Темная сторона Вселенной

Что мы можем получить от черной дыры? Что говорит нам по этому поводу теория относительности Эйнштейна? Если у объекта есть только масса, только гравитация, то он только гравитацией нам и может сообщить о себе. Вот он косвенно сообщает по движению звезд вокруг него. А как-то еще может?

Оказывается, может. Гравитационные волны — они были предсказаны в рамках общей теории относительности, и предсказание говорило вот о чем: если массивный объект движется ускоренно, например, два тела, две звезды обращаются вокруг общего центра масс, то они будут вокруг себя искажать геометрические свойства пространства-времени, это искажение со скоростью света побежит от них в разные стороны.

Можно ли это зафиксировать? К сожалению, сделать такой эксперимент в лаборатории практически невозможно. Создать гравитационную волну и заметить ее? Гравитация — очень слабая сила, вы не поверите: вот мы сейчас все сидим на стульях, и нас к этим стульям притягивает гравитация. Это только потому, что под нами гигантская Земля.

Проведите маленький мысленный опыт. Возьмем две элементарные частицы, например, два протона, и посмотрим, с какой силой они притягиваются друг к другу за счет гравитации, а с какой отталкиваются за счет электрического взаимодействия — они же одноименно заряженные частицы, они отталкиваются.

Найдем отношение электрической силы к гравитационной. Это легко посчитать, школьник любой это сделает: 10 в 36 степени, то есть единица с 36 нулями.

Даже названия у такого числа нет, колоссальное число — во столько раз гравитация слабее электрических сил. Именно поэтому наше тело, все твердые и жидкие тела, за счет электрических сил остаются связанные, держат свою форму, а гравитацию окружающих тел, кроме гигантской Земли, мы не ощущаем. Нас не притягивает ни стена дома, ни человек, который рядом с нами. Слишком малы гравитационные силы.

В мире есть массивные объекты – звезды. Двойные звезды, которые обращаются вокруг общего центра масс. Может быть можно использовать их как источник гравитации? На это и была надежда, и физики уже несколько десятилетий назад взялись за эксперимент по регистрации волн.

Во-первых, было косвенно замечено существование гравитационных волн. Нетривиальные вещи: теория относительности могла и ошибаться, но оказалось, что не ошибается.

Была найдена двойная звезда, каждая из которых — нейтронная звезда, причем одна из них еще и радиопульсар, посылающий быстрый радиосигнал.

Следя за этими радиосигналами как за маячком, астрофизики заметили, что это двойная звезда потихонечку сжимается. Объекты, двигаясь один вокруг другого, еще и приближаются один к другому. Почему? Да потому что они теряют энергию за счет излучения гравитационной волны.

Такое совпадение реальных измерений и теории, которая описывает их, честно говоря в физике еще надо поискать. Изумительное совпадение, которое надежно показало, что теория относительности не ошибается по поводу гравитационных волн в том, что они есть.

Все-таки это косвенное доказательство их существования. А какую информацию они могли бы донести до нас и как?

Если бы от такого космического объекта к Земле, сквозь Землю, сквозь нас, прошла гравитационная волна, то мы бы ощутили переменное гравитационное поле, как говорят физики приливное гравитационное поле.

Та же история связана с приливами в океане. За счет притяжения к Луне наши океаны деформируются в течение суток, а если взять какой-то твердый предмет и на него падает гравитационная волна, то с периодом пульсации гравитационные волны будут изменять формы этого предмета, он будет немного дрожать. На этом был построен расчет при создании первых гравитационно-волновых антен.

Первым за это дело взялся очень известный американский физик-экспериментатор Джозеф Вебер . Он поступил просто. Взял твердое тело — алюминиевую болванку тяжелую, и обклеил ее пьезокристаллами, которые чувствуют самые маленькие колебания болванки, и ждал, когда придет гравитационная волна и цилиндр начнет колебаться. Он иногда колебался, но, как выяснилось потом, все это были вполне земные причины — колебания почвы, связанные с проездом грузовика какого-нибудь рядом с лабораторией или сейсмические колебания нашей планеты. Гравитационную волну ему заметить так и не удалось, эксперимент был недостаточно тонким.

Это направление продолжают развивать физики, теперь они уже поняли, что надо эту самую болванку — детектор гравитационной волны — охладить почти до абсолютного нуля. Когда она замерзнет, прекратятся даже колебания атомов внутри нее, и может быть тогда она почувствует гравитационную волну. Это направление развивается, но результата пока оно не принесло.

А вот другое направление — принесло. Какое?

Гравитационно-волновые приемники нового типа основаны на принципе измерения расстояний между свободными массами.  Лазерный луч запускается внутрь одних зеркал, и перпендикулярно к ним расположенных. Зеркала подвешены на тоненькие ниточки, и когда приходит гравитационная волна — зеркала начинают колебаться, и луч света там проходит разное расстояние: то больше, то меньше в противофазе. Затем эти лучи возвращаются, складываются, но мы знаем, что при сложении одинаковых лучей возникает интерференция. Они то усиливают, то ослабляют друг друга, приемник этого луча может зарегистрировать слабые колебания таких свободно подвешенных зеркал.

Это легко сказать, но трудно сделать. Вот первый гравитационно-волновой лазерный детектор. Две перпендикулярно расположенных трубы длиной по четыре километра каждая, таких два детектора сооружены в США на большом расстоянии друг от друга, чтобы независимо регистрировать гравитационную волну. В трубах вакуум, там бегает световой луч от мощного лазера. Происходит попытка регистрировать гравитационные волны.

На вид — просто какая-то бетонная труба. На самом деле, там еще и металлическая труба есть, и чудовищно сильный низкий вакуум, почти полная пустота, чтобы не мешать лучу света бегать туда-сюда.

Это очень тонкий эксперимент, по сути 20 лет работали физики, чтобы привести эту установку в состояние, когда она способна регистрировать гравитационную волну.

Сейчас идет несколько строек детекторов по всему миру. В России тоже строится детектор. Всего в мире два американских, два европейских, австралийский и японский детекторы, не все еще готовы, но постепенно их количество будет увеличиваться.

15 сентября 2015 года произошло знаменательное событие. Впервые два американских детектора вздрогнули одновременно и прописали колебания своих зеркал совершенно одинаковыми. Понятно было, что на них пришла одна и та же гравитационная волна от какого-то объекта. Что случилось? Почему колебания нарастали, а потом прекратились?

Расчеты показали, что сама гравитационная волна родилась при сближении, и, в конце концов, окончательном слиянии двух черных дыр очень большой массы, примерно по 30 масс Солнца каждая, и произошло это на безумном расстоянии от нас, 400 миллионов парсеков — это примерно миллиард 200 миллионов световых лет. Очень далеко от нас, в далекой Галактике, настолько грандиозное событие происходило.

Две, так сказать, гравитационные ямы, места наибольшего притяжения, сближаются, теряя энергию орбитального движения, излучая гравитационную волну столь слабую, что мы ее еще пока не видим. Только в последнюю секунду, когда они сблизились настолько, что почти соприкасаются друг с другом, и мощность волны резко увеличилась, тогда мы ее зафиксировали.

Что потом?  Потом, слившись, две черные дыры превратились в одну, никакой гравитационной волны от них ожидать не можем, это одно спокойное тело. Но гравитационная волна со скоростью света пошла, и пришла к нам. При полном слиянии она прекратила генерироваться.

Первые эпизоды регистрации гравитационных волн были в 2015 году, когда две черных дыры сливались. Потом была небольшая реконструкция этого прибора, он стал более чувствительным, и в 2017 году начались новые наблюдения.

Сегодня уже настолько повысилось качество этого прибора, что каждую неделю мы открываем гравитационную волну, приходящую к Земле: то есть слияние (в основном это слияние черных дыр) наблюдается.

В августе 2017 года мы наблюдали слияние двух нейтронных звезд, что оказалось даже интереснее для астрофизиков. Почему? Посмотрите в виде анимации. Это очень похоже на правду.

В финале взрыв. Дело в том, что нейтронные звезды, слившись в единый объект, взрываются как сверхновые, и выбрасывают не только гравитационный импульс, но еще и вспышку света, и вспышку рентгеновских и гамма-лучей, и все это можно заметить не только гравитационным детектором, но и нормальными оптическими телескопами. И такие редкие очень, кратковременные события, как правило, замечают телескопы-роботы. Дело в том, что человеку просто не уследить за таким быстрым объектом.

Телескопы-роботы есть по всему земному шару, их создали несколько коллективов астрономов. Один из этих коллективов — лаборатория в нашем астрономическом институте под руководством профессора Липунова — создает сеть таких телескопов-роботов.

Такие телескопы расположены фактически по всему земному шару, и телескоп-робот без участия человека в состоянии быстро реагировать и регистрировать быстропротекающие события в космосе.

Изобретателям, создателям и руководителям вот этих гравитационно-волновых антенн, конечно, была положена Нобелевская премия. Они ее получили в 2017 году практически сразу после своего замечательного открытия.

Это был все тот же Кип Торн, который когда-то сомневался, что мы найдем нейтронные звезды. Теперь он и его коллеги физики-экспериментаторы прекрасно обнаруживают черные дыры и нейтронные звезды по гравитационным импульсам.

Между прочим, не только они. Конечно, они — локомотивы этой работы, но в ней участвуют тысячи физиков со всего земного шара.

Здесь я хочу отметить вклад российских ученых. Дело в том, что группа физиков под руководством профессора Брагинского физического факультета МГУ внесла очень большой вклад в теоретическую обработку сигналов, приходящих в виде гравитационных волн, а группа академика Сергеева, из Нижнего Новгорода (Институт прикладной физики), создавала реальное лазерное наполнение этих гравитационных новых антенн.  Так что вклад наших ученых тоже весьма заметен, и всегда отмечается.

Это направление развивается, например, создан твердотельный детектор гравитационных волн.

Эдакие болванки, которые сейчас создаются, более чувствительны, чем раньше: их помещают в жидкий гелий, охлаждают, и так далее. Может быть, мы в ближайшее время от них получим какой-то важный гравитационный сигнал.

Есть совершенно замечательный проект космического гравитационно-волнового детектора.

По сути — это три отдельных спутника, которые будут обмениваться лазерными лучами, а каждый из них будет на расстоянии пяти миллионов километров друг от друга, и когда придет гравитационная волна, вздрогнет эта система, расстояние немного изменится между ними, и они это зафиксируют.

Надеюсь, что это тоже будет создано, хотя система дорогая. Но уже опытный спутник летает, он продемонстрировал возможности этой системы, и, скорее всего, она будет работать в полноразмерном масштабе, когда найдутся деньги для ее запуска в космос.

На анимационном ролике наглядно представлено, как система будет работать.

Они будут летать по орбите Земли вокруг Солнца, сопровождая Землю, мы будем следить за их работой, а они будут следить за приходом гравитационных волн. Я думаю, что в ближайшие годы это состоится.

Нам бы, конечно, хотелось заглянуть внутрь черных дыр, — туда, в самую сердцевину. Удастся ли это? Я сомневаюсь. Даже если кто-то туда попадет, он ничего нам не расскажет из-под горизонта событий, потому что оттуда сигналы не выходят, но представить себе это можно.