Приямвада Натараджан - Карта Вселенной [Главные идеи, которые объясняют устройство космоса]

Определение механизмов возникновения черных дыр является ключевым для понимания их роли в росте и светимости родительских галактик. Дело в том, что поглощаемый черными дырами газ одновременно служит исходным материалом для формирования звезд. Охлаждение газа является критическим условием процесса формирования звезд, поэтому рентгеновское излучение, возникающее при описанном поглощении в двойной системе, может иногда способствовать и нарушениям поступления газа в черную дыру, в результате чего (при некоторых условиях) нагрев газа может даже задерживать рост и формирование звезд. Интересно, что в последнее время наблюдения действительно подтвердили подавления роста звезд в галактиках. Детали взаимодействия черных дыр со своим окружением еще нуждаются в дополнительном исследовании, однако уже сейчас черные дыры можно рассматривать в качестве «силовых станций» Вселенной, которые способны существенно изменять состояние галактик, прекращая формирование новых звезд. Таким образом, эти невидимые агенты, само существование которых представлялось невероятным вызовом для астрономии всего 80 лет назад, вдруг оказались важнейшими участниками процессов формирования галактик. Черные дыры находятся буквально в центре всего, что нас окружает, и они создают новую «карту» нашего понимания процесса собирания галактик. Галактики в процессе роста сталкиваются друг с другом, и при этом неизбежно происходит столкновение их центральных областей, в результате чего черные дыры в конечном итоге сливаются. Астрономы следят за этими процессами, продолжая изучать отдельные особенности и характеристики процесса слияния черных дыр. При этих «предсмертных судорогах» сливающихся черных дыр должен возникать еще один тип нигде и никогда ранее не зарегистрированного излучения, а именно должны излучаться так называемые гравитационные волны [12]. Такие волны — еще одно следствие ОТО Эйнштейна. Гравитационные волны являются, по существу, треморами в пространстве-времени, смещениями, которые генерируются, например, при объединении двух черных дыр. Возможность регистрации гравитационных волн зависит от длительности процессов слияния черных дыр, а также от условий соответствующего окружения области слияния (например, от того, окружена ли эта область газовым облаком или нет).

Многие астрофизики заняты расчетом дополнительных признаков, которые соответствуют процессам слияния черных дыр. Такие сигналы дополняют данные, получаемые при измерениях в других диапазонах спектра (рентгеновском, радиочастотном, видимом). Многое зависит от условий в районе столкновения. Сейчас в этой области работают многие исследователи, причем одновременно в двух направлениях. С одной стороны, ученые проводят теоретические расчеты протекающих процессов, а с другой — начинают реализовывать целевые программы по связанным с ними астрономическим наблюдениям для регистрации получаемых сигналов. Меня эта проблема интересовала лично, поскольку в таких исследованиях прекрасно и удивительно сочетаются теория и наблюдения. В одном из первых таких расчетов, проведенном еще в 2002 г., мне и Филипу Армитажу (из Колорадского университета в Боулдере) удалось показать, что слияние пары черных дыр, погруженных в облако газа, происходит быстро и может быть обнаружено с помощью гравитационных волн, которые они производят. Они могут быть зарегистрированы либо непосредственно, либо по изменениям в других областях спектра излучения. Тем самым открывается новый фронт исследований в физике черных дыр вообще. Ученые уже начали получать новые данные экспериментов в рамках проекта LIGO (Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория), а позднее данные его модернизированного варианта Advanced LIGO. Исследования в рамках этих проектов нацелены на регистрацию гравитационных волн в любой момент их возникновения при слиянии черных дыр. Гравитационное окно, которое, как ожидается, скоро откроется, предоставит еще один способ исследовать черные дыры в дополнение к уже существующим методам зондирования черных дыр в оптическом, рентгеновском и радиочастотном диапазонах.

История того, как черные дыры, возникшие где-то на границе карты научного познания, постепенно перебрались в центр этой карты, очень символична и поучительна, поскольку наглядно демонстрирует, каким образом новые инструменты позволяют реализовываться новым теоретическим представлениям. Однако черные дыры остаются лишь крошечной частью окружающего нас невидимого мира. Две другие его таинственные и невидимые сущности, управляющие Вселенной и определяющие ее судьбу, — темная материя и темная энергия — также остаются неуловимыми.

Представьте, как Шерлок Холмс или Эркюль Пуаро используют свои немалые индуктивные и дедуктивные способности для расследования убийства. Есть улики, мотив и место преступления — но не хватает жертвы. Астрономы, которые пытаются обнаружить темную материю — нечто невидимое, пронизывающее космос, — оказываются лицом к лицу с такой же загадкой. Подобным образом происходит охота на черные дыры — мы можем только искать следы влияния невидимой материи на окружающее пространство. Можно выявить влияние гравитационного поля черной дыры на близлежащие объекты и, учитывая общую относительность, исследовать, как невидимая материя преломляет свет. Но это по-прежнему остается астрономическим аналогом состава правонарушения с точки зрения обвинителя — сложно доказать убийство при отсутствии тела.

Однако темная материя представляет собой куда более неуловимую добычу, чем черные дыры: в отличие от обычной материи она не излучает, не поглощает и не отражает электромагнитные волны. Она инертна. Единственное, что мы знаем точно, — частицы темной материи, которые, вероятно, сформировались во Вселенной очень рано, несмотря на свою специфичность, имеют массу, составляющую почти всю общую массу материи во Вселенной, и под действием гравитации эти частицы собираются в отдельные массивы. Все известные элементы периодической таблицы, включая те, из которых построено наше тело, составляют мизерные 4 % [13]всего состава Вселенной, включая материю и энергию, — крайне незначительное число по отношению к количеству темной материи. Темная материя является основой для формирования и изменения звезд и галактик. И все же мы знаем о ней очень мало {1} .

Предыстория исследования темной материи начинается в весьма неожиданных декорациях — обшарпанной мастерской мастера-стеклодува в Мюнхене XIX в. Здесь старики выдували расплавленное стекло в пузыри и затем придавали им форму с помощью воздуходувной трубки и горелки. Йозеф фон Фраунгофер, родившийся 6 марта 1787 г. в Баварии, был одиннадцатым и последним ребенком мастера стекольных дел Франца Ксавьера Фраунгофера и Марии Анны Фролих. И по материнской, и по отцовской линии на протяжении нескольких поколений передавалась традиция стекольного ремесла. Осиротев в возрасте 11 лет, Фраунгофер пошел учеником к придворному мастеру-стеклорезу в Мюнхене. Мальчик находился внутри здания мастерской, когда в 1801 г. оно рухнуло, но его спасли. Под влиянием трагедии курфюрст Максимилиан IV Иосиф, который позднее стал королем Баварии, лично предоставил денежные средства, чтобы обеспечить будущее юноши. Фраунгофер использовал эту возможность для изобретения инструмента, который кардинально изменил всю астрономию и позволил впервые обнаружить темную материю 132 года спустя {2} . Фриц Цвикки, первооткрыватель темной материи в 1933 г., обязан своим успехом обрушению стекольной лавки XIX в.