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

Самоочевидный ответ – они и не могли. Сливающиеся ЧД не исторгали материю, как по волшебству. В действительности не вполне правомерно говорить, что они вообще содержат материю. Независимо от способа формирования ЧД материя, попадающая в нее, изымается из сущего в центральной бесконечно малой точке с бесконечной большой плотностью – в терминологии физиков «сингулярности» ЧД. Физически сохраняется только сильное искривление пространственно-временного континуума. Говоря о массе ЧД, астрономы имеют в виду не определенное количество материи, а определенную степень искривления пространственно-временного континуума – одно из немногих доступных для наблюдения свойств любой ЧД.

Итак, это произошло 1,3 млрд лет назад в безымянной далекой галактике. Два «завихрения» пространственно-временного континуума, каждый со своей кривизной, угодили в жестокий пространственно-временной «шторм», в котором слились в один более крупный «торнадо». Большая часть совокупного наличествующего искривления (почти 95 %) пошла на формирование возникшей в итоге единой ЧД. Чуть меньше 5 % (эквивалент трех масс Солнца) было преобразовано в гравитационные волны.

Подставив три солнечные массы (6×10 30кг) и квадрат скорости света (9 × 10 16м 2/с 2) в знаменитую формулу Эйнштейна Е = mc 2 , получаем энергию 5,4 × 10 47Дж. Это в 16 квадриллионов раз больше всей выделенной энергии Солнца за день . Поскольку эта немыслимо большая энергия была высвобождена примерно за 15 мс, пиковая выходная мощность достигала невероятных 3,6×10 49Вт – в десятки раз больше совокупной мощности излучения всех звезд и галактик в наблюдаемой Вселенной.

Когда Брюс Аллен, управляющий директор Института Альберта Эйнштейна в Ганновере, поделился восторгом по поводу регистрации GW150914 со своими сыновьями Мартином и Дэниэлом 12 и 15 лет, новость не произвела на них особого впечатления. Тогда Аллен на скорую руку сделал кое-какие расчеты и сравнил энергетический выход события с разрушительной силой «Звезды смерти» – «абсолютного оружия» Галактической империи из «Звездных войн». «По сравнению с этим столкновением черных дыр “Звезда смерти” – детская игрушка, – сказал он мальчикам. – Энергии, высвободившейся при слиянии, с избытком хватило бы на то, чтобы полностью испарить каждую планету в системе каждой звезды в ста галактиках размером с Млечный Путь». Это их проняло.

Еще один важный момент, который следует уяснить о столкновении и слиянии двух ЧД, – экстремальная гравитация. В главе 3 мы увидели, как физики ставят всевозможные эксперименты, чтобы проверить предсказания ОТО Альберта Эйнштейна. Но релятивистские эффекты становятся значимыми только в очень сильных гравитационных полях (или при скоростях, близких к скорости света). Конечно, можно получить наглядные результаты, если отправить атомные часы в кругосветный полет и измерить уход гироскопа на орбите Земли или установить задержку радиосигнала космического зонда, исчезающего позади Солнца, но все это – эксперименты в условиях низкой гравитации. Даже двойная система нейтронных звезд – «слабопольная среда», во всяком случае если речь идет об ОТО.

Совсем иное дело – наблюдение за происходящим на горизонте событий ЧД, которое дает возможность протестировать теорию Эйнштейна в условиях сильного поля. Именно там физики предполагают найти возможные отклонения от предсказаний ОТО. В том числе поэтому их так окрыляют перспективы гравитационно-волновой астрономии. Возмущения пространственно-временного континуума вследствие столкновения ЧД дают возможность тщательного изучения одной из самых экстремальных сред во Вселенной. Это как раз те условия, в которых хочется ставить эксперименты, испытывая теорию Эйнштейна на прочность.

Как уже было сказано, физики считают невероятным, чтобы ОТО была последним словом в изучении гравитации. Теория несовместима с квантовой механикой – другим могучим опорным столпом физики XX в. Чтобы описание гравитации увязывалось с невероятно успешным описанием других сил природы – и всех известных нам частиц, по крайней мере одну из этих двух теорий необходимо адаптировать. Верный путь к долгожданной универсальной теории взаимодействий неизвестен, но, возможно, на самом краю ЧД найдется дорожный указатель. Изучение волн Эйнштейна, появившихся при столкновении ЧД, может подать нам знак и помочь физикам лучше понять самые фундаментальные свойства природы.

Есть и другая возможность проверки ОТО в непосредственной близости от ЧД. Радиоастрономы, в том числе Хейно Фальке из Университета Радбауд из голландского города Неймегене и Шеп Долеман из MIT, объединяют гигантские радиотелескопы миллиметрового диапазона разных континентов. Они хотят создать Телескоп горизонта событий, самый зоркий инструмент за всю историю астрономических наблюдений, и направить его на сверхмассивную ЧД в ядре галактики Млечный Путь. Несмотря на дистанцию 27 000 св. лет, можно будет увидеть горизонт событий ЧД, выделяющийся черным силуэтом на ярком фоне из звезд и светящихся облаков газа. Это будет нечто вроде чернильно-черных дисков из фильма, который Кип Торн демонстрировал на пресс-конференции LIGO. Реальный облик ЧД на изображении можно будет сравнить с предсказаниями ОТО. Отклонения, возможно, укажут путь к новой физике.

Новая физика пока остается мечтой, но первая регистрация гравитационных волн уже подарила ученым новую астро физику. Одна из статей о GW150914, опубликованная 11 февраля 2016 г., была полностью посвящена следствиям открытия для астрофизики. Удивительно, что самое первое событие принесло новые важные сведения об эволюции массивных звезд.

До начала работы усовершенствованного LIGO (aLIGO) многие члены коллаборации предполагали, что интерферометр сможет обнаруживать главным образом столкновения нейтронных звезд. Предел расстояния, на котором возможна регистрация слияния нейтронных звезд, даже стал стандартным количественным параметром чувствительности интерферометра. У iLIGO и первоначальной версии Virgo, например, этот «охват» составлял 50–65 млн св. лет; во время первого научного запуска aLIGO – на одной трети чувствительности – достиг 200 млн св. лет.

Разумеется, астрофизики ожидали и столкновений ЧД. Если пара вращающихся по общей орбите нейтронных звезд сближается по спирали, то и пара ЧД должна вести себя так же. Столкновения ЧД могут быть зарегистрированы на значительно бóльших дистанциях: поскольку объекты массивнее, амплитуда возникающих волн Эйнштейна также гораздо выше, поэтому GW150914 удалось зарегистрировать на Земле, несмотря на удаленность в 1,3 млрд св. лет.

Никто, однако, не знал, сколько существует двойных ЧД – до сих пор не было обнаружено ни одной. Соответственно, неизвестно было, сколько ожидать столкновений и слияний. Прогнозные разнились на многие порядки. Напротив, двойные нейтронные звезды были открыты в галактике Млечный Путь; первой стала система Халса – Тейлора. Сочетая статистику с научными предположениями, несложно дать грубую оценку количества столкновений, которые сможет зарегистрировать такой интерферометр, как LIGO. В случае iLIGO это примерно одна регистрация в десятилетие, для aLIGO – несколько в год. (Напомню, что увеличение чувствительности в три раза приводит к троекратному росту охвата – от 65 до 200 млн св. лет. Поскольку это соответствует в 27 раз большему объему пространства, ожидаемый уровень регистраций также возрастает в 27 раз.)