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

Гравитационно-волновая астрономия не исключение. Извилистые линии на экране компьютера Марко Драго (так называемый чирп волны GW150914) – это единственное свидетельство ее существования, которым мы располагаем. Быстрый подъем частоты и амплитуды – и снова ничего. Что могло вызвать эти ничтожные колебания? Запустите компьютерный анализ данных и получите ответ – соединение двух ЧД в дальней части Вселенной, которого в действительности никто не видел. Похоже на магию.

Тем не менее теоретики, например Кип Торн, совершенно уверены в своих заявлениях. Поскольку сигнал был зарегистрирован только двумя детекторами, трудно с точностью определить место, откуда он поступил. Не известно и точное расстояние – оно может быть любым в интервале от 0,8 до 1,8 млрд св. лет. Но обстоятельства слияния гораздо менее туманны.

В какой-то далекой галактике две ЧД вращались на общей орбите. Одна была в 36 раз массивнее нашего Солнца, другая имела массу в 29 солнечных – значительно больше, чем предполагали астрономы. (Я вернусь к этому моменту в конце главы.) У ЧД такого размера так называемый горизонт событий – сферическая «поверхность» невозврата – имеет диаметр несколько сот километров.

Много миллионов лет две ЧД очень медленно сближались по спирали, поскольку излучение слабых гравитационных волн уносило энергию системы, как в случае пульсара Халса – Тейлора. По мере сближения взаимное обращение ЧД ускорялось. Чем выше ускорение, тем больше амплитуда гравитационных волн. Чем короче орбитальный период, тем, соответственно, выше частота гравитационных волн.

Постепенно две ЧД сблизились на расстояние около 350 км, мчась по общей орбите со скоростью более половины скорости света. Затем в течение доли секунды они слились в намного более массивную ЧД – порядка 62 солнечных масс. Любой ученик начальной школы знает, что 36 + 29 = 65. Что случилось с тремя солнечными массами? Они были превращены в энергию ( E = mc 2 ) и излучены в форме мощного выброса волн Эйнштейна.

Как я уже говорил, пространственно-временной континуум имеет невероятную жесткость, но, если в какой-то точке происходит внезапный выброс энергетического эквивалента трех солнечных масс, даже пространственно-временной континуум не может не завибрировать. Сразу за горизонтом событий гравитационные волны, возникшие в результате слияния черных дыр на расстоянии около 1000 км, на кратчайший миг растягивают и сжимают размеры любого объекта на величину до 1 %. На первый взгляд немного, но достаточно, чтобы разрушить хрупкие химические связи большинства молекул. Вы бы этого не пережили. Всеобщий принцип относительности убил бы вас.

С безопасного расстояния соединение двух ЧД, должно быть, представляет собой великолепное зрелище [87] Фильм о слиянии черных дыр, вызвавшем GW150914: https://www.youtube.com/watch?v=vm9sAdXwPrE . . На пресс-конференции 11 февраля 2016 г. Торн показал компьютерную анимацию на основе того же научного алгоритма, что использовался в фильме «Интерстеллар». Две ЧД представлены в виде круглых дисков, чернильно-черными силуэтами выделяющихся на фоне звезд. При их орбитальном движении свет фоновых звезд отклоняется то в одну, то в другую сторону сильной гравитацией вблизи горизонта событий каждой ЧД. Эффект гравитационного линзирования создает фантастическую картину сдвигающихся и мерцающих звезд. Две ЧД сближаются по спирали, сливаются, и возникает одна ЧД, вибрирующая, словно гонг, но намного быстрее. Постепенно колебания затухают, все успокаивается. Через миллиард с лишним лет возмущения пространственно-временного континуума, вызванные этой катастрофой, достигают Земли, хотя и с почти неуловимой амплитудой.

Почему ученые настолько уверены, что все произошло именно так? Видео выглядит убедительно, но это всего лишь анимация на основе уравнений ОТО. Откуда Торн и его коллеги знают массы двух слившихся ЧД и массу дыры, возникшей в результате слияния? Откуда они знают, что произошло именно слияние ЧД, а не другое событие? Как можно что-то утверждать, исходя лишь из двух коротких чирпов, зарегистрированных LIGO?

В какой-то мере это продукт здравого смысла и дедукции. Согласно теории Эйнштейна, компактный двойной объект порождает гравитационные волны с частотой, в два раза превышающей орбитальную частоту. Поскольку непосредственно перед слиянием наблюдаемая частота волны составляла порядка 200 Гц, два движущихся по общей орбите объекта совершали около 100 оборотов в секунду. Одно это указывает на то, что массы и плотности объектов были огромны. Продолжительность события также информативна. Сближение по спирали менее массивных объектов заняло бы больше времени. Объекты меньшего диаметра слились бы при большей орбитальной частоте. Наконец, частота волны Эйнштейна во время фазы затухания определяется массой образовавшейся ЧД.