_________
Астрономы много размышляли о том, какими именно электромагнитными проявлениями может сопровождаться гравитационная волна и сколько времени они могут быть видимыми. Чтобы ответить на этот вопрос, сначала нужно узнать, какие космические события порождают наблюдаемые гравитационные волны.
Существующие лазерные интерферометры восприимчивы к гравитационным волнам частотой примерно от 10 до 1000 Гц. Такие волны излучаются главным образом при столкновениях и слияниях нейтронных звезд и ЧД. Эти события «видимы» для LIGO и Virgo на больших расстояниях. Со временем, когда усовершенствованные детекторы достигнут полной проектной чувствительности, они смогут наблюдать слияния нейтронных звезд на расстоянии до нескольких сотен миллионов световых лет. В случае столкновения нейтронной звезды и ЧД это расстояние намного превышает миллиард световых лет, поскольку ЧД более массивна. Слияние двух достаточно массивных ЧД можно наблюдать с дистанции до нескольких миллиардов световых лет.
Что можно надеяться увидеть в оптический телескоп или наблюдать в инфракрасном, рентгеновском и радиодиапазоне? Это зависит от обстоятельств. При «чистом» слиянии ЧД не будет никакого электромагнитного излучения. Это событие – «шторм в ткани пространства-времени», говоря словами Кипа Торна. Нет никакого вещества: атомов, молекул – ничего, что могло бы испускать какое бы то ни было излучение. Слияние ЧД может сообщить о себе Вселенной только в форме гравитационных волн.
Поэтому охотники за электромагнитными проявлениями были немного разочарованы тем, что источником GW150914 стали две соединившиеся ЧД. В области столкновения этих космических объектов могло присутствовать некоторое количество материи в форме межзвездного газа и пыли, но немного, с учетом колоссального притяжения двух ЧД. В отсутствие материи, которая могла бы нагреться или стать средой для ударных волн, событие едва ли сопровождалось доступным для регистрации электромагнитным излучением (но астрономы все равно искали электромагнитные проявления).
Слияние нейтронных звезд или столкновение нейтронной звезды и ЧД – другое дело. Нейтронная звезда содержит обыкновенные ядерные частицы в количестве, по меньшей мере 1,4 массы Солнца. Результатом столкновения двух нейтронных звезд, скорее всего, станет ЧД, если же нейтронная звезда врежется в ЧД, то бóльшая часть ее массы просто исчезнет. Но в обоих случаях значительное количество материи может быть нагрето до экстремально высоких температур и выброшено в пространство со скоростью, составляющей существенную часть скорости света. Когда эта взрывная волна войдет в окружающее межзвездное вещество, каким бы оно ни было разреженным, мощные ударные волны создадут электромагнитное излучение в широком диапазоне частот. Считается, что столкновения с участием хотя бы одной нейтронной звезды сопровождаются впечатляющим космическим фейерверком.
Этим и обусловлена связь гравитационных волн и гамма-всплесков. Еще в начале 1990-х гг. некоторые астрофизики утверждали, что гамма-всплески могут вызываться слияниями нейтронных звезд в далеких галактиках. Это было задолго до составления шкалы расстояний для событий взрывного характера. Сегодня почти никто не сомневается, что слияния нейтронных звезд являются прародителями по крайней мере значительной части наблюдаемых гамма-всплесков.
Гамма-всплески можно разделить на две группы, представляющие разные категории космических феноменов. Короткие гамма-всплески длятся долю секунды, длинные – от нескольких секунд до двух минут. Длинные всплески – это, вероятно, невероятно мощные взрывы сверхновых, иначе называемые сверхъяркими сверхновыми. Они могут возникать, когда короткая жизнь очень массивных быстро вращающихся звезд оканчивается катастрофическим коллапсом и превращением в ЧД. Для объяснения коротких всплесков были предложены разные сценарии, среди которых с большим отрывом лидирует модель слияния с участием нейтронной звезды.
Сосредоточимся на коротких гамма-всплесках. При некоторых из них было зарегистрировано слабое рентгеновское и оптическое послесвечение. Оно длится намного дольше самого всплеска гамма-излучения – целый день и более. Казалось бы, это означает, что мы точно знаем, какие электромагнитные проявления гравитационных волн нужно искать. Ведь речь, возможно, идет об одном и том же физическом явлении – слиянии нейтронных звезд. Если выброс гравитационных волн тоже порождается слиянием с участием нейтронной звезды, разве не должна практически одновременно с ним происходить вспышка высокоэнергетического гамма-излучения, иногда сопровождающаяся слабым послесвечением?
К сожалению, все не так просто, поскольку гамма-всплески являются чрезвычайно «сфокусированными». Огромная мгновенная энергия практически целиком излучается в двух противоположных направлениях. В случае сверхъярких сверхновых (длинные всплески) импульсы излучаются по оси вращения коллапсирующей звезды. При столкновениях нейтронных звезд (короткие всплески) излучение может быть направлено перпендикулярно орбитальной плоскости сливающихся звезд. Очевидно, в этом направлении из системы выбрасывается большая часть материи с невообразимыми скоростями, очень близкими к скорости света.
Если ситуация такова, что линия нашего взгляда направлена навстречу одному из этих двух пучков (или джетов), то мы наблюдаем колоссальный взрыв в форме гамма-всплеска. Если же мы смотрим на них со стороны, то вообще не видим гамма-всплеска и почти не видим послесвечения. Иными словами, многие слияния с участием нейтронных звезд не наблюдаются в форме гамма-всплесков, и в действительности во Вселенной гораздо больше таких слияний, чем коротких гамма-всплесков, регистрируемых астрономами.
Напротив, гравитационные волны излучаются во всех направлениях (хотя необязательно с одинаковой силой). Даже если слияние нейтронной звезды не наблюдается в виде короткого гамма-всплеска из-за ее ориентации в пространстве, оно тем не менее может быть наблюдаемым в качестве источника волн Эйнштейна. Есть одна проблема: эти волны слабы и их сложно зарегистрировать. Поэтому остается надеяться на регистрацию волн, вызванных слиянием нейтронных звезд в пределах порядка нескольких сотен миллионов световых лет.
Таким образом, между источником гравитационных волн и коротких гамма-всплесков может быть связь, но она сложна. Она чем-то напоминает связь между нейтронными звездами и пульсарами. Как мы узнали из главы 6, быстро вращающиеся вокруг своей оси, сильно намагниченные нейтронные звезды создают узконаправленные пучки радиоволн вращающегося «маяка». При благоприятной ориентации мы можем зарегистрировать эти нейтронные звезды как пульсары, даже если до них десятки тысяч световых лет. Реальное число нейтронных звезд, конечно, намного превышает количество наблюдаемых нами пульсаров. Но изотропное излучение нейтронных звезд – излучение во всех направлениях – очень слабо. Поэтому нейтронную звезду, не наблюдаемую в качестве пульсара, можно увидеть, только если она близко – в нескольких сотнях световых лет.
Итак, LIGO и Virgo смогут зарегистрировать гравитационные волны пары сливающихся нейтронных звезд, только если катастрофа происходит не далее нескольких сотен миллионов световых лет. Если при столкновении излучаются очень узконаправленные волны, возможны два варианта: или один из пучков направлен на нас (вероятность чего мала), или оба проходят мимо Земли (что гораздо более вероятно). В первом случае мы рассчитываем увидеть невероятно яркий короткий гамма-всплеск и выраженное послесвечение на многих длинах волны. Подобное событие, безусловно, будет зарегистрировано орбитальными гамма-обсерваториями. Во втором случае важно знать, какое именно изотропное излучение должно испускаться при этом событии.
