Суперобъекты. Звезды размером с город - Сергей Попов

Вначале ученые пытались ставить металлические (например, алюминиевые) болванки и смотреть, как они будут сжиматься-растягиваться. Для этого на них устанавливались пьезодатчики. Первым подобные опыты начал Вебер в конце 60-х годов прошлого века и продолжал их несколько десятилетий. Детекторы этого типа чувствительны в очень узкой полосе частот, соответствующей резонансу в болванке. Это не очень хорошо, так как источники могут и не излучать волны на данной узкой частоте. Например, сигнал от сливающихся нейтронных звезд будет непрерывно менять частоту (она будет расти) по мере сближения объектов и уменьшения орбитального периода.

Установки типа веберовских – это недостаточно чувствительные детекторы. Необходимо, чтобы где-то довольно близко произошел мощный всплеск гравитационных волн, например, слияние двух нейтронных звезд в близкой галактике (а еще лучше – в нашей) или совсем близкий взрыв сверхновой с большой асимметрией. Сам Вебер заявлял, что ему удалось зафиксировать сигнал, например, от сверхновой 1987 года в Большом Магеллановом облаке, но это сообщение не вызвало доверия у научного сообщества. Даже более крупные установки (например, ALLEGRO в США и NAUTILIS и AURIGA в Италии), охлаждаемые до низких температур, не дали никакого значимого результата. Поэтому сейчас используют другой подход.

Установки, на которые сейчас делается ставка, – это лазерные интерферометры большого размера. Они чувствительны в очень широкой полосе частот. Параметры установок выбирались исходя из свойств ожидаемого сигнала от слияния двух нейтронных звезд. Во многом такие приборы похожи на знаменитую установку, с помощью которой Альберт Майкельсон и Генри Морли доказали отсутствие эфира. Только современные детекторы гораздо больше.

Представьте: в вакуумном тоннеле на расстоянии нескольких километров друг от друга висят зеркала. Когда проходит гравитационная волна, они немножко смещаются друг относительно друга, и это можно заметить. Между зеркалами бегает лазерный луч, который после череды отражений попадает в детектор, где можно наблюдать интерференцию. При смещении зеркал меняется путь, который проходят лазерные лучи, а значит, меняется и интерференционная картинка. Это очень тонкий метод измерений.

Зеркала, конечно же, не находятся в покое. Они чувствуют сейсмические сигналы, чувствуют, как за десятки километров от места обсерватории проезжают тяжелые грузовики. Они дрожат просто потому, что они имеют конечную температуру, т. е. из-за тепловых флуктуаций. Наконец, даже сами фотоны в лазерном пучке «раскачивают» зеркала – о таких тонких эффектах идет речь! Но все эти воздействия можно учесть или отфильтровать[13]. И тогда… Задумайтесь, ученые рассчитывают заметить, как плечо интерферометра длиной в пару километров изменилось на 10–18 метров! Это не только намного меньше атома, но и гораздо меньше атомного ядра, но это можно измерить!

Схема гравитационно-волновой антенны. Сигнал лазера делится и направляется в два плеча интерферометра. Лазерный луч может многократно отражаться от зеркал, создавая в итоге интерференционную картинку. Изменение длины плеч интерферометра будет искажать эту картинку.

Есть надежда, что совсем скоро гравитационные волны будут обнаружены. Тем самым мы не только откроем новое окно во Вселенную, но и будут получены надежные доказательства (насколько это возможно) существования черных дыр.

А затем придет пора и «космических бус». Уже несколько десятилетий разрабатывается проект космического лазерного интерферометра. В нем расстояния между базами с лазерными установками будут исчисляться уже десятками миллионов километров. Сейчас этот проект называется eLISA. Его создает Европейское космическое агентство. Запуск пока намечен на 2034 год. Такой детектор будет чувствителен к волнам от сверхмассивных черных дыр. Они сами большие – размером порядка астрономических единиц, поэтому и детектор должен быть крупным, так как пара сверхмассивных черных дыр в ядре какой-нибудь далекой-далекой галактики испускает гравитационные волны с большой длиной волны, сопоставимой с расстоянием между дырами. Еще более продвинутые космические детекторы следующего поколения смогут, наверное, зарегистрировать и первичные космологические гравитационные волны.

У рукотворных детекторов гравитационных волн есть интересный конкурент – радиопульсары. Мы можем измерять периоды этих объектов с фантастической точностью, граничащей с ходом лучших атомных часов на Земле. Это значит, что мы можем предсказать, когда придет следующий импульс. Если ничто не помешает… Гравитационная волна – возмущает пространство-время. Поэтому сигнал от пульсара, попавший в волну, испытает задержку. И это можно заметить. Впервые эту идею разработал Михаил Сажин в 1978 году.

Благодаря существованию огромного количества двойных звезд, тесных пар сверхмассивных черных дыр, слияниям сверхмассивных черных дыр в разных далеких галактиках и т. д. пространство оказывается заполненным низкочастотными гравитационными волнами. Наблюдая несколько десятков миллисекундных пульсаров, можно находить корреляции в изменениях их периодов. А изменения эти связаны с фоном гравитационных волн. Сейчас работает три крупных проекта, объединяющих радиоастрономов разных стран, по поиску такого сигнала. До появления гигантских космических лазерных интерферометров это будет лучший источник информации по гравволнам низкой частоты.

VIII. Скорости компактных объектов

Какой русский не любит быстрой езды? Собственно, глядя на Феттеля, а раньше – на Шумахера, можно спросить: «Какой немец не любит быстрой езды?», а глядя на Алонсо – «Какой испанец не любит быстрой езды?». Все любят большие скорости. Как ни странно, и нейтронные звезды и черные дыры могут обладать очень большими скоростями. По галактическим меркам даже рекордными. Давайте вспомним, с какими скоростями объекты двигаются в Галактике.

Стремительные звезды

Типичная скорость для звезд – где-то 10, 20, 30 км/с. Это их скорость относительно ближайших соседей. Кроме того, звезды вращаются вокруг центра Галактики. Для Солнца эта скорость немногим больше 200 км/с. Но в качестве индивидуального параметра, характеризующего данный объект, важна именно скорость относительно близких звезд или, если угодно, относительно окружающего его газа в межзвездной среде. Так вот, у нейтронных звезд и черных дыр эти скорости в среднем гораздо выше. Почему?

Есть несколько способов для того, чтобы объект в космосе разогнался. Первый (самый простой) – это взаимодействие с каким-то другим телом. Тогда объект может приобрести скорость. То есть он отберет энергию у какого-то другого объекта. Взаимодействие становится более эффективным, если в нем участвует больше двух тел. Таким способом можно очень сильно ускориться. Например, недавно был открыт новый класс источников – гиперскоростные звезды. Мы уже говорили о них выше. У них скорость гигантская по звездным меркам. Это могут быть даже тысячи километров в секунду. Явный признак взаимодействия с чем-то большим и тяжелым.

Большое и тяжелое в Галактике присутствует в количестве одной штуки. Это сверхмассивная черная дыра в ее центре. Ее масса составляет примерно 4 миллиона масс Солнца. Если пара звезд подлетит очень близко к этой черной дыре и распадется под действием приливных сил, то одна из звезд может приобрести большую скорость и улететь. Это может быть и обычная звезда, и нейтронная, и черная дыра, и белый карлик. Сейчас известны десятки гиперскоростных звезд, но все они находятся на больших расстояниях от нас. Наблюдения показывают, что они в самом деле летят из центра Галактики. Все они – обычные, как правило, не очень массивные звезды. Нейтронных звезд или черных дыр, которые получили свою скорость таким способом, пока не открыли.

Существует еще один весьма экзотический механизм «творения» гиперскоростных звезд. Астрономы наблюдают интереснейшее явление приливного разрыва звезд. Если звезда подлетает слишком близко к сверхмассивной черной дыре, то она оказывается разорванной приливными силами. Образовавшийся газ «вспираливается» в черную дыру, и мы наблюдаем всплеск излучения. Но если мы говорим, что «то, что нас не убивает, делает нас сильнее», то звезды могли бы сказать «то, что нас не разрывает, делает нас быстрее». Если звезду только «ободрало» приливными силами сверхмассивной черной дыры, то она, даже будучи одиночной, может приобрести дополнительную скорость и стать, таким образом, гиперскоростной. Причем весьма необычной, так как улетает она, так сказать, «неглиже». Конечно, компактные объекты так не разгонишь.