Второе эссе гарвардского физика профессора Ави Лёба на стыке науки и искусства
Водопады — это места, где под действием силы тяжести вода стекает с крутого обрыва. Благодаря этому вода стремительно несется вниз по гравитационному колодцу.
Согласно общей теории относительности Альберта Эйнштейна, гравитация — это искривление пространства-времени, и в сильно искривлённом пространстве-времени материя может достигать скорости света.
Нет более крутого обрыва в пространстве-времени, чем окрестности сингулярности черной дыры, где падающая материя достигает скорости света, а гравитационный прилив может разорвать на части любой объект. По иронии судьбы, из-за нагрева, вызванного падением материи, некоторые области вокруг черных дыр являются самыми яркими источниками света во Вселенной. Их можно наблюдать вплоть до края наблюдаемой Вселенной, где, согласно космическим часам, прошло менее миллиарда лет после Большого взрыва — всего 7 % от текущего времени.
Самая ранняя сверхмассивная чёрная дыра была обнаружена телескопом «Джеймс Уэбб» через 500 миллионов лет после Большого взрыва в виде источника CAPERS-LRD-z9 с космологическим красным смещением 9,288. Масса этой чёрной дыры составляет около 40 миллионов масс Солнца (по данным здесь). Окружающий галактический газ, похоже, падает в чёрную дыру, как вода в водопад. По мере нагревания газ становится ярче. В результате светящийся квазар выглядит как точечный источник света, настолько яркий, что затмевает галактику, в которой находится.
Фаза квазара в центрах всех галактик недолговечна и длится всего 10–100 миллионов лет. В 13,8-миллиардной истории Вселенной квазары появляются как взрывные вспышки света в центрах галактик, словно декоративные блёстки. Их огромная светимость нагревает окружающий газ, и в конце концов он вырывается из гравитационного потенциала галактики, в которой находится квазар. Это похоже на то, как младенец ест всё больше и больше с общего стола, пока не набирается сил и не сбрасывает еду со стола. Эта обратная связь приводит к добровольному «голоданию», которое сдерживает рост центральной черной дыры. В результате сверхмассивные черные дыры достигают предельной массы, которая коррелирует с глубиной гравитационного потенциала галактики, в которой они находятся.
Чёрные дыры с меньшей массой образуются в результате коллапса ядра массивной звезды после того, как она израсходует ядерное топливо и перестанет сопротивляться гравитации. Космический «водопад», возникающий в результате такого внезапного коллапса, огромен и часто приводит к поглощению массы Солнца за секунду. В недавней статье, которую я написал в соавторстве (опубликована здесь), мы обнаружили в соседней галактике Андромеды массивную звезду, которая погрузилась во тьму, оставив после себя характерные признаки реликта чёрной дыры.
Рождение черной дыры звездной массы можно наблюдать даже на больших космологических расстояниях, если оно приводит к образованию пары противоположных струй, которые направляют часть падающего вещества в коллимированный поток. Струи пробивают оболочку звезды-хозяина. Столкновения оболочек внутри струй порождают яркий всплеск гамма-излучения для наблюдателя, находящегося на одной оси со струями. Последующее замедление струй в окружающей межзвездной среде порождает послесвечение на более длинных волнах. Длительные гамма-всплески наблюдаются на красных смещениях, сравнимых с красными смещениями квазаров.
В целом, массивный космический водопад, созданный падением материи с отвесных скал сильно искаженного пространства-времени, приводит к появлению самых ярких источников света в космосе: квазаров и гамма-вспышек. Иронично, что самые яркие источники света возвещают о рождении самых темных объектов в космосе: черных дыр.
***
В этом эссе я представил четыре потрясающие акварели из серии «Небесные водопады», созданные выдающимся художником Грегом Уайаттом. Эти акварели содержат вдохновляющие высказывания Боэция, Джона Мильтона и Аристотеля. Это второе эссе из серии, в которой мы с Грегом сотрудничаем на стыке искусства и науки. Первое эссе из этой серии, озаглавленное «Музыка космических сфер», было опубликовано здесь.
© Перевод с английского Александра Жабского.