Статья "Без Большого Взрыва". Глава 7

Квазары и гамма-всплески

Так называемые квазизвёздные объекты (квазары) с первых же дней их открытия в 1960 году стали камнем преткновения для всех космологических моделей, базирующихся на концепции Большого Взрыва. Название этих объектов как нельзя лучше отражает их сущность: выглядя внешне как вполне обычные звёзды, на деле они таковыми не являются. Не буду повторять хорошо известные факты и рассуждения, просто остановлюсь на главном:

Причём наиболее загадочным представляется не каждое из указанных свойств в отдельности, а совокупность всех этих свойств. Пока что не существует никакого более или менее удовлетворительного объяснения феномена квазаров. В последние годы многие учёные стали склоняться к версии, что квазары представляют собой чрезвычайно активные ядра галактик, однако это никак не объясняет того, почему и как эти ядра оказались где-то на самой окраине Вселенной и совершенно отсутствуют в сравнительной близости от нас (ближайший к нашей Галактике квазар находится на расстоянии, превышающем полмиллиарда световых лет, а подавляющее большинство удалены на пять и более миллиардов световых лет). На прилагаемой фотографии одного из квазаров (3С273) видно оболочку, напоминающую галактику, ядром которой как будто является квазар. Однако утверждать, что это галактика, никаких реальных оснований нет — просто похоже внешне, да и  другого объяснения пока не найдено. Вообще говоря, никто не наблюдал различных стадий эволюции квазаров: они существуют, но нет никаких предшествующих им объектов и нет ничего, что можно было бы однозначно связать с квазаром, прекратившим свою "деятельность".

В качестве принципиально обратного примера можно привести "сверхновые звёзды". Учёным достаточно хорошо известно, что вспышке "сверхновой" неизменно предшествует нестабильность массивной звезды, исчерпавшей ресурсы термоядерного "горючего" (эта нестабильность, в частности, является основой прогнозов вспышек "сверхновых"). После взрыва "сверхновой" всегда остаётся расширяющаяся оболочка в виде туманности (наиболее известна в этом отношении "сверхновая" 1054 года в созвездии Тельца, после взрыва которой образовалась знаменитая Крабовидная туманность). А квазары остаются просто квазарами, — никто не наблюдал их появления, эволюции или исчезновения… Объяснение может быть одно: период стабильного существования квазаров очень велик, — но на самом деле оно ничего не объясняет. Звёзды и галактики существуют в почти неизменном виде на протяжении миллиардов лет, и тем не менее мы имеем возможность наблюдать разные стадии их эволюции. Открыв какую-либо неизвестную ранее звезду или галактику, можно измерить их физические параметры и на этом основании с достаточной степенью уверенности определить возраст вновь открытого объекта и предсказать его ближайшее будущее. Не имея фактических данных о различных стадиях эволюции квазаров, мы не в силах сделать ничего подобного в отношении их. Иначе говоря, обнаруживая новый квазар, мы никак не можем определить его возраст, и по этой причине не можем быть уверены, что этот квазар существовал до момента его открытия, — с тем же успехом можно полагать, что он был открыт сразу же после его образования. Если же допустить, что отдельно взятый квазар может существовать в течение десятков миллиардов лет (как считают многие, с момента, близкого к Большому Взрыву), — вообще невозможно понять, каков же источник энергии квазаров, позволяющий так неимоверно долго поддерживать столь большую светимость. Единственное разумное объяснение проблемы эволюции квазаров (точнее, отсутствия их эволюции) заключается в том, что квазары возникают практически мгновенно, существуют на протяжение нескольких десятков или сотен тысяч лет, и так же быстро исчезают, не оставив после себя ничего.

Но разве такое возможно?.. Да, возможно: если квазары полностью состоят не из вещества, а из электромагнитного излучения.

Попытаемся подойти к проблеме с позиций квазистационарной модели. Мы пришли выше к однозначному выводу, что для расширения наша Вселенная должна ежесекундно поглощать из Гипервселенной 2,019·10³⁵ килограммов вещества и излучения. Конечно же, в масштабах Вселенной 2,019·10³⁵ кг/с — исчезающе малая величина, но согласно формуле Эйнштейна E = mc² ей соответствует мощность излучения 1,815·10⁵² Дж/с, или  4,7·10²⁵ светимостей Солнца, что в любых масштабах выглядит внушительно. Если бы поглощение из Гипервселенной происходило равномерно по всей площади горизонта событий Вселенной (радиус которого из принятого выше значения постоянной Хаббла R_x =  2,05175·10²⁶ м), наблюдаемая нами светимость горизонта событий составляла бы (без учёта поглощения и рассеяния света по пути от горизонта событий до нас)

что приблизительно в 50000 раз меньше мощности солнечного излучения, падающего на Землю. Очевидно, адсорбция вещества и излучения из Гипервселенной носит дискретный характер (по причине дискретности строения материи). Особенно ясным это становится, если вспомнить, что, как было показано выше, масштабы Гипервселенной как минимум в 10²⁰ раз превосходят масштабы Вселенной. Так, если бы нам удалось непосредственно увидеть "гипервселенский" протон или электрон, они имели бы размеры в сотни тысяч километров, что довольно близко к характерному размеру звезды типа Солнца.

Поскольку любая частица при падении на "чёрную дыру"  пересекает горизонт событий с предельной скоростью, то и протон, и электрон из Гипервселенной влетят во Вселенную со скоростью порядка 10²⁹ м/с и при этом будут обладать релятивистской массой, равной критической массе фотона для Гипервселенной, т.е. порядка 10¹³ кг. И тут неизбежно вступает в силу то обстоятельство, что частица, движущаяся в любой среде со сверхсветовой скоростью, обязана отдать "лишнюю" энергию в виде электромагнитного излучения (эффект Вавилова — Черенкова). Ранее такой эффект наблюдался при вхождении частиц из вакуума в любую среду со скоростью, превышающей скорость света для данной среды. Поскольку влетевший "гипервселенский" протон обладает скоростью, многократно превышающей скорость света в вакууме для нашей Вселенной, он просто обязан затормозиться до некоей скорости, хотя бы немного меньшей скорости света в вакууме. Собственно говоря, вся энергия частицы-иммигранта из Гипервселенной является лишней, поскольку никакая элементарная частица в нашей Вселенной не может обладать энергией, превышающей критическую — всего лишь 1,383 ГДж, что составляет порядка 10^—20 критической энергии частицы в Гипервселенной. При этом возникнет "тормозное излучение" в виде гамма-квантов, излучаемых в пределах некоего конуса, угол расхождения которого определяется начальной скоростью замедлившейся частицы. Поскольку скорость эта в нашем случае попросту колоссальна, "конус Вавилова — Черенкова" станет фактически не расходящимся лучом гамма-квантов, поперечник которого равен диаметру влетевшей из Гипервселенной частицы (порядка ста тысяч километров) в момент пересечения горизонта событий Вселенной. И вся избыточная энергия частицы (энергия критического фотона в Гипервселенной, т.е.  10³⁶ — 10³⁸ Дж) будет сконцентрирована в этом поистине чудовищном по своей интенсивности пучке света. Независимо от соотношения масштабов нашей Вселенной и Гипервселенной, интенсивность излучения, порождённого бывшим "гипервселенским" (а теперь нашим) электроном

А поскольку любую точку Вселенной можно считать её центром (в том числе и ту точку, в которой мы находимся), взорам земных наблюдателей такой луч в любом случае предстанет в виде светящегося объекта размером с обычную звезду (поскольку размеры "гипервселенских" частиц по порядку величины сопоставимы с размёрами звёзд нашей Вселенной). Какова будет светимость этого объекта, зависит исключительно от того промежутка времени, который понадобится "новообращённой" частице для сброса "лишней" энергии. В частности, если произвольно принять это время за триста тысяч лет (≈10¹³ с), светимость составит около 3·10²⁰ Вт/м², что приблизительно в 1,4·10¹³ раз превышает светимость Солнца (≈2,1·10⁷ Вт/м²) и примерно в 1500 раз выше светимости средней галактики. Таким образом, влетевший в нашу Вселенную из Гипервселенной электрон или протон может породить объект со светимостью, многократно превышающей светимость целой галактики. В конечном итоге всё это и может послужить объяснением феномена квазаров, особенно если учесть ещё одно вполне правдоподобное предположение: Вселенная может поглощать из Гипервселенной не только отдельные частицы, но и целые ядра атомов. 

Светимость квазаров определяется тем, сколькими частицами, одновременно влетевшими в нашу Вселенную, образован этот квазар. Скажем, если квазар возник в результате пересечения границы Вселенной ядром гелия, то он вполне может выглядеть как точечный объект, а его светимость будет в четыре раза превышать светимость того, что образован одиночным протоном из Гипервселенной. При этом нет разницы, образован квазар протоном или электроном — при пересечении горизонта событий Вселенной релятивистская масса любой элементарной частицы будет равна критической массе фотона для Гипервселенной (наиболее вероятное значение которой, судя по вычисленному выше значению постоянной Хаббла, составляет от 6·10¹⁵ кг). То есть в рамках ограниченной квазистационарной модели Вселенной светимость любого квазара должна быть кратна некоей минимальной величине. Насколько мне известно, таким сравнением никто не занимался, но попробовать не мешало бы.

Определённый разброс в величине красного смещения квазаров (и соответственно в расстояниях до них) с точки зрения квазистационарной модели можно объяснить разницей во времени их существования. Тут трудно что-либо конкретизировать (хотя бы потому, что мы не знаем, как складывать скорость расширения со скоростью, во много раз превышающей скорость света), но в принципе понятно, что более "старые" квазары являются наиболее близкими к нам, поскольку образовавшие их "гипервселенские" частицы за большее время больше приблизились к нам. А наличие вокруг некоторых квазаров чего-то похожего на галактику или туманность можно объяснить тем, что мощный поток высокоэнергичных фотонов, "сбрасываемых" образовавшей квазар "гипервселенской" частицей, увлекает за собой вещество Вселенной, и вокруг луча квазара создаётся облако уплотнённого и разогретого межгалактического газа — подобно тому, как в конце сильной струи дыма образуется тороидальное облачко. Не исключено, что именно таким путём и создаются дискообразные "зародыши" новых галактик во Вселенной. Другое объяснение может заключаться в том, что луч квазара, встречая на своём пути "тёмную галактику" из числа тех, что находятся во внешнем слое расширяющейся Вселенной, в буквальном смысле выжигает в ней древние нейтронные звёзды, превращая их в облака водорода, из которого тут же в результате термоядерных реакций могут образовываться гелий и более тяжёлые элементы.

Всё сказанное в отношении квазаров вполне может быть применимо (возможно, даже в большей степени) и к гамма-всплескам — кратковременным источникам гамма-излучения, удалённым от нас (как принято считать) на 12 — 15 миллиардов световых лет и весьма равномерно распределёнными по небосводу. Ещё в 70-х годах считалось, что гамма-всплески возникают в нашей Галактике, однако выяснилось, что они расположены где-то у самого горизонта событий Вселенной. Природа гамма-всплесков до сих пор не раскрыта, но с точки зрения модели ограниченной квазистационарной Вселенной их, как и квазары, можно считать элементарными частицами из Гипервселенной, излучающими избыток энергии в виде луча гамма-квантов. На прилагаемой карте неба  схематически показано расположение на небе зарегистрированных гамма-всплесков. Разница же между квазарами и гамма-всплесками заключается, возможно, прежде всего в том, что квазары являются продуктом вторжения во Вселенную не одной отдельной элементарной частицы из Гипервселенной, а целого ядра атома или даже ядер нескольких атомов. Для окончательного ответа на вопрос о природе квазаров и гамма-всплесков, конечно же, необходимы серьёзные исследования этих объектов, в том числе и с позиций квазистационарной модели Вселенной. Если удастся наблюдательными методами установить существование определённого "кванта" светимости квазаров (то есть, что абсолютная светимость любого квазара кратна абсолютной светимости гамма-всплесков), это послужит хорошим аргументом в пользу квазистационарной модели, а также позволит сделать шаг к оценке параметров окружающей нас Гипервселенной.

Что же касается фотометрического парадокса, послужившего в своё время главным препятствием на пути разработки концепции бесконечной Вселенной, тут квазистационарная модель при поддержке теории дискретности пространства-времени также предоставляет его разрешение. Дело в том, что Вселенная в единицу времени может поглотить из Гипервселенной лишь ограниченное количество материи. Если, как было показано выше, адсорбция массы

то поток массы через горизонт событий Вселенной

Что ограничивает этот поток? Только фактор дискретности пространства-времени. В пространственно-временном континууме никаких ограничений на этот счёт нет и не может быть. А согласно ДПВ, за один квант времени через один квант площади не может пройти более одного фотона с критической массой. На деле же, как несложно убедиться путём простого расчёта, поток массы через горизонт событий Вселенной равен кванту массы через квант площади за квант времени. При этом для простоты мы полагаем квант площади равным площади квадрата, сторона которого равна кванту дистанции.

Почему существует такое ограничение на поток массы через горизонт событий? Причина в том, что на горизонте событий происходит скачок в параметрах дискретности пространства Гипервселенной и Вселенной (по "ту сторону" горизонта событий квант дистанции на много порядков превышает величину кванта дистанции по "эту сторону"). С точки зрения квазистационарной модели Вселенной, никакого фотометрического парадокса попросту не существует, — из-за ограничений потока массы (энергии) через горизонт событий Вселенной — вследствие дискретного характера пространства-времени.

Ещё одна проблема, о которой никак нельзя умолчать — так называемая "тепловая смерть" Вселенной. Общий смысл её таков, что в вечной Вселенной температура и энтропия в любой момент времени должны быть бесконечно велики, т.к. от начала Вселенной до этого момента прошло бесконечно много времени, в течение которого звёзды излучали свет и излучили его бесконечно много. Решение этой проблемы я вижу в следующем:

Сколько "чёрных дыр" в нашей Вселенной, остаётся пока что только гадать, но не вызывает сомнения то, что их число и общая масса должны расти со временем, так что и количество поглощаемого ими света увеличивается. Тем самым "чёрные дыры" можно рассматривать в качестве универсальных "охладителей" Вселенной. Они поглощают из окружающего пространства не только свет (электромагнитное излучение), но и вещество. Поскольку всё, что попадает в "чёрную дыру", взаимодействует с остальной Вселенной только посредством гравитации, — это обеспечивает поддержание на постоянном уровне плотности энергии во Вселенной (которая, как было дважды показано выше, в квазистационарной Вселенной неизменна на протяжение всего времени её существования). Возможно, общее число и масса "чёрных дыр" во Вселенной увеличиваются со временем ровно на столько, что их суммарная адсорбция всегда равна сумме того, что излучают все звёзды Вселенной и что поступает в неё из Гипервселенной. Вследствие такого энергетического баланса энтропия Вселенной, вопреки требованию второго закона термодинамики, не возрастает. С одной стороны, это кажется невероятным, а с другой — ситуация вполне нормальная, ибо нет никаких причин рассматривать процесс образования и существования "чёрной дыры" как термодинамический, — хотя бы потому, что вообще не имеет смысла говорить о температуре и других термодинамических характеристиках "чёрных дыр". Своеобразие "чёрной дыры" именно в том, что реально определяемыми её параметрами могут быть только жёстко увязанные между собой масса и радиус.

Разного рода идеи, что в окрестностях "чёрных дыр" может происходить рождение пар частиц из вакуума, могут быть реализуемы лишь при наличии у "чёрных дыр" электрического и магнитного полей, а всё это пока ещё остаётся под большим вопросом. Возможность существования "чёрных дыр" с электрическим зарядом представляется скорее игрой ума, чем реальностью — ведь "чёрные дыры" образуются в результате коллапса массивных звёзд, а никто ещё не наблюдал звёзд, обладающих сколько-нибудь существенным электрическим зарядом…  Даже если и допустить такую возможность, — электрический заряд будет очень быстро компенсирован на последней стадии автогравитационного коллапса, ещё до образования "чёрной дыры", — поскольку электрически заряженная коллапсирующая звезда будет более интенсивно поглощать из окружающего пространства частицы с противоположным по знаку зарядом и притормаживать частицы с одноимённым зарядом. Скажем, положительно заряженная звезда будет поглощать больше свободных электронов, чем протонов, и благодаря этому быстро потеряет свой электрический заряд — гораздо раньше, чем станет "чёрной дырой".  А в отсутствие у "чёрной дыры" электрического заряда любая возможность появления у неё долговременного магнитного поля становится нереальной.  Если тут и можно на что-то рассчитывать, то лишь на весьма кратковременную "вспышку" магнитного поля коллапсирующей звезды на начальной стадии автоколлапса, когда ещё чрезвычайно слабо проявляется релятивистский эффект замедления вращения. 

Аналогичные сомнения можно высказать и о наличии у "чёрных дыр" вращения — хотя при коллапсе звезда и ускоряет вращение вокруг собственной оси (согласно классическому закону сохранения момента импульса), тем не менее (согласно ОТО) удалённый наблюдатель отмечает, что в ходе автогравитационного коллапса скорость вращения звезды уменьшается и стремится к нулю по мере стремления радиуса сжимающейся звезды к радиусу сферы Шварцшильда. В итоге получается странная вещь: с точки зрения удалённого наблюдателя, "чёрная дыра" вообще не вращается, а сопутствующий ей наблюдатель видит, что она вращается с линейной скоростью, близкой к скорости света. Тут мы снова приходим к парадоксу, что в некоторых системах отсчёта скорость света может быть равной нулю. Кроме того, проблема заключается ещё и в том, что относительной может быть лишь величина скорости вращения, но не сам факт вращения или его отсутствия. Чтобы избежать такого раздвоения реальности, придётся из двух этих точек зрения выбирать одну, но более предпочтительными придётся считать выводы удалённого наблюдателя. Почему? Да потому, что сопутствующий наблюдатель, принимающий участие в автогравитационном коллапсе звезды, в итоге окажется в "чёрной дыре" и не сможет поделиться с нами результатами наблюдений. Какой смысл рассуждать о том, что он увидит в ходе коллапса, если мы никогда не сможем этого узнать?

Если квазистационарная модель Вселенной соответствует истине (т.е. Вселенная является "чёрной дырой" в Гипервселенной), то "чёрные дыры" не обладают собственным вращением — как известно, астрономические наблюдения позволяют сделать вывод об отсутствии у Вселенной некоего выделенного направления, каковым неизбежно являлась бы ось её вращения, — следовательно, о вращении Вселенной речь идти, скорее всего, не может, а принцип актуализма позволяет экстраполировать этот вывод на любую другую "чёрную дыру". И, хотя в последнее время появляются сообщения об открытии вращения Вселенной, всё это пока под большим вопросом. Хотя, вообще говоря, отсутствие у Вселенной оси вращения вовсе не означает, что Вселенная не может вращаться. Ведь она расширяется, несмотря на отсутствие у неё центра расширения!..

Как бы то ни было, в квазистационарной модели Вселенной решаются многие проблемы, совершенно неразрешимые во всех концептуально иных моделях. Конечно, в этой главе я лишь наметил направления, в которых следует искать эти решения, но главное в том, что они всё же существуют — хотя бы в принципе.