Когда коллапс и внутренний взрыв завершаются, запуская взрыв наружу, «центральная машина» превращается в нейтронную звезду.
Астрономы видят пары нейтронных звезд – старых нейтронных звезд, – которые постепенно сближаются по спирали и теряют энергию, излучая гравитационные волны. В конце концов они сталкиваются (рис. 3), производя финальный выброс гравитационных волн, доносящих нам подробные сведения об их движении, об искривленном пространстве-времени вокруг них, об их фантастических столкновениях и о ядерном веществе, из которого они состоят.
Но для меня самым увлекательным применением гравитационных волн будет изучение первой секунды жизни нашей вселенной. Гравитационные волны – единственный вид излучения, который может выйти неискаженным из этого сверхгорячего, сверхплотного периода – первой секунды вселенной – и принести нам детальную информацию и изображения рождения вселенной.
В самые ранние моменты вселенной некоторые из фундаментальных струн – строительных кирпичей всего вещества, согласно лучшим современным идеям физиков-теоретиков – могли претерпеть инфляцию космических масштабов, произведя плотную сеть космических струн.
Когда сеть струн вибрирует, и распутывается, и снова соединяется, она производит гравитационные волны, которые, может быть, удастся измерить при помощи LIGO или LISA или при помощи радиоинтерферометров, измеряющих время прихода импульсов от радиопульсаров. Если бы мы зарегистрировали такие волны, это было бы первым намеком на наблюдательное подтверждение теории струн.
В начале первой секунды жизни вселенной электромагнитная сила была объединена со слабым ядерным взаимодействием. Но когда вселенная расширилась и остыла, это объединение стремительно распалось, и родилась электромагнитная сила. Это могло случиться внутри пузырей (так называемый фазовый переход первого рода), и если так, такие пузыри расширялись и сталкивались друг с другом со скоростью света, производя гравитационные волны. За прошедшие с тех пор эпохи длина этих волн увеличилась, и теперь они идеально подходят для регистрации и изучения с помощью LISA, орбитального проекта Европейского космического агентства.
Эти описания дают представление о классах источников гравитационных волн и об исследованиях, которые в следующее десятилетие или два выйдут на авансцену благодаря гравитационным волнам.
Гравитационная астрономия сейчас находится в той же стадии развития, в какой находилась электромагнитная астрономия вскоре после того, как Галилей навел свой первый оптический телескоп на небо и обнаружил спутники Юпитера. В будущие века гравитационная астрономия расцветет, так же как электромагнитная астрономия расцвела за века, прошедшие после Галилея.
Роджер Пенроуз
До начала и за пределы вечности. Новый взгляд на космологию
Роджер Пенроуз – британский специалист в области математической физики, математик и философ науки. Он почетный Болловский профессор кафедры математики в Математическом институте Оксфордского университета, а также почетный научный сотрудник Оксфордского Уодем-колледжа. Когда Пенроуз работал в Кембридже над диссертацией по алгебраической геометрии, он задался вопросом о том, можно ли найти набор форм для покрытия плоскости без повторяющихся элементов (так называемая квазисимметрия). Вооруженный только блокнотом и карандашом, Пенроуз взялся разрабатывать наборы плиток, производящие квазипериодические шаблоны. На первый взгляд кажется, что орнамент повторяется, но при более внимательном рассмотрении оказывается, что это не так. В конечном итоге Пенроуз нашел решение этой задачи, но такое решение требовало многих тысяч разных форм. После многолетних исследований и тщательного изучения различных вопросов, он успешно уменьшил число форм до шести, а затем и до невероятных двух. Оказалось, что это задача, которая не может быть решена с помощью вычислений. Пенроуз считает, что мозг может выполнять процессы, которые не может выполнить ни одна вычислительная машина тьюринговского типа. Он знаменит своими книгами о сознании, такими как «Новый ум короля» (1989), которая в 1990 году была удостоена премии Королевского общества The Science Book Prize. Пенроуз также считает физику неполной, поскольку до сих пор не существует квантовой теории гравитации. Его главной работой по физике считается создание теории твисторов, которую он начал свыше 30 лет назад в попытке соединить общую теорию относительности Эйнштейна с квантовой механикой. Пенроуз имеет множество наград за свой вклад в науку. В 1972 году он был избран членом Лондонского Королевского общества, а в 1998 году – зарубежным ассоциированным членом Национальной академии наук США. Другие его награды – это премия Адамса Кембриджского университета, премия по физике фонда Вольфа (совместно со Стивеном Хокингом), премия Дэнни Хайнемана, королевская медаль Королевского общества, медаль Дирака и медаль британского Института физики, медаль Эддингтона Королевского астрономического общества, премия Нейлора, премия Альберта Эйнштейна и медаль Общества Альберта Эйнштейна. За вклад в науку в 1994 году Пенроуз получил рыцарский титул. За популяризацию математических знаний 18 января 2006 года сэр Роберт Пенроуз получил в США премию Коллегии совместной политики в математике.
Мы уже кое-что знаем о наблюдаемой вселенной и ее нынешнем экспоненциальном расширении. Этот вид бесконечного расширения соответствует доработанной версии общей теории относительности Эйнштейна, которую он представил в 1917 году, и, чтобы соответствовать этой теории, вселенная должна будет бесконечно экспоненциально расширяться в отдаленное будущее (рис. 1). Вам придется привыкнуть к мысли, что мне нравится иллюстрировать свои слова на графиках пространства-времени. Вот изображение вселенной на графике пространстве-времени. Время изображено движущимся вверх. Мы можем рассматривать пространство в любой момент времени как горизонтальное сечение. Конечно, я не могу изобразить на картинке все три пространственных измерения. Нам придется привыкнуть к кривой сечения на картинке пространства-времени, где горизонтальная плоскость обозначает трехмерное пространство в конкретный момент времени.
Рис. 1. Большой взрыв.
Вас может заинтересовать, зачем все эти рюшечки сзади. Я нарисовал их, чтобы остаться нейтральным в вопросе о том, открыта вселенная пространственно или закрыта, для моего доклада сейчас это неважно. По мере того, как мы поднимаем горизонтальную плоскость вверх по картинке, сечения пространства-времени показывают пространство в текущий момент времени. Вы видите, как вселенная расширяется и расширяется, и это последующее ускоренное расширение вверху – вывод, сделанный из наблюдений Брайана Шмидта за сверхновыми и из наблюдений другой группы во главе с Солом Перлмуттером. Меня это вполне устраивает, потому что это ускоренное расширение – прямое предсказание общей теории относительности Эйнштейна, которая содержит то, что называется космологической постоянной, величиной, обычно обозначаемой заглавной греческой буквой лямбда: Λ.
