Примером нетеплового излучения является синхротронное излучение активных галактик и квазаров.

   A. Prieto, “Spectral Energy Distribution Template of Redshift-Zero AGN and the Comparison with that of Quasars,” in Astronomy at High Angular Resolution, Journal of Physics Conference Series, vol. 372 (London: Institute of Physics, 2012), 1–5.

   X. Barcons, The X-Ray Background (Cambridge, UK: Cambridge University Press, 1992).

   A. Moretti et al., “Spectrum of the Unresolved Cosmic X-Ray Background: What is Unresolved 50 Years after its Discovery?” Astronomy and Astrophysics 548 (2012): 87–99.

   Некоторые самые распространенные заблуждения подробно разбирает Фил Плейт, он же «Плохой астроном», в своем блоге для Discover, .

5. Жизнь черных дыр

     B.J. Carr and S. Hawking, “Black Holes in the Early Universe,” Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 168 (1974): 399–415.

     Планковское время относится к системе единиц, часто использующейся в физике частиц и космологии, где измерения полностью даются в фундаментальных постоянных, а не изобретенных человеком конструктах. При расчетах в планковских единицах принято присваивать физическим константам значение 1. Планковские единицы описывают ситуацию, когда невозможно объединить стандартную квантовую теорию и общую теорию относительности и необходима квантовая теория гравитации. Это происходит при планковской энергии 1019 ГэВ.

     В качестве альтернативы гипотетической темной материи можно было бы утверждать, что закон тяготения Ньютона некорректен. Если сила гравитации не строго обратно пропорциональна квадрату расстояния, можно обойтись и без темной материи. Однако за это придется дорого заплатить. Закон тяготения Ньютона является предпосылкой объяснения слабой гравитации в Солнечной системе и за ее пределами, и его изменение уничтожает симметрию и стройность теории. Разрабатывались альтернативные теории гравитации, но ни одна не отвечает высоким стандартам, заданным теорией Ньютона. Астрономы согласились считать темную материю главным компонентом Вселенной, и на выяснение ее природы направлены большие усилия.

     P. Pani and A. Loeb, “Exclusion of the Remaining Mass Window for Primordial Black Holes as the Dominant Constituent of Dark Matter,” Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, issue 6 (2014): 26.

     S. Singh, Big Bang: The Origin of the Universe (New York: Harper Perennial, 2005).

     J. Miralda-Escude, “The Dark Age of the Universe,” Science 300 (2003): 1904–09.

     A. Loeb, “The Habitable Epoch of the Early Universe,” International Journal of Astrobiology 13 (2014): 337–39.

     Хотя астрономы не знают физической природы темной материи, имеется большое количество свидетельств существования невидимой массы повсюду во Вселенной и того, что масса удерживает галактики от распада. Если исключить из модели темную материю, моделирование процессов структурообразования не дает ничего похожего на настоящую Вселенную. Это должна быть «холодная темная материя», где «холодная» означает, что во время формирования стабильных атомов частицы двигались с нерелятивистскими скоростями (в противном случае структуры разрушались бы). Основополагающая статья: G.R. Blumenthal et al., “Formation of Galaxies and Large-Scale Structures with Cold Dark Matter,” Nature 31 (1984): 517–25.

     V. Bromm et al., “Formation of the First Stars and Galaxies,” Nature 459 (2009): 49– 54; and A. Loeb, How Did the First Stars and Galaxies Form (Princeton: Princeton University Press, 2010).

   D.G. York et al., “The Sloan Digital Sky Survey: Technical Summary,” Astronomical Journal 120 (2000): 1579–87.

   E. Chaffau et al., “A Primordial Star in the Heart of the Lion,” Astronomy and Astrophysics 542 (2012): 51–64.

   G. Schilling, Flash! The Hunt for the Biggest Explosions in the Universe (Cambridge, UK: Cambridge University Press, 2002).

   R.W. Klebasadel, I.B. Strong, and R.A. Olsen, “Observations of Gamma Ray Bursts of Cosmic Origin,” Astrophysical Journal Letters 182 (1973): L85–89.

   J.S. Bloom et al., “Observations of the Naked Eye GRB080319B: Implications of Nature’s Brightest Explosion,” Astrophysical Journal 691 (2009): 723–37.

   N. Tanvir et al., “A Gamma Ray Burst at a Redshift of z = 8.2,” Nature 461 (2009): 1254–57.

   Для охоты за гамма-всплесками нужна сеть телескопов, чтобы самый большой из них в условиях хорошей погоды мог искать оптический компонент. Это захватывающая, но малопродуктивная работа. Из более чем 5000 гаммавсплесков за последние 15 лет менее 20 наблюдались достаточно оперативно или имели достаточно яркий оптический компонент, что дает возможность измерить красное смещение.

   N. Gehrels and P. Meszaros, “Gamma Rays Bursts,” Science 337 (2012): 932–36.

   S. Dong et al., “ASASSN-15lh: A Highly Super-Luminous Supernova,” Science 351 (2016): 257–60.

   A.L. Melott et al., “Did a Gamma Ray Burst Initiate the Late Ordovician Mass Extinction?” International Journal of Astrobiology 3 (2004): 55–61. См. также: B.C. Thomas et al., “Gamma Ray Bursts and the Earth: Exploration of Atmospheric, Biological, Climatic, and Biogeochemical Effects,” Astrophysical Journal 634 (2005): 509–33.

   V.V. Hambaryan and R. Neuhauser, “A Galactic Short Gamma Ray Burst as Cause for the Carbon-14 Peak in AD774/775,” Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 430 (2013): 32–36.

   Физическая природа ультраярких источников рентгеновского излучения противоречива. Это могут быть черные дыры в процессе аккреции, но некоторые из них, возможно, являются аккрецирующими нейтронными звездами. Кроме того, теоретики разработали схемы, согласно которым черные дыры могут являться «двигателями с принудительной подачей топлива», следовательно, излучать больше предела Эддингтона, что, в свою очередь, означало бы, что черная дыра может быть не особенно массивной. Свидетельство того, что ультраяркий рентгеновский источник в ближней галактике М82 является черной дырой промежуточной массы: D.R. Pasham, T.E. Strohmayer, and R.F. Mushotzky, “A 400-SolarMass Black Hole in the Galaxy M82,” Nature 513 (2014): 74–76.

   D.H. Clark, The Quest for SS433 (New York: Viking, 1985).

   I.F. Mirabel and R.F. Rodriguez, “Microquasars in our Galaxy,” Nature 392 (1998): 673–76.

   L. Ferrarese and D. Merritt, “A Fundamental Relation Between Supermassive Black Holes and Their Host Galaxies,” Astrophysical Journal Letters 539 (2000): L9–12; and K. Gebhardt et al., “A Relationship Between Nuclear Black Hole Mass and Galaxy Velocity Dispersion,” Astrophysical Journal Letters 539 (2000): L13–16. Дженни Грин с коллегами распространили отношение на карликовые галактики малой массы — как активные, так и неактивные.

   T. Oka et al., “Signature of an Intermediate-Mass Black Hole in the Central Molecular Zone in our Galaxy,” Astrophysical Journal Letters 816 (2015): L7–12.

   R. Geroch, General Relativity from A to B (Chicago: University of Chicago Press, 1981). Превосходная подборка статей ознакомительного уровня: .

   Сайт, отслеживающий 500 самых быстрых в мире компьютеров и другие тенденции изменения вычислительных ресурсов и возможностей: .

   M.W. Choptuik, “The Binary Black Hole Grand Challenge Project,” in Computational Astrophysics, edited by D.A. Clarke and M.J. West, ASP Conference Series #123, 1997, 305. За этой статьей последовала: J. Baker, M. Campanelli, and C.O. Lousto, “The Lazarus Project: A Pragmatic Approach to Binary Black Hole Evolutions,” Physical Review D65 (2002): 044001–16.

   J. Healy et al., “Superkicks in Hyperbolic Encounters of Binary Black Holes,” Physical Review Letters 102 (2009): 041101–04.

   Следующая статья не для слабых духом: R. Gold et al., “Accretion Disks Around Binary Black Holes of Unequal Mass: General Relativistic Magnetohydrodynamic Simulations of Postdecoupling and Merger,” Physical Review D90 (2014): 104031–45.

   Я узнал Саймона Уайта с другой стороны, когда он был моим коллегой на астрономическом факультете Аризонского университета. Саймон был большой спец в любой теме в космологии, его знания отличались и широтой, и глубиной. Он умел заразить собеседника своей интуицией физика. После бесед с ним я часто уходил с убеждением, что я умнее, чем есть на самом деле. Некоторые причуды выдавали в нем уроженца Британии. Самая поразительная проявилась однажды вечером, когда я пришел к нему домой на ужин — продуктами мы запаслись в складчину. Когда с едой было покончено, стол и стулья отодвинули в сторону, и Саймон пригласил группу мужчин с колокольчиками на щиколотках, платками на головах, завязанными узлом, и палками в руках. Они сплясали моррис — эта традиция неизменно соблюдается в маленьком городке в Кенте, где родился Саймон, со времен Шекспира. Я вырос в Британии, но не представлял, что увижу моррис в пустыне Сонора.

   E. Bertschinger, “Simulations of Structure Formation in the Universe,” Annual Review of Astronomy and Astrophysics 36 (1998): 599–654.

   Эти методы сокращают вычислительную загрузку для N частиц с N2 до Nlog N. Таким образом, в случае миллиона частиц необходимо 6 млн вычислительных операций, а 10 млрд частиц — 10 млн вычислительных операций.

   J.J. Monaghan, “Smoothed Particle Hydrodynamics,” Annual Reviews of Astronomy and Astrophysics 30 (2002): 543–74.

   См. интервью с Саймоном Уайтом: .

   V. Springel et al., “Simulations of the Formation, Evolution, and Clustering of Galaxies and Quasars,” Nature 435 (2005): 629–36.

   M. Vogelsberger et al., “Properties of Galaxies Reproduced by a Hydrodynamical Simulation,” Nature 509 (2014): 177–82.

   См. интервью с Саймоном Уайтом: .

   Единственными галактиками, видимыми невооруженным глазом, являются спиральная галактика Андромеды, или М31, на севере и Большое и Малое Магеллановы Облака — две карликовые галактики — на юге. Поскольку многие люди живут в больших городах и пригородах и не знают звездного неба, они никогда не видели другой галактики.

   E. Bañados et al., “An 800-Million-Solar-Mass Black Hole in a Significantly Neutral Universe at a Redshift of 7.5,” Nature, December 6, 2017, doi:10.1038/ nature25180. Предыдущий рекордсмен: D.J. Mortlock et al., “A Luminous Quasar at a Redshift of z = 7.085,” Nature 474 (2011): 616–19

   J.L. Johnson et al., “Supermassive Seeds for Supermassive Black Holes,” Astrophysical Journal 771 (2013): 116–25.

   A.C. Fabian, “Observational Evidence of AGN Feedback,” Annual Review of Astronomy and Astrophysics 50 (2012): 455–89.

   Феномен формирования маленьких галактик раньше больших, а черных дыр — в обратном порядке называется космическим даунсайзингом. Он вызван тем, что, согласно принятому представлению об эволюции галактик, маленькие галактики образуются первыми и сливаются в большие. Черные дыры идут другим путем: самые крупные растут быстро, а самые многочисленные, менее крупные, растут медленно и остаются относительно маленькими. Обзор по результатам моделирования см. в: P.F. Hopkins et al., “A Unified, Merger-Driven Model of the Origin of Starbursts, Quasars, the Cosmic X-Ray Background, Supermassive Black Holes, and Galaxy Spheroids,” Astrophysical Journal Supplement 163 (2006): 1–49, по результатам наблюдений: M. Volonteri, “The Formation and Evolution of Massive Black Holes,” Science 337 (2012): 544–47.

   C.H. Lineweaver and T.M. Davis, “Misconceptions About the Big Bang,” Scientific American, March 2005, 36–45.

   См. ответы Неда Райта на часто задаваемые вопросы по космологии: .

   N.J. Poplawski, “Cosmology with Torsion: An Alternative to Cosmic Inflation,” Physics Letters B694 (2010): 181–85.

   R. Pourhasan, N. Afshordi, and R.B. Mann, “Out of the White Hole: A Holographic Origin for the Big Bang,” Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, issue 4 (2014): 5–22. Популярная версия и источник цитаты: N. Afshordi, R.B. Mann, and R. Pourhasan, “The Black Hole at the Beginning of Time,” Scientific American, August 2014, 37–43.

   J. Tanaka, T. Yamamura, and J. Kanzaki, “Study of Black Holes with the Atlas Detector at the LHC,” European Physical Journal C41 (2005): 19–33.

   CMS Collaboration, “Search for Microscopic Black Hole Signatures at the Large Hadron Collider,” Physics Letters B697 (2011): 434–53.

   B. Koch, M. Bleicher, and H. Stocker, “Exclusion of Black Hole Disaster Scenarios at the LHC,” Physics Letters B672 (2009): 71–76.

   См. блог Этана Сигела: .

   L. Crane and S. Westmoreland, “Are Black Hole Starships Possible?,” 2009, .

6. Черные дыры как проверка теории гравитации

     J. Lequeux, Le Verrier: Magnificent and Detestable Astronomer (New York: Springer, 2013). Леверье всего на несколько дней опередил с открытием английского астронома Джона Кауча Адамса, хотя последний закончил работу раньше. Леверье был настолько непопулярен как директор Парижской обсерватории, что его лишили должности — но восстановили после того, как его преемник внезапно утонул. Современник сказал о нем: «Не знаю, действительно ли месье Леверье — самый отвратительный человек во Франции, но он, определенно, внушает наибольшее отвращение». Занятная историческая коллизия: за 200 лет до этого Галилей упустил возможность открыть Нептун. В 1613 г. он увидел яркий объект возле Юпитера, но решил, что это звезда. Он даже заметил, что объект слегка движется. Однако следующие ночи выдались пасмурными, и Галилей не смог провести наблюдения, которые с очевидностью показали бы, что он видит планету.

     R. Baum and W. Sheehan, In Search of Planet Vulcan: The Ghost in Newton’s Clockwork Machine (New York: Plenum Press, 1997).

     W. Isaacson, Einstein: His Life and Universe (New York: Simon & Schuster, 2007).

     G. Musser, Spooky Action at a Distance: The Phenomenon That Reimagines Space and Time— And What It Means for Black Holes, the Big Bang, and Theories of Everything (New York: Farrar, Straus and Giroux, 2015). См. также более специальную, но выдающуюся книгу: T. Maudlin, Quantum Non-Locality and Relativity: Metaphysical Intimations of Modern Physics (Oxford: Wiley–Blackwell, 2011).

     R. Oerter, The Theory of Almost Everything: The Standard Model, the Unsung Triumph of Modern Physics (New York: Penguin, 2006).

     L. Smolin, Three Roads to Quantum Gravity: A New Understanding of Space, Time, and the Universe (New York: Basic Books, 2001).

     Цит. по: F.S. Perls, Gestalt Therapy Verbatim (Gouldsboro, ME: Gestalt Journal Press, 1992).

     Цит. по: R.P. Feynman, The Character of Physical Law (New York: Penguin, 1992).

     Впервые вычислив эффект в 1911 г., Эйнштейн по ошибке получил при расчетах такой же угол, что и следовал из теории Ньютона. К счастью для него и его репутации, экспедиция по наблюдению отклонения света звезды при прохождении мимо Солнца во время солнечного затмения, запланированная на 1914 г., была отложена из-за начавшейся Первой мировой войны, а наблюдателей, уже прибывших на место, чтобы следить за затмением, взяли в плен российские солдаты. Верный угол отклонения в два раза больше значения, которое дает теория Ньютона.

   F.W. Dyson, A.S. Eddington, and C. Davidson, “A Determination of the Deflection of Light by the Sun’s Gravitational Field, from Observations Made at the Total Eclipse of 29 May, 1919,” Philosophical Transactions of the Royal Society 220A (1920): 291–333.

   A. Calaprice, ed., The New Quotable Einstein (Princeton: Princeton University Press, 2005).

   A. Einstein, “Lens-Like Action of a Star by the Deviation of Light in the Gravitational Field,” Science 84 (1936): 506–07.

   L.M. Krauss, “What Einstein Got Wrong,” Scientific American, September 2015, 51– 55.

   F. Zwicky, “Nebulae as Gravitational Lenses,” Physical Review 51 (1937): 290.

   D. Walsh, R.F. Carswell, and R.J. Weymann, “0957+561 A, B: Twin Quasistellar Objects or Gravitational Lens?” Nature 279 (1979): 381–84.

   Шкала расстояний — или скорость расширения Вселенной — определяется наклоном соотношения скорости удаления галактики и расстояния до нее, v = H0 d, где v — скорость удаления, d — расстояние, а H0 — постоянная Хаббла. Обычно постоянная Хаббла определяется при помощи последовательности перекрывающихся индикаторов расстояния, начиная от параллаксов ближних звезд до сверхновых с эталонной яркостью в максимуме (так называемая лестница расстояний). Определение постоянной Хаббла при помощи гравитационного линзирования является прямым методом и не требует использования «лестницы расстояний». Измерение временного запаздывания в линзируемой системе предполагает измерение разницы длины двух путей. Поскольку все углы в конфигурации также измеряются, получается полная пространственная картина, а следовательно, и соотношение между расстоянием и скоростью или красным смещением.

   J.N. Hewitt et al., “Unusual Radio Source MG 1131+0456: A Possible Einstein Ring?”Nature 333 (1988): 537–40.

   Имеется третий тип гравитационного линзирования, в котором свет дальних галактик слегка искажается всей темной материей по линии обзора. Представьте себе Вселенную как кривое зеркало, в котором свет идет не по прямому пути, а по слегка извилистому — из-за широко распространенной темной материи. В отдельной галактике искажение составляет всего 0,1% и слишком мало для обнаружения, но проявляется при поиске закономерностей в формах тысяч тусклых галактик. Поэтому этот тип называется статистическим линзированием. Статистическое линзирование показывает, что пространство между галактиками заполнено темной материей.

   U.I. Uggerhoj, R.E. Mikkelsen, and J. Faye, “The Young Center of the Earth,” European Journal of Physics 37 (2016): 35602–10.

   C.M. Will, “The Confrontation Between General Relativity and Experiment,” Living Reviews in Relativity 9 (2006): 3–90.

   R.V. Pound and G.A. Rebka, Jr., “Apparent Weight of Photons,” Physical Review Letters 4 (1960): 337–41.

   J.C. Hafele and R.E. Keating, “Around the World Atomic Clocks: Observed Relativistic Time Gains,” Science 177 (1972): 168–70.

   R. F.C. Vessot et al., “Test of Relativistic Gravitation with a Space-Borne Hydrogen Maser,” Physical Review Letters 45 (1980): 2081–84.

   H. Muller, A. Peters, and S. Chu, “A Precision Measurement of the Gravitational Redshift by Interference of Matter Waves,” Nature 463 (2010): 926–29.

   R. Wojtak, S.H. Hansen, and J. Hjorth, “Gravitational Redshift of Galaxies in Clusters as Predicted by General Relativity,” Nature 477 (2011): 567–69.

   L. Huxley, The Life and Letters of Thomas Henry Huxley (London: Mac-Millan, 1900), 189.

   I.I. Shapiro et al., “Fourth Test of General Relativity: New Radar Result,” Physical Review Letters 26 (1971): 1132–35.

   B. Bertotti, L. Iess, and P. Tortora, “A Test of General Relativity using Radio Links with the Cassini Spacecraft,” Nature 425 (2003): 374–76.

   E. Teo, “Spherical Photon Orbits around a Kerr Black Hole,” General Relativity and Gravitation 35 (2003): 1909–26.

   У быстро вращающейся черной дыры самая внутренняя устойчивая орбита может находиться внутри фотонной сферы, что означает, что вещество здесь ненаблюдаемо.

   C.S. Reynolds and M.A. Nowak, “Fluorescent Iron Lines as a Probe of Astrophysical Black Hole Systems,” Physics Reports 377 (2003): 389–466.

   Y. Tanaka et al., “Gravitationally Redshifted Emission Implying an Accretion Disk and Massive Black Hole in the Active Galaxy MCG-6–30–15,” Nature 375 (1995): 659–61.

   J.F. Dolan, “Dying Pulse Trains in Cygnus XR-1: Evidence for an Event Horizon,” Publications of the Astronomical Society of the Pacific 113 (2001): 974–82.

   N. Shaposhnikov and L. Titarchuk, “Determination of Black Hole Masses in Galactic Black Hole Binaries Using Scaling of Spectral and Variability Characteristics,” Astrophysical Journal 699 (2009): 453–68.

   “Gravitational Vortex Provides New Way to Study Matter Close to a Black Hole,” press release, European Space Agency, July 12, 2016, .

   A. Ingram et al., “A Quasi-Periodic Modulation of the Iron Line Centroid Energy in the Black Hole Binary H1743–322,” Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 461 (2016): 1967–80.

   M. Middleton, C. Done, and M. Gierlinski, “The X-Ray Binary Analogy to the First AGN QPO,” Proceedings of the AIP Conference on X-Ray Astronomy: Present Status, Multi-Wavelength Approaches, and Future Perspectives 1248 (2010): 325–28.

   M.J. Rees, “Tidal Disruption of Stars by Black Holes of 106–108 Solar Masses in Nearby Galaxies,” Nature 333 (1988): 523–28. Это была подробная разработка исходной идеи, выдвинутой десятилетием раньше; см.: J.G. Hills, “Possible Power Source of Seyfert Galaxies and QSOs,” Nature 254 (1975): 295–98.

   S. Gezari, “The Tidal Disruption of Stars by Supermassive Black Holes,” Physics Today 67 (2014): 37–42.

   E. Kara, J.M. Miller, C. Reynolds, and L. Dai, “Relativistic Reverberation in the Accretion Flow of a Tidal Disruption Event,” Nature 535 (2016): 388–90.

   G.C. Bower, “The Screams of the Star Being Ripped Apart,” Nature 351 (2016): 30–31.

   G. Ponti et al., “Fifteen Years of XMM-Newton and Chandra Monitoring of Sgr A*: Evidence for a Recent Increase in the Bright Flaring Rate,” Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 454 (2015): 1525–44.

   Jacob Aron, “Black holes devour stars in gulps and nibbles,” New Scientist, March 25, 2015, .

   Richard Gray, “Echoes of a stellar massacre,” Daily Mail, September 16, 2016, .

   C. W.F. Everitt, “The Stanford Relativity Gyroscope Experiment: History and Overview,” in Near Zero: Frontiers in Physics, edited by J.D. Fairbank et al. (New York: W.H. Freeman, 1989).

   Gravity Probe B — прекрасный пример упорства и технологического совершенства — что необходимо для многих космических программ. Концепция восходит к теоретической статье, написанной профессором Стэнфорда Леонардом Шиффом в 1957 г. Вместе с профессором МТИ Джорджем Пью они предложили идею NASA в 1961 г., и проект получил первое финансирование в 1964 г. Последовало 40 лет развития технологии и отсрочек из-за программы NASA «Шаттл». Шифф и Пью умерли задолго до запуска спутника в 2004 г.

   C. W.F. Everitt et al., “Gravity Probe B: Final Results of a Space Experiment to Test General Relativity,” Physical Review Letters 106 (2011): 22101–06.

   E.S. Reich, “Spin Rate of Black Holes Pinned Down,” Nature 500 (2013): 135.

   K. Middleton, “Black Hole Spin: Theory and Observations,” in Astrophysics of Black Hole, Astrophysics and Space Science Library, volume 440 (Berlin, Springer, 2016), 99–137.

   J. W.T. Hessels et al., “A Radio Pulsar Spinning at 716 Hz,” Science 311 (2006): 1901–04.

   L. Gou et al., “The Extreme Spin of the Black Hole in Cygnus X-1,” Astrophysical Journal 742 (2011): 85–103.

   M.J. Valtonen, “Primary Black Hole Spin in OJ 287 as Determined by the General Relativity Centenary Flare,” Astrophysical Journal Letters 819 (2016): L37–43.

   Цит. по: Dennis Overbye, “Black Hole Hunters,” New York Times, June 8, 2015, .

   A. Ricarte and J. Dexter, “The Event Horizon Telescope: Exploring Strong Gravity and Accretion Physics,” Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 446 (2014): 1973–87.

   S. Doeleman et al., “Event-Horizon-Scale Structure in the Supermassive Black Hole Candidate at the Galactic Center,” Nature 455 (2008): 78–80.

   T. Johannsen et al., “Testing General Relativity with the Shadow Size of SGR A*,”Physical Review Letters 116 (2016): 031101.

7. Учимся смотреть глазами гравитации

     F.G. Watson, Stargazer: The Life and Times of the Telescope (Cambridge, MA: De Capo Press, 2005).

     P. Morrison, “On Gamma-Ray Astronomy,” Il Nuovo Cimento 7 (1958): 858–65.

     Четыре выдающихся примера: A.A. Abdo et al., “Fermi-LAT Observations of Markarian 421: the Missing Piece of its Spectral Energy Distribution,” Astrophysical Journal 736 (2011): 131–53; V.A. Acciari et al., “The Spectral Energy Distribution of Markarian 501: Quiescent State Versus Extreme Outburst,” Astrophysical Journal 729 (2011): 2–11; V.S. Paliya,“A Hard Gamma-Ray Flare from 3C279 in December 2013,” Astrophysical Journal 817 (2016): 61–75; and S. Soldi et al., “The Multiwavelength Variability of 3C273,” Astronomy and Astrophysics 486 (2008): 411–27.

     С целью аналогии на время отбросим сомнения, примем материалистическое мышление и склад ума и вообразим, что однажды сможем читать мысли на расстоянии.

     Гравитационные волны, однако, не формируются, если движение является совершенно симметричным — например, при расширении или сжатии сферы — или вращательно-симметричным, как при вращении диска или сферы вокруг своей оси. Совершенно симметричный коллапс сверхновой или совершенно симметричная вращающаяся нейтронная звезда не излучают гравитационные волны. В научной терминологии третья производная квадрупольного момента в тензоре энергии-импульса должна отличаться от нуля, чтобы система излучала гравитационные волны. Это математический аналог изменения дипольного момента или тока, ведущего к возникновению электромагнитного излучения. Теперь понятно?

     P.G. Bergmann, The Riddle of Gravitation (New York: Charles Scribner’s Sons, 1968).

     Распространение гравитации и гравитационных волн со скоростью света — это гипотеза. Ни один эксперимент по ее проверке не был однозначно успешным. Очень трудно поставить эксперимент, «отключающий» или резко меняющий гравитацию на удаленном участке, и измерить ее скорость. В Стандартной модели физики частиц гравитация переносится частицей под названием гравитон, перемещающейся со скоростью света. Гравитоны никогда не регистрировались.

     A.S. Eddington, “The Propagation of Gravitational Waves,” Proceedings of the Royal Society of London 102 (1922): 268–82.

     K. Daniel, “Einstein versus the Physical Review,” Physics Today 58 (2005): 43–48.

   A. Einstein and N. Rosen, “On Gravitational Waves,” Journal of the Franklin Institute 223 (1937): 43–54.

   Gravity Research Foundation website, .

   В книге по астрономии я не стал подкреплять это утверждение экономическими выкладками, но есть достаточно литературы, чтобы подтвердить: хотя тактика тайминга рынка может сработать в некоторых отраслях и в течение кратких периодов, в качестве долгосрочной стратегии она губительна. Бабсону просто повезло — так бывает.

   J.L. Cervantes-Cota, S. Galindo-Uribarri, and G.F. Smoot, “A Brief History of Gravitational Waves,” Universe 2 (2016): 22–51.

   M. Gardner, Fads and Fallacies in the Name of Science (New York: Dover, 1957), 93.

   Хотя корни видения Бабсона были псевдонаучными и магическими, в конечном счете это оказалось очень продуктивным. Со временем Фонд изучения гравитации завоевал авторитет у физического сообщества. Конференцию 1957 г. в Чапел-Хилл принято называть конференцией GR1. Она была учреждена как цикл международных конференций, проводимых каждые несколько лет для обсуждения состояния области изучения гравитации и общей теории относительности. Подчеркивая международный характер этой сферы, последние несколько конференций проводились в Индии, ЮАР, Ирландии, Австралии, Мексике, Польше, Нью-Йорке.

   Janna Levin, “Gravitational Wave Blues,” .

   Идея Вебера была опубликована в: J. Weber, “Detection and Generation of Gravitational Waves,” Physical Review 117 (1960): 306–13. Работа его первого действующего регистратора была описана через шесть лет в: J. Weber, “Observations of the Thermal Fluctuations of a Gravitational-Wave Detector,” Physical Review Letters 17 (1966): 1228–30.

   J. Weber, “Evidence for Discovery of Gravitational Radiation” Physical Review Letters 22 (1969): 1320–24, вскоре за ней последовала: J. Weber, “Anisotropy and Polarization in the Gravitational-Radiation Experiments,” Physical Review Letters 25 (1970): 180–84.

   Я не был знаком с Вебером, но хорошо знаю его жену Вирджинию Тримбл. Она тоже британка, знаток истории астрономии, и время от времени мы подкидываем друг другу загадки астрономии. Во время их долгого брака Вирджиния преподавала в Калифорнийском университете в Ирвине и проводила по полгода там и по полгода на востоке, где преподавал Вебер. После его смерти в 2000 г. мы встретились на одной конференции и поговорили о его работе, и я заметил, что это болезненная тема. Она видела, как его чернят и унижают люди, не имеющие представления о том, как упорно он работал над совершенствованием своего метода. Он продолжал свое исследование более 20 лет после прекращения государственного финансирования. По словам Вирджинии, это дорого ему обошлось в физическом и моральном смысле.

   J.A. Wheeler, Geons, Black Holes, and Quantum Foam: A Life in Physics (New York: Norton, 1998), 257–58.

   J.M. Weisberg, D.J. Nice, and J.H. Taylor, “Timing Measurements of the Relativistic Binary Pulsar PSR B1913+16,” Astrophysical Journal 722 (2010): 1030–34.

   Двойная система излучает 7 × 1024 Вт гравитационного излучения, и расстояние между двумя нейтронными звездами сокращается на 3,5 м в год. Требуется 300 млн лет, чтобы две нейтронные звезды столкнулись и слились. Даже Солнечная система испускает гравитационное излучение, но намного более слабое — всего 5000 Вт.

   Это теоретическое построение, основанное на свойствах гравитационных волн, зарегистрированных при слиянии черных дыр, и на вероятных сценариях формирования, которые могли бы привести к появлению массивных объектов — массивнее любой черной дыры в локальной Вселенной. Массивные звезды, образовавшиеся 11 млрд лет назад, должны были содержать намного меньше тяжелых элементов, чем Солнце. Кроме того, судя по моделям, их начальная масса могла быть больше, чем у ныне формирующихся звезд. В результате эти древние звезды потеряли бы меньше массы и оставили после себя более массивные черные дыры. Этот сценарий описан в: K. Belczynski, D.E. Holz, T. Bulik, and R. O’Shaughnessy, “The First Gravitational-Wave Source from the Isolated Evolution of Two Stars in the 40–100 Solar Mass Range,” Nature 534 (2016): 512–15. Более радикальный вариант, не опровергаемый данными, подразумевает, что черные дыры были первичными, сформировавшимися в ранней Вселенной из темной материи; см.: S. Bird et al., “Did LIGO Detect Dark Matter,” Physical Review Letters 116 (2016): 201301–07.

   J. Chu, “Rainer Weiss on LIGO’s Origins,” oral history, Massachusetts Institute of Technology Q & A News series, .

   Вайсс отмечает своих студентов, а также Филипа Чапмена, исследователя из МТИ, который перешел работать в NASA и затем перестал заниматься гравитацией и физикой. Любопытно, что предшественником в разработке интерферометра был Джозеф Вебер, предложивший идею своего бывшего студента Роберта Форварда в 1964 г. Форвард построил прототип прибора с плечами длиной 8,5 м на деньги своего работодателя Hughes Research Lab. После 150 часов наблюдений он ничего не зарегистрировал. В подтверждение того, что сообщество физиков, изучающих гравитацию, является «большой деревней», Форвард отмечает значение обсуждений с Райнером Вайссом в примечании к своей статье: R.L. Forward, “Wide-Band Laser-Interferometer GravitationalRadiation Experiment,” Physical Review D17 (1978): 379–90.

   R. Weiss, “Quarterly Progress Report, Number 102, 54–76,” Research Laboratory of Electronics, MIT, 1972, .

   Цит. по: J. Levin, Black Hole Blues and Other Songs from Outer Space (New York: Knopf, 2016).

   Цит. по: N. Twilley, “Gravitational Waves Exist: The Inside Story of How Scientists Finally Found Them,” New Yorker, February 11, 2016, .

   Если точнее, они были лучшими в Соединенных Штатах. Рассказывая главным образом о LIGO, я для простоты повествования не освещал довольно серьезные ранние начинания других групп и стран. Группа Древера в университете Глазго продолжила работу над интерферометрами после его перехода в Калтех. Тем временем в Германии группа во главе с Петером Кафкой узнала о работе Вайсса в 1974 г. и наняла одного из его студентов для постройки интерферометров. Совместно с итальянской группой в течение следующего десятилетия были созданы трехметровый и 30-метровый прототипы. Что показательно, ведь получается, что сфера исследования гравитационных волн — это «большая деревня»: Древер услышал об интерферометрах на лекции Петера Кафки в 1975 г. Немецкая и шотландская группы, объединившись, предложили в середине 1980-х гг. проект инструмента километрового масштаба, но не получили финансирования. Со временем им удалось построить 600-метровый инструмент, начавший работать в 2001 г. и ставший главным испытательным полигоном детекторов и методов LIGO. Французы разрабатывали еще более масштабные проекты интерферометров под руководством Алана Брилле, в начале 1980-х гг. работавшего вместе с Вайссом в МТИ. Проект Virgo начал получать данные в 2004 г., и в течение десятилетия это был партнерский проект с LIGO. Подробнее о попытках мирового научного сообщества зарегистрировать гравитационные волны: J.L. CervantesCota, S. Galindo-Uribarri, and G.F. Smoot, “A Brief History of Gravitational Waves,” Universe 2 (2016): 22–51.

   P. Linsay, P. Saulson, and R. Weiss, “A Study of a Long Baseline Gravitational Wave Antenna System,” 1983, .

   Отчеты и информационные рассылки LIGO не передают всего напряжения. Они выдержаны по большей части в напутственном тоне — уместном, поскольку проект в конце концов увенчался успехом. Лучшее описание происходящего и взгляд изнутри и снаружи см. в книге Джэнны Левин: Black Hole Blues and Other Songs from Outer Space (New York: Knopf, 2016).

   A. Cho, “Here is the First Person to Spot Those Gravitational Waves,” Science, February 11, 2016, .

   Цит. в: Josh Rottenberg, “Meet the Astrophysicist Whose 1980 Blind Date Led to Interstellar,” Los Angeles Times, November 21, 2014, .

   Научная преемственность существует в любой сфере, но особенно сильна в теоретической физике и математике. Успешной карьере способствуют два фактора — правильный научный руководитель и студенты, следующие его советам. В теоретических областях влияние руководителя может быть таким сильным, что проявляется даже во «вкусе» в выборе проблемы для изучения и в «стиле» ее решения. Постороннему эти эстетические соображения часто не очевидны. Кип Торн в бытность профессором Калтеха подготовил пять будущих докторов философии, в том числе многих видных деятелей теоретической астрофизики и относительности — например, Алана Лайтмана, Билла Пресса, Дона Пейджа, Сола Тьюколски и Клиффорда Уилла.

   “How Are Gravitational Waves Detected?” Q & A with Rainer Weiss and Kip Thorne, Sky and Telescope, August 28, 2016, .

   K.S. Thorne, Black Holes and Time Warps: Einstein’s Outrageous Legacy (New York: W.W. Norton, 1994).

   См.: Adam Rogers, “Wrinkles in Spacetime: The Warped Astrophysics of Interstellar,” Wired, .

   J. Updike, “Cosmic Gall,” New Yorker, December 17, 1960, 36.

   K.S. Thorne, “Gravitational Radiation,” in Three Hundred Years of Gravitation, edited by S. Hawking and W.W. Israel (Cambridge: Cambridge University Press, 1987), 330–458.

   Эта информация ясно и наглядно изложена в: LIGO Magazine, no. 8, March 2016, .

   Это станет решающим преимуществом, поскольку пока невозможно идентифицировать источники сигналов черных дыр, регистрируемых LIGO. Гравитационные волны представляют собой новый способ восприятия Вселенной, поэтому обидно не иметь возможности установить, от каких объектов они исходят, и наблюдать эти объекты во всем спектре электромагнитного излучения. В процессе регистрации есть и другие детали, влияющие на интерпретацию данных. Интерферометры наиболее чувствительны к волнам, приходящим сверху, потому что они сжимаются и растягиваются в поперечной плоскости. Сигнал, поступающий под любым другим углом, более слаб. Два детектора, разделенные несколькими тысячами километров, не лежат в одной плоскости в силу кривизны земной поверхности, и это также следует учитывать. Сигнал наиболее мощный, если плоскость орбиты двойной системы обращена к Земле, при других наклонениях он будет слабее. Эксперименты LIGO должны извлекать из каждого кратковременного события всю информацию до крупицы.

   Что касается своеобразной арифметики, описывающей слияние черных дыр, в первом событии участвовала сумма 36 + 29 = 62 солнечных массы, причем три солнечных массы были излучены в форме гравитационных волн. Во втором событии участвовала сумма 14 + 9 = 21 солнечная масса, причем две перешли в гравитационные волны, а в событии-кандидате 23 + 13 = 34 солнечных массы, две из которых были излучены как гравитационные волны. Значимость регистрации трех событий превышала 5,3σ в первых двух случаях и имела пограничное значение 1,7σ в третьем. Локализация источника в небе зависит от силы сигнала; она составила 230 квадратных градусов в первом событии, 850 квадратных градусов во втором событии и 1600 квадратных градусов в событии-кандидате. В общем, характерная частота, «чирп», зависит от массы черной дыры как М-5/8, а смещение в интерферометре, h, как М5/3. Эти и другие измерения см. в: LIGO Magazine, no. 9, August 2016, .

   A. Murguia-Merthier et al., “A Neutron Star Binary Merger Model for GW170817/GRB170817A/SSS17a,” Astrophysical Journal Letters 848 (2017): L34–42.

   M.R. Seibert et al., “The Unprecedented Properties of the First Electromagnetic Counterpart to a Gravitational-Wave Source,” Astrophysical Journal Letters 848 (2017): L26–32.

   J. Abadie et al., “Predictions for the Rates of Compact Binary Coalescences Observable by GroundBased Gravitational-Wave Detectors,” Classical Quantum Gravity 27 (2010): 173001–26.

   B.P. Abbott et al., “The Rate of Binary Black Hole Mergers Inferred from Advanced LIGO Observations Surrounding GW150914,” Astrophysical Journal Letters 833 (2016): L1–99. Advanced LIGO, работающая в связке с европейским интерферометром VIRGO, будет определять местонахождение источников сигналов с точностью до пяти квадратных градусов — в 100 раз точнее, чем при первых регистрациях LIGO.

   Изначально LISA был совместным проектом NASA и ЕКА. Первые проектные исследования начались еще в 1980-х гг., но NASA столкнулось с проблемами финансирования и вышло из проекта в 2011 г., а ЕКА из партнера превратилась в единственного участника этой амбициозной программы. LISA — ведущая новая миссия программы ЕКА «Космическое видение» с ориентировочной датой запуска в 2034 г. См.: .

   M. Armano et al., “Sub-Femto-g Free Fall for Space-Based Gravitational Wave Observatories: LISA Pathfinder Results,” Physical Review Letters 116 (2016): 231101–11.

   По аналогии со случаем черной дыры звездной массы самым трудным для понимания вопросом являются сроки итогового слияния. Необходимая для слияния сверхмассивных черных дыр потеря момента импульса представляет так называемую проблему «последнего парсека». В богатой газом галактике конечная фаза слияния может занять 10 млн лет, а в галактике, бедной газом, — миллиарды лет. Согласно некоторым моделям, она может превысить возраст Вселенной, из чего следует, что массивные галактики могут содержать двойные сверхмассивные черные дыры, которые никогда не сольются, — что, в свою очередь, означает отсутствие сигнала гравитационной волны, который мы могли бы зарегистрировать.

   J. Salcido et al., “Music from the Heavens: Gravitational Waves from Supermassive Black Hole Mergers in the EAGLE Simulations,” Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 463 (2016): 870–85.

   G. Hobbs, “Pulsars as Gravitational Wave Detectors,” in High Energy Emission from Pulsars and Their Systems, Astrophysics and Space Science Proceedings (Berlin: Springer, 2011), 229–40.

   S.R. Taylor et al., “Are We There Yet? Time to Detection of Nano-Hertz Gravitational Waves Based on Pulsar-Timing Array Limits,” Astrophysical Journal Letters 819 (2016): L6–12.

   A. Guth, The Inflationary Universe: The Quest for a New Theory of Cosmic Origins (New York: Perseus, 1997).

   P.D. Lasky et al., “Gravitational Wave Cosmology Across 29 Decades in Frequency,”Physical Review X 6 (2016): 011035–46.

   На языке науки этот паттерн называется В-модой поляризации: соответствующий рисунок электромагнитного поля состоит из наложенных завитков. Температура микроволнового фона одинакова по всему небу с точностью до одной стотысячной, поляризованный сигнал в 100 раз слабее, и регистрация эффекта гравитационных волн требует исключительной точности.

   D. Hanson et al., “Detection of B-Mode Polarization in the Cosmic Microwave Background with Data from the South Pole Telescope,” Physical Review Letters 111 (2014): 141301–07.

8. Судьба черных дыр

     Фермионы — частицы с полуцелым спином, обладающие статистическими характеристиками, — были описаны Энрико Ферми и Полем Дираком в 1930-е гг. Никакие два фермиона не могут обладать одинаковыми квантовыми свойствами. К фундаментальным фермионам относятся электрон и шесть типов кварков, к составным — протоны и нейтроны. Бозоны — частицы с целым спином и статистическими характеристиками, сформулированными Альбертом Эйнштейном и Шатьендранатом Бозе в 1920-е гг. Фундаментальные бозоны — это фотон, бозон Хиггса и (пока гипотетический) гравитон. Составные бозоны — это, например, ядро гелия и ядро углерода. Бозоны в любом количестве могут иметь одинаковое квантовое состояние. Фермионы считаются частицами, а бозоны — переносчиками взаимодействий, однако в квантовой механике между этими двумя категориями нет четкой границы.

     Следует отметить, что идея существования дополнительных измерений необязательно является поводом сомневаться в теории струн как способе описания природы. Математические аспекты многомерных пространств были проработаны в середине XIX в. Гауссом и Бойяи. В 1920-х гг. Калуца и Клейн создали раннюю теорию гравитации, включающую дополнительное измерение. Теория струн остается очень активной областью теоретической физики, где есть и прогресс, и регресс. Чтобы взглянуть на положительные аспекты теории струн и увидеть ее красоту и потенциал в качестве «теории всего», см.: B. Greene, The Elegant Universe: Superstrings, Hidden Dimensions, and the Quest for the Ultimate Theory (New York: W.W. Norton, 2003). Противоположный взгляд: L. Smolin, The Trouble with Physics: The Rise of String Theory, the Fall of a Science, and What Comes Next (New York: Houghton Mifflin, 2006).

     В невращающейся черной дыре сингулярность является точкой, во вращающейся — кольцом. У физика кольцеобразная сингулярность вызывает не большее отторжение, чем точечная, поскольку сохраняет бесконечное искривление пространственно-временного континуума в каждой точке окружности.

     J. Womersley, “Beyond the Standard Model,” Symmetry, February 2005, 22–25. Несколько более специализирующаяся на технических аспектах статья с таким же названием: J.D. Lykken, “Beyond the Standard Model”, это лекция, прочитанная в рамках Европейской школы физики высоких энергий 2009 г., CERN Yellow Report CERN-2010–0002 (Geneva: CERN, 2011), 101–09.

     L. Randall and R. Sundrum, “An Alternative to Compactification,” Physical Review Letters 83 (1999): 4690–93.

     L. Randall, Warped Passages: Unraveling the Mysteries of the Universe’s Hidden Dimensions (New York: Ecco, 2005).

     M. Holloway, “The Beauty of Branes,” Scientific American 293, November 2005, 38–40.

     L. Randall, “Theories of the Brane,” in The Universe: Leading Scientists Explore the Origin, Mysteries, and Future of the Cosmos, edited by J. Brockman (New York: HarperCollins, 2014), 62–78.

     e.e. cummings, “Pity this busy monster, manunkind,” in e. e. cummings: Complete Poems 1904–1962 (New York: W.W. Norton, 1944).

   J. Neilsen et al., “The 3 Million Second Chandra Campaign on Sgr A*: A Census of X-ray Flaring Activity from the Galactic Center,” in The Galactic Center: Feeding and Feedback in a Normal Galactic Nucleus, Proceedings of the International Astronomical Union, vol. 303 (2013): 374–78.

   M. Nobukawa et al., “New Evidence for High Activity of the Super-Massive Black Hole in our Galaxy,” Astrophysical Journal Letters 739 (2011): L52–56.

   F. Nicastro et al., “A Distant Echo of Milky Way Central Activity Closes the Galaxy’s Baryon Census,” Astrophysical Journal Letters 828 (2016): L12–20.

   “Chandra Finds Evidence for Swarm of Black Holes Near the Galactic Center”.

   D. Haggard et al., “The Field X-ray AGN Fraction to z = 0.7 from the Chandra MultiWavelength Project and the Sloan Digital Sky Survey,” Astrophysical Journal 723 (2010): 1447–68.

   R.P. van der Marel et al., “The M31 Velocity Vector: III. Future Milky Way-M31-M33 Orbital Evolution, Merging, and Fate of the Sun,” Astrophysical Journal 753 (2012): 1–21.

   T.J. Cox and A. Loeb, “The Collision Between the Milky Way and Andromeda,” Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 386 (2007): 461–74.

   Изучение М31 осложнено наличием двойного ядра в плотном звездном скоплении. Более яркое из двух скоплений смещено от центра галактики, а менее яркое, отстоящее на пять световых лет, содержит массивную черную дыру. Из-за удаленности 2,5 млн световых лет области ядер трудно изучать в деталях даже с помощью космического телескопа «Хаббл». Самое точное измерение массы черной дыры дает диапазон от 110 до 230 млн солнечных масс. См.: R. Bender et al., “HST STIS Spectroscopy of the Triple Nucleus of M31: Two Nested Disks in Keplerian Rotation Around a Supermassive Black Hole,” Astrophysical Journal 631 (2005): 280–300.

   J. Dubinski, “The Great Milky Way-Andromeda Collision,” Sky and Telescope, October 2006, 30–36. Статья более специального характера: F.M. Khan et al., “Swift Coalescence of Supermassive Black Holes in Cosmological Mergers of Massive Galaxies,” Astrophysical Journal 828 (2016): 73–80. Как именно теоретически происходит итоговое слияние, точно не известно; см.: M. Milosavljevic and D. Merritt, “The Final Parsec Problem,” in The Astrophysics of Gravitational Wave Sources, AIP Conference Proceedings, vol. 686 (2003): 201–10.

   F. Khan et al, “Swift Coalescence of Supermassive Black Holes in Cosmological Mergers of Massive Galaxies,” Astrophysical Journal 828 (2016): 73–81.

   T. Liu et al., “A Periodically Varying Luminous Quasar at z = 2 from the PAN-STARRS1 Medium Deep Survey: A Candidate Supermassive Black Hole in the Gravitational Wave-Driven Regime,” Astrophysical Journal Letters 803 (2015): L16–21.

   K. Thorne, The Science of Interstellar (New York: W.W. Norton, 2014).

   W. Zuo et al., “Black Hole Mass Estimates and Rapid Growth of Supermassive Black Holes in Luminous z = 3.5 Quasars,” Astrophysical Journal 799 (2014): 189–201.

   G. Ghisellini et al., “Chasing the Heaviest Black Holes of Jetted Active Galactic Nuclei,” Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 405 (2010): 387–400.

   K. Inayoshi and Z. Haiman, “Is There a Maximum Mass for Black Holes in Galactic Nuclei?”, Astrophysical Journal 828 (2016): 110–17.

   D. Sobral et al., “Large H-Alpha Survey at z = 2.23, 1.47, 0.84, and 0.40: The 11 Gyr Evolution of Star-forming Galaxies from HiZELS,” Monthly Notice of the Royal Astronomical Society 428 (2013): 1128–46.

   F.C. Adams and G. Laughlin, “A Dying Universe: The Long Term Fate and Evolution of Astrophysical Objects,” Reviews of Modern Physics 69 (1997): 337–72.

   A. Burgasser, “Brown Dwarfs: Failed Stars, Super Jupiters,” Physics Today, June 2008, 70–71.

   D.N. Spergel, “The Dark Side of Cosmology: Dark Matter and Dark Energy,” Science 347 (2015): 1100–02.

   Астрономы задумывались о том, как будущие обитатели Млекомеды смогут узнать, что живут в расширяющейся Вселенной в отсутствии видимых галактик, по которым можно было бы измерить красное смещение. Через триллион лет расширение достигнет таких масштабов, что микроволновое излучение, оставшееся после Большого взрыва, уйдет за горизонт событий. Похоже, единственным свидетельством наличия Вселенной за пределами Млекомеды будут сверхбыстрые звезды, постоянно выбрасываемые из Млекомеды и всех остальных галактик с околосветовыми скоростями. Эта возможность описана в статье: A. Loeb, “Cosmology with Hypervelocity Stars,” Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 4 (2011): 23–29.

   F. Adams and G. Laughlin, The Five Ages of the Universe (New York: Free Press, 1999).

   H. Nishino, Super-K Collaboration, “Search for Proton Decay in a Large Water Cerenkov Detector,” Physical Review Letters 102 (2012): 141801–06.

   J. Baez, “The End of the Universe,” .

   W.B. Yeats, “The Second Coming” (1919), in The Classic Hundred Poems (New York: Columbia University Press, 1998).

   A. Eddington, The Nature of the Physical World: Gifford Lectures of 1927 (Newcastleupon-Tyne: Cambridge Scholars, 2014).

   B.W. Jones, Life in Our Solar System and Beyond (Berlin: Springer, 2013).

   The Extrasolar Planets Encyclopedia is continuously updated, .

   R. Jayawardhana, Strange New Worlds: The Search for Alien Planets and Life Beyond our Solar System (Princeton: Princeton University Press, 2013).

   A. Cassan et al., “One or More Bound Planets per Milky Way Star from Microlensing Observations,” Nature 481 (2012): 167–69.

   F.J. Dyson, “Time Without End: Physics and Biology in an Open Universe,” Reviews of Modern Physics 51 (1979): 447–60.

   M. Bhat, M. Dhurandhar, and N. Dadhich, “Energetics of the Kerr-Newman Black Hole by the Penrose Process,” Journal of Astronomy and Astrophysics 6 (1985): 85– 100.

   T. Opatrny, L. Richterek, and P. Bakala, “Life Under a Black Sun,” 2016, .

   F.J. Dyson, “Search for Artificial Stellar Sources of Infra-Red Radiation,” Science 131 (1960): 1667–68.

Отправить