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

Физик из MIT Дэвид Шумейкер, работающий по этому направлению с 1975 г. и по настоящее время возглавляющий Advanced LIGO, был чрезвычайно доволен: «Это очень важное собрание. Судя по всему, это поворотный пункт в судьбе eLISA. Я предлагаю отныне отказаться от е в названии. Теперь у нас снова LISA».

До принятия окончательного решения по строительству Лазерно-интерферометрической космической антенны еще пройдет время (заявка на миссию подана 13 января 2017 г.), но уже ясно, что в начале 2030-х гг. лазерные пучки начнут переотражаться между тремя космическими аппаратами, летящими группой вокруг Солнца в нескольких миллионах километров друг от друга, держа дистанцию с точностью до пикометра. Наконец астрономы смогут зарегистрировать волны Эйнштейна на миллигерцовых частотах, излученные тесными двойными системами и сливающимися сверхмассивными ЧД на окраинах наблюдаемой Вселенной.

LISA, возможно, не останется в одиночестве. На собрании в Цюрихе Сюити Сато из токийского Университета Хосэй отчитался в ходе работ по проекту «Децигерцовой интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории» (Deci-hertz Interferometer Gravitational Wave Observatory, DECIGO). Масштабный замысел возник в 2001 г. DECIGO должен был стать своего рода мини-LISA с тремя маленькими космическими аппаратами на дистанции порядка тысячи километров друг от друга. В следующем десятилетии на орбиту Земли можно будет вывести демонстрационную миссию поменьше (pre-DECIGO) с плечами 100 км, а в 2030-х гг. осуществить программу в полном объеме.

Тем временем китайские ученые строят планы создания двух космических интерферометров. Первый – «ТянКин» – предложен командой университета Чжуншань в Гуанчжоу. Он будет состоять из трех аппаратов на орбите Земли, образующих гигантский треугольник с Землей в центре. Плечи интерферометра составят около 150 000 км. Более крупная структура для размещения на орбите Солнца разрабатывается Академией наук КНР. При длине плеч 3 млн км она сопоставима с LISA. По словам Гань Цзина из Института механики АН КНР, два китайских проекта могут быть объединены в одну миссию с предполагаемым выводом в космос в начале 2030-х гг.

Можно только гадать, что именно «увидят» космические интерферометры. Разумеется, у астрономов есть обоснованные предположения, но детали неясны. Рассмотрим, к примеру, слияние сверхмассивных ЧД. Если в центре большинства галактик находятся гигантские ЧД и если галактики сталкиваются, можно предполагать, что их ЧД в конце концов начнут совершать орбитальное движение в центре объединенной галактики. Сначала они будут излучать только наногерцовые гравитационные волны, обнаруживаемые посредством долгосрочного высокоточного измерения временнóй динамики радиопульсаров (см. главу 13). Затем, в случае сближения пары ЧД по спирали, орбитальный период уменьшится, а частота волны Эйнштейна возрастет. Примерно за два года до столкновения и слияния LISA сможет зарегистрировать эти волны независимо от удаленности их источника.

Однако, поскольку свету нужно время, чтобы пересечь Вселенную, мы наблюдаем галактики, находящиеся от нас на расстояниях в миллиарды световых лет, такими, какими они были миллиарды лет назад. Чтобы оценить возможную частоту слияний сверхмассивных ЧД, астрономам нужно знать историю эволюции галактик и ЧД в их ядрах, а также вероятность того, что каждая двойная система сверхмассивных ЧД рано или поздно переживает столкновение. Теоретики предложили широкий спектр прогнозов на основе различных астрофизических гипотез, но никто не знает точного ответа.

Ответ дадут наблюдения гравитационных волн – это, безусловно, огромный плюс LISA. Любая жизнеспособная теория эволюции галактик и ЧД должна согласовываться с наблюдаемой частотой слияний. Через несколько лет работы LISA покажет, какие теории ошибочны, а какие могут соответствовать действительности.

Еще меньше мы знаем о компактных объектах, попадающих в сверхмассивную ЧД. Время от времени такая ЧД в ядре галактики поглощает звезду или облако газа, оказавшиеся слишком близко. Предположительно, в рядовой галактике вроде нашей такое событие случается раз в несколько миллионов лет. Нормальная звезда, подобная Солнцу, почти наверняка будет разорвана на части приливными силами ЧД. Некоторые выбросы рентгеновского излучения, наблюдаемые в других галактиках, возможно, вызваны подобными событиями. Но значительно более компактный объект, например белый карлик, нейтронная звезда или относительно маловесная ЧД, может преодолеть приливное воздействие. Если в результате это обреченное небесное тело начнет все быстрее обращаться вокруг сверхмассивной ЧД, то при этом будут излучаться гравитационные волны, которые LISA сможет зарегистрировать. Такое событие называется слиянием с экстремальным соотношением масс (Extreme Mass Ratio Inspiral, EMRI), поскольку ненасытная ЧД несравнимо массивнее своей жертвы.