Благодаря этому открытию удалось наконец разрешить спорный вопрос о самом существовании двойных систем, состоящих из черных дыр. Такие темные объекты, как черные дыры, очень трудно обнаружить. Это удается сделать только в том случае, если какой-нибудь яркий объект, например звезда, вращается по орбите вокруг черной дыры.
Массы черных дыр, измеренные в первом событии слияния, озадачили астрономов. Существовало мнение, что черные дыры образуются при коллапсе ядер звезд-гигантов. А такие ядра должны приводить к формированию черных дыр с массами не более 20 солнечных масс.
Рис. 4.1. Великое открытие крошечного импульса: сигналы от гравитационных волн, пойманные обсерваториями LIGO в 2015 году. Серым обозначены данные из Хэнфорда, черным – из Ливингстона.
Второе слияние было зафиксировано в декабре 2015 года. Черные дыры, участвующие в этом процессе, оказались немного легче – примерно 14 и 7 солнечных масс, т. е. внутри диапазона масс, предсказанных для коллапса звезд.
Смертельная спираль
Наряду с продолжающимися поисками слияния черных дыр обсерватория LIGO пытается обнаружить гравитационные волны от нейтронных звезд, неумолимо сближающихся по спирали друг с другом. Черные дыры даже при крушении прячутся за горизонтом событий, в то время как от нейтронных звезд при столкновении в окружающее пространство разбрызгивается горячее вещество (неоценимое подспорье в исследовании тайн Вселенной). Изучение таких взрывов может помочь в объяснении происхождения коротких всплесков гамма-излучения, таинственных и невероятно мощных электромагнитных явлений. Кроме того, может проясниться вопрос о том, где находится «наковальня» Вселенной, на которой выковываются такие тяжелые элементы, как уран, торий и золото. В ближайшие два года чувствительность аппаратуры LIGO повысится настолько, что появится возможность обнаруживать гравитационные волны от слияний нейтронных звезд в соседних с нами 300 000 галактиках. Это означает, что мы будем получать примерно один сигнал в месяц.
Детектирование единичных событий – это только начало. Соединив несколько событий вместе, мы сможем получить уникальную информацию об эволюции и структуре Вселенной в целом. Сигналы от слияний нескольких черных дыр можно сопоставить, чтобы попробовать понять природу темной энергии, которая заставляет Вселенную расширяться с ускорением. Обсерватория LIGO и другие детекторы могут измерить расстояние до каждого слияния и вместе с результатами наблюдений на обычных телескопах поведать нам о том, как расширялось пространство в то время, пока волны добирались до нас. Результаты этих измерений помогут нам оценить влияние темной энергии на пространство.
Некоторые исследователи надеются использовать сигналы от гравитационных волн для того, чтобы подвергнуть теорию относительности новым суровым испытаниям. Например, эти сигналы могут показать, ведет ли себя гравитация на больших расстояниях так, как это предсказывает теория относительности.
Первое свидетельство существования гравитационных волн
В 1974 году астрономы Рассел Халс и Джозеф Тэйлор открыли двойной пульсар – пару мертвых звезд, которые посылали импульсы радиоволн. Халс и Тэйлор поняли, что два пульсара теряют энергию и медленно закручиваются по спирали навстречу друг другу точно в соответствии с уравнениями общей теории относительности Эйнштейна: их орбитальная энергия излучается в виде гравитационных волн. За это открытие в 1993 году ученые получили Нобелевскую премию по физике.
Успешные результаты LIGO открывают новые возможности в обнаружении гравитационных волн. Индия, например, давно заявляет о желании установить на своей территории третий детектор LIGO. Могут появиться и другие типы детекторов. Европейское космическое агентство начинает испытания оборудования для Улучшенной космической антенны, использующей принцип лазерного интерферометра (Evolved Laser Interferometer Antenna, eLISA) – огромного детектора, развернутого в космосе. Антенна eLISA будет чувствительна к гораздо более низкочастотным волнам и сможет обнаруживать слияния сверхмассивных черных дыр с массами от миллионов до миллиардов масс Солнца на самом краю Вселенной. Первая экспериментальная космическая лаборатория этого типа, «Следопыт» LISA (LISA Pathfinder), начала испытания на орбите в ноябре 2016 года.
Если заглянуть еще дальше, мы увидим, что могут возникнуть совсем другие способы детектирования гравитационных волн. Первозданные гравитационные волны, возникшие в очень молодой Вселенной, могут быть выявлены в космическом микроволновом фоновом излучении (см. «Первая доля секунды» в главе 5), что проложит путь к созданию теории великого объединения.
Как мы настраиваемся на ритм пространства-времени
Потребовались десятилетия работы, чтобы доказать реальность существования гравитационных волн. Ниже представлен рассказ об истории их открытия и о замечательном оборудовании LIGO, которое помогло это сделать.
Райнер Вайсс
В 1969 году Райнер Вайсс (род. 1932) был молодым профессором Массачусетского технологического института. В то время гравитационные волны были всего лишь теоретическим курьезом: самому Эйнштейну потребовались годы, чтобы поверить в предсказание своей собственной теории о том, что от движущихся космических тел распространяется рябь по пространству-времени. Затем физик Джозеф Вебер (1919–2000) объявил, что он зарегистрировал гравитационную волну с помощью инструмента, напоминающего ксилофон. Вебер назвал этот инструмент резонансным детектором.
«Студенты на моем курсе были увлечены идеей возможности существования гравитационных волн, – рассказывает Вайс. – До этого я плохо разбирался в этих самых волнах и, хоть убей, не мог понять, каким путем они могут заставить звучать цилиндр.
Я продолжал думать и пришел к выводу: есть только один путь объяснения того, как гравитационные волны взаимодействуют с материей. Представьте, что вы посылаете световой импульс между двумя массами. Затем вы делаете то же самое, но в присутствии гравитационной волны. И вдруг – о чудо! – вы видите, что время, которое требуется свету, чтобы пройти от одной массы до другой, изменяется из-за этой волны. Если волна становится больше, она заставляет время немного вырасти. Если волна съеживается, то время уменьшается тоже. И вы сможете увидеть это колебание времени на часах.
Целых три месяца я думал над тем, что мне со всем этим делать. Во-первых, я посчитал, что трудно найти достаточно хорошие часы. Но мы проделали несколько экспериментов, и я понял, что с лазерами можно проводить невероятно точные измерения. Я записал полученные результаты, но не опубликовал их. Институтский народ хотел знать, как я провожу свое время, и этот пункт я вставил в ежеквартальный отчет о работе моей лаборатории. Я пришел к выводу, что, если сделать достаточно большой детектор, можно попробовать обнаружить гравитационные волны».
