Говерт Шиллинг - Складки на ткани пространства-времени [Эйнштейн, гравитационные волны и будущее астрономии] [litres]

В рамках нашей темы, разумеется, самым важным наблюдением является снижение орбиты двойных пульсаров. Тот факт, что орбитальный период пульсара Халса – Тейлора сокращается на 76 мкс в год, служит косвенным доказательством существования гравитационных волн. Напомню, что ускоряющиеся массы вызывают пульсацию пространственно-временного континуума – волны Эйнштейна. Волны уносят энергию. Потеря энергии системой двойных звезд приводит к сужению орбиты. Все просто!

Если вас интересует количество теряемой энергии, она огромна. Каждую секунду пульсар Халса – Тейлора лишается 7,53×10 24Дж. Это примерно в 1000 раз больше энергии, выделившейся 66 млн лет назад при столкновении с Землей астероида диаметром 10 км, повлекшем за собой вымирание динозавров. За секунду !

Если столько энергии перекачивается в пространственно-временной континуум, то возникающие при этом волны Эйнштейна должны быть гигантскими. По крайней мере так кажется на первый взгляд. Однако они крохотные. Невообразимо крохотные. Помните, я сравнивал встряхивание банки с желе и удар кувалдой по бетонному блоку? Пространственно-временной континуум обладает немыслимой жесткостью. Даже энергии тысячи столкновений с астероидами-убийцами в секунду недостаточно, чтобы вызвать в нем возмущение, которое можно было бы заметить.

Кстати, гравитационные волны пульсара Халса – Тейлора имеют очень низкую частоту. Орбитальный период 7,75 часа предполагает частоту около 73 мкГц. Соответствующая длина волны – гигантские 4,2 млрд км. Таким образом, мы говорим об исключительно длинных, низкочастотных, низкоамплитудных волнах. Есть ли у нас шансы измерить их? Ни единого, тем более с расстояния 20 000 св. лет.

Но в будущем ситуация улучшится. Две нейтронные звезды медленно, но верно сближаются по спирали. Чем ближе они друг к другу, тем меньше орбитальный период. Двойные системы излучают две гравитационные волны при каждом прохождении орбиты, поэтому частота пульсаций пространственно-временного континуума постепенно увеличивается – как и амплитуда волн, поскольку нейтронные звезды вращаются по сужающимся орбитам и испытывают все большие ускорения. Меньше длина волны, выше частота, больше амплитуда. Если мы будет достаточно терпеливы, то сможем напрямую обнаружить волны Эйнштейна, идущие от пульсара Халса – Тейлора. Это хорошие новости.

Есть и плохие. Терпения потребуется много. Волны останутся неизмеряемыми до тех пор, пока две нейтронные звезды не начнут с бешеной скоростью носиться по орбите на расстоянии всего нескольких десятков километров друг от друга. Перед самым их столкновением – и, возможно, превращением в ЧД – частота и амплитуда волн существенно возрастут. Слияние вызовет последний мощный выброс волн Эйнштейна, который смогут зарегистрировать датчики на Земле, – физик из Принстона Фриман Дайсон предсказал это еще в 1963 г. [39] Предсказание Фримана Дайсона об излучении гравитационных волн при слиянии нейтронных звезд опубликовано в кн.: A. G. W. Cameron, ed., Interstellar Communication. A Collection of Reprints and Original Contributions (А. Кэмерон (ред.). Межзвездная связь. Сборник ранее опубликованных и оригинальных статей) [New York: W. A. Benjamin, 1963]. Но с пульсаром Халса – Тейлора это произойдет не раньше, чем через 300 млн лет.

Впрочем, другие двойные звезды ведут себя так же: сужение орбиты, уменьшение периодов и в конце концов столкновение. Например, PSR J0737–3039 (знаменитый двойной пульсар) сольется примерно через 85 млн лет. Системе из двух белых карликов WD 0931+444 осталось жить меньше 9 млн лет. Другая двойная звезда, состоящая из белых карликов, J0651+2844 сольется через каких-то 2,5 млн лет. Возможно, в Млечном Пути есть системы двойных звезд, столкновение которых произойдет через 10 лет или завтра. Помните, множество двойных нейтронных звезд не наблюдаемы для нас, потому что их узконаправленные импульсы ориентированы в других направлениях.

Более того, незачем ограничиваться Млечным Путем. Финальное слияние двух массивных компактных объектов, таких как нейтронные звезды или белые карлики, порождает мощные волны Эйнштейна – настолько мощные, что их можно зарегистрировать на Земле, даже если столкновение произошло в соседней галактике. Постройте чувствительный детектор гравитационных волн и сможете уловить пульсации пространства-времени вследствие слияния нейтронных звезд на расстоянии десятков миллионов световых лет.

Любопытно, что слияния столь далеких нейтронных звезд, возможно, уже наблюдались. То и дело искусственные спутники Земли фиксируют короткие выбросы высокоэнергетического гамма-излучения в глубоком космосе. Эти гамма-всплески (читайте о них в главе 14) бывают двух видов. Длинные, длительностью много секунд или даже минут, вероятно, являются следствием взрыва сверхмассивных звезд. Короткие, в долю секунды, скорее всего, вызваны слияниями нейтронных звезд в далеких галактиках.

Как бы то ни было, открытие пульсаров и обнаружение снижения орбиты компактных систем двойных звезд чрезвычайно вдохновило охотников на гравитационные волны и подхлестнуло поиски. Как писали Джоэл Вайсберг, Джо Тейлор и Ли Фоулер в 1981 г. в статье для журнала Scientific American : «Изучение двойного пульсара станет стимулом для исследователей, работающих над экспериментами с гравитационными волнами. Теперь представляется несомненным, что предмет их поисков действительно существует» [40] Joel M. Weisberg, Joseph H. Taylor, and Lee. A. Fowler, “Gravitational Waves from an Orbiting Pulsar” (Джоэл М. Вайсберг и др. Гравитационные волны, излучаемые совершающим орбитальное движение пульсаром), Scientific American 245, no. 4 (октябрь 1981 г.): 74–82. .

Гравитационные волны действительно существуют.

Нейтронные звезды действительно сталкиваются.

Настал момент для прямой регистрации неуловимых возмущений пространственно-временного континуума!

Если резонансные антенны для этого не годятся, пора применить новый подход и новое оборудование, намного более чувствительное, чем алюминиевые цилиндры Джо Вебера: лазерный интерферометр.

Я посещал LIGO дважды [41] Мой визит в обсерваторию LIGO в Ливингстоне (штат Луизиана) весной 1998 г. был профинансирован голландским еженедельником Intermediair . .

Впервые – весной 1998 г., когда Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая лаборатория еще строилась и состояла из огромного короба и двух стальных труб диаметром 1,2 м. Начальник строительства Джерри Стэпфер провел меня по площадке, но смотреть было не на что. «Здесь будет пост управления» – большая пустая комната с нераспакованными коробками. «Здесь дирекция» – пустые комнаты поменьше с мебелью, обернутой в полиэтилен. «А здесь LVEA», зона размещения лазерного и вакуумного оборудования, – громадный пустой зал: вилочный погрузчик в дальней части казался игрушечным. Маленький круг на бетонном полу отмечал местоположение сердца LIGO – светоделителя.