Коллектив авторов - Космос. От Солнца до границ неизвестного

Поскольку мы видим гамма-всплески с очень большого расстояния, ученые считают, что их исследование может помочь в изучении истории расширения Вселенной, начиная с самых ранних дней. А благодаря этому, возможно, удастся понять, как себя ведет темная энергия. Но сначала мы должны выяснить механизм свечения гамма-всплесков, чтобы иметь возможность вычислять их истинную светимость, анализируя флуктуации их излучения.

Если нам крупно не повезет и подобный гамма-всплеск произойдет в нашей собственной Галактике, будучи направлен в сторону нашей планеты, он может нанести Земле значительный ущерб. Не исключено, что вспышки гамма-излучения в нашей Галактике явились причиной массовых вымираний отдельных видов живых организмов на доисторической Земле. С другой стороны, благодаря им могли произойти и генетические мутации, вследствие которых появились новые разнообразные формы жизни.

Практически вся информация о Вселенной, которой мы обладаем, получена нами из анализа электромагнитного излучения. Если в течение нескольких тысячелетий древние астрономы, наблюдавшие небо, имели в своем распоряжении только видимый диапазон длин волн, то за последнее столетие их возможности значительно расширились: появились приборы, которые способны фиксировать радиоволны, «видеть» инфракрасное и ультрафиолетовое излучение, исследовать рентгеновские и гамма-лучи. Единственным исключением были нейтрино, но, поскольку реактор в центре Солнца продолжает работать, настанет день, когда и нейтрино будут использованы для исследования центральных областей активных галактик.

В 2015 году ученые поймали сигнал совершенно нового типа. В рамках эксперимента LIGO были обнаружены гравитационные волны – растяжение и сжатие пространства-времени – от столкновения двух черных дыр на расстоянии около 1,3 миллиарда световых лет. В 2017 году за это открытие Нобелевскую премию получили трое ученых, руководивших проектом, – Райнер Вайс, Барри Бариш и Кип Торн.

Сигнал был принят 14 сентября 2015 года двумя обсерваториями LIGO : в Хэнфорде (штат Вашингтон, США) и Ливингстоне (штат Луизиана, США). По деталям формы сигнала удалось проследить, как две черные дыры с массами 36 и 29 солнечных кружили друг возле друга, подходя все ближе и ближе, пока наконец не слились в одну черную дыру.

Сообщение об открытии стало сенсацией среди физиков и астрономов по всему миру. Гравитационные волны позволят нам исследовать фундаментальные физические явления, изучать самые странные объекты во Вселенной и, возможно, даже заглянуть в самые ранние моменты ее эволюции.

Потом последовали новые находки – коллаборация LIGO поймала гравитационные волны от других пар сталкивающихся черных дыр. Одно из этих явлений наблюдалось также на франко-итальянском детекторе гравитационных волн Virgo , расположенном неподалеку от Пизы (Италия). Наличие этого второго детектора позволяет астрономам гораздо более точно определять направление на источник, что в будущем может помочь им отслеживать гипотетическое излучение, приходящее из этой точки.

Массы черных дыр, столкновение которых зафиксировали во втором эпизоде, составляли около 8 и 14 масс Солнца. Именно в таком диапазоне, по расчетам астрофизиков, должны находиться массы объектов, возникающих в результате коллапса звездных ядер. Но другие события свидетельствуют о том, что существует популяция черных дыр с массами от 25 до 35 солнечных масс. До эксперимента LIGO об этой группе объектов мы ничего не знали.

Затем, в августе 2017 года, коллаборация LIGO впервые увидела гравитационные волны от слияния нейтронных звезд. Это событие, произошедшее на расстоянии 130 миллионов световых лет, наблюдали и другие астрономы. Около 70 телескопов и обсерваторий по всей планете и в космосе одновременно развернулись к одной и той же точке в созвездии Гидры и обнаружили там гамма-всплеск и послесвечение в видимом диапазоне.

Рис. 10.2. Через 100 лет после теоретического предсказания черных дыр их открыли экспериментально – в LIGO .

На рисунке – две черные дыры в сценарии слияния друг с другом во время сближения по спиралевидной траектории (R. Hurt – Caltech / JPL.).

Это доказывало, что слияния нейтронных звезд могут вызывать кратковременные гамма-всплески. Астрономы впервые стали свидетелями формирования тяжелых элементов – в результате взрыва образовалось столько золота, что его хватило бы, чтобы сделать планету размером с Землю, а также другие тяжелые элементы, включая уран, плутоний и свинец.

По мере обнаружения новых подобных сигналов мы будем в состоянии уточнять наше понимание эволюции и структуры Вселенной как целого. Наблюдения за несколькими слияниями черных дыр, возможно, помогут понять природу темной энергии. По форме сигнала – возрастанию и падению частоты и мощности гравитационных волн – мы можем определить размеры черных дыр и выяснить, насколько интенсивным было событие во время его зарождения. Сравнение первоначальной мощности события со слабыми вибрациями детектора LIGO говорило бы нам о том, насколько далеко оно произошло. Вместе с наблюдениями стандартных телескопов это может поведать нам о расширении пространства за то время, которое потребовалось гравитационным волнам, чтобы дойти до нас. На этом основании мы сможем оценить степень влияния темной энергии на пространство.

К работе по поиску гравитационных волн подключились и другие типы детекторов. Европейское космическое агентство планирует разработать лазерную интерферометрическую антенну ( eLISA ) – огромный космический детектор, способный улавливать гораздо более длинные волны, включая волны, которые должны излучаться при столкновении двух сверхмассивных черных дыр. Технология этого детектора уже опробована в подготовительной космической программе LISA Pathfinder ( LISA -следопыт).

В будущем мы можем ожидать появление детекторов, работающих на более коротких длинах волн, чем LIGO , что может позволить нам уловить первичные гравитационные волны из очень молодой Вселенной. Эти волны должны были возникнуть в период инфляции – ускоренного расширения – в первые мгновения после Большого взрыва. Результаты этих наблюдений могут даже указать нам путь к созданию теории великого объединения Вселенной. Когда-то все четыре фундаментальных взаимодействия самой природой были объедены в одно целое. По мере того, как Вселенная расширялась и охлаждалась, эти фундаментальные взаимодействия потеряли связь друг с другом в результате непонятных пока событий. Но исследование гравитационных волн может пролить свет на эти события.