Чудовища доктора Эйнштейна. О чёрных дырах, больших и малых

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

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

Как черные дыры влияют на излучение

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

Раз мы не можем экспериментально проверить теорию на черной дыре, откуда мы узнаем о влиянии гравитации на излучение? Давайте поставим мысленный эксперимент на Земле. Представим, что выпускаем фотон с вершины башни к основанию, превращаем его энергию в массу (согласно формуле Е = mc²

), роняем массу к подножию башни и превращаем ее обратно в фотон. Казалось бы, все очевидно, но не торопитесь! Когда мы роняем массу, она набирает скорость и приобретает гравитационную энергию. Энергия вычисляется по формуле mgh, где m – масса, g

 – ускорение вследствие гравитации Земли, а h – высота башни. Когда мы превращаем массу обратно в фотон, он имеет бо?льшую энергию. Мы можем повторять это действие многократно, создавать энергию и богатеть! Но никто пока не заработал на цикличном подбрасывании света, и значит, в рассуждении кроется ошибка. Единственная возможность сохранить энергию в этом сценарии – иными словами, сделать так, чтобы она не изменилась, – предположить, что свет находится под влиянием гравитации, то есть теряет энергию, когда поднимается с поверхности Земли на вершину башни. Потеря энергии означает, что свет смещается к более длинным – или красным – волнам. Это и есть гравитационное красное смещение.

Представим себе часы, в которых время измеряется частотой света. Поместим часы к подножию башни. Глядя на них с вершины, мы понимаем, что фотоны, направляясь к нам, теряют энергию, следовательно, частота снижается. Мы видим, что часы идут медленнее. Наоборот, если мы стоим у подножия башни и смотрим вверх, то видим, что часы на вершине идут чуть быстрее. Замедление времени в условиях сильной гравитации – еще одно предсказание общей теории относительности. Удивительным примером является приписываемое физику Ричарду Фейнману предсказание: центр Земли на два с половиной года моложе ее поверхности[274]. Это явление называется гравитационным замедлением времени. Красное смещение и замедление времени тесно связаны. Свет и другие формы электромагнитного излучения имеют длину волны, обратно пропорциональную частоте. Поскольку энергия света уменьшается, когда он борется с гравитацией, его волны становятся более длинными – или более красными, а частота снижается – иными словами, световые «часы» идут медленнее[275].

Первым гравитационное красное смещение наблюдал Уолтер Адамс в 1925 г. Он измерил смещение спектральных линий ближнего белого карлика Сириус В. Поскольку Сириус В входит в двойную систему, его масса известна, а смещение составляет несколько десятитысячных, а не несколько миллионных долей, как в случае менее компактной звезды – например, Солнца. К сожалению, измерения были искажены световым загрязнением намного более яркого партнера – Сириуса А, и ученые не признали эффект подтвержденным.