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

Можно только гадать, что именно «увидят» космические интерферометры. Разумеется, у астрономов есть обоснованные предположения, но детали неясны. Рассмотрим, к примеру, слияние сверхмассивных ЧД. Если в центре большинства галактик находятся гигантские ЧД и если галактики сталкиваются, можно предполагать, что их ЧД в конце концов начнут совершать орбитальное движение в центре объединенной галактики. Сначала они будут излучать только наногерцовые гравитационные волны, обнаруживаемые посредством долгосрочного высокоточного измерения временнóй динамики радиопульсаров (см. главу 13). Затем, в случае сближения пары ЧД по спирали, орбитальный период уменьшится, а частота волны Эйнштейна возрастет. Примерно за два года до столкновения и слияния LISA сможет зарегистрировать эти волны независимо от удаленности их источника.

Однако, поскольку свету нужно время, чтобы пересечь Вселенную, мы наблюдаем галактики, находящиеся от нас на расстояниях в миллиарды световых лет, такими, какими они были миллиарды лет назад. Чтобы оценить возможную частоту слияний сверхмассивных ЧД, астрономам нужно знать историю эволюции галактик и ЧД в их ядрах, а также вероятность того, что каждая двойная система сверхмассивных ЧД рано или поздно переживает столкновение. Теоретики предложили широкий спектр прогнозов на основе различных астрофизических гипотез, но никто не знает точного ответа.

Ответ дадут наблюдения гравитационных волн – это, безусловно, огромный плюс LISA. Любая жизнеспособная теория эволюции галактик и ЧД должна согласовываться с наблюдаемой частотой слияний. Через несколько лет работы LISA покажет, какие теории ошибочны, а какие могут соответствовать действительности.

Еще меньше мы знаем о компактных объектах, попадающих в сверхмассивную ЧД. Время от времени такая ЧД в ядре галактики поглощает звезду или облако газа, оказавшиеся слишком близко. Предположительно, в рядовой галактике вроде нашей такое событие случается раз в несколько миллионов лет. Нормальная звезда, подобная Солнцу, почти наверняка будет разорвана на части приливными силами ЧД. Некоторые выбросы рентгеновского излучения, наблюдаемые в других галактиках, возможно, вызваны подобными событиями. Но значительно более компактный объект, например белый карлик, нейтронная звезда или относительно маловесная ЧД, может преодолеть приливное воздействие. Если в результате это обреченное небесное тело начнет все быстрее обращаться вокруг сверхмассивной ЧД, то при этом будут излучаться гравитационные волны, которые LISA сможет зарегистрировать. Такое событие называется слиянием с экстремальным соотношением масс (Extreme Mass Ratio Inspiral, EMRI), поскольку ненасытная ЧД несравнимо массивнее своей жертвы.

К сожалению, никто не знает, насколько часто происходят EMRI. Оценки разнятся от нуля до тысяч событий в год. Слишком много неизвестных: распределение масс сверхмассивных ЧД (сколько их приходится на определенный диапазон масс), количество компактных объектов в центральных областях галактик, детали процесса и т. д. Возможно, компактные объекты не задерживаются на орбите ЧД, а просто исчезают. Наблюдения LISA дадут астрономам ответы и на эти вопросы. Каким бы ни оказался наблюдаемый уровень EMRI, эти события позволят узнать, что происходит – и что не происходит – в ядрах галактик повсюду во Вселенной.

Это относится и к двойным системам белых карликов в нашей Галактике. Как говорилось в главе 5, каждая солнцеподобная звезда заканчивает свою жизнь белым карликом – небесным телом массой почти как у Солнца, но размером не больше Земли. Поскольку большинство звезд Млечного Пути входят в двойные или кратные системы, можно предполагать, что двойных белых карликов очень много. Если они обращаются по общей орбите достаточно быстро и близко друг к другу, то постоянно излучают волны Эйнштейна в частотном диапазоне LISA. (Такие пары в других галактиках, скорее всего, находятся слишком далеко, чтобы мы могли зарегистрировать создаваемые ими возмущения пространственно-временного континуума.)

За последние десятилетия астрономы открыли несколько двойных белых карликов. Особенно интересна система SDSS J065133.338+284423.37, сокращенно J0651. Она находится на расстоянии около 3500 св. лет в созвездии Близнецов. Между двумя карликовыми звездами всего 100 000 км – около четверти расстояния от Земли до Луны. Они совершают оборот по общей орбите за 12,75 минуты, следовательно, должны излучать гравитационные волны частотой 2,6 мГц – как раз посередине диапазона чувствительности LISA. Более того, астрономы знают , что эта система излучает волны: орбитальный период уменьшается на 0,29 мс в год. J0651 послужит LISA контрольным источником, как и несколько других тесных двойных систем.

Никто, однако, не знает, сколько именно тесных двойных белых карликов имеется в Млечном Пути. LISA поможет составить их полный список, невероятно расширив наши знания об эволюции систем двойных звезд в целом и о свойствах белых карликов в частности.

Возможно, вы задаетесь вопросом, как LISA будет различать источники гравитационных волн и определять свойства каждого. LIGO совсем нелегко зарегистрировать отдельное событие. Как разобраться в десятках или даже сотнях постоянных источников волн Эйнштейна, каждый из которых по-своему воздействует на пространственно-временной континуум? Событие GW150914 было изолированным и ясно различимым, как щелчок бича, но Млечный Путь, где изобилуют двойные системы белых карликов, можно сравнить с актовым залом, где стоит неумолчный гул бесчисленных жужжащих волчков. Разве контрольные грузы LISA не будут хаотически двигаться, реагируя на множество разных частот одновременно?

Не все так плохо. Действительно, большое число одновременных сигналов гравитационных волн будут накладываться друг на друга, но относительно легко разложить беспорядочный на первый взгляд результирующий сигнал на составляющие синусоиды. Наш мозг делает это постоянно. Барабанные перепонки единовременно реагируют на множество звуковых волн. Тем не менее мы без труда различаем человеческий голос, звонок своего сотового и шум проезжающей машины, даже если слышим их одновременно. Все, что нужно, – анализ данных.

Конечно, идентифицировать некоторые формы волны будет сложно просто потому, что не известно, чего ожидать. Например, космологи надеются найти свидетельства существования суперструн – удивительных одномерных структур с очень высокой плотностью массы и большой энергией, возможно пронизывающих Вселенную. Эти топологические дефекты пространственно-временного континуума предсказывают некоторые теории Большого взрыва, но никто не знает, существуют ли они и какого характера гравитационные волны могут порождать. В любом случае собираемые LISA данные станут кладезем информации для ученых, занимающихся астрономией, астрофизикой высоких энергий и космологией.