Крис Импи - Чудовища доктора Эйнштейна [litres]

Однако самые громкие события и самые зрелищные слияния – с участием черных дыр в миллиард солнечных масс – порождают волны исключительно низких частот, недоступных для LISA. Даже система телескопов длиной миллион километров будет слишком малой, чтобы обнаружить эти гравитационные волны; нужен инструмент размером с галактику. И теперь мы знакомимся с системой тайминга пульсаров. Пульсары – это мертвые коллапсировавшие звезды, состоящие только из нейтронов. При осевом вращении горячие точки на их поверхности проходят через зоны обзора радиотелескопов, и радиоимпульсы поступают с идеально точным временным интервалом. Пульсары, совершающие сотни оборотов в секунду, представляют собой самые точные часы во Вселенной.

В миллиардах световых лет от нас две сверхмассивные черные дыры неторопливо кружатся в танце, продолжающемся несколько миллионов лет. Когда они наконец падают друг другу в объятия и сливаются, они омывают Вселенную низкочастотными гравитационными волнами, сжимающими и растягивающими ткань пространства-времени. Как и мы на Земле, пульсары покачиваются на этих волнах, распространяющихся со скоростью света. Волны слегка меняют пульсарный ритм. Например, волна частотой 10 –8Гц, что означает один цикл за четыре месяца, заставит импульсы приходить на 10 наносекунд раньше в январе и на 10 наносекунд позже в марте. Это ювелирная работа, но современные радиотелескопы способны измерять импульсы с требуемой точностью. Массивы пульсаров используются для повышения чувствительности эксперимента и дают некоторую чувствительность к направлению распространения сигнала [370].

Система тайминга пульсаров – самый грандиозный эксперимент в истории науки. Это не 4 км LIGO или 1 млн км LISA – пульсары-детекторы разнесены на тысячи триллионов километров. Детектором является вся галактика Млечный Путь. Это поистине Большая наука. Четыре массива пульсаров активно ищут сигналы, и их данные объединяются во всемирный массив. По мере добавления пульсаров в списки объектов наблюдения и увеличения чувствительности вероятность того, что в ходе одного или нескольких экспериментов в ближайшее десятилетие будут зарегистрированы слияния сверхмассивных черных дыр, увеличивается до 80 % (илл. 62) [371].

Регистрация первичных гравитационных волн – это пока неосвоенные области науки. Как вы помните, волны пространственно-временного континуума возникают всякий раз, когда масса меняет его движение или конфигурацию. Беспрецедентные масштабы изменения массы происходили в ранней Вселенной, когда материя, впоследствии сформировавшая сотни миллиардов галактик, занимала пространство размером меньше атома. Современная космология включает так называемую инфляцию – раннюю фазу экспоненциального роста Вселенной, тогда еще микроскопической, через 10 –35секунд после Большого взрыва. Инфляцией объясняют непонятную в ином случае равномерность и гладкость Вселенной [372]. Инфляция предполагает, что «зародыши» галактик были квантовыми флуктуациями.

Теория инфляции поддерживается рядом косвенных свидетельств, но энергия в то время была в триллионы раз выше, чем можно достичь в лаборатории или в ускорителях – таких как Большой адронный коллайдер, поэтому мы не можем воспроизвести ее экспериментально на Земле. Важно протестировать теорию инфляции, потому что это приблизит нас к Священному Граалю теории квантовой гравитации. Гравитационные волны, вызванные инфляцией, должны до сих пор сотрясать Вселенную. Их энергия распределена по частотам, различающимся на 29 порядков, что позволяет применить все рассмотренные нами методы регистрации [373]. Однако эти волны слишком слабы, чтобы их можно было измерить интерферометрами или системами тайминга пульсаров, поэтому астрономы сосредоточились на их следах в заполнившем Вселенную излучении – когда она остыла настолько, чтобы смогли образоваться стабильные атомы. Это излучение распространяется во Вселенной в неизменном виде с момента спустя 400 000 лет после Большого взрыва, и мы наблюдаем его в микроволновом диапазоне. Растяжение и сжатие пространства, согласно предсказанию теории, должно было оставить в микроволновом излучении слабый вихревой узор [374].

В 2014 г. научное сообщество пребывало в напряжении: группа, работающая с телескопом Южного полюса, объявила об обнаружении гравитационных волн, вызванных инфляцией, – не непосредственно, а по специфическому следу в излучении [375]. Восторги утихли через несколько месяцев, когда выяснилось, что группу исследователей ввел в заблуждение загрязняющий сигнал пыли Млечного Пути. Для ученых опыт оказался болезненным: ведь исследователи тщательно проверили данные, но были обмануты слабым шумом переднего плана, словно приняли туман на стеклах очков за далекий буран. Во Вселенной много беспорядочного и неоднозначного, ее невозможно контролировать, как лабораторный эксперимент, и космологам стоит быть осмотрительными. Однако в конкуренции с другими группами трудно противиться соблазну как можно быстрее опубликовать сенсационную статью.

Несколько команд готовится к новой попытке провести эти важные измерения. Лучшие места для сложных наблюдений за микроволновым излучением находятся у Южного полюса и в безводной пустыне Атакама в Чили. В гонке участвует пять команд. Ставки высоки. Если признаки гравитационных волн не будут обнаружены, пошатнется краеугольный камень космологии. Но если они будут обнаружены, это станет прямым свидетельством квантовой гравитации.

Квантовое происхождение Вселенной может говорить о том, что мы живем в мультивселенной, где населяем один из потенциально бесконечного количества пространственно-временных пузырей. Вселенные в мультивселенной представляют собой отдельные пространственно-временные континуумы, по всей видимости, ненаблюдаемые из нашего пространственно-временного континуума, поэтому эту догадку трудно проверить. Возможно, они имеют разные законы физики и даже до неузнаваемости отличаются от нашей Вселенной. Действуют ли в них те же фундаментальные силы? Есть ли в них черные дыры? Имеются ли формы жизни, способные постичь свою вселенную? Вот некоторые из непостижимых вопросов, возникающих в авангарде космологии.

Жизнь черных дыр – это краткий период роста и длительное испарение. Наши далекие предки смогут увидеть ослепительное превращение центра нашей Галактики в квазар и слияние сверхмассивных черных дыр нашего Млечного Пути и галактики Андромеды. Постепенно черные дыры достигнут максимального размера, а новые образовываться не будут. Жизнь, возможно, сумеет уцелеть во Вселенной даже в будущую эру тьмы, но окончательная победа сил диссипации и распада станет для нее серьезнейшей угрозой.