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

Несколько лет назад радиоастрономы еще питали тайную надежду найти прямые доказательства существования волн Эйнштейна раньше физиков LIGO и Virgo. В 2010 г. и 2011 г. два лазерных интерферометра закрылись на масштабную реконструкцию. На тот момент они не обнаружили гравитационных волн, и усовершенствованные детекторы должны были вернуться в строй не ранее 2015 г. и 2016 г., тогда как наблюдения за пульсарами не прерывались. В 2013 г. главный исследователь NANOGrav Ксавье Сименс и его коллеги даже опубликовали в Classical and Quantum Gravity оптимистичную статью, начинавшуюся утверждением, что «регистрация возможна в течение десятилетия и может произойти уже в 2016 г.».

Очевидно, этого не произошло. Коллаборации LIGO и Virgo поразили мир первой серией открытий. 12 февраля 2016 г., всего через день после пресс-конференции, посвященной GW150914, на сайте IPTA появилось сообщение:

International Pulsar Timing Array (IPTA) поздравляет коллег из LIGO и Virgo с эпохальным открытием. Первая прямая регистрация гравитационных волн – действительно грандиозное научное и технологическое достижение, заслуживающее широкого признания… IPTA постоянно повышает свои возможности регистрации гравитационных волн наногерцового диапазона, прежде всего образованных сближением по спирали двойных сверхмассивных черных дыр. Мы с нетерпением ждем момента, когда тоже будем иметь честь объявить о регистрации гравитационной волны, но сегодня поднимаем бокалы за потрясающий успех LIGO!

Оптимизм не утрачен. В марте 2016 г. Стивен Тейлор из ЛРД вместе с коллегами представил новый анализ, оценивающий вероятность регистрации наногерцовых гравитационных волн в течение десятилетия в 80 %.

Следует иметь в виду, что все расчеты строятся на теоретических моделях. Сила гравитационно-волнового фона зависит от большого числа допущений. Модели и допущения могут быть ошибочными. В галактиках действительно имеются сверхмассивные ЧД, галактики действительно сталкиваются и сливаются, но дьявол скрывается в деталях. Каково распределение масс сверхмассивных ЧД – иначе говоря, сколько их приходится на определенный диапазон масс? Как развиваются галактики и сверхмассивные ЧД? Насколько часто галактики сталкиваются? Если слияния происходили чаще в отдаленном прошлом (что очень вероятно), как именно снижается частота слияний со временем?

Другие неопределенности связаны с событиями, происходящими после столкновения. Сколько времени нужно, чтобы две сверхмассивные ЧД под действием гравитации «просочились» в центр возникшей в результате слияния галактики? Окажутся ли они достаточно близко друг к другу, чтобы излучить доступные для регистрации гравитационные волны? Все это зависит от того, как именно ЧД взаимодействуют с отдельными звездами и облаками газа в центральной области галактики, но мы об этом практически ничего не знаем.

Надежды на регистрацию гравитационно-волнового фона могут оказаться беспочвенными по многим причинам. Возможно, в молодой Вселенной возникло меньше сверхмассивных ЧД, чем мы думаем, или галактики сливаются реже, чем принято считать. А может быть, сверхмассивным ЧД нужны миллиарды лет, чтобы оказаться достаточно близко друг от друга. Миллионы слияний могут «забуксовать». Финальная фаза сближения может быть гораздо скоротечнее, чем в теории. Возможно сочетание нескольких факторов.

В то же время временны́е измерения решетки пульсаров – пусть пока с нулевым результатом – дают ценные фрагменты общей картины. Сила гравитационно-волнового фона снабжает астрономов важной информацией об эволюции галактик и сверхмассивных ЧД. Благодаря программам продолжительностью в несколько десятилетий теоретики сегодня располагают экспериментальными данными для проверки своих гипотез. Некоторые теоретические модели эволюции галактик путем слияния уже опровергнуты, поскольку предсказывали существование настолько сильных наногерцовых волн, что их уже должны были зарегистрировать. Если наногерцовые волны будут обнаружены в ближайшем будущем, их характеристики многое расскажут о процессах в дальних областях Вселенной и в ядрах сливающихся галактик.

На сегодняшний день астрономы, изучающие пульсары, продолжают кропотливый труд. Примерно каждые две недели они обследуют десятки миллисекундных пульсаров, пополняя базу данных. Медленно, но верно, год за годом, повышается чувствительность инструментов. Никто не сомневается, что когда-нибудь поиск увенчается успехом. Это, однако, будет не революционная регистрация, как у LIGO, а следствие постепенно растущей уверенности.