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

В общем, поиск электромагнитных последствий и дополняющие наблюдения представляются обоснованными. Представители многих направлений астрономических исследований проявляют большую заинтересованность. Десятки команд, заключивших соглашение о сотрудничестве с LIGO и Virgo, будут получать уведомление сразу же после регистрации следующего сигнала гравитационной волны. В совокупности эти исследования охватывают весь спектр электромагнитного излучения – от самых длинных радиоволн до самого короткого гамма-излучения. Используются разнообразные инструменты (от маленьких автоматизированных камер до самых больших оптических и радиотелескопов), а также искусственные спутники Земли. Едва зеркала интерферометров придут в движение, к наблюдениям подключится весь мир.

Теперь вы знаете, почему важны срочные дополняющие наблюдения сигналов гравитационных волн и какого рода электромагнитными проявлениями последние могут сопровождаться. Серьезная проблема – область поиска слишком велика. Во всяком случае так было при первом научном запуске Advanced LIGO. Рассчитать направление, с которого пришла гравитационная волна, можно единственным способом – точно измеряя время ее прибытия несколькими детекторами. Если у вас всего два детектора, найти ответ обычно невозможно.

Между двумя детекторами LIGO (в Ливингстоне и в Хэнфорде) около 3000 км. Мысленно проведите через две обсерватории прямую линию и продлите ее в пространство в обоих направлениях. Допустим, космическое столкновение, при котором были излучены гравитационные волны, произошло точно на этой линии. Тогда волнам потребуется 0,01 с на путь от первого детектора до второго (напомню, что гравитационные волны распространяются со скоростью света – 300 000 км/с). Таким образом, если Хэнфорд видит сигнал на 0,01 с раньше Ливингстона, вы знаете, что событие произошло на соединяющей их линии со стороны Хэнфорда. Если же регистрация в Хэнфорде запаздывает на 0,01 с, значит, волны пришли с противоположной стороны.

Разумеется, вероятность идеального совпадения минимальна. В большинстве случаев временной интервал будет меньше 0,01 с, поскольку волны придут под определенным углом к линии, соединяющей две обсерватории. (Если их направление окажется перпендикулярным соединительной линии, разницы во времени вообще не будет – два детектора зарегистрируют сигнал одновременно.) Тогда вы не будете знать, с какой стороны пришли волны. Единственное, что вам останется, – очертить в небе окружность и сказать, что столкновение произошло где-то внутри нее. Чем меньше временной разрыв, тем больше окружность.

Некоторые характеристики зарегистрированного сигнала укажут область круга, являющуюся наиболее вероятным местоположением его источника. Тем не менее поиск приходится вести в гигантском, в форме банана, сегменте неба. Чтобы быстро обнаружить электромагнитные последствия события, необходимо сразу же охватить поиском огромную часть небесной сферы. В такой обширной области, скорее всего, содержится много десятков подозрительных объектов – пятнышек света, которые отсутствовали месяц назад и через несколько дней снова угаснут. Каждый нужно проверить и убедиться, что это не новый тип транзиентного события наподобие далекой сверхновой, звездной вспышки и т. д. Вероятнее всего, вы так и не сможете с уверенностью утверждать, что обнаружили источник наблюдаемых волн Эйнштейна.

Разумеется, с официальным открытием 20 февраля 2017 г. Advanced Virgo ситуация значительно улучшилась. Если три детектора наблюдают один и тот же сигнал гравитационной волны, то складываются три пары: Ливингстон – Хэнфорд, Ливингстон – Virgo и Хэнфорд – Virgo. Три пары детекторов – это три разных способа проведения одного и того же анализа, в результате чего вы выделяете в небе три круга (или сегмента в форме банана). Они будут пересекаться в одной относительно небольшой области, в которой и нужно искать электромагнитные проявления. Не удивлюсь, если окажется, что первые проявления волны Эйнштейна уже были обнаружены и изучались на тот момент, когда эта книга поступила в продажу, хотя во время ее написания Advanced Virgo еще решала проблемы с тягами из аморфного кварца в системе подвеса зеркал. (Advanced LIGO 30 ноября 2016 г. начала второй научный пуск, и на апрель 2017 г. было зарегистрировано шесть событий-кандидатов.)

Через несколько лет в Японии будет введен в действие четвертый лазерный интерферометр. В дальнейшем в Индии появится пятая обсерватория (подробнее об этом – в главе 16). Как вы понимаете, чем больше детекторов, тем точнее локализация события. Добавление сразу трех гарантирует скорое превращение дополняющих исследований источников гравитационных волн в зрелое и продуктивное направление астрофизики.

Инструменты поиска электромагнитных проявлений не должны ограничиваться наземными оптическими и радиотелескопами. Весьма вероятно, что первого успеха достигнет космическая обсерватория. Самое высокоэнергетическое электромагнитное излучение – гамма и рентгеновское – в принципе невозможно наблюдать с Земли. Несколько групп специалистов по гамма- и рентгеновской астрономии также заключили соглашение с коллаборацией LIGO – Virgo. Они готовы направить космические телескопы в любом направлении, которое укажут лазерные интерферометры.

Например, спутник НАСА Swift, запущенный в ноябре 2004 г., уже некоторое время участвует в поиске [111] Миссия по изучению гамма-всплесков «Свифт»: http://swift.gsfc.nasa.gov . . Swift предназначен для регистрации и изучения гамма-всплесков. Он оборудован детектором гамма-излучения, рентгеновским телескопом и телескопом ультрафиолетового/оптического диапазонов. Самостоятельно он может регистрировать гамма-всплески, определять их положение в небе и искать оптические проявления. Главный исследователь проекта Нил Герелс из Центра управления космическими полетами им. Годдарда в Гринбелте (Мэриленд) рассказал, что эта успешная миссия может также заниматься быстрым поиском рентгеновских, ультрафиолетовых или оптических проявлений источников гравитационных волн. В прошлом Swift выполнял дополняющие наблюдения для ряда инициирующих событий LIGO/Virgo и даже посвятил несколько дней событию Большого Пса – печально знаменитому слепому внедрению в сентябре 2010 г., описанному в главе 11.

Герелс не сомневался, что решающую роль мог бы сыграть еще один инструмент НАСА, космический гамма-телескоп Fermi [112] Космический гамма-телескоп «Ферми»: http://Fermi.gsfc.nasa.gov . Телескоп панорамного обзора и система быстрого отклика (PanSTARRS): https://www.ifa.hawaii.edu/research/Pan-STARRS.shtml . Камера «Темная энергия»: http://www.ctio.noao.edu/noao/node/1033 . , запущенный в июне 2008 г. Его детекторы гамма-излучения с широким углом обзора охватывают почти полнеба. Если сигнал гравитационной волны сопровождается выбросом высокоэнергетического гамма-излучения, существует примерно 50 %-ная вероятность, что Fermi его заметит. Тогда Swift может провести последующее за регистрацией Fermi исследование, чтобы точнее определить местоположение события. В считаные минуты наземные оптические телескопы начнут поиск в намного меньшей области пространства, чем могли бы указать им только LIGO и Virgo. (Очень жаль, что Нил Герелс уже не увидит результатов – он скончался в начале 2017 г. в возрасте 64 лет.)