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

Инфракрасная астрономия позволяет всмотреться вглубь облаков газа и пыли и узнать, как рождаются звезды и планеты. Ультрафиолетовая астрономия обнаруживает чрезвычайно разреженный газ в «пустом» пространстве между скоплениями галактик и позволяет понять физические процессы в недрах самых горячих звезд Млечного Пути. Астрономия миллиметрового диапазона поведала нам о слабом послесвечении Большого взрыва и дала подсказки относительно происхождения галактик и образования планет. Благодаря радиоастрономии составляются карты распределения нейтральных атомов водорода – самого распространенного элемента во Вселенной. Более того, радиоастрономия познакомила нас с такими удивительными небесными телами, как пульсары и квазары. Наконец, астрономические наблюдения в рентгеновском и гамма-диапазоне «открыли вид» на Вселенную экстремальных температур и энергий, где взрываются звезды, сталкиваются галактики, распространяются ударные волны и существуют черные дыры.

Появление новой области исследования всякий раз оборачивалось неожиданными открытиями и революционными догадками. В случае гравитационно-волновой астрономии у нас еще больше причин рассчитывать на сюрпризы, поскольку она не просто расширяет наше видение космоса, но и добавляет совершенно новый канал восприятия к средствам изучения Вселенной.

В своих вдохновляющих лекциях, адресованных коллегам-ученым и широкой аудитории, включая школьников, специалист по гравитационно-волновой физике Бернард Шутц (в 1995–2014 гг. директор Института Альберта Эйнштейна в Потсдаме, в настоящее время возглавляет Кардиффский университет в Уэльсе) сравнивает современную астрономию с прогулкой глухого по тропическому лесу. Он видит вокруг деревья, папоротники, лианы, насекомых, птиц, змей и обезьян. Со временем, будучи внимательным наблюдателем, он многое узнает об окружающем мире. У него даже может возникнуть иллюзия полного знания.

Но случается чудо, к нему возвращается слух. На него вдруг обрушивается поток новой информации. Это не детали, которые прежде не удавалось разглядеть, а совершенно новая информация. Звуки джунглей – пение птиц, шелест листвы, хруст веток – дают много дополнительных данных о вещах, которые он уже мог видеть. Кроме того, возможность слышать позволяет узнать о том, что скрыто от глаз, будь то громоподобный треск падающего в километре дерева или отдаленный рык хищников.

Шутц говорит: «Наша Вселенная – это джунгли, полные диких животных. Благодаря гравитационным волнам мы впервые начали слышать их» [137] Я посетил публичное выступление Бернарда Шутца в Кванджу (Южная Корея) 25 июня 2015 г. . Гравитационно-волновую астрономию часто называют способом «услышать» Вселенную. Хотя волны Эйнштейна никак не связаны со звуком, это выразительное сравнение. Главное обещание новой области исследования – открытие объектов и событий, принципиально не наблюдаемых путем изучения электромагнитного излучения. Гравитационные волны – это новые послания из космоса, которые расскажут нам много неожиданного.

Мы надеемся, что изучение слабых возмущений пространственно-временного континуума поможет раскрыть часть самых необъяснимых загадок нашей Вселенной. Например, астрономы обнаружили косвенные свидетельства существования огромного количества темной материи. Ее невозможно увидеть – предположительно, темная материя даже не состоит из обычных атомов и молекул, – но можно зарегистрировать ее гравитацию. Внешние области галактик вращаются значительно быстрее, чем следует ожидать, исходя из количества содержащейся в них видимой материи. То же самое можно сказать о скоростях галактик в скоплениях. Кроме того, степень гравитационного линзирования скоплений галактик (отклонения света фонового источника силой тяготения скопления) можно объяснить только присутствием большого количества темной материи. Проблема в том, что никто не имеет представления о природе темной материи, и, несмотря на героические усилия физиков-ядерщиков и космологов, пока не удалось найти ни одного непосредственного свидетельства ее существования.

Другая огромная загадка – темная энергия. Исследования расширения Вселенной показали, что пространство растет увеличивающимися темпами около 5 млрд лет. Здравый смысл говорит, что расширение должно замедляться вследствие взаимного притяжения галактик, однако оно ускоряется. Единственное объяснение, которое смогли предложить физики, – наличие в пустом пространстве загадочной «энергии отталкивания». Идея не нова. Она отчасти согласуется с квантовой теорией, и сам Альберт Эйнштейн ввел в свои уравнения подобие темной энергии – «космологическую константу» – еще до того, как Эдвин Хаббл открыл расширение Вселенной. Однако природа темной энергии также никому не известна.

Серьезность проблемы становится очевидной, когда понимаешь, что темная материя и темная энергия в совокупности составляют до 96 % общей плотности вещества и энергии во Вселенной. Иными словами, нам известны лишь жалкие 4 % ее содержимого, остальное – совершенная загадка. Судя по всему, разгадать ее будет нелегко. Детальные исследования реликтового излучения и крупномасштабных структур Вселенной заставляют сделать вывод: мы способны объяснить устройство Вселенной, только если ее эволюцией управляли таинственные силы – темная материя и темная энергия.

Дальнейшие достижения гравитационно-волновой астрономии, возможно, подарят новые поразительные данные, особенно связанные с темной энергией. Амплитуду гравитационных волн, возникающих при столкновении компактных астрономических объектов, точно предсказывает ОТО. Исходя из наблюдаемой формы волны (чирпа) довольно просто вычислить массы двух сливающихся тел. Затем ОТО подскажет амплитуду расходящихся волн Эйнштейна. Сравнивая расчетную величину с намного меньшей амплитудой, измеренной земными детекторами, легко узнать расстояние, на котором произошло слияние.

Если поиск электромагнитных проявлений обнаруживает галактику, где имело место слияние, можно установить красное смещение этой галактики с помощью оптических телескопов. Как вы узнали из главы 9, красное смещение галактики показывает, сколько времени потребовалось ее свету, чтобы дойти до Земли. Тогда мы сумеем объединить измерения красного смещения и независимые оценки расстояний до большого числа галактик разной степени удаленности и узнаем историю расширения Вселенной – любые замедления или ускорения приведут к отклонениям от точного линейного соответствия расстояния и красного смещения. Детальное знание о расширении космического пространства позволит больше узнать о темной энергии.