Говерт Шиллинг - Складки на ткани пространства-времени [Эйнштейн, гравитационные волны и будущее астрономии] [litres]

Двойные сверхмассивные ЧД даже наблюдались, хотя и косвенно, через периодические изменения яркости и доплерометрию далеких (на расстоянии порядка 3,5 млрд св. лет) квазароподобных объектов. Детальные наблюдения и компьютерное моделирование оставляют возможность только для одного объяснения: две очень массивные ЧД на общей орбите. В настоящее время они разнесены на триллионы километров (существенную часть светового года). Предположительно, они сольются через несколько десятков тысяч лет.

Итак, можно ожидать, что во Вселенной имеется множество гравитационных волн чрезвычайно низкой частоты. Они приходят с любого мыслимого направления, имеют широкий спектр частот (наногерцового диапазона), а также значительно отличаются амплитудами в зависимости от массы породивших их ЧД и, разумеется, пройденного расстояния. Вместе они постоянно растягивают и сжимают пространственно-временной континуум – совсем чуть-чуть и очень медленно, астрономы называют это гравитационно-волновым фоном.

Приведу наглядное сравнение. Представьте, что вы находитесь в крохотной лодочке посреди спокойного океана. На его поверхности отчетливо видна слабая рябь. Если кто-то бросит большой камень в воду поблизости от вашей лодки, вы почувствуете, что она начала слегка покачиваться. Намного труднее, однако, заметить очень медленные непрерывные колебания поверхности воды – волны, возможно, гораздо большей амплитуды, но значительно меньшей частоты. Как измерить этот «волновой фон»?

На самом деле это просто: ваш «детектор» не в лодке, а вокруг вас. Другие лодки, плывущие в океане, будут, как и ваша, слегка подниматься и опускаться на мелких частых волнах, но, если наблюдать за ними долгое время, эти движения можно исключить путем усреднения. Низкочастотные волны заставят другие лодки «нырять» очень медленно. Измерив растянутые во времени перемещения некоторого числа этих лодок, вы узнаете о существовании медленных колебаний поверхности океана. Если вы знаете расстояния до каждой из лодок и накопили достаточно замеров, то сможете даже обнаружить несколько отдельных источников низкочастотных волн.

Именно так действует решетка наблюдения за временнóй динамикой пульсаров. Поверхность океана – это пространственно-временной континуум. Окружающие лодки – миллисекундные пульсары в Млечном Пути. Пульсары не подпрыгивают вверх-вниз на волнах (как я уже говорил, идеальной аналогии не существует). Вместо этого попеременно растягивается и сжимается при прохождении низкочастотной гравитационной волны пространство между Землей и определенным пульсаром – в действительности это пространство увеличивается и вновь сокращается, очень медленно и в очень малой степени. Но, если следить за временем прибытия импульсов много лет, эффект постепенно проявится. Очень просто!

Конечно, не очень просто. Если бы Земля и пульсар оставались неподвижными в пространстве и пульсар был действительно идеальным часовым механизмом, то все колебания времени прибытия импульсов объяснялись бы волнами Эйнштейна. Но ситуация намного сложнее. Прежде всего, пульсары несовершенны – ничто в природе не совершенно. Их вращение замедляется, хотя и очень медленно. У них наблюдаются «глитчи» – неожиданные крохотные изменения периода вращения. Глитчи могут вызываться «звездотрясениями» поверхности или взаимодействием коры нейтронной звезды со сверхтекучей внутренней областью. Если не измерять эти эффекты и не делать поправки на них, вы не сможете заметить гравитационную волну.

Более того, миллисекундные пульсары часто входят в двойные системы. Необходимо учитывать их орбитальное движение, также влияющее на время прибытия импульсов. Нужно корректировать и движение вашего радиотелескопа в пространстве. Собственное вращение Земли, ее движение по орбите вокруг Солнца, мелкие гравитационные возмущения со стороны других планет Солнечной системы, приливно-отливные явления, движение Солнца по Млечному Пути, даже континентальный дрейф – необходимо учитывать все. Для этого нужно точно смоделировать все возможные влияния и очистить от них измерения. Все оставшиеся отклонения от равномерного потока импульсов могут быть вызваны гравитационными волнами.

В принципе, этот эксперимент можно поставить с единичным миллисекундным пульсаром. Но тогда нельзя быть уверенным, что действительно измеряешь гравитационные волны, а не что-нибудь еще. Пульсаров должно быть больше – и чем больше, тем лучше. Желательно случайным образом распределенных по всему небу. Нужно очень внимательно наблюдать за ними годами, а лучше десятилетиями. Чем дольше ведутся наблюдения, тем точнее эксперимент. Знание расстояний до пульсаров значительно облегчает анализ результатов наблюдений. Возможно, вы найдете пару источников наногерцовых гравитационных волн, выделяющихся из хаотичных фоновых сигналов, – относительно близко расположенные двойные системы сверхмассивных ЧД.