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

Возможно, звучит не столь захватывающе, как заголовки почти столетней давности, когда астрономы подтвердили предсказание Эйнштейна об отклонении света звезды гравитацией Солнца, однако «Эйнштейн был бы счастлив», замечает Франс Кордова. В эти выходные по интернету ходит фотография гигантской статуи Альберта Эйнштейна в кампусе Технологического института Джорджии в Атланте. На шее статуи – надпись от руки: «Я же вам говорил!»

В далекой Германии основоположник изучения гравитационных волн Хайнц Биллинг уже встретил 101-й день рождения. Он выполнил обещание, данное в 1989 г. Карстену Данцманну, – дожил до регистрации волн, но почти полностью оглох и ослеп и страдает серьезными провалами в памяти. Как и Древер, он живет в доме престарелых. В один из кратких моментов просветления более молодые коллеги рассказывают ему об открытии LIGO. «Да-да, гравитационные волны, – отвечает он по-немецки. – Я так много забыл». Биллинг скончался 4 января 2017 г. в возрасте 102 лет.

Рону Древеру новость сообщают родственники. Неясно, вполне ли он понимает, о чем идет речь, и рад ли он. Но у него блестят глаза, когда он видит модулированный сигнал и смотрит пресс-конференцию. В течение четырех месяцев Древер разделит с Рэем Вайссом и Кипом Торном четыре главные награды в научном мире: премию по фундаментальной физике в категории «Передовая линия физики», премию Грубера в области космологии, премию Шао в области астрономии и премию Кавли в области астрофизики. (Премии по фундаментальной физике и от фонда Грубера были разделены между всеми членами коллаборации LIGO – Virgo.) Отцы-основатели Virgo Адальберто Джадзотто и Гвидо Пиццелла удостоились в 2016 г. медали Амальди – европейской награды, которая присуждается раз в два года Итальянским обществом по изучению релятивизма и гравитации [86] Премия по фундаментальной физике в категории «Передовая линия физики» за 2016 г.: https://breakthroughprize.org/News/32 . Премия Грубера в области космологии: http://gruber.yale.edu/cosmology/press/2016-gruber-cosmology-prize-press-release . Премия Шао в области астрономии за 2016 г.: http://www.shawprize.org/en/shaw.php?tmp=3&twoid=102&threeid=254&fourid=476 . Премия Кавли в области астрофизики за 2016 г.: http://www.kavliprize.org/prizes-and-laureates/prizes/2016-kavli-prize-astrophysics . Медаль Амальди за 2016 г.: http://public.virgo-gw.eu/adalberto-giazotto-guido-pizzella-share-amaldi-medal . .

Рон Древер умер 7 марта 2017 г. Едва ли кто-то сомневается, что двое оставшихся основателей LIGO однажды получат самую желанную награду в своей сфере деятельности – Нобелевскую премию.

Никто не видел ЧД. До недавнего времени астрономы и физики спорили об их существовании. Теперь утверждают, что обнаружили две сливающиеся ЧД на расстоянии 1,3 млрд св. лет. Косвенные доказательства – слабые возмущения пространственно-временного континуума амплитудой не более одной тысячной диаметра протона, продолжительностью на более двух десятых секунды. Что это, как не слепая вера?

Ясно одно – астрономия совершенно изменилась. В прошлом ученые смотрели на небо и открывали кометы и сверхновые, как голландский астроном Тихо Браге в конце XVI в. В дальнейшем ночь у телескопа приводила к открытию двойных звезд, темных пятен на Марсе и спиральной структуры в бледной туманности. Вы получали то, что видели.

Эти времена прошли. Открытия – или заявления об открытиях – часто основываются на неубедительных на первый взгляд измерениях и глубокой обработке данных. Несколько фотонов, неприметная спектральная характеристика – все сводится к статистическим наблюдениям и анализу вероятностей. Неизменная цель – извлечь из доступных данных всю возможную информацию.

Гравитационно-волновая астрономия не исключение. Извилистые линии на экране компьютера Марко Драго (так называемый чирп волны GW150914) – это единственное свидетельство ее существования, которым мы располагаем. Быстрый подъем частоты и амплитуды – и снова ничего. Что могло вызвать эти ничтожные колебания? Запустите компьютерный анализ данных и получите ответ – соединение двух ЧД в дальней части Вселенной, которого в действительности никто не видел. Похоже на магию.

Тем не менее теоретики, например Кип Торн, совершенно уверены в своих заявлениях. Поскольку сигнал был зарегистрирован только двумя детекторами, трудно с точностью определить место, откуда он поступил. Не известно и точное расстояние – оно может быть любым в интервале от 0,8 до 1,8 млрд св. лет. Но обстоятельства слияния гораздо менее туманны.

В какой-то далекой галактике две ЧД вращались на общей орбите. Одна была в 36 раз массивнее нашего Солнца, другая имела массу в 29 солнечных – значительно больше, чем предполагали астрономы. (Я вернусь к этому моменту в конце главы.) У ЧД такого размера так называемый горизонт событий – сферическая «поверхность» невозврата – имеет диаметр несколько сот километров.

Много миллионов лет две ЧД очень медленно сближались по спирали, поскольку излучение слабых гравитационных волн уносило энергию системы, как в случае пульсара Халса – Тейлора. По мере сближения взаимное обращение ЧД ускорялось. Чем выше ускорение, тем больше амплитуда гравитационных волн. Чем короче орбитальный период, тем, соответственно, выше частота гравитационных волн.

Постепенно две ЧД сблизились на расстояние около 350 км, мчась по общей орбите со скоростью более половины скорости света. Затем в течение доли секунды они слились в намного более массивную ЧД – порядка 62 солнечных масс. Любой ученик начальной школы знает, что 36 + 29 = 65. Что случилось с тремя солнечными массами? Они были превращены в энергию ( E = mc 2 ) и излучены в форме мощного выброса волн Эйнштейна.

Как я уже говорил, пространственно-временной континуум имеет невероятную жесткость, но, если в какой-то точке происходит внезапный выброс энергетического эквивалента трех солнечных масс, даже пространственно-временной континуум не может не завибрировать. Сразу за горизонтом событий гравитационные волны, возникшие в результате слияния черных дыр на расстоянии около 1000 км, на кратчайший миг растягивают и сжимают размеры любого объекта на величину до 1 %. На первый взгляд немного, но достаточно, чтобы разрушить хрупкие химические связи большинства молекул. Вы бы этого не пережили. Всеобщий принцип относительности убил бы вас.

С безопасного расстояния соединение двух ЧД, должно быть, представляет собой великолепное зрелище [87] Фильм о слиянии черных дыр, вызвавшем GW150914: https://www.youtube.com/watch?v=vm9sAdXwPrE . . На пресс-конференции 11 февраля 2016 г. Торн показал компьютерную анимацию на основе того же научного алгоритма, что использовался в фильме «Интерстеллар». Две ЧД представлены в виде круглых дисков, чернильно-черными силуэтами выделяющихся на фоне звезд. При их орбитальном движении свет фоновых звезд отклоняется то в одну, то в другую сторону сильной гравитацией вблизи горизонта событий каждой ЧД. Эффект гравитационного линзирования создает фантастическую картину сдвигающихся и мерцающих звезд. Две ЧД сближаются по спирали, сливаются, и возникает одна ЧД, вибрирующая, словно гонг, но намного быстрее. Постепенно колебания затухают, все успокаивается. Через миллиард с лишним лет возмущения пространственно-временного континуума, вызванные этой катастрофой, достигают Земли, хотя и с почти неуловимой амплитудой.