Космотрясения

Практически вся информация о Вселенной, которой мы обладаем, получена нами из анализа электромагнитного излучения. Если в течение нескольких тысячелетий древние астрономы, наблюдавшие небо, имели в своем распоряжении только видимый диапазон длин волн, то за последнее столетие их возможности значительно расширились: появились приборы, которые способны фиксировать радиоволны, «видеть» инфракрасное и ультрафиолетовое излучение, исследовать рентгеновские и гамма-лучи. Единственным исключением были нейтрино, но, поскольку реактор в центре Солнца продолжает работать, настанет день, когда и нейтрино будут использованы для исследования центральных областей активных галактик.

В 2015 году ученые поймали сигнал совершенно нового типа. В рамках эксперимента LIGO были обнаружены гравитационные волны – растяжение и сжатие пространства-времени – от столкновения двух черных дыр на расстоянии около 1,3 миллиарда световых лет. В 2017 году за это открытие Нобелевскую премию получили трое ученых, руководивших проектом, – Райнер Вайс, Барри Бариш и Кип Торн.

Сигнал был принят 14 сентября 2015 года двумя обсерваториями LIGO: в Хэнфорде (штат Вашингтон, США) и Ливингстоне (штат Луизиана, США). По деталям формы сигнала удалось проследить, как две черные дыры с массами 36 и 29 солнечных кружили друг возле друга, подходя все ближе и ближе, пока наконец не слились в одну черную дыру.

Сообщение об открытии стало сенсацией среди физиков и астрономов по всему миру. Гравитационные волны позволят нам исследовать фундаментальные физические явления, изучать самые странные объекты во Вселенной и, возможно, даже заглянуть в самые ранние моменты ее эволюции.

Потом последовали новые находки – коллаборация LIGO поймала гравитационные волны от других пар сталкивающихся черных дыр. Одно из этих явлений наблюдалось также на франко-итальянском детекторе гравитационных волн Virgo, расположенном неподалеку от Пизы (Италия). Наличие этого второго детектора позволяет астрономам гораздо более точно определять направление на источник, что в будущем может помочь им отслеживать гипотетическое излучение, приходящее из этой точки.

Массы черных дыр, столкновение которых зафиксировали во втором эпизоде, составляли около 8 и 14 масс Солнца. Именно в таком диапазоне, по расчетам астрофизиков, должны находиться массы объектов, возникающих в результате коллапса звездных ядер. Но другие события свидетельствуют о том, что существует популяция черных дыр с массами от 25 до 35 солнечных масс. До эксперимента LIGO об этой группе объектов мы ничего не знали.

Затем, в августе 2017 года, коллаборация LIGO впервые увидела гравитационные волны от слияния нейтронных звезд. Это событие, произошедшее на расстоянии 130 миллионов световых лет, наблюдали и другие астрономы. Около 70 телескопов и обсерваторий по всей планете и в космосе одновременно развернулись к одной и той же точке в созвездии Гидры и обнаружили там гамма-всплеск и послесвечение в видимом диапазоне.

Рис. 10.2. Через 100 лет после теоретического предсказания черных дыр их открыли экспериментально – в LIGO.

На рисунке – две черные дыры в сценарии слияния друг с другом во время сближения по спиралевидной траектории (R. Hurt – Caltech / JPL.).

Это доказывало, что слияния нейтронных звезд могут вызывать кратковременные гамма-всплески. Астрономы впервые стали свидетелями формирования тяжелых элементов – в результате взрыва образовалось столько золота, что его хватило бы, чтобы сделать планету размером с Землю, а также другие тяжелые элементы, включая уран, плутоний и свинец.

По мере обнаружения новых подобных сигналов мы будем в состоянии уточнять наше понимание эволюции и структуры Вселенной как целого. Наблюдения за несколькими слияниями черных дыр, возможно, помогут понять природу темной энергии. По форме сигнала – возрастанию и падению частоты и мощности гравитационных волн – мы можем определить размеры черных дыр и выяснить, насколько интенсивным было событие во время его зарождения. Сравнение первоначальной мощности события со слабыми вибрациями детектора LIGO говорило бы нам о том, насколько далеко оно произошло. Вместе с наблюдениями стандартных телескопов это может поведать нам о расширении пространства за то время, которое потребовалось гравитационным волнам, чтобы дойти до нас. На этом основании мы сможем оценить степень влияния темной энергии на пространство.

К работе по поиску гравитационных волн подключились и другие типы детекторов. Европейское космическое агентство планирует разработать лазерную интерферометрическую антенну (eLISA) – огромный космический детектор, способный улавливать гораздо более длинные волны, включая волны, которые должны излучаться при столкновении двух сверхмассивных черных дыр. Технология этого детектора уже опробована в подготовительной космической программе LISA Pathfinder (LISA-следопыт).

В будущем мы можем ожидать появление детекторов, работающих на более коротких длинах волн, чем LIGO, что может позволить нам уловить первичные гравитационные волны из очень молодой Вселенной. Эти волны должны были возникнуть в период инфляции – ускоренного расширения – в первые мгновения после Большого взрыва. Результаты этих наблюдений могут даже указать нам путь к созданию теории великого объединения Вселенной. Когда-то все четыре фундаментальных взаимодействия самой природой были объедены в одно целое. По мере того, как Вселенная расширялась и охлаждалась, эти фундаментальные взаимодействия потеряли связь друг с другом в результате непонятных пока событий. Но исследование гравитационных волн может пролить свет на эти события.

Какой самый далекий объект мы видим во Вселенной?

Кажется удивительным, что на страницах научных и научно-популярных журналов основное внимание уделяют не интенсивным гамма-всплескам и не сверхмощным квазарам, а маленькой галактике. Красное смещение объекта GN-z11 составляет 11,09, и это намного большее, чем у любого другого известного объекта.

Если вы хотите знать, сколько это будет в световых годах, то ответ на этот вопрос получить сложно. Одним из показателей является время прохождения света: свет от GN-z11 путешествовал в течение 13,4 миллиарда лет. Но с тех пор, как этот свет покинул источник, Вселенная расширялась, что сильно изменило общую картину. Среди различных способов измерения расстояния, используемых космологами, наиболее интуитивно правильным представляется метод измерения собственного расстояния. Расстояние до GN-z11, измеренное таким образом, составляет 32 миллиарда световых лет.