Роберт Сойер - Вселенная. Емкие ответы на непостижимые вопросы

Итак, 1,3 миллиарда лет назад многоклеточная жизнь на Земле еще только формировалась. Однако в далекой, далекой галактике две черные дыры уже излучали гравитационные волны, вращаясь по спирали друг вокруг друга, а затем столкнулись.

Из галактики, где они появились, волны вышли наружу, в межгалактическое пространство. Они летели миллиарды лет через космос и между галактиками, пока не достигли внешнего края Млечного Пути – 50 000 лет назад, когда наши предки делили Землю с неандертальцами. Затем, 14 сентября 2015 года эти волны достигли Земли. Они вошли в Землю около Антарктического полуострова, прошли наверх сквозь Землю, не потеряв своей силы, и появились на детекторе гравитационных волн LIGO в Ливингстоне, штат Луизиана, а семь миллисекунд спустя – на детекторе LIGO в Ханфорде, штат Вашингтон.

Они растянули и сжали плечи LIGO в повышающемся ритме, который передался лазерным лучам и был записан в компьютер как детальный отпечаток столкновения черных дыр, произошедшего 1,3 миллиарда лет назад. 11 февраля 2016 года, после пяти месяцев изучения и пережевывания данных, наша команда LIGO сообщила миру о первой встрече людей с гравитационной волной.

За следующие несколько лет, по мере роста чувствительности LIGO , мы, скорее всего, увидим сотни столкновений черных дыр, а также гравитационные волны от вращающихся нейтронных звезд, сталкивающихся нейтронных звезд, от черных дыр, разрывающих нейтронные звезды, и, возможно, взрывов сверхновых и космических струн в очень ранней вселенной. Кроме того, возможно, нас ждут очень большие сюрпризы.

И все это – только начало. LIGO регистрирует гравитационные волны, которые колеблются с миллисекундными периодами: волны в миллисекундном «гравитационном окне» вселенной. За следующие 20 лет откроются еще три гравитационных окна. Во-первых, волны с периодами от минут до часов будут наблюдаться расположенным в космосе европейским проектом LISA . Это три космических аппарата, которые следят друг за другом лазерными лучами. Во-вторых, волны с периодами в несколько лет, которые ускоряют или замедляют все часы на Земле, заставляя импульсы от группы радиопульсаров в небе синхронно замедляться и ускоряться. Наконец, первичные волны с периодом в миллиарды лет от Большого взрыва, которые можно косвенно наблюдать по воздействию на поляризацию космических микроволн. Эти четыре новых окна будут аналогичны окнам электромагнитной астрономии, где используется гамма-излучение, рентгеновское излучение, видимый свет и радиоволны, но они будут гравитационными, а не электромагнитными.

В нашем мультимедийном концерте мы показываем будущее астрономии гравитационных волн в музыке и изображениях: LISA будет наблюдать гравитационные волны от маленьких черных дыр на орбите вокруг гигантских черных дыр. Эти орбиты – очень сложные (рис. 1), так как вращение большой черной дыры затягивает пространство в круговое вращение, как воздух в торнадо. В итоге сами волны – тоже сложной формы. Но поразительно – эти сложные волны несут в себе информацию о полной карте искривленного пространства-времени большой дыры, и малая черная дыра получает всю эту информацию по мере обращения вокруг большой дыры.

Рис. 1. Орбита маленькой черной дыры вокруг черной дыры куда большего размера, быстро вращающейся. Модель Стива Драско.

Если смотреть из более высокого измерения (пятое измерение в «Интерстеллар»), пространство вокруг черной дыры должно иметь такую форму. Оно похоже на воронку или рупор (см. рис. 3 в предыдущей лекции). Черное кольцо внизу – это горизонт событий дыры. На самом деле это расплющенная сфера, которая выглядит как круг, потому что я убрал из этой картины одно пространственное измерение. Цвета показывают замедление времени возле горизонта, а белые стрелки показывают, как дыра затягивает пространство в спиральное движение, как воздух в торнадо.

Теперь представьте, что объект, вокруг которого движется маленькая черная дыра, может быть голой сингулярностью, объектом, сделанным из бесконечно искривленного пространства-времени. Такого может и не существовать, но если LISA обнаружит его, это будет потрясающе!

В этом случае (рис. 2) показанная орбита черной дыры, близкой к сингулярности, может быть крайне хаотичной, тогда как орбиты более удаленных черных дыр будут более правильными. Измеряя гравитационные волны от маленьких черных дыр, LISA может сконструировать карту искривленного пространства-времени сингулярности, карту, резко отличающуюся от той, что покажут маленькие дыры на орбитах вокруг гигантской черной дыры.

Рис. 2. Орбиты шести малых черных дыр вокруг массивной «голой» сингулярности Манько – Новикова. Модель Джендрю Бринка.

Возможно, LIGO вскоре сможет уловить и расшифровать гравитационные волны, которые образуются, когда черная дыра разрывает на части нейтронную звезду. Эти волны позволят нам узнать подробности строения звездного вещества, в десять раз более плотного, чем ядро атома, вещества более необычного, чем все, с чем до сих пор сталкивались люди. А проанализировав гравитационные данные совместно с данными оптических и рентгеновских наблюдений, мы узнаем еще больше.

Во время концерта мы видим сталкивающиеся черные дыры с нескольких точек зрения. Первая – это столкновение, каким его увидят человеческие глаза: черная дыра искажает свет далеких звезд за счет гравитационного линзирования.

Интереснее наблюдать то же столкновение из «пятого измерения» «Интерстеллар» (рис. 3). Перед столкновением ( слева ) каждая черная дыра сворачивает пространство в воронку, в центральных областях время замедляется, а стрелки указывают на затягивание пространства в движение. Столкновение (справа) превращает форму пространства, течение времени и движение пространства в бурный шторм. Мы даже видим часть внутреннего пространства сливающихся дыр (черная область в центре).

Во время такого шторма дыры выделяют гравитационные волны, мгновенная мощность которых оказывается в пятьдесят раз больше, чем мгновенная мощность свечения всех звезд во вселенной. Пятьдесят светимостей вселенной, которые выходят за долю секунды полностью в виде гравитационных волн. Без света, без радиоволн, без какого бы то ни было электромагнитного излучения. Это и в самом деле поразительно.

Рис. 3. Пространственно-временная геометрия сталкивающихся черных дыр, которые породили гравитационные волны, впервые зарегистрированные LIGO. Слева: до столкновения. Справа: во время столкновения. Модель – SXS Collaboration, визуализация – Гаральд Пфейфер.