12
Черная магия

Никто не видел ЧД. До недавнего времени астрономы и физики спорили об их существовании. Теперь утверждают, что обнаружили две сливающиеся ЧД на расстоянии 1,3 млрд св. лет. Косвенные доказательства – слабые возмущения пространственно-временного континуума амплитудой не более одной тысячной диаметра протона, продолжительностью на более двух десятых секунды. Что это, как не слепая вера?

Ясно одно – астрономия совершенно изменилась. В прошлом ученые смотрели на небо и открывали кометы и сверхновые, как голландский астроном Тихо Браге в конце XVI в. В дальнейшем ночь у телескопа приводила к открытию двойных звезд, темных пятен на Марсе и спиральной структуры в бледной туманности. Вы получали то, что видели.

Эти времена прошли. Открытия – или заявления об открытиях – часто основываются на неубедительных на первый взгляд измерениях и глубокой обработке данных. Несколько фотонов, неприметная спектральная характеристика – все сводится к статистическим наблюдениям и анализу вероятностей. Неизменная цель – извлечь из доступных данных всю возможную информацию.

Гравитационно-волновая астрономия не исключение. Извилистые линии на экране компьютера Марко Драго (так называемый чирп волны GW150914) – это единственное свидетельство ее существования, которым мы располагаем. Быстрый подъем частоты и амплитуды – и снова ничего. Что могло вызвать эти ничтожные колебания? Запустите компьютерный анализ данных и получите ответ – соединение двух ЧД в дальней части Вселенной, которого в действительности никто не видел. Похоже на магию.

Тем не менее теоретики, например Кип Торн, совершенно уверены в своих заявлениях. Поскольку сигнал был зарегистрирован только двумя детекторами, трудно с точностью определить место, откуда он поступил. Не известно и точное расстояние – оно может быть любым в интервале от 0,8 до 1,8 млрд св. лет. Но обстоятельства слияния гораздо менее туманны.

В какой-то далекой галактике две ЧД вращались на общей орбите. Одна была в 36 раз массивнее нашего Солнца, другая имела массу в 29 солнечных – значительно больше, чем предполагали астрономы. (Я вернусь к этому моменту в конце главы.) У ЧД такого размера так называемый горизонт событий – сферическая «поверхность» невозврата – имеет диаметр несколько сот километров.

Много миллионов лет две ЧД очень медленно сближались по спирали, поскольку излучение слабых гравитационных волн уносило энергию системы, как в случае пульсара Халса – Тейлора. По мере сближения взаимное обращение ЧД ускорялось. Чем выше ускорение, тем больше амплитуда гравитационных волн. Чем короче орбитальный период, тем, соответственно, выше частота гравитационных волн.

Постепенно две ЧД сблизились на расстояние около 350 км, мчась по общей орбите со скоростью более половины скорости света. Затем в течение доли секунды они слились в намного более массивную ЧД – порядка 62 солнечных масс. Любой ученик начальной школы знает, что 36 + 29 = 65. Что случилось с тремя солнечными массами? Они были превращены в энергию (E = mc²) и излучены в форме мощного выброса волн Эйнштейна.

Как я уже говорил, пространственно-временной континуум имеет невероятную жесткость, но, если в какой-то точке происходит внезапный выброс энергетического эквивалента трех солнечных масс, даже пространственно-временной континуум не может не завибрировать. Сразу за горизонтом событий гравитационные волны, возникшие в результате слияния черных дыр на расстоянии около 1000 км, на кратчайший миг растягивают и сжимают размеры любого объекта на величину до 1 %. На первый взгляд немного, но достаточно, чтобы разрушить хрупкие химические связи большинства молекул. Вы бы этого не пережили. Всеобщий принцип относительности убил бы вас.

С безопасного расстояния соединение двух ЧД, должно быть, представляет собой великолепное зрелище. На пресс-конференции 11 февраля 2016 г. Торн показал компьютерную анимацию на основе того же научного алгоритма, что использовался в фильме «Интерстеллар». Две ЧД представлены в виде круглых дисков, чернильно-черными силуэтами выделяющихся на фоне звезд. При их орбитальном движении свет фоновых звезд отклоняется то в одну, то в другую сторону сильной гравитацией вблизи горизонта событий каждой ЧД. Эффект гравитационного линзирования создает фантастическую картину сдвигающихся и мерцающих звезд. Две ЧД сближаются по спирали, сливаются, и возникает одна ЧД, вибрирующая, словно гонг, но намного быстрее. Постепенно колебания затухают, все успокаивается. Через миллиард с лишним лет возмущения пространственно-временного континуума, вызванные этой катастрофой, достигают Земли, хотя и с почти неуловимой амплитудой.

Почему ученые настолько уверены, что все произошло именно так? Видео выглядит убедительно, но это всего лишь анимация на основе уравнений ОТО. Откуда Торн и его коллеги знают массы двух слившихся ЧД и массу дыры, возникшей в результате слияния? Откуда они знают, что произошло именно слияние ЧД, а не другое событие? Как можно что-то утверждать, исходя лишь из двух коротких чирпов, зарегистрированных LIGO?

В какой-то мере это продукт здравого смысла и дедукции. Согласно теории Эйнштейна, компактный двойной объект порождает гравитационные волны с частотой, в два раза превышающей орбитальную частоту. Поскольку непосредственно перед слиянием наблюдаемая частота волны составляла порядка 200 Гц, два движущихся по общей орбите объекта совершали около 100 оборотов в секунду. Одно это указывает на то, что массы и плотности объектов были огромны. Продолжительность события также информативна. Сближение по спирали менее массивных объектов заняло бы больше времени. Объекты меньшего диаметра слились бы при большей орбитальной частоте. Наконец, частота волны Эйнштейна во время фазы затухания определяется массой образовавшейся ЧД.

Разумеется, уточнение масс требует значительно более тщательного анализа. Но есть одна проблема: практически невозможно, исходя из наблюдаемого рисунка волны (и чирпа), реконструировать характеристики процесса слияния. Теоретикам приходится сравнивать наблюдения со многими десятками тысяч рассчитанных характеристик волны и искать максимальное совпадение.

В качестве аналогии можно привести отпечатки пальцев. Каждый отпечаток уникален, и отпечаток, найденный детективом, идентифицирует единственного человека. Но невозможно установить, кто этот человек, имея только отпечаток его пальца. Нужна база данных из миллионов отпечатков, в которой ищется совпадение.

Поэтому теоретики посвятили много сил расчету предполагаемых характеристик волн для самых разных событий – в действительности для каждого возможного слияния. Какие волны Эйнштейна ожидаются при слиянии двух нейтронных звезд в 1,4 солнечной массы (как у двух компонентов двойной системы Халса – Тейлора)? В случае более массивных нейтронных звезд? Если одна звезда на 50 % массивнее другой? А если на 40 % или на 60 %? При слиянии нейтронной звезды и ЧД? Или двух ЧД? В случае приливных деформаций? Эксцентрических орбит?

Разные объекты, разные массы и соотношения масс, разный угол зрения, скорость вращения – для любого возможного сочетания можно рассчитать, какая получится волна. За годы теоретики создали библиотеку из нескольких сотен тысяч форм волн. Характерный чирп GW150914 наиболее соответствует прогнозу для волны, вызванной слиянием двух ЧД массами в 36 и 29 раз больше массы Солнца. Таким образом, эти «отпечатки» указали «детективам» LIGO на «подозреваемого». То, что кажется черной магией, является серьезной наукой.

Это непростые вычисления. Математическая составляющая ОТО очень сложна, поэтому Эйнштейну потребовалось так много времени, чтобы сформулировать свои идеи. Например, ЧД вызывает деформацию окружающего пространственно-временного континуума. Искривление пространственно-временного континуума – это определенное количество энергии. Согласно Эйнштейну, энергия эквивалентна массе. Таким образом, энергия искривления вызывает некоторое добавочное искривление. Так называемые нелинейные характеристики ОТО делают любое вычисление очень сложным и длительным.

Другую сложность представляет система координат. В теории всемирного тяготения Исаака Ньютона каждое событие можно было описать по отношению к абсолютному пространству и абсолютному времени. Пространство и время задавали инвариантную координатную систему. В ОТО Эйнштейна нет ничего абсолютного. Координатная система (пространственно-временной континуум) испытывает воздействие события, которое вы пытаетесь описать. В случае ЧД пространственно-временной континуум очень сильно искривляется, засасывается и поглощается ее мощной гравитацией. Можете представить, как трудно вычислить местонахождение объекта, если координатная система разорвана в клочья.

Рассчитать ожидаемые формы волны в случае слияния компактных двойных систем – сложная задача. Даже в простейших случаях такие расчеты не проведешь на карманном калькуляторе, тем более на обороте конверта. Только в 1970-х гг. ученые, занимающиеся математической физикой, достигли первых успехов. Сегодня большая часть сложностей в вычислениях преодолена. Однако нужен суперкомпьютер огромной производительности, чтобы проделать расчеты за обозримое время. Создание библиотеки из нескольких сотен тысяч форм волн – колоссальный труд.

Разумеется, библиотека волн Эйнштейна содержит формы волн, возникающих не только вследствие слияния компактных двойных систем. Асимметричный взрыв сверхновой образовал бы волну совершенно иного характера, как и быстро вращающаяся вокруг своей оси нейтронная звезда с крохотной неровностью поверхности. В силу огромной плотности нейтронные звезды считаются самыми совершенными сферами в природе, но «гора» высотой всего в миллиметр может создать доступные для наблюдения гравитационные волны. Во всех случаях детали могут сильно различаться в зависимости от конкретных обстоятельств.

В любом случае с учетом близкого соответствия характеристик волны теоретическим предсказаниям, никто не сомневается, что GW150914 была образована слиянием двух ЧД в 36 и 29 раз массивнее Солнца. Поскольку ОТО дает первоначальную амплитуду возникающих волн Эйнштейна, достаточно простой обратный расчет, отталкивающийся от наблюдаемой амплитуды, позволяет оценить расстояние до места столкновения.

Форма волны второй регистрации (GW151226) совпала с прогнозом для слияния двух ЧД в 14,2 и 7,5 солнечных масс. Они слились на несколько большем расстоянии – 1,4 млрд св. лет. По очевидным причинам анализ этого события не начинался до 11 февраля 2016 г. – ученые LIGO и Virgo были слишком заняты подготовкой к важной первой пресс-конференции. Габриэла Гонсалес, Фульвио Риччи и Дэвид Райтце представили результаты по GW151226 в среду 15 июня на пресс-конференции в рамках 228-го собрания Американского астрономического общества в калифорнийском Сан-Диего.

Из-за меньшей массы объектов-участников второго события фаза сближения по спирали происходила медленнее. Наблюдаемый чирп длился дольше целой секунды, тогда как у GW150914 – только 0,2 с. Соответственно, наблюдалось больше фаз волны: 54 фазы (соответствующие 27 виткам орбиты) в отличие от всего 10 фаз (5 витков) первого события. Возникшая в итоге ЧД опять-таки весила меньше суммы двух изначальных – 20,8 солнечных масс. В этом случае энергетический эквивалент 0,9 солнечной массы превратился в гравитационную волну.

Что касается третьего сигнала, зарегистрированного 12 октября 2015 г., то его возможным источником команда считает слияние двух ЧД в 23 и 13 солнечных масс на расстоянии более 3 млрд св. лет. Однако статистическая значимость в этом случае была значительно ниже, чем в двух предыдущих. С учетом типичных флуктуаций фонового шума детекторов вероятность того, что событие не было настоящей гравитационной волной, оценивается в 1 %. Только поэтому оно не получило официального наименования с аббревиатурой GW и называется LVT151012 (LIGO – Virgo Trigger – событие-инициатор LIGO – Virgo). Тем не менее большинство членов коллаборации считают его истинной регистрацией, хотя и менее убедительной – с уровнем доверительной вероятности «всего» 99 %.

Итак, формы волны первых регистраций LIGO указывали на слияние ЧД. По мнению некоторых ученых, наблюдения гравитационных волн представляют собой первое прямое доказательство существования ЧД. Действительно, поскольку, по определению, ЧД не излучает свет (как и любое другое электромагнитное излучение), она недоступна для непосредственного наблюдения – если только вы не «почувствуете» слабейшие вибрации, вызванные ею в ткани пространственно-временного континуума. Единственный способ прямой коммуникации ЧД с окружающим миром – посредством гравитации, единственный доступный им язык – язык гравитационных волн. Другие имеющиеся свидетельства их существования являются частными и косвенными.

Идея ЧД намного старше ОТО Эйнштейна. Ее выдвинул английский священник и геолог Джон Мичелл еще в 1783 г., всего через полвека после смерти Исаака Ньютона. Теория всемирного тяготения была хорошо известна и считалась серьезно обоснованной. Мичелл знал, что каждое небесное тело имеет так называемую скорость убегания – скорость, с которой нужно двигаться, чтобы преодолеть гравитационный захват тела. Например, скорость убегания для Земли составляет 11,2 км/с, для Солнца – 617,5 км/с.

«Что, если бы Солнце было еще массивнее?» – задумался Мичелл. Очевидно, его скорость убегания была бы еще выше. В случае достаточно большой и массивной звезды скорость убегания может достигать 300 000 км/с – скорости света. Но что произойдет, если свет не сможет убежать от звезды?

В статье, опубликованной в Philosophical Transactions of the Royal Society of London, Мичелл предложил ответ: «Если бы в природе существовали некие тела, имеющие плотность не меньше солнечной и диаметр, более чем в 500 раз превышающий диаметр Солнца, то, поскольку их свет не смог бы дойти до нас… о существовании [этих] тел… мы не смогли бы получить визуальной информации». Иными словами, если свет не способен преодолеть их силу тяготения, они будут для нас невидимыми. Мичелл, однако, назвал такие тела не черными дырами, а черными звездами.

Разумеется, черные звезды Мичелла никак не связаны с искривленным пространственно-временным континуумом – в 1783 г. этой концепции не существовало. Ученые XVIII в. не знали, что скорость света является самой большой возможной скоростью в природе. Поэтому гипотетические черные звезды Мичелла не считались объектами, которые, как ЧД, ничто никогда не сможет покинуть. Пускай свет не может отойти от черной звезды, космический корабль, вероятно, сумеет, если его двигатели проработают достаточно долго (разумеется, за вычетом того, что в 1783 г. космических кораблей не существовало).

Современное понятие черной дыры возникло в начале 1916 г. Всего за несколько месяцев до этого Альберт Эйнштейн обнародовал ОТО. Возможно, вы помните его уравнения поля (одно из которых увековечено на восточной стене Музея Бургаве в Лейдене). Оказалось, они допускают существование в пространстве областей с гравитацией, достаточно сильной, чтобы искривленный пространственно-временной континуум замкнулся сам на себя. Эти решения уравнений поля независимо получили двое блестящих ученых: 42-летний немецкий физик и астроном Карл Шварцшильд и голландский специалист в области математической физики Йоханнес Дрост, 29-летний студент-дипломник Хендрика Лоренца.

В начале Первой мировой войны, в 1914 г., Шварцшильд вступил в германскую армию и зимой 1915/16 г. одновременно сражался с русскими солдатами на Восточном фронте и с редкой кожной болезнью, пузырчаткой, вероятно приведшей к его смерти в мае 1916 г. Однако в этот период он нашел время и силы написать три научные статьи, в том числе об объектах, которые мы теперь называем черными дырами. Кроме того, Шварцшильд переписывался с жившим в Берлине Эйнштейном по поводу полученных им результатов. Решение Дроста, также высоко оцененное Эйнштейном, было более изящным, но опубликовано только в 1917 г.

Как бы то ни было, стало ясно, что достаточно сильное точечное гравитационное поле должно проявлять ряд необычных свойств. Во-первых, вплоть до некоторого расстояния от него (названного радиусом Шварцшильда) пространственно-временной континуум испытывает настолько сильное искривление, что любое возможное движение в любом направлении завершается ближе к центру, чем началось. Иначе говоря, ничто не может покинуть область внутри радиуса Шварцвальда, будь то элементарная частица, космический корабль или свет. Во-вторых, гравитационное красное смещение в радиусе Шварцвальда насколько велико, что время не только существенно замедляется, но и полностью останавливается – по крайней мере с точки зрения внешнего наблюдателя. В-третьих, любая материя, пересекшая радиус Шварцвальда (иначе – горизонт событий), в итоге оказывается в самом центре с бесконечной плотностью, в математической точке нулевых размерностей. Во всяком случае, это следует из уравнений – что, возможно, свидетельствует о чрезвычайной неполноте нашего представления о процессах, происходящих в ЧД.

Неудивительно, что большинство физиков, включая самого Эйнштейна, сочли «метрику Шварцшильда» не более чем занятным математическим вывертом ОТО. Подобные курьезы не могут быть частью нашей физической реальности, не так ли? В конце концов, «допускается общей теорией относительности» далеко не равнозначно «существует в природе».

В 1934 г. Вальтер Бааде и Фриц Цвики предсказали существование нейтронных звезд (см. главу 6). Нейтронная звезда – это коллапсировавшее ядро массивной звезды, жизнь которой завершилась катастрофическим взрывом сверхновой. Как вы помните, она состоит из плотно упакованных нейтронов (незаряженных ядерных частиц). Фактически нейтронную звезду можно охарактеризовать как атомное ядро размером с мегаполис, и она, бесспорно, имеет ту же невероятную плотность, что и ядро атома.

Через пять лет после предсказания Бааде и Цвики физик-теоретик Роберт Оппенгеймер – впоследствии отец атомной бомбы – заявил, что слишком массивные нейтронные звезды не смогут противостоять гравитации. Нейтронная звезда массой около трех солнечных должна коллапсировать еще глубже – просто потому, что никакой известный закон физики этому не воспрепятствует. Фактически, по мнению теоретика, гравитационный коллапс никогда бы не прекратился. Согласно расчетам Оппенгеймера и его коллеги Харлана Снайдера, материя спрессовывалась все плотнее, в конечном счете образовав в пространстве область настолько мощной гравитации, что ее ничто не могло бы преодолеть.

Именно это и описывали Шварцшильд и Дрост в 1916 г.: бесконечные плотности, экстремальное искривление пространственно-временного континуума, попавший в ловушку свет и «поверхность» невозврата, где время для наблюдателя останавливается. Оппенгеймер и Снайдер назвали такие объекты «застывшие звезды». Термин «черная дыра» не использовался до 1960-х гг. Он впервые появился в репортаже американской журналистки Энн Эвинг в 1964 г. и был вновь введен в обиход Джоном Арчибальдом Уилером в 1967 г., через полстолетия после публикаций Шварцшильда и Дроста.

К этому времени астрофизики уже не могли игнорировать идею ЧД. Если ядро массивной звезды коллапсирует в нейтронную звезду (после прохождения стадии сверхновой), то ядро очень массивной звезды должно коллапсировать в ЧД. Тем не менее многие считали фантастикой существование этих таинственных объектов. Кроме того, если свет не может покинуть ЧД, значит, ее присутствие невозможно доказать путем наблюдений.

Прошло еще полвека, и все изменилось. За минувшие десятилетия астрономы обнаружили множество косвенных свидетельств существования ЧД. Сама ЧД невидима по определению. Но есть нечто, что мы можем наблюдать, – это влияние ЧД на ее окружение. Нельзя увидеть человека-невидимку, но он оставляет следы во дворе, а если сядет на вашу кровать, то сомнет простыни.

Вот как ЧД может выдать свое присутствие. Представьте двойную систему массивных звезд. Более тяжелая звезда эволюционирует быстрее, как объяснялось в главе 5. Она становится сверхновой; ее ядро коллапсирует в ЧД. На следующей стадии вторая звезда начинает раздуваться, превращаясь в гигант. ЧД, вращающаяся вместе с ней, засасывает внешние слои газа расширяющейся звезды. Прежде чем кануть в ЧД, газ собирается в тонкий вращающийся диск вокруг ЧД – так называемый аккреционный диск. Чрезвычайно горячий, он излучает рентгеновские лучи.

Именно это ученые обнаружили в 1971 г. Мощный источник рентгеновского излучения в созвездии Лебедя – Лебедь Х-1 – совпадал со звездой-сверхгигантом. Измерения доплеровского сдвига частоты показали, что звезда обращается с периодом 5,6 дня вокруг объекта более чем в 10 раз массивнее Солнца. Такой тяжелый второй объект двойной системы не может быть нормальной звездой, поскольку тогда он был бы виден в телескоп. Это не могла быть и нейтронная звезда, так как нейтронные звезды не могут быть массивнее Солнца более чем в три (примерно) раза. Наблюдаемое рентгеновское излучение свидетельствует, что массивный объект каким-то образом разогревает газ до температур во многие миллионы градусов. Единственное возможное объяснение – ЧД, окруженная раскаленным аккреционным диском.

Многие двойные системы, излучающие в рентгеновском диапазоне, в настоящее время считаются содержащими ЧД. Поскольку это остатки взорвавшихся звезд, они называются черными дырами звездной массы. Кроме того, астрономы открыли намного более крупные ЧД в ядрах галактик. Сверхмассивные ЧД могут иметь от нескольких миллионов до многих миллиардов солнечных масс. В большинстве случаев они выдают свое присутствие интенсивным высокоэнергетическим излучением, а также выбрасывают в пространство мощные джеты заряженных частиц. Такие активные ядра галактик называются квазарами. Источником излучения высоких энергий служит аккреционный диск ЧД. Джеты, по всей видимости, образуются мощными магнитными полями, хотя их происхождение пока остается туманным.

Сверхмассивные ЧД выдают себя еще и тем, что влияют на движение звезд вблизи ядра галактики. Распределение скоростей звезд в самой внутренней области галактики может свидетельствовать о наличии в центре очень массивного, очень компактного объекта. В 1984 г. измерения скоростей в ядре М32 (маленькой спутницы ближайшей к нам галактики Андромеды) привело к первому в истории открытию сверхмассивной ЧД. В нашей галактике Млечный Путь астрономы даже наблюдали, как отдельные звезды вращаются вокруг невидимого объекта массой около 4 млн солнечных. Это может быть только сверхмассивная ЧД – разумная альтернатива этому объяснению отсутствует.

Благодаря растущему комплексу косвенных свидетельств ЧД постепенно покинули темные закоулки спекуляций и научной фантастики и обосновались в чертогах общепринятой астрофизической реальности. Тем не менее регистрация гравитационных волн, образованных столкновением двух ЧД, была воспринята как долгожданное подтверждение их существования. Впервые было получено ясное сообщение природы, что черные дыры – они же черные звезды, метрики Шварцшильда, застывшие звезды, как ни называй, – являются неотъемлемой частью нашей Вселенной.

Это было весомое послание. При слиянии, породившем GW150914, энергия, эквивалентная не менее чем трем солнечным массам, высвободилась в форме волн Эйнштейна за крохотную долю секунды. Фактически столкновение ЧД стало одним из самых высокоэнергетических событий во Вселенной.

Прежде чем потрясти вас очередной серией астрономических больших чисел, отвечу на вопрос, возможно уже беспокоящий вас. Если ЧД являются областями пространственно-временного континуума, откуда ничто не способно вырваться, как они могут терять массу? Изначально две ЧД были в 36 и в 29 раз массивнее Солнца, но после слияния осталась ЧД массой в 62 солнечных. Как три массы Солнца могли освободиться от гравитационного захвата двух ЧД?

Самоочевидный ответ – они и не могли. Сливающиеся ЧД не исторгали материю, как по волшебству. В действительности не вполне правомерно говорить, что они вообще содержат материю. Независимо от способа формирования ЧД материя, попадающая в нее, изымается из сущего в центральной бесконечно малой точке с бесконечной большой плотностью – в терминологии физиков «сингулярности» ЧД. Физически сохраняется только сильное искривление пространственно-временного континуума. Говоря о массе ЧД, астрономы имеют в виду не определенное количество материи, а определенную степень искривления пространственно-временного континуума – одно из немногих доступных для наблюдения свойств любой ЧД.

Итак, это произошло 1,3 млрд лет назад в безымянной далекой галактике. Два «завихрения» пространственно-временного континуума, каждый со своей кривизной, угодили в жестокий пространственно-временной «шторм», в котором слились в один более крупный «торнадо». Большая часть совокупного наличествующего искривления (почти 95 %) пошла на формирование возникшей в итоге единой ЧД. Чуть меньше 5 % (эквивалент трех масс Солнца) было преобразовано в гравитационные волны.

Подставив три солнечные массы (6×10³⁰ кг) и квадрат скорости света (9 × 10¹⁶ м²/с²) в знаменитую формулу Эйнштейна Е = mc², получаем энергию 5,4 × 10⁴⁷ Дж. Это в 16 квадриллионов раз больше всей выделенной энергии Солнца за день. Поскольку эта немыслимо большая энергия была высвобождена примерно за 15 мс, пиковая выходная мощность достигала невероятных 3,6×10⁴⁹ Вт – в десятки раз больше совокупной мощности излучения всех звезд и галактик в наблюдаемой Вселенной.

Когда Брюс Аллен, управляющий директор Института Альберта Эйнштейна в Ганновере, поделился восторгом по поводу регистрации GW150914 со своими сыновьями Мартином и Дэниэлом 12 и 15 лет, новость не произвела на них особого впечатления. Тогда Аллен на скорую руку сделал кое-какие расчеты и сравнил энергетический выход события с разрушительной силой «Звезды смерти» – «абсолютного оружия» Галактической империи из «Звездных войн». «По сравнению с этим столкновением черных дыр “Звезда смерти” – детская игрушка, – сказал он мальчикам. – Энергии, высвободившейся при слиянии, с избытком хватило бы на то, чтобы полностью испарить каждую планету в системе каждой звезды в ста галактиках размером с Млечный Путь». Это их проняло.

Еще один важный момент, который следует уяснить о столкновении и слиянии двух ЧД, – экстремальная гравитация. В главе 3 мы увидели, как физики ставят всевозможные эксперименты, чтобы проверить предсказания ОТО Альберта Эйнштейна. Но релятивистские эффекты становятся значимыми только в очень сильных гравитационных полях (или при скоростях, близких к скорости света). Конечно, можно получить наглядные результаты, если отправить атомные часы в кругосветный полет и измерить уход гироскопа на орбите Земли или установить задержку радиосигнала космического зонда, исчезающего позади Солнца, но все это – эксперименты в условиях низкой гравитации. Даже двойная система нейтронных звезд – «слабопольная среда», во всяком случае если речь идет об ОТО.

Совсем иное дело – наблюдение за происходящим на горизонте событий ЧД, которое дает возможность протестировать теорию Эйнштейна в условиях сильного поля. Именно там физики предполагают найти возможные отклонения от предсказаний ОТО. В том числе поэтому их так окрыляют перспективы гравитационно-волновой астрономии. Возмущения пространственно-временного континуума вследствие столкновения ЧД дают возможность тщательного изучения одной из самых экстремальных сред во Вселенной. Это как раз те условия, в которых хочется ставить эксперименты, испытывая теорию Эйнштейна на прочность.

Как уже было сказано, физики считают невероятным, чтобы ОТО была последним словом в изучении гравитации. Теория несовместима с квантовой механикой – другим могучим опорным столпом физики XX в. Чтобы описание гравитации увязывалось с невероятно успешным описанием других сил природы – и всех известных нам частиц, по крайней мере одну из этих двух теорий необходимо адаптировать. Верный путь к долгожданной универсальной теории взаимодействий неизвестен, но, возможно, на самом краю ЧД найдется дорожный указатель. Изучение волн Эйнштейна, появившихся при столкновении ЧД, может подать нам знак и помочь физикам лучше понять самые фундаментальные свойства природы.

Есть и другая возможность проверки ОТО в непосредственной близости от ЧД. Радиоастрономы, в том числе Хейно Фальке из Университета Радбауд из голландского города Неймегене и Шеп Долеман из MIT, объединяют гигантские радиотелескопы миллиметрового диапазона разных континентов. Они хотят создать Телескоп горизонта событий, самый зоркий инструмент за всю историю астрономических наблюдений, и направить его на сверхмассивную ЧД в ядре галактики Млечный Путь. Несмотря на дистанцию 27 000 св. лет, можно будет увидеть горизонт событий ЧД, выделяющийся черным силуэтом на ярком фоне из звезд и светящихся облаков газа. Это будет нечто вроде чернильно-черных дисков из фильма, который Кип Торн демонстрировал на пресс-конференции LIGO. Реальный облик ЧД на изображении можно будет сравнить с предсказаниями ОТО. Отклонения, возможно, укажут путь к новой физике.

Новая физика пока остается мечтой, но первая регистрация гравитационных волн уже подарила ученым новую астрофизику. Одна из статей о GW150914, опубликованная 11 февраля 2016 г., была полностью посвящена следствиям открытия для астрофизики. Удивительно, что самое первое событие принесло новые важные сведения об эволюции массивных звезд.

До начала работы усовершенствованного LIGO (aLIGO) многие члены коллаборации предполагали, что интерферометр сможет обнаруживать главным образом столкновения нейтронных звезд. Предел расстояния, на котором возможна регистрация слияния нейтронных звезд, даже стал стандартным количественным параметром чувствительности интерферометра. У iLIGO и первоначальной версии Virgo, например, этот «охват» составлял 50–65 млн св. лет; во время первого научного запуска aLIGO – на одной трети чувствительности – достиг 200 млн св. лет.

Разумеется, астрофизики ожидали и столкновений ЧД. Если пара вращающихся по общей орбите нейтронных звезд сближается по спирали, то и пара ЧД должна вести себя так же. Столкновения ЧД могут быть зарегистрированы на значительно бóльших дистанциях: поскольку объекты массивнее, амплитуда возникающих волн Эйнштейна также гораздо выше, поэтому GW150914 удалось зарегистрировать на Земле, несмотря на удаленность в 1,3 млрд св. лет.

Никто, однако, не знал, сколько существует двойных ЧД – до сих пор не было обнаружено ни одной. Соответственно, неизвестно было, сколько ожидать столкновений и слияний. Прогнозные разнились на многие порядки. Напротив, двойные нейтронные звезды были открыты в галактике Млечный Путь; первой стала система Халса – Тейлора. Сочетая статистику с научными предположениями, несложно дать грубую оценку количества столкновений, которые сможет зарегистрировать такой интерферометр, как LIGO. В случае iLIGO это примерно одна регистрация в десятилетие, для aLIGO – несколько в год. (Напомню, что увеличение чувствительности в три раза приводит к троекратному росту охвата – от 65 до 200 млн св. лет. Поскольку это соответствует в 27 раз большему объему пространства, ожидаемый уровень регистраций также возрастает в 27 раз.)

Таким образом, ученые имели представление о количестве возможных регистраций слияний нейтронных звезд. Вероятно, поэтому они считали, что именно эти события в первую очередь будут обнаруживать усовершенствованные детекторы. Для физиков, не имеющих солидной астрономической подготовки, стало неожиданностью, что событием, зарегистрированным в 2015 г., оказалось столкновение ЧД. Другие, например Стэн Уиткомд из Калтеха, были с самого начала уверены, что в регистрациях LIGO будут преобладать слияния ЧД. Они могут быть сколь угодно более редкими, утверждает Уиткомб, зато их можно «увидеть» с гораздо большего расстояния. Кип Торн в книге 1994 г. «Черные дыры и складки времени» даже описывает сценарий «будущего», сверхъестественно близкий реальным событиям сентября 2015 г.:

Весьма похоже!

Кстати, в случае GW150914 об угловой скорости каждой из пары ЧД можно было узнать немногое. Данные, однако, показали, что возникшая в результате их слияния ЧД в 62 солнечные массы вращалась со скоростью в 67 % предельно допустимой. По GW151226 было установлено, что по крайней мере одна из двух сливавшихся ЧД имела угловую скорость более 20 % максимальной, а итоговая ЧД оказалась в 21 раз массивнее Солнца и ее угловая скорость составляла 74 % предельно допустимой. (Поскольку у ЧД нет поверхности, бессмысленно выражать угловую скорость в количестве оборотов в секунду или вести речь о скорости вращения, выраженной в километрах в секунду. Предельно допустимая угловая скорость ЧД – точнее, ее предельно допустимый угловой момент – это скорость любого падающего на дыру объекта в непосредственной близости от горизонта событий, ограниченная отношением скорости света к гравитационному радиусу.)

С учетом этого «пророчества» Торн едва ли был удивлен открытием ЧД массами в 36 и 29 солнечных, но многие астрономы удивились. Сливающиеся ЧД – это одно; столь массивные ЧД – совсем другое. Бесспорно, ЧД в ядрах галактик несопоставимо массивнее, но они образовались совершенно иначе (читайте об этом в главе 13). ЧД в двойных системах, как уже отмечалось, являются так называемыми черными дырами звездной массы: это конечный результат эволюции массивных звезд. Лишь немногие астрофизики представляли себе возможные пути возникновения настолько массивных объектов.

Казалось бы, если взять чрезвычайно массивную звезду, то автоматически получишь достаточно «увесистую» ЧД. Но возникает несколько препятствий. Прежде всего, невозможно создать сколь угодно массивную звезду. Огромное облако газа, сжимающееся под собственным весом, разогреется и начнет излучать, мешая дальнейшему падению газа на формирующуюся звезду. Присутствие в облаке газа небольшого количества тяжелых элементов лишь усилит этот эффект. Вследствие этого звезды обычно не могут набрать массу, намного превышающую примерно 100 солнечных.

Хватит ли этого, чтобы получить ЧД в 36 масс Солнца? Нет, не хватит. За короткую жизнь чрезвычайно массивные звезды теряют большую часть внешних слоев, уносимых в пространство мощным звездным ветром. Этот ветер оказывается еще сильнее, если звезда содержит малое количество элементов тяжелее водорода и гелия. К самому концу своего краткого существования звезда в 100 солнечных масс лишится более чем половины веса. Значительная часть остатка будет выброшена во время финального взрыва сверхновой. Ядро звезды, коллапсирующее в ЧД, предположительно, будет иметь не более 10–15 солнечных масс.

Теперь вы понимаете, почему первая регистрация LIGO привела астрономов в восторг. Это было первое прямое доказательство существования ЧД. Кроме того, стало ясно, что двойные системы ЧД существуют – как вы помните, никто прежде не обнаруживал такую систему. Наконец, оказалось, что природа способна создавать ЧД звездной массы намного превосходящие ранее рассчитанный рубеж около 10 масс Солнца.

Гейс Нелеманс из Университета Радбауд был одним из двух редакторов-координаторов статьи о GW150914 в Astrophysical Journal Letters. (Нелеманс – внук Антона Паннекука, современника Альберта Эйнштейна, отца-основателя голландской астрофизики, имя которого носит Астрономический институт Амстердамского университета.) По мнению Нелеманса, GW150914 – щедрый дар природы. Это была не только первая волна Эйнштейна, зарегистрированная человечеством, но и источник новой важной информации о рождении и эволюции массивных звезд.

Нелеманс и его соавторы убеждены, что прародители слившихся ЧД должны были содержать очень мало тяжелых элементов. Это уменьшило потерю ими массы со звездным ветром. Если они возникли из относительно «чистого» облака межзвездного газа, с пренебрежимо малым количеством элементов тяжелее водорода и гелия, то могли начать жизнь как настоящие звездные сверхгиганты. Слегка подкорректировав общепринятые в современной астрофизике взгляды, можно объяснить формирование ЧД в десятки раз массивнее Солнца.

Многие вопросы пока остаются без ответа, в том числе о процессе формирования двойной системы ЧД. Все началось с двух чрезвычайно массивных звезд? Или ЧД соединились в пару через большой промежуток времени после своего возникновения? По некоторым теориям, ЧД массой в несколько десятков солнечных могут восходить к самому началу существования Вселенной. Независимо от того, какой сценарий является истинным, дальнейшие открытия сливающихся ЧД звездной массы обязательно прольют свет на процессы рождения, эволюции и смерти самых массивных звезд во Вселенной. Кроме того, астрономы надеются больше узнать о свойствах самих ЧД.

Что можно сказать о сверхмассивных ЧД в ядрах дальних галактик? Что могут поведать нам гравитационные волны об этих «космических чудовищах»? Оказывается, довольно многое, но не с помощью лазерных интерферометров, таких как LIGO и Virgo. Детектором нам послужит сам космос. Пора вернуться к теме пульсаров.