Учимся смотреть глазами гравитации

Грядет революция. Скоро мы сможем «видеть» черные дыры в действии. Четыреста лет астрономы изучали Вселенную исключительно при помощи света и других видов электромагнитного излучения. Они оценивали свой­ства «материала» Вселенной по его излучению и взаимодействию с излучением. И вот в 2015 г. впервые были зарегистрированы гравитационные волны.

Гравитационные волны — колебания пространственно-­временного континуума, перемещающиеся со скоростью света. Это уникальная возможность взглянуть на мощную гравитацию черных дыр, нейтронных и сверхновых звезд, что позволит астрономам проверить общую теорию относительности новым способом. Волны проходят через огромные расстояния и могут служить инструментами исследования Вселенной — какой она была сразу после Большого взрыва. Возможность смотреть глазами гравитации обещает изменить наше понимание черных дыр.

Видеть Вселенную по-новому

Наши взгляды на Вселенную радикально менялись дважды. Первая революция началась в 1610 г., когда Галилей направил новое изобретение — телескоп — в ночное небо. Его лучший телескоп имел объектив диаметром в пару сантиметров и собирал в сто раз больше света, чем глаз человека. Со времен Галилея астрономы существенно усовершенствовали простую подзорную трубу. Сто лет назад они начали использовать зеркала вместо линз для сбора света, поскольку большие линзы деформировались и не фокусировали все цвета в одной точке. Современные астрономы строят телескопы диаметром 10 м, используя одно сплошное зеркало или мозаику из небольших шестиугольных сегментов. За четыре века с эпохи Галилея собирающая сила телескопов увеличилась в миллион раз.

Между тем усовершенствование способа обнаружения света обеспечило и дополнительную глубину изображения. Глаз человека как химический детектор — несовершенен. Чтобы создать иллюзию непрерывного движения, он должен передавать мозгу поступающую на сетчатку информацию десять раз в секунду. Следовательно, глаз собирает свет — или «интегрирует» — только в течение десятой доли секунды. В середине XIX в. была изобретена фотография, и вскоре астрономы стали использовать ее для получения изображений ночного неба. Свет фиксируется химическим процессом — не более эффективным, чем в случае с человеческим глазом, но длинная выдержка значительно увеличивает глубину. Настоящий прорыв произошел в 1980-х гг., когда существенно усовершенствовали цифровое формирование изображений. Современные приборы с зарядовой связью (ПЗС) с эффективностью 80–90% преобразуют входящие фотоны в электроны, а их — в электрический сигнал, который легко оцифровывается. ПЗС — почти совершенные детекторы, в 100 000 раз более эффективные, чем глаз человека.

Благодаря сочетанию этих факторов лучшие телескопы по глубине превосходят человеческое зрение в 100 млрд раз. Это значит, что если обитатель Северного полушария видит лишь одну внешнюю галактику — М31, то большой телескоп видит 100 млрд галактик. Следовательно, астрономы могут наблюдать не только звезды, удаленные на несколько сотен световых лет, но и свет, находившийся в пути 13 млрд лет. ПЗС настолько усовершенствовались, что за год большие телескопы регистрируют больше фотонов, чем глаза всех людей в истории человечества.

Вторая революция в видении Вселенной произошла в первой половине XX в. Со времен наших древнейших предков, глядевших в небеса над африканской саванной, астрономы пользовались узким фрагментом электромагнитного спектра. Свет от самого светлого голубого до густейшего красного различается длиной волны или частотой всего в два раза. Самые большие телескопы лишь глубже заглядывают в ту же самую узкую щель в спектре.

Развитие технологий расширило электромагнитный спектр для астрономии. Просмотр Вселенной в видимом свете столь же ограничен, что и черно-­белое изображение — в сравнении с полноцветным. Пожалуй, лучшую аналогию предлагает музыка: видимый свет — это две соседние клавиши фортепиано, а электромагнитный спектр от радиоволн до гамма-­лучей — вся клавиатура из 88 клавиш. Первыми невидимыми волнами в арсенале астрономии стали радиоволны. В конце XIX в. Гульельмо Маркони продемонстрировал, что радиоволны можно передавать и принимать на больших расстояниях, и, как мы уже видели, через 30 лет Карл Янский с помощью простой антенны обнаружил радиоволны, идущие из центра нашей Галактики. В 1920-х гг. два астронома обсерватории Маунт-­Вилсон использовали устройство, преобразующее разницу температур в электрический сигнал для регистрации инфракрасного излучения ряда ярких звезд, но инфракрасная астрономия стала развиваться только в 1970-х гг. — с появлением более чувствительных детекторов. Наблюдения на невидимых коротких волнах были невозможны до тех пор, пока астрономы не нашли способ обойти излучение, поглощаемое атмосферой Земли. Рентгеновское излучение Солнца в 1949 г. впервые обнаружила геофизическая ракета, а эталонную черную дыру Лебедь Х-1 открыли через 15 лет. Рентгеновская астрономия быстро развивалась в 1970-х гг., когда была запущена серия спутников. Космические гамма-лучи были предсказаны за годы до того, как их увидели спутники в 1990-х гг.

Развитие технологий обеспечило астрономов инструментами для регистрации волн — как очень длинных, до 10 м, так и очень коротких, длиной в тысячную долю размера протона (частоты от 108 до 1027 Гц). Расширение доступного диапазона, ранее превосходившего возможности глаза всего в два раза, а теперь — в десять миллиардов миллиардов раз, показывает, как сильно технологии трансформировали наш взгляд на Вселенную. Не так много источников можно зарегистрировать на всех длинах волн электромагнитного спектра, и все они являются активными галактиками, питаемыми сверхмассивными черными дырами.

Все знания о Вселенной мы получаем с помощью телескопов, собирающих излучение. Очень легко забыть о том, что мы полагаемся на косвенную информацию. Вселенная полна материи: крупицы пыли, газовые облака, луны, планеты, звезды, галактики. Мы не видим эту материю воочию, а судим о ее свой­ствах по взаимодействию с электромагнитным излучением. Химические элементы определяются по характерным спектральным линиям излучения или поглощения. Крупицы пыли проявляют себя, поглощая свет и излучая инфракрасные волны. Луны и планеты видны в отраженном свете ближних звезд. Звезды видимы за счет излучения, являющегося побочным продуктом реакций ядерного синтеза. Галактики картируются при помощи доплеровского смещения спектральных линий их газа и звезд.

Все это — опосредованные наблюдения, и все они охватывают лишь 5% Вселенной — ее нормальную материю. Темная материя и темная энергия, на долю которых приходится 95%, до сих пор невидимы для нас, потому что не взаимо­действуют с излучением. Астрономические объекты — это актеры, но «сцена» космической пьесы также не видна. Астрономы проследили расширение Вселенной, используя галактики как метки в невидимом пространственно-­временном континууме.

Регистрация черных дыр также является косвенной. Самый ближний к черной дыре источник информации для нас — это высокоэнергетическое излучение окружающей ее короны, отражающееся от внутренней части аккреционного диска; затем по рентгеновским спектральным линиям можно установить массу и вращение черной дыры.

Вот бы увидеть «материал» Вселенной без посредничества электромагнитного излучения! Напрямую воспринять прогиб пространственно-­временного континуума! Для этого нужны «глаза гравитации» (илл. 52). Их проще всего представить себе на примере телепатии. Головной мозг — это сгусток живой ткани весом около 1,35 кг. При более близком рассмотрении он представляет собой электрохимическую сеть из миллиардов нейронов и триллионов связей между ними. Однако эти факты ничего не говорят о том, где мы храним воспоминания, эмоции, ситуативные мысли и чувство «я». Видеть Вселенную в разрезе гравитации так же увлекательно, как наблюдать мысли и чувства других людей в реальном времени.

Колебания пространственно-временного континуума

Что это за колебания? Давайте вспомним, что в общей теории относительности материя управляет кривизной пространства-­времени. Гравитационные волны возникают всякий раз, когда масса меняет его движение или конфигурацию. Волны деформированного пространства излучаются во все стороны от источника так же, как волны, которые расходятся кругами от камня, брошенного в пруд. В теории волны движутся со скоростью света и слабеют по мере удаления от источника. Пространственная деформация чрезвычайно слаба для большей части движущейся материи. Наиболее сильные гравитационные волны возникают вследствие самых ярких событий в космосе: орбитального движения и столкновения черных дыр, орбитального движения и столкновения нейтронных звезд, взрывов сверхновых и бурного рождения самой Вселенной.

Представьте идеально плоское пространство-­время, где на плоскости лежит круглое кольцо из частиц. Я представляю его как плоскость экрана своего компьютера. Частицы нужны только для того, чтобы сделать видимым невидимый пространственно-­временной континуум. Если гравитационная волна проходит прямо в экран или из экрана, кольцо частиц, следуя искривлению пространства-­времени, попеременно слегка сдвигается в вертикальном и горизонтальном направлениях, и этот сдвиг повторяется с определенным периодом (илл. 53). Гравитационные волны, как и все прочие, характеризуются амплитудой, частотой, длиной и скоростью. Амплитуда — это величина смещения кольца частиц при прохождении волны. Частота показывает, сколько раз за секунду растягивается или сжимается кольцо. Длина волны — это расстояние вдоль волны между точками максимального растяжения или сжатия. Волны движутся в космосе со скоростью света, деформируя физические тела, при этом проходя сквозь них, словно тех не существует.

По аналогии мы представляем, как круг сплющивается и растягивается в эллипс, но это весьма преувеличенное реальное искажение для типичной гравитационной волны. Воображаемое кольцо из частиц отклоняется от формы круга на 10–21 — одна частица из тысячи миллиардов миллиардов! Казалось бы, невозможно поставить эксперимент, где регистрировалось бы такое ничтожно слабое волнение пространственно-­временного континуума.

Сам автор теории, предсказавшей гравитационные волны, сначала не верил, что они реальны. Как мы узнали, Эйнштейн отрицал существование черных дыр и недо­оценивал гравитационное линзирование. В 1916 г. по совету своего коллеги Анри Пуанкаре он провел аналогию с электро­магнетизмом. Когда электрическая цепь движется туда-сюда, то колебательное возмущение создает электромагнитную волну — например, свет. Эйнштейн знал, что материя искривляет пространство, и представлялось логичным, что движущаяся материя вызывает в пространстве колебательное возмущение.

При разработке этой идеи Эйнштейн столкнулся с большими проблемами. Аналогия неверна, поскольку электрический заряд может быть положительным и отрицательным, а в области гравитации нет такой вещи, как отрицательная масса. Эйнштейн упорно бился над координатными системами и приближениями, чтобы выполнить необходимые расчеты. Он «спроектировал» три типа волн и потерпел полный крах, когда Артур Эддингтон доказал, что две волны являются математическими артефактами, способными пере­мещаться с любой скоростью. Не теряя серьезности, Эддингтон шутил, что они могут даже «распространяться со скоростью мысли».

К 1936 г. Эйнштейн собрался с духом. Всякий раз, когда он пытался написать формулу плоской волны, как в нашей аналогии с экраном компьютера, он сталкивался с сингулярностью, где уравнения выходили из-под контроля, а значения становились бесконечными. Вместе с Натаном Розеном, своим студентом в Принстоне, он написал статью под названием «Существуют ли гравитационные волны?», в которой ответил на поставленный вопрос эмоциональным «Нет!». Он подал статью в престижный журнал Physical Review и был ошеломлен, когда анонимный рецензент отверг ее и указал на несколько ошибок. Прежде Эйнштейн никогда не сталкивался с рецензированием со стороны коллег, в Германии его статьи публиковались без вопросов. Он написал редактору гневное письмо: «Мы (мистер Розен и я) послали вам свою рукопись для публикации и не уполномочивали вас показывать ее специалистам до того, как она будет напечатана. Я не вижу причин, по которым я должен реагировать на комментарии вашего анонимного эксперта — в любом случае они ошибочны».

Однако Эйнштейн заблуждался, и другой его молодой коллега указал на ошибку — по иронии судьбы, за день до выступления ученого в Принстоне с лекцией «Невозможность существования гравитационных волн». Когда Эйнштейн и Розен напечатали исправленную статью в другом журнале, физики разделились на два лагеря. Многие считали гравитационные волны математическим конструктом, не имеющим отношения к физике, однако после перво­начальных сомнений сам Эйнштейн уверился в том, что они реальны. Его теория была успешной, и он постепенно начал доверять собственным предсказаниям.

Эксцентричный миллионер и инженер-­одиночка

Рябь пространственно-­временного континуума так трудно обнаружить, что физика игнорировала ее. В течение 20 лет после публикации статьи Эйнштейна и Розена идея была задвинута в дальние ящики физической эзотерики, но потом ей заинтересовался эксцентричный американский миллионер Роджер У. Бабсон. Если вы никогда не думали, что физика может сделать вас богатым, обратите внимание на эту историю.

Интерес Бабсона к гравитации начался с семейной трагедии. Его старшая сестра утонула в младенчестве, и он впоследствии заметил, что это случилось потому, что она не смогла справиться с гравитацией. Он строил карьеру, применяя собственную версию законов Ньютона к торгам на бирже. «Все, что поднимается, обязательно упадет, — говорил он, добавляя: — А каждое действие вызывает реакцию». Он предугадал биржевой крах 1929 г. и всегда ухитрялся покупать дешевые акции в момент роста и продавать их до падения цены. По словам Бабсона, своими миллионами он обязан гравитации.

В 1949 г. Бабсон основал Фонд изучения гравитации и проспонсировал популярный конкурс работ о способах противодействия или нейтрализации гравитации. Разумеется, победителями стали не самые выдающиеся научные труды. В рекламных материалах фонда победа над гравитацией рассматривалась в контексте хождения Иисуса по воде. Уважаемые физики в нем не участвовали, а популяризатор науки Мартин Гарднер назвал фонд «пожалуй, самым бесполезным проектом XX в.».

Пытаясь восстановить доверие физического сообщества, Бабсон создал организацию, единственной задачей которой было финансирование фундаментального исследования гравитации. Он попросил физика из Принстона Джона Уилера, автора понятия «черная дыра», убедить своего коллегу Брайса Девитта возглавить новое учреждение. В начале 1957 г. Девитт организовал в университете Северной Каролины эпохальную конференцию по вопросам гравитации и общей теории относительности.

Конференция вдохновила молодое поколение физиков-­теоретиков, занимавшихся проблемами гравитации. Дискуссия о гравитационных волнах сосредоточилась на вопросе о том, переносят ли они энергию. Доказательство Ричарда Фейнмана с «липкими шариками» убедило большинство присутствующих. Он предложил представить два отдельных кольца из шариков, плотно охватывающих металлический стержень. Когда через стержень проходит гравитационная волна, она заставляет кольца немного сдвигаться назад и вперед. Трение колец о стержень вызывает его нагрев. Следовательно, энергия волны передается стержню. Среди слушателей был молодой инженер Джозеф Вебер, внимательно следивший за обсуждением.

Вебер родился в бедной семье литовских иммигрантов, его имя было англизировано для упрощения ассимиляции. Он бросил колледж, чтобы не тратить деньги родителей, и поступил в ВМФ, где дослужился до капитан-­лейтенанта. Во время Второй мировой вой­ны Вебер руководил силами радио­электронного противодействия ВМФ, а после вой­ны устроился работать на инженерный факультет Мэрилендского университета. Научная жизнь Вебера представляла собой цепочку промахов мимо верной, казалось бы, цели. Георгий Гамов мог поручить ему диссертационный проект по регистрации микроволнового излучения Большого взрыва, но не поручил, и Нобелевская премия за последующее, сделанное случайно открытие досталась Арно Пензиасу и Роберту Вильсону. В 1951 г. Вебер написал первую статью с изложением идеи мазеров и лазеров, но пионером этих технологических инноваций стал прочитавший статью Чарльз Таунс. Однако самым болезненным промахом Вебера стали гравитационные волны.

Вдохновленный конференцией в Чапел-­Хилл, Вебер задался вопросом регистрации гравитационных волн. Он предложил подвесить металлический цилиндр на проволоке в вакуумной камере, чтобы изолировать его от окружающей среды. Его цилиндр был 1,5 м длиной и две трети метра в диаметре, весил три тонны. Его окружали пьезо­электрические датчики, преобразующие механические вибрации в электрические сигналы. Вебер надеялся, что, если через цилиндр пройдет гравитационная волна, тот зазвенит, как колокольчик, по которому ударили молотком (илл. 54).

Вебер разместил одну из своих «антенн» в Мэрилендском университете, а еще одну, точно такую же, на расстоянии 960 км от первой, в Аргоннской национальной лаборатории недалеко от Чикаго. Для обмена данными использовалась быстродействующая телефонная линия. Два одинаковых детектора должны были исключить местный шум, возникающий вследствие гроз, слабых землетрясений, ливней космических частиц, выбросов электропитания и любых других факторов, которые могли бы потревожить цилиндр. Сигнал, не записанный одновременно в двух местах, считался бы ложным. Помимо событий местного значения, постоянным источником шума в эксперименте Вебера было тепловое движение атомов алюминиевого цилиндра. Из-за этой неустранимой активности длина цилиндра случайным образом менялась примерно на 10–16 м — менее чем на размер протона.

Вебер решил, что попал в яблочко, когда увидел сигналы, намного превосходящие уровень тепловых помех. В 1969 г. он опубликовал сообщение о регистрации гравитационных волн и объявил об этом на одном из крупнейших симпозиумов по вопросам гравитации и теории относительности. Год спустя Вебер заявил, что многие гравитационные волны исходят из центра галактики Млечный Путь. Физики были очень удивлены, многие озадачены, но то, что главное предсказание общей теории относительности подтвердилось, привело ученых в восторг. Вебера стали восхвалять, его фото украшало обложки журналов. Он прославился.

Затем все стало рушиться. Веберовские сигналы из центра Млечного Пути заставляли предположить, что в год 1000 солнечных масс преобразуется в энергию гравитационных волн. Молодой физик-­теоретик Мартин Рис вычислил, что из-за такой потери массы Галактика утратила бы «связность» и разлетелась. Другие экспериментаторы пытались повторить результаты Вебера. Антенны Вебера установили в Соединенных Штатах, Германии, Италии, России и Японии. Рон Древер, с которым мы еще познакомимся, поставил несколько детекторов в Глазго. Антенна Вебера появилась даже на Луне, где ее установили в 1972 г. астронавты миссии «Аполлон». К середине 1970-х гг. несколько групп ученых усовершенствовали конструкцию Вебера и повысили чувствительность прибора; многие охлаждали антенны, чтобы устранить тепловой шум.

Никто ничего не зарегистрировал. Физики начали сомневаться в методе эксперимента Вебера. Судя по всему, он неверно рассчитал статистические параметры совпадающих событий для детекторов, разнесенных далеко друг от друга. Проклятием для Вебера стало его утверждение, что пик регистраций наблюдается каждые 24 часа, когда над головой проходит центр нашей Галактики. Ему скоро указали, что гравитационные волны проходят сквозь Землю, как нож сквозь масло, и пик должен происходить каждые 12 часов. В 1974 г. на седьмой главной конференции по гравитации и относительности ведущий физик IBM Ричард Гарвин оспорил открытие Вебера и его данные.

Вскоре с ним согласилось все сообщество физиков. Вебера обвинили в несовершенстве метода эксперимента, более того, в предвзятости при подаче данных. И все же он продолжал верить, что наблюдал колебания пространственно-­временного континуума, и к концу карь­еры превратился в озлобленного одиночку.

Тем не менее работа Вебера способствовала инновации, стимулируя попытки других физиков найти доказательства ключевого предсказания общей теории относительности. Джон Уилер писал:

После нашей совместной работы в Лейдене он с религиозным пылом взялся за идею гравитационных волн и гонялся за ними до конца своей профессиональной карьеры. Я иногда задаюсь вопросом, не пробудил ли я в Вебере чрезмерный энтузиазм по поводу столь неподъемно сложной задачи. Не столь важно, является ли в конце концов первооткрывателем гравитационных волн он, другой человек или группа людей. В действительности он всегда будет заслуживать уважения — ведь он возглавил движение по этому пути. Больше ни у кого не хватило смелости искать гравитационные волны — до тех пор, пока Вебер не показал, что это в пределах возможного.

Несмотря на разочаровывающие результаты экспериментов Вебера, оставалась слабая надежда. В 1974 г. Джо Тейлор и Рассел Халс наблюдали за пульсарами с помощью 305-метрового радиотелескопа в Аресибо. Они нашли пульсар, совершающий 17 оборотов в секунду, но заметили систематическое изменение времени прихода импульсов. Период изменений составлял восемь часов, что заставляло предположить наличие двой­ной системы. Дополнительные наблюдения показали, что PSR1913 + 16 — это пара нейтронных звезд на тесной орбите немногим больше размера Солнца. Тейлор и Халс сообразили, что общая теория относительности предсказывает постепенное сближение компонентов двой­ной системы: орбитальный период должен сокращаться на 77 микросекунд в год, поскольку гравитационные волны уносят энергию системы. Пульсары — идеальные часы, и крохотное изменение периода было наблюдаемым (илл. 55). Обнаруженное уменьшение орбиты точно совпадало с предсказанием общей теории относительности. Это было убедительное, хотя и косвенное свидетельство в пользу гравитационных волн. За эти точнейшие наблюдения Тейлор и Халс удостоились Нобелевской премии по физике в 1993 г.

Двой­ной пульсар указал дальнейший путь. Открыли еще десяток систем. Астрономы поняли, что должны существовать и двой­ные черные дыры с более сильной гравитацией и, соответственно, более мощными гравитационными волнами. Возможно, достаточно чувствительный детектор позволил бы обнаружить их напрямую.

Когда сталкиваются черные дыры

Это история двух сформированных черных дыр, чье столкновение моментально высвободило огромное количество гравитационных волн, несущих в десять раз больше энергии, чем свет всех звезд во Вселенной. Это также история появления новой области астрономии.

Перенесемся на 11 млрд лет назад. Вселенная — милое местечко, она в три раза меньше и в три раза плотнее, чем сейчас. Она переживает «этап строительства»: небольшие плотные галактики сливаются друг с другом и в них активно образуются звезды. В одной маленькой и ничем не примечательной галактике, в области, где хаотически перемещаются газ и пыль, образуется две огромные звезды — в непосредственной близости друг от друга. Они в 60 и в 100 раз массивнее Солнца — предельной для звезд массы. Всего за несколько миллионов лет — по космическим меркам это мгновение — обе звезды расходуют ядерное топливо. Более массивная из них живет быстрее и раньше умирает, но, пока она стареет и раздувается, меньшая компаньонка крадет ее газ, превосходит ее массой и становится черной дырой. Черная дыра высасывает газ звезды-­компаньона, и пара скрывается под газовым саваном, перекрученным от орбитального движения. Газ поглощает энергию орбитального движения, сближая звезды на такое же расстояние, как между Меркурием и Солнцем. Вторая звезда умирает и тоже становится черной дырой.

По окончании этапа вампиризма остаются две черные дыры. Каждая скрывает 30 солнечных масс под непроницаемой завесой горизонта событий диаметром 240 км. Они неторопливо обращаются относительно друг друга, скованные объятиями гравитации.

Десять миллиардов лет ничего не меняется. Пара вращается в тишине и мраке, скупо испуская слабые гравитационные волны, и это понемногу приближает партнеров друг к другу. Между тем Вселенная становится больше, старше и холоднее. Скорость расширения пространства, прежде замедлявшаяся, начинает ускоряться, когда темная материя уступает пальму первенства темной энергии. Процесс формирования звезд достигает пика и идет на спад, и, разумеется, на поверхности множества землеподобных планет расцветают и рушатся инопланетные цивилизации. На планете же, которую мы зовем своим домом, через 3 млрд лет после возникновения жизнь все еще остается исключительно микробиологической.

Затем активность приближается к крещендо. По мере сближения черных дыр гравитация усиливается, излучается больше гравитационных волн, размер орбиты уменьшается, и процесс ускоряется еще сильнее. Последние фазы длятся лишь две десятых секунды. Орбитальная скорость черных дыр увеличивается, и они влетают в смертельную спираль. Пространство-­время бурлит, как кипящая вода в кастрюле. Частота генерируемых гравитационных волн определяется орбитальным периодом. Она подскакивает с 35 Гц до 350 Гц. Чтобы изобразить это в звуке, за долю секунды проведите рукой по клавишам фортепиано от самого низкого ля до до средней октавы. Представьте орбиту хорошо знакомого небесного тела — например, Луны. Луна удалена от Земли на 400 000 км и за месяц совершает полный оборот вокруг нее. В конце смертельной спирали черные дыры, каждая в 10 млн раз массивнее Земли, находятся примерно в 160 км друг от друга и мчатся, совершая 300 оборотов в секунду, то есть двигаются друг относительно друга со скоростью в половину световой. Это уже не орбитальное движение, а безумие.

Затем горизонты событий соприкасаются, и черные дыры сливаются. Уравнения для этого процесса не имеют решений; даже суперкомпьютеры не могут рассчитать происходящее. Последняя фаза называется затуханием, когда возникший в результате слияния объект колеблется, как гигантский ком темного желе, а затем успокаивается, приняв форму одной черной дыры, в два раза превосходящей каждую из участниц слияния массой и размером (илл. 56). В количественных характеристиках 5% массы преобразуется в гравитационные волны. Миллион земных масс превращается в энергию колебаний пространственно-­временного континуума и избегает «погребения» в черной дыре. (Для сравнения: Солнце за одну секунду преобразует в лучистую энергию одну тысячу триллионных долей массы Земли.) Пульсация гравитационных волн уносится с места действия со скоростью света, распространяясь во все стороны, как волны в трехмерном пруду. Самый мощный взрыв в истории наблюдений за Вселенной происходит в тишине и полнейшей тьме.

Колебания пронизывают бездны межгалактического пространства, ослабевая по мере удаления от источника. Они проходят сквозь миллионы галактик, возможно, оставаясь незамеченными. Тем временем на Земле жизнь выходит из океанов на сушу, в результате планетарного катаклизма появляются и вымирают динозавры, у одной из ветвей эволюционной линии приматов развивается большой головной мозг. Когда гравитационные волны проходят через соседние галактики, Магеллановы Облака, наши предки осваивают огонь. Когда волны проникают в Млечный Путь, люди впервые покидают Африку. Волны минуют яркую звезду Бета Летучей Рыбы, а Альберт Эйнштейн публикует статью о своей новой теории гравитации. Волны проходят рядом с ближней к нам карликовой звездой 82 Эридана, а в отдаленных друг от друга местах на территории США начинается строительство огромного научного инструмента. Пять лет инструмент совершенствуется и не используется для наблюдений; он готов получить первые научные данные в тот момент, когда волны прокатываются по Солнечной системе и устремляются к Земле.

Марко Драго застыл в напряжении. Тридцатидвухлетний постдок из Италии держит чашку с капучино, сидя перед экраном своего компьютера в Институте Альберта Эйнштейна в Германии — и вдруг видит на экране маленькую загогулину. Сначала программное обеспечение отмечает событие как ложный сигнал, но после автоматической перекрестной проверки метка снимается. Марко понимает, что прозвучал голос Вселенной, и составляет электронное письмо с темой «Очень интересное событие». Он находится «у руля» самого точного прибора в истории.

Самый точный прибор в истории

Сколько физиков нужно, чтобы измерить сдвиг в одну десятую размера протона? Ответ: больше тысячи. Марко Драго — один из целой армии ученых, работающих в десятках университетов и исследовательских институтов по всему миру над самым чувствительным научным инструментом за все время их изобретения. История о том, как удалось построить лазерно-­интерферометрическую гравитационно-­волновую обсерваторию, LIGO, почти столь же невероятна, как и регистрация колебаний пространственно-­временного континуума.

Мы прервали рассказ о попытках зарегистрировать гравитационные волны в момент, когда в этой сфере царил хаос. Никто не смог повторить результаты Вебера, его научная репутация была погублена. Позорное пятно казалось несмываемым, и это несправедливо. Охотники за гравитационными волнами считались шарлатанами или глупцами — а может, теми и другими.

Однако нашлась группа исследователей, чей азарт лишь подхлестнула неспособность воспроизвести результаты Вебера. Как экспериментаторы они были намерены найти лучшие способы. Оптимизм вселяло обнаруженное Тейлором и Халсом замедление вращения пульсаров, что доказывало существование гравитационных волн. В эту мужскую компанию (поскольку это была и есть сфера мужского доминирования) входил физик Массачусетского технологического института Райнер Вайсс. Когда он был ребенком, его семья бежала из нацистской Германии. Он рос в Нью-­Йорке, предоставленный сам себе, с головой уйдя в увлечения: классическую музыку и электронику. Он бросил учебу в МТИ, прошел весь путь с самой нижней ступени — с техника в физической лаборатории — и вернулся в МТИ, но нелегко было добиться штатной должности. Разочарованием обернулись и попытки объяснить студентам результаты Вебера. «Я, хоть убей, не мог понять затею Вебера, — сказал он. — Я не считал, что он прав, и решил пойти своим путем».

Все лето Вайсс в подвале один работал над идеей, возникшей из обсуждений со студентами МТИ, и создал детектор, являвшийся не отдельным стержнем-­антенной, а интер­ферометром. Представьте два металлических стержня, соединенных под прямым углом в форме буквы L. Если гравитационная волна приходит сверху, то вследствие того, что она сжимает и растягивает пространство, она делает один стержень совсем немного короче, а другой — чуть длиннее. В следующее мгновение происходит противоположное, и схема повторяется, пока волна активна. Вместо того чтобы пытаться обнаружить превращение единственного стержня в звенящий колокольчик, Вайсс должен был зарегистрировать попеременное изгибание двух стержней.

Эксперимент Вебера был в тысячи раз менее точен, чем необходимо для получения результата, и Вайсс знал, что должен добиться радикальных улучшений. Его осенила мудрая мысль использовать свет как линейку. Его «стержни» представляли собой длинные металлические трубки с откачанным изнутри воздухом, поскольку в вакууме свет распространяется с постоянной скоростью. Лазер в изгибе L-образной конструкции посылает свет одной длины волны через светоделитель, так что половина попадает в плечо интерферометра и другая половина — под прямым углом в другое плечо. Свет отражается от зеркала в конце каждого плеча, возвращается в изгиб L и вновь соединяется в детекторе. В норме световые волны возвращаются по обоим плечам интерферометра строго синхронно, их пики и спады совпадают. Если же через инструмент проходит гравитационная волна, один пучок света проходит чуть меньшее расстояние, пики и спады не совпадают, и интенсивность света снижается (илл. 57).

В теории все просто. Трудность представляет исключительная точность измерений. Мало того, что амплитуда колебаний пространственно-­временного континуума очень мала — у них очень большая длина волны. Типичная частота гравитационных волн, возникших при столкновении черных дыр, составляет 100 Гц, то есть 100 колебаний в секунду. Однако типичная длина волны — 3000 км. Оптимальная длина плеч инструмента — четверть длины волны, поскольку от сдвига на четверть волны в том или ином направлении зависит, будет ли усилен или нейтрализован сигнал. Вайсс знал, что не может сделать вакуумную трубу длиной 750 км, но решением стало многократное отражение света в обе стороны в более короткой трубе. Вайсс описал свою идею в техническом предложении МТИ в 1972 г. Это, возможно, самая влиятельная статья, так и не опубликованная в научном журнале.

Начало пути было трудным. Вайсс приступил к работе над прототипом интерферометра с 1,5-метровыми плечами. Даже для такого прибора — в сотни раз меньше и дешевле любого работоспособного инструмента для регистрации гравитационных волн — он с трудом находил финансирование. Руководству затея казалась сомнительной, а самый влиятельный его коллега, Филип Моррисон, был настроен глубоко скептически. В начале 1970-х гг. отсутствовали даже убедительные свидетельства того, что Лебедь Х-1 является черной дырой. Моррисон считал, что черных дыр не существует, а раз это самые мощные потенциальные источники гравитационных волн, Вайсс даром тратит время. Вайсс получил немного денег от военных, но и это финансирование обрубили с принятием поправки к Закону об ассигнованиях на военные нужды, запретившей военным поддерживать гражданские проекты.

Летом 1975 г. Райнер Вайсс встречал в аэропорту им. Даллеса в Вашингтоне знаменитого физика-­теоретика из Калтеха Кипа Торна — победителя в споре со Стивеном Хокингом о существовании черных дыр. Наука работает лучше всего, когда объединяются теория и наблюдения. Предсказания теории способствуют более эффективным наблюдениям, а наблюдения — более глубокому пониманию физических процессов. В тот душный день в Вашингтоне, когда экспериментатор Вайсс познакомился с одним из величайших теоретиков нашего времени Торном, родился проект LIGO.

Вайсс пригласил Торна на собрание в штаб-квартире NASA по вопросам космических исследований в области космологии и теории относительности. «Я забрал Кипа из аэропорта жарким летним вечером, Вашингтон был полон туристов. Номер для него не забронировали, и он пере­ночевал у меня, — вспоминал Вайсс. — Мы составили на листе бумаги огромную карту всевозможных областей изучения гравитации. За какой из них будущее? Что было будущим, чем следовало заняться?» Они были так увлечены разговором, что не спали всю ночь.

Торн не читал техническую статью Вайсса, посвященную концепции интерферометра. Позднее он скажет: «Если бы я ее прочел, то, разумеется, не понял бы». На самом деле его авторитетный учебник «Гравитация» включает упражнение, призванное продемонстрировать невозможность регистрации гравитационных волн с помощью лазеров. «Я быстро изменил свое мнение», — признал Торн. Он вернулся в Калтех, горя желанием построить интерферометр. Однако для начала нужно было привлечь к проекту физика-­экспериментатора. Вайсс предложил Рона Древера из Университета Глазго. Древер поставил важнейшие эксперименты по гладкости пространства и массе нейтрино, соорудил и использовал антенну Вебера и сделал интерферометр с 10-метровыми плечами — в шесть раз больше скромного инструмента Вайсса в МТИ. Торн устроил Древера на полставки в штат Калтеха, и к 1983 г. он построил там интерферометр с 40-метровыми плечами, воспользовавшись оригинальными методами повышения мощности лазера и улучшив изоляцию от сейсмического шума.

Постепенно финансирование выросло, обострилась и конкуренция. В 1975 г. Вайсс получил маленький грант Национального научного фонда (ННФ) для начала работы над интерферометром. В 1979 г. группа ученых Калтеха во главе с Торном и Древером получила серьезный грант, а группа Вайсса из МТИ — сумму поскромнее. Калтех и МТИ — яростные соперники в науке; и группа из Калтеха со своим 40-метровым интерферометром, разумеется, возглавила гонку. Обе группы мечтали о полноразмерном интерферометре километровых масштабов, но именно Вайсс поймал удачу за хвост, посетив Национальный научный фонд и предложив идею постройки интерферометра на двух площадках с ценником $100 млн. Проведенное в результате проектное исследование получило название «Синяя книга» — фактически это библия охотников за волнами пространственно-­временного континуума.

И Вайсс, и Древер были очень склонны к соперничеству. Торну пришлось принять на себя роль посредника и миротворца. Поскольку ННФ заявил, что не будет поддерживать две отдельные группы, им пришлось пойти на вынужденный союз. Дело шло ни шатко ни валко. Постоянные задержки из-за технических проблем вынудили ННФ отменить финансирование. К середине 1990-х гг. проект LIGO возродился, на сей раз во главе с физиком высоких энергий из Калтеха Барри Бэришем. Наука изобилует проектами, в которых одаренные ученые потерпели провал из-за отсутствия навыков общения и управления, но Бэриш оказался умелым руководителем.

Сначала было запланировано строительство двух одинаковых интерферометров с четырехкилометровыми плечами на разных концах США, в геологически спокойных местах. Одно — возле заглушенного ядерного реактора в кустарниковой полупустыне под Хэнфордом в штате Вашингтон, второе — в заболоченной местности возле города Батон-­Руж в Луизиане. Целью первого этапа проекта, iLIGO (initial LIGO), было развитие технологии: обнаружение объектов представлялось крайне маловероятным. На второй стадии продвинутая обсерватория aLIGO (advanced LIGO) должна была стать достаточно чувствительной, чтобы зарегистрировать предсказанные теорией гравитационные волны (илл. 58). Бэриш хотел создать оборудование и инфра­структуру, все главные компоненты которых — вакуумные системы, оптика, детекторы и системы подвеса — можно было бы постоянно совершенствовать.

Чтобы сделать aLIGO намного более чувствительной, потребовалось усовершенствовать почти все составля­ющие эксперимента. Лазер сделали мощнее, чтобы устранить главный источник высокочастотного шума. Пробные массы на каждом конце каждого плеча стали более тяжелыми; груз представляет собой 40-килограммовый цилиндр из кремния с прикрепленным к нему зеркалом, спроектированный так, чтобы регистрировать крохотные изменения длины плеча. В качестве подвеса был использован четырехступенчатый маятник, изоляция и устранение помех на порядок улучшены. У LIGO — крупнейшая и лучшая в истории вакуумная система, включающая 48 км сварных соединений без утечек. Трубы такие длинные, что на метр поднимаются над поверхностью с каждой стороны — ввиду искривления поверхности Земли под ними. Чтобы компенсировать изгиб и обеспечить ровную укладку и нивелировку труб, бетон заливали и выравнивали с беспрецедентной точностью. Плотность вакуума составляет одну триллионную плотности воздуха на уровне моря. Датчики настолько чувствительны, что слышат срабатывание тормозов грузовика на расстоянии 4,8 км — и гром на расстоянии 80 км. Более того, в своих зеркалах они видят движение отдельных атомов.

Этот эксперимент — вершина технического мастерства. Изначальная iLIGO функционировала с 2002 по 2010 г. и, как и ожидалось, не зарегистрировала гравитационные волны. Апгрейд до aLIGO занял пять лет, в работе участвовало 500 человек. Усовершенствованная aLIGO шесть месяцев проработала в опытном режиме и за четыре дня до начала сбора научных данных система нашла «золотую жилу».

Вернемся к Марко Драго и к утру 14 сентября 2015 г. В свободное от физики время этот учтивый постдок исполняет классическую музыку на фортепиано и пишет фантастические романы — два уже вышли. Увидев странные закорючки на своем мониторе, он заподозрил неладное. Это был классический рисунок слияния черных дыр, стремительное крещендо, которое ученые называют «чирп» — нечто вроде птичьего щебета Вселенной. Спустя миллиард с лишним лет пути через космос волна прошла через Землю со скоростью света, задев детектор в вашингтонском Ливингстоне на 7 миллисекунд раньше, чем детектор на другом конце страны, в луизианском Хэнфорде (илл. 59). Драго был настроен скептически, потому что сигнал выглядел слишком сильным, слишком совершенным: «Никто не ждал ничего настолько колоссального, поэтому я предположил, что это вброс». Кураторы LIGO держали сотрудников в тонусе, периодически вводя в поток данных ложные сигналы, называемые слепыми вбросами. В 2010 г. слепой вброс вызвал ажиотаж, была написана статья, и, когда команда уже готова была предложить ее к публикации, сообщили, что сигналы были ложными.

Драго не пожалел сил, чтобы все перепроверить. Он обзвонил остальные площадки и переговорил с руководителем группы, чтобы убедиться, что никто не вбрасывал сигнал в систему. Он даже переживал, что систему могли взломать. После десятка автоматических и ручных проверок не осталось сомнений, что за этот сигнал отвечает Вселенная. Он выделялся на фоне шума, как взрыв смеха в комнате, полной болтающих людей. Гравитация подала голос.

Познакомьтесь с мастером гравитации

Ведущий мировой теоретик в области гравитации когда-то мечтал стать водителем снегоуборочной машины. В детстве Кип Торн был на «ты» с буранами и горами. «Если вырос в Скалистых горах, то это самая роскошная работа, какую можно себе представить. Но однажды мать взяла меня на лекцию о Солнечной системе, и я попался». Торн вырос в семье мормонов в консервативном штате Юта, но теперь он — атеист. Но родители были преподавателями, поэтому поощряли его любопытство.

Карьера Торна быстро развивалась. Получив ученые степени в Калтехе и Принстоне, он вернулся в Калтех, где стал одним из самых молодых штатных профессоров. Он уехал из Юты тощим эксцентричным мормоном, прячущим стеснительность за бородой библейского пророка, а к 30 годам стал мировым экспертом по гравитационной астрофизике и теперь отдавал предпочтение джинсам, черному кожаному пиджаку и хипстерской эспаньолке.

Торн писал диссертацию в Принстоне под руководством Джона Уилера. Уилер поставил интересный вопрос: схлопнется ли цилиндрический пучок линий магнитного поля под воздействием собственной силы гравитации? Линии магнитного поля отталкиваются друг от друга, и после сложных расчетов Торн доказал, что схлопывание цилиндрического магнитного поля невозможно. Это повлекло другой вопрос: почему тогда сферические звезды, также пронизанные линиями магнитного поля, могут схлопнуться и стать черными дырами? Торн показал, что только действуя во всех направлениях гравитация способна преодолеть внутреннее давление. Представьте себе обруч, при раскручивании очерчивающий сферу. Любое сжимающееся тело массой М может стать черной дырой только при условии, что вокруг него можно раскрутить обруч с окружностью 4πGM / c2 (где G — гравитационная постоянная, а с — скорость света). Гипотеза обруча сделала Торна суперзвездой, едва он окончил аспирантуру.

В середине своего четвертого десятка Торн стал соавтором эпохального учебника «Гравитация» и начал череду пари со Стивеном Хокингом. Сооснователь LIGO, Торн проявлял огромный интерес к открытиям гравитационных волн. Он знал, что гравитационные волны с наиболее ярко выраженными характеристиками порождаются слиянием двух черных дыр. Проблема заключалась в том, что рассчитать наимощнейшую часть сигнала перед самым слиянием можно только с помощью компьютеров, поскольку, как и со многими ситуациями в общей теории относительности, уравнения не имеют точного решения. Однако в те времена компьютерное моделирование было чрезвычайно несовершенно.

Мы были убеждены, что должны располагать результатами компьютерного моделирования к моменту, когда, возможно, начнем видеть гравитационные волны с помощью LIGO. Но в 1990-х гг. в этой области имелись огромные проблемы. Выдающиеся специалисты по теории вычислений могли столкнуть две черные дыры лоб в лоб, но, когда они пытались заставить черные дыры совершать орбитальное движение относительно друг друга, как это происходит в природе, компьютеры отрубались до завершения первого же оборота. К 2001 г. я встревожился, потому что предполагал, что продвинутая LIGO будет готова к началу 2010-х гг., через десятилетие. Было совершенно не очевидно, что к тому времени моделирование будет доступно.

Поэтому Торн отвлекся от текущего управления проектом и организовал в Калтехе и Корнелле группу по численному релятивистскому моделированию.

Торн — талантливый популяризатор науки. Он умеет объяснить доступным языком головоломные идеи. Будучи публичным представителем LIGO, он смог убедить профессиональных политиков, не имеющих научной подготовки, потратить почти миллиард долларов на постройку двух огромных устройств, созданных для регистрации гипотетических невидимых волн — настолько слабых, что они способны лишь сдвинуть атомы на крохотные доли их величины.

Благодаря близости к Голливуду Торн привлекался к проектам, где главную роль получала гравитация. В начале 1980-х гг. Карл Саган свел его с продюсером Линдой Обст и использовал его опыт для изображения путешествия через кротовую нору в фильме «Контакт». Обст вспомнила о нем, работая над «Интерстеллар» с режиссером Кристофером Ноланом. В фильме гигантская вращающаяся черная дыра Гаргантюа замедляла время, и Торн помог аниматорам добиться научной точности ее изображения. Визуализация некоторых кадров потребовала 100 часов работы, данные для фильма почти достигли миллиона гигабайт. Благодаря моделированию Торн даже совершил научное открытие, которому посвятил несколько статей. Он считает, что картина получилась красивой, но убежден, что она красива в том числе потому, что правдива (илл. 60).

Взгляд на Вселенную глазами гравитации

Почти ежедневно через ваше тело проходит волна прос­транства-времени, возникшая в результате слияния черных дыр где-то во Вселенной. Она может прийти сверху, сбоку или из-под ног. Вы занимаетесь своими делами, не подозревая о вторжении. Когда волна прокатывается через вас, вы на миг становитесь чуточку выше и тоньше, затем чуточку ниже и толще, и картина повторяется. Через несколько десятых долей секунды вы вернетесь к обычному состоянию.

Это заставляет вспомнить слова романиста и поэта Джона Апдайка, сказанные в адрес другого призрачного посланца космоса, нейтрино:

…Они по всей Вселенной шпарят,

Не поступаясь прямизной.

Для них пустой надутый шарик —

Трилльоннотонный шар земной.

Ничто не сдвинув и не тронув,

Они проходят сквозь него —

Так сквозь стекло скользят фотоны,

Так пыль проносит сквозняком.

Ни стен для них, ни пьедесталов.

Они способны осадить

Холодную закалку стали

И жаркой меди звон и прыть.

Они летят таким карьером,

Что и не снился жеребцам,

Поверх всех классовых барьеров

Вторгаясь в тело мне и вам.

Их суд немыслимо высокий,

Их приговор неотвратим,

Он шлет на головы потоки

Неощутимых гильотин…

Гравитационные волны бывают трех типов. Первые — стохастические, этот термин описывает любой физический процесс случайного характера. Волны этого типа труднее всего зарегистрировать, поскольку сигнал может перекрываться случайным шумом электроники на высоких частотах и геологической активностью на низких. Самым впечатляющим из стохастических сигналов, как мы скоро узнаем, был бы сигнал Большого взрыва. Вторые — периодические, это гравитационные волны, частота которых почти постоянна долгое время. Чаще всего источниками периодических сигналов являются нейтронные звезды и черные дыры, совершающие орбитальное движение по отношению друг к другу. Поскольку партнеры в двой­ных системах удалены друг от друга, сигналы слабы. Третьи — импульсные, гравитационные волны, которые приходят короткой вспышкой. Импульсы возникают вследствие формирования черной дыры во взрыве сверхновой, а также слияния нейтронных звезд или черных дыр. Предположительно это самые сильные из гравитационных волн, и образ их весьма специфичен, поэтому их проще всего отличить от шума.

Столкновение черных дыр можно интерпретировать как колокольный звон гравитации. Большой колокол звучит ниже маленького, а большие массы при столкновении излучают волны более низких частот, чем маленькие. Нейтронные звезды на максимуме выдают «чирп» до 1600 Гц, черные дыры минимальной массы — до 700 Гц, а массивные черные дыры, столкновение которых было зарегистрировано LIGO в качестве первого события, начинали со 100 Гц и поднялись примерно до 350 Гц. Нейтронных звезд примерно в три раза больше, чем черных дыр, поэтому мы ожидаем увидеть (в порядке уменьшения количества событий, но увеличения силы сигнала): слияния двух нейтронных звезд, слияния нейтронной звезды и черной дыры и слияния двух черных дыр. Детектор LIGO спроектирован так, чтобы быть наиболее чувствительным к диапазону частот 100–200 Гц, в котором самый сильный сигнал издают сливающиеся черные дыры. Этот интервал идеален для наблюдений. На 100 Гц чувствительность в два раза ниже, поскольку усиливаются помехи от электроники, а на 20 Гц — в десять раз ниже из-за усиления геологических шумов Земли.

Какую информацию дает нам волна пространственно-­временного континуума? Давайте сравним ее с волнами на воде. Представьте, что вы — поплавок в большом пруду в ветреный день. Из-за ветра поверхность воды идет рябью, случайный рисунок волн, заставляющих вас подниматься и опускаться, весьма похож на фоновый шум в эксперименте по поиску гравитационной волны. Если кто-то в течение нескольких секунд будет с интервалом в секунду бросать в пруд камни, вы почувствуете дополнительную — периодическую — качку. Это «чирп» двух соединяющихся черных дыр. Размах движения зависит от величины камней и от расстояния от вас до места, куда их бросают, поскольку по мере распространения волны слабеют. У поплавка нет глаз и ушей, и вы чувствуете только движение, вы понятия не имеете, откуда идут волны. Однако, если бы вы могли поговорить с другим, соседним поплавком, вы получили бы больше информации. Волны распространяются концентрическими кругами, и время получения этих двух сигналов позволяет вычислить направление источника методом триангуляции. Именно так ваши уши определяют, откуда доносится звук.

В процессе обнаружения волн посредством LIGO физики получают много важной информации. Рисунок изменения частоты дает массы двух черных дыр путем сравнения с результатами моделирования. Фаза слияния используется для определения вращения образующейся в результате черной дыры. Координаты события в небе определяются разницей во времени поступления сигналов в два детектора (то, что одинаковый сигнал наблюдается в обеих точках, помогает исключить помехи или ложный источник). Если точек всего две, ограничения на положение источника в небе не слишком строги: он может находиться где угодно в пределах широкой полосы. Однако успех LIGO вдохновил международное сообщество. Европа недавно ввела в эксплуатацию интерферометр в Италии (Virgo), а скоро введет и в Германии (GEO600). В 2019 г. закончено строительство интерферометра в Японии, еще один планируется запустить в Индии в начале 2020-х гг. Регистрация в трех или более точках позволит сузить область происхождения гравитационных волн до определенного астрономического источника и, следовательно, наблюдать его во всем электромагнитном спектре.

Расстояние до источника оценивается по силе сигнала. Волны расходятся от черной дыры в трех измерениях и слабеют, распространяясь в космосе. Гравитационные волны имеют огромное преимущество перед электромагнитными: их амплитуда обратно пропорциональна расстоянию. Если черные дыры в десять раз дальше, то сигнал в десять раз слабее. Астрономы не могут измерить амплитуду электромагнитной волны; они измеряют интенсивность — квадрат амплитуды, и если звезда в десять раз дальше, то интенсивность световой волны в 100 раз меньше. Поэтому LIGO, читая гравитационные волны, имеет огромный охват и может регистрировать катаклизмы, произошедшие в миллиардах световых лет от нас.

Но не был ли успех LIGO случайным? Невозможно набрать статистику на одном событии. Что, если Вселенная лишь чуть приоткрыла свои тайны, спев нам короткую песенку? Восторг физиков сменился тревогой. Они искали утешение в словах Эйнштейна: в какой-то момент в 1921 г., когда казалось, что общая теория относительности опровергнута экспериментом, он изрек: «Господь изощрен, но не злонамерен».

С восторгом и невероятным облегчением команда LIGO объявила, что 26 декабря 2015 г. было зарегистрировано второе событие. Сигнал был слабее, потому что источник находился несколько дальше, на расстоянии 1,5 млрд световых лет, также это было вызвано меньшими массами черных дыр — 9 и 14 солнечных масс вместо 29 и 36, как в первом событии. Событие с промежуточной датой, 12 октября, получило статус неподтвержденного кандидата. Оно было слабым, поскольку его участники — черные дыры в 13 и 23 солнечные массы — слились вскоре после того, как на Земле зародилась жизнь, на колоссальном удалении 3,3 млрд световых лет. В 2017 г. LIGO зарегистрировала еще три события (илл. 61). Пять подтвержденных событий и одно вероятное — тысяча физиков ликовала. LIGO — оглушительный успех. Это начало эры гравитационно-­волновой астрономии.

В августе 2017 г. LIGO зарегистрировала еще одну пульсацию гравитационных волн. Это событие имело два отличия от предыдущих. Сигнал был слабее, и его источник находился лишь в 130 млн световых лет. Это значит, что сигнал возник при слиянии менее массивных объектов — нейтронных звезд, а не черных дыр. LIGO работала совместно с европейским интерферометром Virgo, и сигналы трех разных детекторов позволили ученым с беспрецедентной точностью определить, откуда именно пришли гравитационные волны. Нейтронные звезды слились в галактике NGC4993. Обсерватории мира включились в работу.

В результате было получено огромное количество данных, и родилась астрономия нового типа. Два спутника NASA зарегистрировали выброс гамма-­лучей от слияния нейтронных звезд, и свыше 70 телескопов по всему земному шару поймали затухающее оптическое и инфракрасное свечение, возникшее вследствие столкновения. В отличие от слияния черных дыр, при котором не возникает электромагнитного излучения, нейтронные звезды сливаются во взрыве, который в тысячу раз мощнее сверхновой. Как следствие мы имеем выброс излучения и поток нейтронов, приведших в движение облако радиоактивных продуктов. За один день облако разрослось от размеров большого города до размеров Солнечной системы. Нейтроны внедрились в ядра атомов и превратили их в ядра более тяжелых элементов. По оценкам теоретиков, при событии образовалось 200 земных масс золота — на $1031, если бы вы их заполучили! Наблюдение за гравитационными волнами сопоставлялось с исчерпывающей информацией об электромагнитных излучениях, и это направление было названо многосигнальной астрономией. Предполагается, что LIGO и Virgo примерно раз в неделю будут наблюдать слияние нейтронных звезд и раз в две недели — слияние черных дыр. Космос бурлит волнами пространственно-­временного континуума, а астрономы наконец обрели глаза, чтобы это видеть.

Награда недолго ждала героев. Часто случается так, что между открытием и присуждением его авторам Нобелевской премии проходит много времени. Некоторые выдающиеся ученые умерли, так этого и не дождавшись, а посмертно премия не присуждается. Не приходилось, однако, сомневаться, что регистрация гравитационных волн быстро получит признание. И неудивительно, что в октябре 2017 г., менее чем через два года после того, как LIGO впервые ощутила волнение пространственно-­временного континуума, Райнер Вайсс, Кип Торн и Барри Бэриш были объявлены лауреатами Нобелевской премии по физике.

Столкновения и слияния массивных черных дыр

Теперь, по обнаружении колебаний пространственно-­временного континуума, мы ожидаем следующего. В Млечном Пути миллиард нейтронных звезд и 300 млн черных дыр — множество кандидатов на слияние. Однако вероятность того, что они входят в тесно связанные двой­ные системы, очень мала, поэтому слияние черных дыр происходит примерно раз в 500 000 лет. Долго придется ждать! Впрочем, чувствительность LIGO обеспечивает громадный охват в масштабах Вселенной. Когда усовершенствованная LIGO вновь заработает в 2020 г., она будет в три раза чувствительней, следовательно, сможет уловить сигнал с расстояния, в три раза большего. Она измерит невероятно слабые сдвиги — на какие-то доли 1022. Поскольку объем пропорционален кубу расстояния, количество объектов вырастет в 30 раз. Возможно, будет регистрироваться до 1000 событий в год, или по два ежедневно.

Другой режим исследования — это гравитационные волны, излучаемые при проглатывании сверхмассивной черной дырой, находящейся в центре галактики, компактного тела — например, нейтронной звезды или черной дыры звездной массы. Снова проведем аналогию со звуком: чем массивнее черные дыры, тем продолжительнее орбитальное время при их слиянии и тем ниже частота специфического «чирпа». Сверхмассивное тело «звучит» в интервале частот от 10–4 Гц до 1 Гц, орбитальное время составляет от нескольких часов до нескольких секунд. Сигналы сверхмассивной черной дыры будут ниже порога слышимости человека и даже ниже самой низко звучащей трубы органа; такие звуки скорее ощущаются, чем воспринимаются на слух.

Из-за столь низкого интервала частот детектор, который регистрирует гравитационные волны, исходящие от самых массивных черных дыр, должен находиться в первозданной среде космоса. Предполагаемым инструментом для решения этой задачи является лазерно-­интерферометрическая космическая антенна (LISA). Это будет «созвездие» из трех спутников, образующих равносторонний треугольник со стороной миллион километров. Установка, в десять раз превышающая размер орбиты Луны, будет обращаться вокруг Солнца на том же расстоянии от него, что и Земля, но с отставанием 20 градусов. На основном спутнике будут размещены лазер и детектор, на двух других, вспомогательных, — отражатели, прикрепленные к пробным массам из сплава золота и платины. LISA создана для измерений смещений менее размера атома на расстоянии 1 млн км, или с точностью 1 из 1021. Чтобы зарегистрировать крохотные колебания пространственно-­временного континуума, пробные массы должны быть защищены от воздействия любой силы, кроме гравитации, словно бы они не были частью космического аппарата и просто «свободно падали» на орбите Земля — Солнце. Решение этой инженерной задачи требует безупречного контроля над космическим кораблем. Каждый аппарат должен парить вокруг своей пробной массы, определяя свое положение относительно него с помощью емкостных сенсоров и точными микродвигателями поддерживая идеальную центровку по массе. В 2016 г. испытательная миссия ЕКА LISA Pathfinder доказала работо­способность технологии. Благодаря успеху LIGO в 2017 г. были приняты обязательства по финансированию проекта, и теперь у LISA блестящие перспективы.

Согласно стандартной космологической модели, структуры строятся иерархически, путем слияния меньших тел и поглощения окружающей материи. Так, карликовые галактики, объединяясь, создают большие галактики, а те продолжают расти — как за счет объединения с более много­численными карликовыми галактиками, так и за счет газа, попадающего из межгалактического пространства. Центральные черные дыры следуют тому же процессу роста, но трудно предсказать подробности, потому что он зависит от сложного процесса аккреции и особых условий в центре галактик.

Слияния сверхмассивных черных дыр происходят еще медленнее и, соответственно, излучают гравитационные волны меньшей частоты. Исходя из примерных расчетов, пара черных дыр в миллион солнечных масс должна при слиянии излучать гравитационные волны частотой 10–3 Гц в течение часа; при массах в миллиард солнечных частота гравитационных волн составит 10–9 Гц, а временная шкала растянется на десятки лет. Чтобы поймать волну, странствие которой займет годы, детектор должен быть исключительно стабильным. Основательное компьютерное моделирование говорит о том, что LISA будет регистрировать несколько слияний в год — в основном ситуации, когда обе черные дыры в 106–107 раз массивнее Солнца. Такая выборка позволит нам взглянуть на ранний этап формирования черных дыр и галактик.

Однако самые громкие события и самые зрелищные слияния — с участием черных дыр в миллиард солнечных масс — порождают волны исключительно низких частот, недоступных для LISA. Даже система телескопов длиной миллион километров будет слишком малой, чтобы обнаружить эти гравитационные волны; нужен инструмент размером с галактику. И теперь мы знакомимся с системой тайминга пульсаров. Пульсары — это мертвые коллапсировавшие звезды, состоящие только из нейтронов. При осевом вращении горячие точки на их поверхности проходят через зоны обзора радиотелескопов, и радиоимпульсы поступают с идеально точным временным интервалом. Пульсары, совершающие сотни оборотов в секунду, представляют собой самые точные часы во Вселенной.

В миллиардах световых лет от нас две сверхмассивные черные дыры неторопливо кружатся в танце, продолжа­ющемся несколько миллионов лет. Когда они наконец падают друг другу в объятия и сливаются, они омывают Вселенную низкочастотными гравитационными волнами, сжимающими и растягивающими ткань пространства-­времени. Как и мы на Земле, пульсары покачиваются на этих волнах, распространяющихся со скоростью света. Волны слегка меняют пульсарный ритм. Например, волна частотой 10–8 Гц, что означает один цикл за четыре месяца, заставит импульсы приходить на 10 наносекунд раньше в январе и на 10 нано­секунд позже в марте. Это ювелирная работа, но современные радиотелескопы способны измерять импульсы с требуемой точностью. Массивы пульсаров используются для повышения чувствительности эксперимента и дают некоторую чувствительность к направлению распространения сигнала.

Система тайминга пульсаров — самый грандиозный эксперимент в истории науки. Это не 4 км LIGO или 1 млн км LISA — пульсары-­детекторы разнесены на тысячи триллионов километров. Детектором является вся галактика Млечный Путь. Это поистине Большая наука. Четыре массива пульсаров активно ищут сигналы, и их данные объединяются во всемирный массив. По мере добавления пульсаров в списки объектов наблюдения и увеличения чувствительности вероятность того, что в ходе одного или нескольких экспериментов в ближайшее десятилетие будут зарегистрированы слияния сверхмассивных черных дыр, увеличивается до 80% (илл. 62).

Гравитация и Большой взрыв

Регистрация первичных гравитационных волн — это пока неосвоенные области науки. Как вы помните, волны пространственно-­временного континуума возникают всякий раз, когда масса меняет его движение или конфигурацию. Беспрецедентные масштабы изменения массы происходили в ранней Вселенной, когда материя, впоследствии сформировавшая сотни миллиардов галактик, занимала пространство размером меньше атома. Современная космология включает так называемую инфляцию — раннюю фазу экспоненциального роста Вселенной, тогда еще микро­скопической, через 10–35 секунд после Большого взрыва. Инфляцией объясняют непонятную в ином случае равномерность и гладкость Вселенной. Инфляция предполагает, что «зародыши» галактик были квантовыми флуктуациями.

Теория инфляции поддерживается рядом косвенных свидетельств, но энергия в то время была в триллионы раз выше, чем можно достичь в лаборатории или в ускорителях — таких как Большой адронный коллайдер, поэтому мы не можем воспроизвести ее экспериментально на Земле. Важно протестировать теорию инфляции, потому что это приблизит нас к Священному Граалю теории квантовой гравитации. Гравитационные волны, вызванные инфляцией, должны до сих пор сотрясать Вселенную. Их энергия распределена по частотам, различающимся на 29 порядков, что позволяет применить все рассмотренные нами методы регистрации. Однако эти волны слишком слабы, чтобы их можно было измерить интерферометрами или системами тайминга пульсаров, поэтому астрономы сосредоточились на их следах в заполнившем Вселенную излучении — когда она остыла настолько, чтобы смогли образоваться стабильные атомы. Это излучение распространяется во Вселенной в неизменном виде с момента спустя 400 000 лет после Большого взрыва, и мы наблюдаем его в микроволновом диапазоне. Растяжение и сжатие пространства, согласно предсказанию теории, должно было оставить в микро­волновом излучении слабый вихревой узор.

В 2014 г. научное сообщество пребывало в напряжении: группа, работающая с телескопом Южного полюса, объ­явила об обнаружении гравитационных волн, вызванных инфляцией, — не непосредственно, а по специфическому следу в излучении. Восторги утихли через несколько месяцев, когда выяснилось, что группу исследователей ввел в заблуждение загрязняющий сигнал пыли Млечного Пути. Для ученых опыт оказался болезненным: ведь исследователи тщательно проверили данные, но были обмануты слабым шумом переднего плана, словно приняли туман на стеклах очков за далекий буран. Во Вселенной много беспорядочного и неоднозначного, ее невозможно контролировать, как лабораторный эксперимент, и космологам стоит быть осмотрительными. Однако в конкуренции с другими группами трудно противиться соблазну как можно быстрее опубликовать сенсационную статью.

Несколько команд готовится к новой попытке провести эти важные измерения. Лучшие места для сложных наблюдений за микроволновым излучением находятся у Южного полюса и в безводной пустыне Атакама в Чили. В гонке участвует пять команд. Ставки высоки. Если признаки гравитационных волн не будут обнаружены, пошатнется краеугольный камень космологии. Но если они будут обнаружены, это станет прямым свидетельством квантовой гравитации.

Квантовое происхождение Вселенной может говорить о том, что мы живем в мультивселенной, где населяем один из потенциально бесконечного количества пространственно-­временных пузырей. Вселенные в мульти­вселенной представляют собой отдельные пространственно-­временные континуумы, по всей видимости, ненаблюда­емые из нашего пространственно-­временного континуума, поэтому эту догадку трудно проверить. Возможно, они имеют разные законы физики и даже до неузнаваемости отличаются от нашей Вселенной. Действуют ли в них те же фундаментальные силы? Есть ли в них черные дыры? Имеются ли формы жизни, способные постичь свою вселенную? Вот некоторые из непостижимых вопросов, возникающих в авангарде космологии.

Отправить