История всего. 14 миллиардов лет космической эволюции. - Нил Деграсс Тайсон

такт. Фотоны путешествуют в пространстве, но гравитационные волны — это само пространство, точнее, ритмическое искривление пространства, которое распространяется со скоростью света. Если бы гравитационные волны не были такими слабыми (напомню, что гравитация считается самой слабой из основных сил природы), мы бы чувствовали, что нас вместе с нашей планетой постоянно качает на волнах интенсивного гравитационного излучения, вызванного самыми разрушительными событиями во Вселенной, которые заставляют пространство дрожать.

Хотя существование гравитационных волн было предсказано еще Эйнштейном, обнаружить их получилось только столетие спустя. Еще в 1916 году, развивая свою общую теорию относительности, которая утверждает, что гравитационные силы искривляют пространство, Эйнштейн пришел к выводу, что источник с сильной гравитацией, движущийся чрезвычайно быстро, может создавать заметные волны в космосе, и эта рябь должна распространяться, теряя силу подобно световым волнам. Но как выделить гравитационные волны на фоне электромагнитного излучения? Нужен был совершенно новый вид приборов.

В своей теории Эйнштейн отметил крайнюю слабость гравитационных волн. Он глубоко сомневался, что их вообще удастся обнаружить непосредственно, и это суждение оставалось верным на протяжении нескольких поколений. Однако в последние десятилетия XX века астрофизики открыли системы, в которых пары «нейтронных звезд» — коллапсирующие ядра звезд, взорвавшихся как сверхновые, — регулярно испускают импульсы радиоволн, вращаясь вокруг общего центра масс. Нейтронные звезды движутся в такой непосредственной близости и на таких высоких скоростях, что гравитационные волны уносят энергию в количествах, достаточных для уменьшения размеров их орбит. Потрясающая регулярность радиоимпульсов и крохотные изменения времени их прибытия позволили измерить изменение размеров орбит нейтронных звезд. А полученные данные опосредованно подтвердили верность предсказания Эйнштейна о существовании гравитационного излучения. Это открытие принесло выполнившим измерения Расселу Халсу и Джозефу Тейлору Нобелевскую премию по физике в 1993 году.

Прошло два десятилетия, прежде чем начала работать система, способная напрямую регистрировать рябь, о которой говорил Эйнштейн. Для этого потребовалось создать совершенно одинаковые детекторы и разместить их в штатах Луизиана и Вашингтон — так была образована лазерноинтерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория LIGO[35]. Каждый детектор — это Г-образная система из двух четырехкилометровых туннелей с почти идеальным вакуумом. На концах туннелей установлены зеркала, отражающие лазерные лучи в направлении других зеркал, расположенных в месте соединения туннелей. Таким образом два луча проходят через туннели взад-вперед сотни раз, прежде чем встретиться в центральной точке буквы Г. Такое устройство позволяет ученым обнаруживать различия всего в десять миллиардно миллиардных долей сантиметра в общей длине путей, пройденных лазерными лучами. Согласно расчетам, любые такие крошечные различия, зарегистрированные почти одновременно в двух детекторах, разделенных тысячами километров, могут быть обусловлены настоящей рябью пространства, а не близлежащими возмущениями. В 2018 году после модернизации, улучшившей чувствительность детекторов, в обсерватории LIGO были зафиксированы первые гравитационные волны. Затем к экспериментам присоединились третий детектор, названный VIRGO и расположенный недалеко от города Пиза в Италии, и четвертый, KAGRA, в центре Японии, что позволило ученым регистрировать самые крошечные, обусловленные конечной скоростью света различия во времени при прохождении ряби и определять, откуда приходят гравитационные волны. В 2017 году Райнеру Вайсу и Кипу Торну, специалистам по теории гравитационного излучения, а также Барри Баришу, ключевой фигуре в строительстве LIGO, была присуждена Нобелевская премия по физике.

Основными источниками гравитационных волн (по крайней мере, в масштабах человеческого времени) являются столкновения и слияния массивных и плотных объектов. За годы исследований многочисленное сообщество ученых-физиков, изучающих гравитационные волны, создало мощную теоретическую базу, описывающую, какой узор гравитационных возмущений будут создавать конкретные пары масс по мере их сближения по спирали, прежде чем они внезапно сольются в единый объект. Временные характеристики этих узоров гравитационных возмущений, достигающих каждого детектора и поочередно сжимающих и растягивающих каждый туннель, позволяют с высокой точностью рассчитать массы сливающихся объектов. Кроме того, характерные особенности чередования событий во времени предполагают, что в слияниях должны участвовать объекты с высокой плотностью, такие как черные дыры или нейтронные звезды, и позволяют определить массы сливающихся объектов.

К настоящему времени сеть гравитационно-волновых обсерваторий обнаружила почти 100 событий, в которых участвуют пары сливающихся объектов, чьи массы можно определить. Подавляющее большинство этих объектов настолько велики, что масса каждого в отдельности в несколько десятков раз превышает массу Солнца. Это означает, что в слияниях могут участвовать не только нейтронные звезды, теоретический предел масс которых составляет примерно 2,2 массы Солнца, но и черные дыры, для которых нет такого предела. Фактически астрофизики подсчитали, что типичные черные дыры должны иметь массу от десяти до пятидесяти раз бо́льшую, чем масса Солнца, потому что они образуются в результате коллапса чрезвычайно массивных звезд, потерявших способность противостоять собственной гравитации. Накопленные к настоящему времени данные показывают, что в прошлые эпохи черные дыры сливались намного чаще, а наиболее интенсивное звездообразование происходило около восьми миллиардов лет назад. Именно в ту пору, предполагается, возникли самые массивные звезды, чья жизнь длится всего несколько миллионов лет и чья смерть приводит к появлению самых массивных черных дыр.

Некоторые из гравитационно-волновых событий обусловлены слиянием объектов с массой менее 2,2 массы Солнца, а это означает, что они действительно являются нейтронными звездами, а не черными дырами. В августе 2019 года детекторы зафиксировали необычное слияние двух объектов, чьи массы превосходили массу Солнца в 23 и 2,6 раза. Первый объект, вне всяких сомнений, — это типичная черная дыра, но вот второй… Второй являлся либо самой маленькой черной дырой из всех когда-либо обнаруженных, либо самой большой нейтронной звездой, масса которой превысила расчетный предел. Если, конечно, расчеты верны, что, учитывая определенные сложности, может и не подтвердиться.

На примере данного события мы можем убедиться в том, что применение новых методов наблюдения за Вселенной практически всегда приводит к открытию новых граней космоса. А то, что мы можем изучать его с помощью явления, которое впервые удалось наблюдать напрямую всего несколько лет назад, открывает перед нами невообразимые перспективы. Вдруг мы встретили объект, который принадлежит к типу, который астрономическое сообщество еще никогда не наблюдало?

Используя расчеты, основанные на общей теории относительности Эйнштейна, ученые могут по временным характеристикам гравитационного излучения определить не только массы двух сливающихся объектов, но и силу гравитационных волн, созданных в результате слияния. Сравнение наблюдаемой силы гравитационной волны с расчетной позволяет определить расстояние до объектов. Следуя этой логике, в 2017 году исследователи гравитационных возмущений обнаружили волны, исходящие от двух сливающихся нейтронных звезд. Таким источникам астрофизики дали название «стандартные сирены», понимая под ними объекты, расстояние до которых можно определить по гравитационным волнам, а скорость удаления — по гамма-излучению, которое также возникает в результате слияния. Возможность определить расстояние до события и скорость его удаления дает новый способ