Квазавры & Квазарики

Неизвестно, читал ли Яков Зельдович труды Густава Лебона, но его знаменитую фразу: "чем чудовищнее ложь, тем скорее в неё поверят" – он похоже слышал много раз, если не от Геббельса - уж кто-кто, а тот книги Лебона знал наизусть, - то от Совинформбюро точно. Лебон в свою очередь, изучая опыт французских революций включая и Парижскую коммуну в том числе, открыл несколько удивительных по своей фундаментальности законов социума. Эти законы позже весьма высоко оценили не только в Третьем Райхе, Холливуде и на БиБиСи, но и, в частности, в научной среде, особенно за последние полвека.

Как повелось ещё со средних веков, в астрономии, а затем и в астрофизике, не только не возбранялось приврать и пофантазировать вдоволь, но даже считалось доблестью навешать лапшу на уши какому-нибудь богатенькому буратине продав ему гороскоп на сегодня, на неделю, на год, и предсказав дальнейшую судьбу по звёздам - жить ведь на что-то нужно. Но не смотря на это, средневековое научное сообщество представляло собой монашеский орден-братство со своими обрядами, ритуалами и градусами посвящения. Члены братства свободно делились своими идеями между собой не публикуя их десятилетиями без всякого опасения, что брат их может украсть приписав себе. Такое, конечно, случалось, но крайне редко. Внутри ордена подобное было не с руки.

Средневековая структура научного сообщества была окончательно разрушена только к середине прошлого века усилиями в основном Советского Союза и американцев. Американцы монетизировали науку, в то время как Советский Союз пролетаризировал её, приравняв творческую мысль к производительной силе. В Союзе появилось даже крылатое выражение: "пролетарий умственного труда". Была также сделана титаническая попытка создать свою рабоче-крестьянскую науку, в том числе и математику с физикой, замешанную на шизофрении и двоемыслии марксисткой диалектики - в эксперименте выжили не все, а кто-то отделался длительной отсидкой. А в Америке, соответственно, сформировался целый слой "капиталистов интеллектуальной собственности", прятавших плоды свободой мысли в сейфах. Так же расцвели разнообразные секты и масонские ложи всевозможных "свидетелей Большого Взрыва". Так или иначе, законы толпы Лебона пришли на смену правилам и манерам средневекового рыцарства.

В современной астрофизике, где действительно трудно что-либо стопудово установить, Лебоновская формула успеха изящна и проста: из двух возможных объяснений какого-либо наблюдаемого явления всегда выбирайте самое невероятное и парадоксальное - так вам быстрее поверят. А дальше закрепляйте достигнутый эффект использую Лебоновский же аналог закона больших чисел: "ложь повторенная тысячу раз становится правдой". Холливуд, радио и телевизор с БиБиСи вам в помощь - они этим живут. А на безрыбье и "Очевидное-Невероятное" тоже годилось.

В самом конце 50-ых прошлого века были обнаружены весьма странные объекты, невидимые в оптический телескоп, но спорадически плюющиеся в радиодиапазоне. В 63-ем Маартен Шмидт (Maarten Schmidt), американец голландского происхождения, умудрился зарегистрировать оптический спектр одного такого объекта в созвездии Девы (Virgo). Спектр был очень странным, не похожим ни на что, с нечёткими и сильно размытыми спектральными линиями. Маартену всё же удалось идентифицировать этот спектр как спектр водорода, но с 15.8% красным смещением. Сам он склонялся к мысли, что красное смещение имеет доплеровскую природу, или как сейчас говорят - космологическую. Но тогда получалась, что объект очень мощный, на гигантском от нас расстоянии и удаляющийся с потрясающе большой скоростью - почти 16% от скорости света (47000 км/сек). Однако сомнения его всё же посещали: это могло быть и гравитационное красное смещение. Но тогда объект должен быть крошечным, находящимся близко, и быть очень массивным. Дилемма!

Сообщество встало перед выбором. И он, разумеется, был сделан.

Не прошло и года с открытия Маартена, как именно Зельдович вбросил идею чёрной дыры. Его поддержал Эдвин Солпитер - он тоже жаждал славы. Чёрные дыры в те времена считались экзотическими и чисто теоретическими объектами полными парадоксов. Но в этом-то и фишка! Конечно, такая чёрная дыра должна быть очень-очень массивной, чтобы её разогретый аккреционный диск мог светить с расстояния многих сотен миллионов световых лет. Что ж, пусть они будут в миллиарды масс Солнца. Или в триллионы? Во сколько надо - во столько и будут! Публика ахнула - это поражало воображение, эффект был достигнут. Засуетились и СМИ. Буквально в том же году был предложен яркий и хорошо запоминающийся термин "квазар" (quasar) тайваньцем Хон-Йи Чиу (Hong-Yee Chiu). Да, на Западе придают большое значение названиям, ведь это бренд и неудачное название может всё испортить. А вскоре, в марте 66-го, всего за год до открытия пульсаров девушкой по имени Джоселин Бэлл (Jocelyn Bell), Маартен Шмидт с квазаром появился на обложке журнала Time, чего бы точно не случилось, если бы был сделан “неправильный выбор” в пользу нейтронной звезды.

Зельдович прекрасно знал всё о нейтронных звёздах, которые, кстати, придумал Ландау ещё в 34-ом, но они тогда считались очень скучными объектами и уж точно не будоражили воображение публики. Выбор между чёрной дырой и нейтронной звёздой до открытия пульсаров был подобен выбору между динозавром и хомяком. Кому интересен хомяк? Правильно, никому... ну почти никому. Другое дело чёрные дыры!

В Москву к Зельдовичу зачастили западные астрофизики, впоследствии тоже прославившиеся Кип Торн (Kip Thorne) и тогда ещё живой Стивен Хокинг (Stephen Hawking), учиться и перенимать опыт. Вряд ли Кип и Стив читали Лебона, но Зельдовича они слушали буквально с открытыми ртами ловя каждое слово. И было из-за чего!

У чёрных дыр много странностей, некоторые из которых до сих пор заметаются под ковёр. Вот, например, одна из них: известно, что собственное время, τ, падения тела с горизонта событий в центр чёрной дыры конечно и даётся очень простой формулой τ = 2r_g/3c, где r_g - радиус Шварцшильда, а c - скорость света. Известно так же, что собственный радиус (то, что измеряет наблюдатель падающий в дыру) от горизонта событий до сингулярности в центре бесконечен. Из чего следует, что скорость падения тела за горизонтом больше скорости света и более того, стремится к бесконечности в центре: dr/dτ = -c[r_g/r]^1/2. Вроде бы ну и чёрт с этим - всё это происходит за горизонтом событий и нам это никак не проверить. Однако это глюк, и к тому же глюк очень серьёзный. С другой стороны, если бы собственное время падения было бы бесконечным, то никакой сингулярности в центре чёрной дыры и вовсе бы не было, а значит и чёрной дыры как таковой. Есть ещё и другие глюки, но для нас здесь важно следующее:

Роберт Оппенхаймер (J. Robert Oppenheimer) в ряде своих статей в конце 30-ых показал, что образование чёрной дыры для удалённого наблюдателя занимает бесконечное время получив при этом асимптотические решения, ставшими затем классическими, для задач гравитационного коллапса пылевидного, а затем и газового облака. В 30-ых, да и позже вплоть до середины 60-ых, ни о каком Большом Взрыве и речи не шло, поэтому никакого шока его результаты не вызвали. Считалось, что Вселенная существовала всегда. А раз так, то и времени вполне хватало для образования чёрных дыр, если они, разумеется, есть. Далее, для сформировавшейся дыры, любое тело, брошенное внешним наблюдателем к горизонту событий, достигает горизонта за бескончно длинный интервал времени экспоненциально замедляясь при приближении и буквально влипая в горизонт событий как муха в липкую ленту в жаркий полдень. Для самого тела или наблюдателя падающего в чёрную дыру картина мира выглядит иначе - всё происходит безжалостно быстро, как описано выше. В России вплоть до начала 70-ых такие объекты называли замороженными или застывшими звёздами, так как они навсегда замораживали бы любое движение вокруг себя вместе с пространством-временем.

Из решений Оппенхаймера в частности следует, что никакой удалённый наблюдатель в принципе не может наблюдать слияние двух сверхмассивных - да хоть каких! - чёрных дыр, так как никто не живёт вечно. А, следовательно, и гравитационных волн задетектировать не удастся. На это способен только Кип Торн и коллектив учёных LIGO (Лазерно-Интерференционная Гравитационно-волновая Обсерватория, США). По словам Торна они детектируют слияние дыр чуть ли не каждую неделю! Что тут скажешь? Ученик превзошёл учителя! А если разбираться подробнее, то вполне себе highly likely, что по масштабу подлогов и фальсификаций - чего только стоит измерение расстояний в одну тысячную “диаметра” протона - проект LIGO вполне сравним с высадкой американцев на Луну. Но в нашем мире, как мы знаем, работают фундаментальные законы Лебона: чем наглее подлог, тем громче слава.

Забегая слегка вперёд следует отметить, что гравитационные волны были открыты ни в коем случае не LIGO, как это теперь повсеместно вбивается в головы доверчивой публике, а из наблюдений бинарной системы состоящей из нейтронной звёзды и пульсара, что тоже нейтронная звезда, в 74-ом Расселом Халсом и Джозефом Тэйлором Младшим (Russell Hulse & Joseph Taylor Jr.). Размер орбиты и период вращения вокруг общего центра такой бинарной системы уменьшались в полном соответствии с расчётной потерей энергии уносимой гравитационными волнами. Нобелевку они получили по праву, а в те времена она ещё была значима.

К середине 70-ых нейтронные звёзды проявили себя не в первый раз и уже не считались скучными. А что же с происходило с квазарами? А для них началась новая эпоха. Несмотря на очевидные противоречия их надо было как-то впихнуть в теорию Большого Взрыва. И впихнули! Да так, что подлог почти не заметили. Хотя как можно было такое не заметить? Или заметили, но промолчали? Или тех, кто заметил, перестали приглашать на БиБиСи? Да, и такое вполне может быть. Однако Хокинга с Пенроузом (Roger Penrose) охотно принимали повсюду. А по ходу дела появились какие-то реликтовые чёрные дыры и прочая чудесатая хрень - контора пишет.

Что же мы в результате имеем? Квазары зародились на самой ранней стадии развития Вселенной, многие из них всего через несколько сотен миллионов лет после Большого Взрыва. Почему эти твари не родятся теперь теория умалчивает. Но, тем не менее, они светят с очень большого расстояния и их спектр сильно смещён в красную область из-за эффекта Доплера, то есть красное смещение имеет космологическую природу. Скорость их разбегания очень большая, у многих она приближается к скорости света. На ранней стадии плотность вещества была очень высокой, поэтому жрали они в три горла и многие из них отожрались до миллиардов солнечных масс (как это может быть теория тоже умалчивает). Их чудовищное гравитационное поле затягивает в их бездонное чрево много еды, которая формирует гигантские аккреционные диски разогретые до многих миллионов кельвинов.

Откуда мы это знаем? Из наблюдений, разумеется. Человечество с опаской уже многие десятилетия присматривается к этим чудовищным тварям и благодарит бога за то, что они так далеко, и убегают от нас со страшной скоростью. Да, бог милостив.

Человечество даже научилось извлекать выгоду из их существавания. Эти звери служат реперными маячками по которым можно очень точно определять положение в пространстве. Так, баллистическая ракета наверняка найдёт свою цель хоть на Марсе, хоть на Венере триангулируя своё положение по квазарам.

Упомянув смещение мы должны кое-что пояснить. Красное смещение обычно измеряют либо в процентах: ω/ω₀ = 1 – 0.01x, где ω₀ - собственная частота источника вблизи объекта, ω - задетектированная частота удалённым наблюдателем, а x - проценты; либо в z, которое определяется так: λ/λ₀ = ω₀/ω = 1 + z, где λ - длина волны задетектированная удалённым наблюдателем, λ₀ - собственная длина волны источника. Положительные значения z соответствуют красному смещению, в то время как отрицательные - голубому. Для гравитационного смещения имеем: z = (1 - r_g/r)^-1/2 – 1, которое, как видно, всегда положительно для источника находящегося на расстоянии r > r_g от центра объекта. Доплеровское красное смешение очень трудно, да и практически невозможно, отличить от гравитационного для достаточно удалённых объектов. Для этого нужна дополнительная информация.

Хорошо, квазары - это сверхмассивные чёрные дыры. А какова “скучная” альтернатива?

Что представляют из себя нейтронные звёзды? Гравитационное поле звезды буквально вдавливает электроны в протоны, поэтому начинка нейтронной звёзды состоит из сверхплотной нейтронной сверхтекучей Ферми-жидкости. Она, как и следует ожидать, электрически нейтральна. Но на поверхности нейтронной звезды существует слой в несколько сот метров очень плотной намагниченной плазмы. Магнитное поле в плазменной атмосфере звёзды достигает значений от 10⁴ до 10¹¹ Тесла. К примеру, в самых мощных на сегодняшний день магнитах, используемых в магнитно-резонансных установках таких как MRI сканеры, магнитное поле не достигает и 10 Тесла. Именно за счёт своего дичайшего магнитного поля нейтронные звёзды очень буйно себя ведут в радиодиапазоне, а так же плюются рентгеновским и гамма-излучением. Так их и обнаружили.

Карл Шварцшильд в своё время получил частное решение уравнений Эйнштейна не только в вакууме, которое так широко разрекламированно повсюду, но и внутри сферически симметричного тела заполненного веществом. Внутренняя метрика Шварцшильда выглядит так (если кому интересно, конечно):

где а - радиус сферы заполненной веществом, a ≥ r_g, и 0 ≤ r ≤ а. Это решение сшивается с решением в вакууме - внешней метрикой, так, что все компоненты метрического тензора и их производные по r непрерывны при r = a, как это каждый может проверить если не лень. Как и следовало ожидать, внутренняя метрика Шварцшильда не глючит. С ней всё хорошо. Таким образом, вдали от нейтронной звезды работает внешняя метрика, с которой тоже всё хорошо снаружи при r > a, а внутри при r ≤ а работает внутренняя. Этим мы и воспользуемся.

Возьмём нейтронную звезду с радиусом равным радиусу Шварцшильда, но минус эпсилон. Эпсилон нам нужен для плазменной атмосферы, пусть она будет буйствовать снаружи горизонта событий. Это почти чёрная дыра - не совсем, но почти. Посчитаем её объём, для чего пространственных компонент метрического тензора достаточно. Получим, что собственный объём такой звезды больше евклидова в 3π/4 раза, что приблизительно равно 2.36. То есть, вещества фиксированной плотности там поместится именно в 3π/4 раза больше, чем в плоском евклидовом пространстве.

Чтобы найти массу звезды, надо проинтегрировать плотность вещества по объёму, где элемент объёма опять же находится из шварцшильдовской метрики (якобиан). Конечно, плотность нейтронной Ферми-жидкости зависит от радиуса, но мы поступим проще - оценок нам вполне хватит. Для этого возьмём среднюю плотность нейтронной звезды, которая приблизительно равна 5×10¹⁷ [кг/м³]. Да, это дохренища! Далее отметим, что в выражение для объёма входит радиус Швацшильда, который в свою очередь зависит от массы как r_g = 2GM/c². Представим массу как произведение плотности на объём, а в формулу для объёма подставим шварцшильдовский радиус и получим уравнение для массы. Решив его найдём, что масса нейтронной звезды равна приблизительно четырём массам Солнца. А найдя массу найдём и радиус. Он будет равен 12 км. Интересно, что здесь всё предопределено: изменить массу и радиус мы можем только изменив плотность.

Нейтронная звёзда в четыре массы Солнца нестабильна, так как её масса нарушает условие стабильности Толмана-Оппенхаймера-Волкоффа: потолок стабильности где-то в районе от 2.2 до 2.9 солнечных масс. То есть, она находится в процессе схлопывания в чёрную дыру. Но нам на это глубоко наплевать, так как процесс схлопывания займёт бесконечное время и для нас такая нейтронная звезда будет светить рентгеном вечно. Для андромедян тоже.

Как же выглядит подобная нейтронная звезда? Для удалённого наблюдателя из-за рефракции света на гравитационном поле она будет казаться больше, но не намного. Ну разика в два на вскидку. Всё равно это крошёчный объект и в оптический телескоп его не разглядишь. А вот сверхмассивные дыры будут выглядеть просто гигантскими.

Так как радиус условного горизонта событий почти совпадает с радиусом звезды, то гравитационное красное смещение падающей на звезду материи может быть любым. Посчитаем расстояние до поверхности падающего водородосодержащего газа для рекордного зарегистрированного красного смещения в z ≃ 7.5, так глубоко и прямо в сердце поразившего всё астрофизическое сообщество. Получаем приблизительно 168 метров над поверхностью нейтронной звезды (r_7.5 = 1.014 a). Такое может быть? Может. И это всяк лучше, ментально здоровее и реальнее, чем доплеровское красное смещение квазара на расстоянии в 29 миллиардов световых лет. Да и откуда такое фантастическое расстояние, когда возраст Вселенной, в соответствии с теорией Большого Взрыва, вроде бы всего-то каких-то скромных 14 миллиардов годиков? Ах! ну да, забыл! Вселенная не только расширяется, но и пространство дополнительно растягивается... И что за тварь может так назойливо светить с таких-то расстояний? И что ж за "рэпид по рождению" смог так быстренько окуклиться сразу после Большого Взрыва? Аккреционный диск говорите? А впрочем, в мире, где правят законы Лебона правда абсурдна. Чем абсурднее, тем истиннее. Credo quia absurdum.

Более того, заметим, что у нейтронной звезды со шварцшильдовским радиусом нет механизма набора массы, так как всё, что приближается к поверхности звезды для удалённого наблюдателя вмораживается в горизонт. Если мы предположим, что сверхмассивные дыры всё же создал не бог или сатана, что в данном случае пожалуй является единственной альтернативой, а они формируются из нестабильных нейтронных звёзд - супер-дыр в бесконечно удалённом будущем, - то совершенно непонятно как дырочки в четыре массы Солнца могут отожраться до миллиардов солнечных масс? Вот как?

Рассмотрим более консервативные варианты. Например, возьмём радиус звёзды в два раза больше шварцшильдовского, a = 2r_g. Посчитаем… Объём такой звёзды всего лишь в 1.2 раза больше евклидового, масса равна двум солнечным, а радиус 11.6 км при r_g = 5.8 км. Эта звезда стабильна, что в общем-то неважно. Максимальное красное смещение для вещества падающего на поверхность составляет z = 0.414. Это, конечно, не 7.5, но вполне укладывается в распределение красных смещений квазаров с z от 0.056 до 7.64.

Так как максимум числа квазаров в их распределении находится при значениях z где-то между 1.5 и 2.5, то большинство нейтронных звёзд должно иметь радиус близкий к (9/8)r_g. То есть, с радиусом чуть-чуть больше шварцшильдовского в 11.74 км, с объёмом в 1.64 раза больше евклидового, с массой в 3.98 M_o, то есть почти в четыре массы солнца. Нестабильны? Да и хрен с этим. Нет в нашем мире стабильности и не будет.

Рассмотри напоследок один весьма консервативный случай звезды с радиусом в 3 шварцшильдовских. Получаем объём всего лишь в 1.1 раза больше евклидова, массу в 1.1 массы Солнца, а радиус в 9.9 км, при шварцшильдовском в 3.3 км. У Солнца, кстати, r_g = 3 км. Максимальное красное смещение тут z = 0.225. А если в процентах, то это где-то 18%, что почти идеально подходит для квазара открытого Маартеном Шмидтом с 15.8% смещением. То есть водородосодержащий газ падающий на поверхность с высоты в почти полтора км даст именно такое смещение. Это может быть? Вполне. Более того, распределёние газа в пространстве над поверхностью звезды приведёт к размыванию спектральных линий, которое в своё время так озадачило многих. К тому же неравномерное по высоте распределение газа может до неузнаваемости исказить и сам спектр, изуродовать как бог церепаху.

Конечно, это весьма простая, почти примитивная модель, и у неё, разумеется, есть нестыковки с наблюдениями. Но эти нестыковки имеют рациональную природу по сравнению с абсурдностью теории Большого Взрыва, где криво всё и всё можно объяснить - а если теория может объяснить всё, то она не объясняет ничего.

Астрофизика, что бы там не долдонили марксисты, не является производительной силой. Бытиё не изменится, если эту науку убрать из нашей жизни совсем, а вот сознание точно изменится. Так каким целям она служит? С 1245-го года, с работы Готьё де Метца, она, точнее её бабушка астрономия, предоставляет картину мира. А значит, идеологическим целям. Так, например, с идеологической точки зрения Большой Взрыв устраивает как креационистов с их мифом о сотворении, так и эволюционистов. По мнению последних всё должно эволюционировать, в том числе и Вселенная.

Можно также сказать, что астрофизика является своего рода индикатором интеллектуального здоровья. Что бы там не говорили про средние века, но именно в средние века астрономия сломала хребет религиозному мракобесию и обскурантизму, шаг за шагом изменив картину мира. На сегодня мы имеем, похоже, обратный процесс. Здравый смысл и рациональность шаг за шагом вытесняются мракобесными теориями, которые объявляются научными и прогрессивными. За успехи в насаждении мракобесия и подлоги с фальсификациями присуждаются премии. Что происходит? Мы на пороге тёмных веков?