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

Почему ученые настолько уверены, что все произошло именно так? Видео выглядит убедительно, но это всего лишь анимация на основе уравнений ОТО. Откуда Торн и его коллеги знают массы двух слившихся ЧД и массу дыры, возникшей в результате слияния? Откуда они знают, что произошло именно слияние ЧД, а не другое событие? Как можно что-то утверждать, исходя лишь из двух коротких чирпов, зарегистрированных LIGO?

В какой-то мере это продукт здравого смысла и дедукции. Согласно теории Эйнштейна, компактный двойной объект порождает гравитационные волны с частотой, в два раза превышающей орбитальную частоту. Поскольку непосредственно перед слиянием наблюдаемая частота волны составляла порядка 200 Гц, два движущихся по общей орбите объекта совершали около 100 оборотов в секунду. Одно это указывает на то, что массы и плотности объектов были огромны. Продолжительность события также информативна. Сближение по спирали менее массивных объектов заняло бы больше времени. Объекты меньшего диаметра слились бы при большей орбитальной частоте. Наконец, частота волны Эйнштейна во время фазы затухания определяется массой образовавшейся ЧД.

Разумеется, уточнение масс требует значительно более тщательного анализа. Но есть одна проблема: практически невозможно, исходя из наблюдаемого рисунка волны (и чирпа), реконструировать характеристики процесса слияния. Теоретикам приходится сравнивать наблюдения со многими десятками тысяч рассчитанных характеристик волны и искать максимальное совпадение.

В качестве аналогии можно привести отпечатки пальцев. Каждый отпечаток уникален, и отпечаток, найденный детективом, идентифицирует единственного человека. Но невозможно установить, кто этот человек, имея только отпечаток его пальца. Нужна база данных из миллионов отпечатков, в которой ищется совпадение.

Поэтому теоретики посвятили много сил расчету предполагаемых характеристик волн для самых разных событий – в действительности для каждого возможного слияния. Какие волны Эйнштейна ожидаются при слиянии двух нейтронных звезд в 1,4 солнечной массы (как у двух компонентов двойной системы Халса – Тейлора)? В случае более массивных нейтронных звезд? Если одна звезда на 50 % массивнее другой? А если на 40 % или на 60 %? При слиянии нейтронной звезды и ЧД? Или двух ЧД? В случае приливных деформаций? Эксцентрических орбит?

Разные объекты, разные массы и соотношения масс, разный угол зрения, скорость вращения – для любого возможного сочетания можно рассчитать, какая получится волна. За годы теоретики создали библиотеку из нескольких сотен тысяч форм волн. Характерный чирп GW150914 наиболее соответствует прогнозу для волны, вызванной слиянием двух ЧД массами в 36 и 29 раз больше массы Солнца. Таким образом, эти «отпечатки» указали «детективам» LIGO на «подозреваемого». То, что кажется черной магией, является серьезной наукой [88] B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration), “Astrophysical Implications of the Binary Black Hole Merger GW 150914” (Б. П. Эббот и др. Астрофизический смысл GW150914 от слияния двойной системы черных дыр), Astrophysical Journal Letters 818 (2016): L22 ( http://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041–8295/818/2/L22 ). См. также: B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration), “Properties of the Binary Black Hole Merger GW150914” (Б. П. Эббот и др. Свойства GW150914 от слияния двойной системы черных дыр), Physical Review Letters 116 (2016): 241102. .

Это непростые вычисления. Математическая составляющая ОТО очень сложна, поэтому Эйнштейну потребовалось так много времени, чтобы сформулировать свои идеи. Например, ЧД вызывает деформацию окружающего пространственно-временного континуума. Искривление пространственно-временного континуума – это определенное количество энергии. Согласно Эйнштейну, энергия эквивалентна массе. Таким образом, энергия искривления вызывает некоторое добавочное искривление. Так называемые нелинейные характеристики ОТО делают любое вычисление очень сложным и длительным.

Другую сложность представляет система координат. В теории всемирного тяготения Исаака Ньютона каждое событие можно было описать по отношению к абсолютному пространству и абсолютному времени. Пространство и время задавали инвариантную координатную систему. В ОТО Эйнштейна нет ничего абсолютного. Координатная система (пространственно-временной континуум) испытывает воздействие события, которое вы пытаетесь описать. В случае ЧД пространственно-временной континуум очень сильно искривляется, засасывается и поглощается ее мощной гравитацией. Можете представить, как трудно вычислить местонахождение объекта, если координатная система разорвана в клочья.

Рассчитать ожидаемые формы волны в случае слияния компактных двойных систем – сложная задача. Даже в простейших случаях такие расчеты не проведешь на карманном калькуляторе, тем более на обороте конверта. Только в 1970-х гг. ученые, занимающиеся математической физикой, достигли первых успехов. Сегодня большая часть сложностей в вычислениях преодолена. Однако нужен суперкомпьютер огромной производительности, чтобы проделать расчеты за обозримое время. Создание библиотеки из нескольких сотен тысяч форм волн – колоссальный труд.

Разумеется, библиотека волн Эйнштейна содержит формы волн, возникающих не только вследствие слияния компактных двойных систем. Асимметричный взрыв сверхновой образовал бы волну совершенно иного характера, как и быстро вращающаяся вокруг своей оси нейтронная звезда с крохотной неровностью поверхности. В силу огромной плотности нейтронные звезды считаются самыми совершенными сферами в природе, но «гора» высотой всего в миллиметр может создать доступные для наблюдения гравитационные волны. Во всех случаях детали могут сильно различаться в зависимости от конкретных обстоятельств.

В любом случае с учетом близкого соответствия характеристик волны теоретическим предсказаниям, никто не сомневается, что GW150914 была образована слиянием двух ЧД в 36 и 29 раз массивнее Солнца. Поскольку ОТО дает первоначальную амплитуду возникающих волн Эйнштейна, достаточно простой обратный расчет, отталкивающийся от наблюдаемой амплитуды, позволяет оценить расстояние до места столкновения.

Форма волны второй регистрации (GW151226) совпала с прогнозом для слияния двух ЧД в 14,2 и 7,5 солнечных масс. Они слились на несколько большем расстоянии – 1,4 млрд св. лет. По очевидным причинам анализ этого события не начинался до 11 февраля 2016 г. – ученые LIGO и Virgo были слишком заняты подготовкой к важной первой пресс-конференции. Габриэла Гонсалес, Фульвио Риччи и Дэвид Райтце представили результаты по GW151226 в среду 15 июня на пресс-конференции в рамках 228-го собрания Американского астрономического общества в калифорнийском Сан-Диего [89] Габриэла Гонсалес, Фульвио Риччи, Дэвид Райтце. Последние новости научной коллаборации LIGO. Пресс-конференция в рамках 228-й конференции Американского астрономического общества (AAS) 15 июля 2016 г. в Сан-Диего (штат Калифорния): https://aas.org/media-press/archived-aas-press-conference-webcasts . См. также: B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration), “GW151226: Observation of Gravitational Waves from a 22-Solar-Mass Binary Black Hole Coalescence” (Б. П. Эббот и др. GW151226: наблюдение гравитационных волн от соединения двойной системы черных дыр в 22 солнечных массы), Physical Review Letters 116 (2016): 241103. .