Крис Импи - Чудовища доктора Эйнштейна [litres]

Это заставляет вспомнить слова романиста и поэта Джона Апдайка, сказанные в адрес другого призрачного посланца космоса, нейтрино [354]:

Гравитационные волны бывают трех типов [356]. Первые – стохастические, этот термин описывает любой физический процесс случайного характера. Волны этого типа труднее всего зарегистрировать, поскольку сигнал может перекрываться случайным шумом электроники на высоких частотах и геологической активностью на низких. Самым впечатляющим из стохастических сигналов, как мы скоро узнаем, был бы сигнал Большого взрыва. Вторые – периодические, это гравитационные волны, частота которых почти постоянна долгое время. Чаще всего источниками периодических сигналов являются нейтронные звезды и черные дыры, совершающие орбитальное движение по отношению друг к другу. Поскольку партнеры в двойных системах удалены друг от друга, сигналы слабы. Третьи – импульсные, гравитационные волны, которые приходят короткой вспышкой. Импульсы возникают вследствие формирования черной дыры во взрыве сверхновой, а также слияния нейтронных звезд или черных дыр. Предположительно это самые сильные из гравитационных волн, и образ их весьма специфичен, поэтому их проще всего отличить от шума.

Столкновение черных дыр можно интерпретировать как колокольный звон гравитации. Большой колокол звучит ниже маленького, а большие массы при столкновении излучают волны более низких частот, чем маленькие. Нейтронные звезды на максимуме выдают «чирп» до 1600 Гц, черные дыры минимальной массы – до 700 Гц, а массивные черные дыры, столкновение которых было зарегистрировано LIGO в качестве первого события, начинали со 100 Гц и поднялись примерно до 350 Гц. Нейтронных звезд примерно в три раза больше, чем черных дыр, поэтому мы ожидаем увидеть (в порядке уменьшения количества событий, но увеличения силы сигнала): слияния двух нейтронных звезд, слияния нейтронной звезды и черной дыры и слияния двух черных дыр. Детектор LIGO спроектирован так, чтобы быть наиболее чувствительным к диапазону частот 100–200 Гц, в котором самый сильный сигнал издают сливающиеся черные дыры. Этот интервал идеален для наблюдений. На 100 Гц чувствительность в два раза ниже, поскольку усиливаются помехи от электроники, а на 20 Гц – в десять раз ниже из-за усиления геологических шумов Земли.

Какую информацию дает нам волна пространственно-временного континуума? Давайте сравним ее с волнами на воде. Представьте, что вы – поплавок в большом пруду в ветреный день. Из-за ветра поверхность воды идет рябью, случайный рисунок волн, заставляющих вас подниматься и опускаться, весьма похож на фоновый шум в эксперименте по поиску гравитационной волны. Если кто-то в течение нескольких секунд будет с интервалом в секунду бросать в пруд камни, вы почувствуете дополнительную – периодическую – качку. Это «чирп» двух соединяющихся черных дыр. Размах движения зависит от величины камней и от расстояния от вас до места, куда их бросают, поскольку по мере распространения волны слабеют. У поплавка нет глаз и ушей, и вы чувствуете только движение, вы понятия не имеете, откуда идут волны. Однако, если бы вы могли поговорить с другим, соседним поплавком, вы получили бы больше информации. Волны распространяются концентрическими кругами, и время получения этих двух сигналов позволяет вычислить направление источника методом триангуляции. Именно так ваши уши определяют, откуда доносится звук.

В процессе обнаружения волн посредством LIGO физики получают много важной информации [357]. Рисунок изменения частоты дает массы двух черных дыр путем сравнения с результатами моделирования. Фаза слияния используется для определения вращения образующейся в результате черной дыры. Координаты события в небе определяются разницей во времени поступления сигналов в два детектора (то, что одинаковый сигнал наблюдается в обеих точках, помогает исключить помехи или ложный источник). Если точек всего две, ограничения на положение источника в небе не слишком строги: он может находиться где угодно в пределах широкой полосы. Однако успех LIGO вдохновил международное сообщество. Европа недавно ввела в эксплуатацию интерферометр в Италии (Virgo), а скоро введет и в Германии (GEO600). В 2019 г. закончено строительство интерферометра в Японии, еще один планируется запустить в Индии в начале 2020-х гг. Регистрация в трех или более точках позволит сузить область происхождения гравитационных волн до определенного астрономического источника и, следовательно, наблюдать его во всем электромагнитном спектре [358].

Расстояние до источника оценивается по силе сигнала. Волны расходятся от черной дыры в трех измерениях и слабеют, распространяясь в космосе. Гравитационные волны имеют огромное преимущество перед электромагнитными: их амплитуда обратно пропорциональна расстоянию. Если черные дыры в десять раз дальше, то сигнал в десять раз слабее. Астрономы не могут измерить амплитуду электромагнитной волны; они измеряют интенсивность – квадрат амплитуды, и если звезда в десять раз дальше, то интенсивность световой волны в 100 раз меньше. Поэтому LIGO, читая гравитационные волны, имеет огромный охват и может регистрировать катаклизмы, произошедшие в миллиардах световых лет от нас.

Но не был ли успех LIGO случайным? Невозможно набрать статистику на одном событии. Что, если Вселенная лишь чуть приоткрыла свои тайны, спев нам короткую песенку? Восторг физиков сменился тревогой. Они искали утешение в словах Эйнштейна: в какой-то момент в 1921 г., когда казалось, что общая теория относительности опровергнута экспериментом, он изрек: «Господь изощрен, но не злонамерен».

С восторгом и невероятным облегчением команда LIGO объявила, что 26 декабря 2015 г. было зарегистрировано второе событие. Сигнал был слабее, потому что источник находился несколько дальше, на расстоянии 1,5 млрд световых лет, также это было вызвано меньшими массами черных дыр – 9 и 14 солнечных масс вместо 29 и 36, как в первом событии. Событие с промежуточной датой, 12 октября, получило статус неподтвержденного кандидата. Оно было слабым, поскольку его участники – черные дыры в 13 и 23 солнечные массы – слились вскоре после того, как на Земле зародилась жизнь, на колоссальном удалении 3,3 млрд световых лет [359]. В 2017 г. LIGO зарегистрировала еще три события (илл. 61). Пять подтвержденных событий и одно вероятное – тысяча физиков ликовала. LIGO – оглушительный успех. Это начало эры гравитационно-волновой астрономии [360].