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

Из-за меньшей массы объектов-участников второго события фаза сближения по спирали происходила медленнее. Наблюдаемый чирп длился дольше целой секунды, тогда как у GW150914 – только 0,2 с. Соответственно, наблюдалось больше фаз волны: 54 фазы (соответствующие 27 виткам орбиты) в отличие от всего 10 фаз (5 витков) первого события. Возникшая в итоге ЧД опять-таки весила меньше суммы двух изначальных – 20,8 солнечных масс. В этом случае энергетический эквивалент 0,9 солнечной массы превратился в гравитационную волну.

Что касается третьего сигнала, зарегистрированного 12 октября 2015 г., то его возможным источником команда считает слияние двух ЧД в 23 и 13 солнечных масс на расстоянии более 3 млрд св. лет. Однако статистическая значимость в этом случае была значительно ниже, чем в двух предыдущих. С учетом типичных флуктуаций фонового шума детекторов вероятность того, что событие не было настоящей гравитационной волной, оценивается в 1 %. Только поэтому оно не получило официального наименования с аббревиатурой GW и называется LVT151012 (LIGO – Virgo Trigger – событие-инициатор LIGO – Virgo). Тем не менее большинство членов коллаборации считают его истинной регистрацией, хотя и менее убедительной – с уровнем доверительной вероятности «всего» 99 %.

Итак, формы волны первых регистраций LIGO указывали на слияние ЧД. По мнению некоторых ученых, наблюдения гравитационных волн представляют собой первое прямое доказательство существования ЧД. Действительно, поскольку, по определению, ЧД не излучает свет (как и любое другое электромагнитное излучение), она недоступна для непосредственного наблюдения – если только вы не «почувствуете» слабейшие вибрации, вызванные ею в ткани пространственно-временного континуума. Единственный способ прямой коммуникации ЧД с окружающим миром – посредством гравитации, единственный доступный им язык – язык гравитационных волн. Другие имеющиеся свидетельства их существования являются частными и косвенными [90] Следует сказать, что ожидается еще один наблюдательный результат, прямо доказывающий существование ЧД. Это наблюдение «тени» ЧД, в частности продемонстрированный в фильме «Интерстеллар». Тень ЧД – это наблюдаемый контраст в излучении горячего газа в направлении на центральную область ЧД по отношению к яркому ореолу вокруг ЧД. Ореол создается светом, идущим из области позади ЧД, причем искажение пути распространения света ореола вызвано гравитацией ЧД. Первый эксперимент по наблюдению тени сверхмассивной ЧД в центре нашей Галактики на Телескопе горизонта событий – международном проекте на радиоинтерферометре со сверхдлинной базой – уже завершился, и сейчас идет анализ данных. Также наблюдение тени ЧД – одна из задач планируемой российской космической миссии «Миллиметрон». См. о радионаблюдених ниже. – Прим. науч. ред. .

Идея ЧД намного старше ОТО Эйнштейна. Ее выдвинул английский священник и геолог Джон Мичелл еще в 1783 г., всего через полвека после смерти Исаака Ньютона. Теория всемирного тяготения была хорошо известна и считалась серьезно обоснованной. Мичелл знал, что каждое небесное тело имеет так называемую скорость убегания – скорость, с которой нужно двигаться, чтобы преодолеть гравитационный захват тела. Например, скорость убегания для Земли составляет 11,2 км/с, для Солнца – 617,5 км/с.

«Что, если бы Солнце было еще массивнее?» – задумался Мичелл. Очевидно, его скорость убегания была бы еще выше. В случае достаточно большой и массивной звезды скорость убегания может достигать 300 000 км/с – скорости света. Но что произойдет, если свет не сможет убежать от звезды?

В статье, опубликованной в Philosophical Transactions of the Royal Society of London , Мичелл предложил ответ: «Если бы в природе существовали некие тела, имеющие плотность не меньше солнечной и диаметр, более чем в 500 раз превышающий диаметр Солнца, то, поскольку их свет не смог бы дойти до нас… о существовании [этих] тел… мы не смогли бы получить визуальной информации». Иными словами, если свет не способен преодолеть их силу тяготения, они будут для нас невидимыми. Мичелл, однако, назвал такие тела не черными дырами, а черными звездами.

Разумеется, черные звезды Мичелла никак не связаны с искривленным пространственно-временным континуумом – в 1783 г. этой концепции не существовало. Ученые XVIII в. не знали, что скорость света является самой большой возможной скоростью в природе. Поэтому гипотетические черные звезды Мичелла не считались объектами, которые, как ЧД, ничто никогда не сможет покинуть. Пускай свет не может отойти от черной звезды, космический корабль, вероятно, сумеет, если его двигатели проработают достаточно долго (разумеется, за вычетом того, что в 1783 г. космических кораблей не существовало).

Современное понятие черной дыры возникло в начале 1916 г. Всего за несколько месяцев до этого Альберт Эйнштейн обнародовал ОТО. Возможно, вы помните его уравнения поля (одно из которых увековечено на восточной стене Музея Бургаве в Лейдене). Оказалось, они допускают существование в пространстве областей с гравитацией, достаточно сильной, чтобы искривленный пространственно-временной континуум замкнулся сам на себя. Эти решения уравнений поля независимо получили двое блестящих ученых: 42-летний немецкий физик и астроном Карл Шварцшильд и голландский специалист в области математической физики Йоханнес Дрост, 29-летний студент-дипломник Хендрика Лоренца.

В начале Первой мировой войны, в 1914 г., Шварцшильд вступил в германскую армию и зимой 1915/16 г. одновременно сражался с русскими солдатами на Восточном фронте и с редкой кожной болезнью, пузырчаткой, вероятно приведшей к его смерти в мае 1916 г. Однако в этот период он нашел время и силы написать три научные статьи, в том числе об объектах, которые мы теперь называем черными дырами. Кроме того, Шварцшильд переписывался с жившим в Берлине Эйнштейном по поводу полученных им результатов. Решение Дроста, также высоко оцененное Эйнштейном, было более изящным, но опубликовано только в 1917 г.

Как бы то ни было, стало ясно, что достаточно сильное точечное гравитационное поле должно проявлять ряд необычных свойств. Во-первых, вплоть до некоторого расстояния от него (названного радиусом Шварцшильда) пространственно-временной континуум испытывает настолько сильное искривление, что любое возможное движение в любом направлении завершается ближе к центру, чем началось. Иначе говоря, ничто не может покинуть область внутри радиуса Шварцвальда, будь то элементарная частица, космический корабль или свет. Во-вторых, гравитационное красное смещение в радиусе Шварцвальда насколько велико, что время не только существенно замедляется, но и полностью останавливается – по крайней мере с точки зрения внешнего наблюдателя. В-третьих, любая материя, пересекшая радиус Шварцвальда (иначе – горизонт событий), в итоге оказывается в самом центре с бесконечной плотностью, в математической точке нулевых размерностей. Во всяком случае, это следует из уравнений – что, возможно, свидетельствует о чрезвычайной неполноте нашего представления о процессах, происходящих в ЧД.