Вселенная. Емкие ответы на непостижимые вопросы - Брайан Грин

За следующие несколько лет, по мере роста чувствительности LIGO, мы, скорее всего, увидим сотни столкновений черных дыр, а также гравитационные волны от вращающихся нейтронных звезд, сталкивающихся нейтронных звезд, от черных дыр, разрывающих нейтронные звезды, и, возможно, взрывов сверхновых и космических струн в очень ранней вселенной. Кроме того, возможно, нас ждут очень большие сюрпризы.

И все это – только начало. LIGO регистрирует гравитационные волны, которые колеблются с миллисекундными периодами: волны в миллисекундном «гравитационном окне» вселенной. За следующие 20 лет откроются еще три гравитационных окна. Во-первых, волны с периодами от минут до часов будут наблюдаться расположенным в космосе европейским проектом LISA. Это три космических аппарата, которые следят друг за другом лазерными лучами. Во-вторых, волны с периодами в несколько лет, которые ускоряют или замедляют все часы на Земле, заставляя импульсы от группы радиопульсаров в небе синхронно замедляться и ускоряться. Наконец, первичные волны с периодом в миллиарды лет от Большого взрыва, которые можно косвенно наблюдать по воздействию на поляризацию космических микроволн. Эти четыре новых окна будут аналогичны окнам электромагнитной астрономии, где используется гамма-излучение, рентгеновское излучение, видимый свет и радиоволны, но они будут гравитационными, а не электромагнитными.

В нашем мультимедийном концерте мы показываем будущее астрономии гравитационных волн в музыке и изображениях: LISA будет наблюдать гравитационные волны от маленьких черных дыр на орбите вокруг гигантских черных дыр. Эти орбиты – очень сложные (рис. 1), так как вращение большой черной дыры затягивает пространство в круговое вращение, как воздух в торнадо. В итоге сами волны – тоже сложной формы. Но поразительно – эти сложные волны несут в себе информацию о полной карте искривленного пространства-времени большой дыры, и малая черная дыра получает всю эту информацию по мере обращения вокруг большой дыры.

Рис. 1. Орбита маленькой черной дыры вокруг черной дыры куда большего размера, быстро вращающейся. Модель Стива Драско.

Если смотреть из более высокого измерения (пятое измерение в «Интерстеллар»), пространство вокруг черной дыры должно иметь такую форму. Оно похоже на воронку или рупор (см. рис. 3 в предыдущей лекции). Черное кольцо внизу – это горизонт событий дыры. На самом деле это расплющенная сфера, которая выглядит как круг, потому что я убрал из этой картины одно пространственное измерение. Цвета показывают замедление времени возле горизонта, а белые стрелки показывают, как дыра затягивает пространство в спиральное движение, как воздух в торнадо.

Теперь представьте, что объект, вокруг которого движется маленькая черная дыра, может быть голой сингулярностью, объектом, сделанным из бесконечно искривленного пространства-времени. Такого может и не существовать, но если LISA обнаружит его, это будет потрясающе!

В этом случае (рис. 2) показанная орбита черной дыры, близкой к сингулярности, может быть крайне хаотичной, тогда как орбиты более удаленных черных дыр будут более правильными. Измеряя гравитационные волны от маленьких черных дыр, LISA может сконструировать карту искривленного пространства-времени сингулярности, карту, резко отличающуюся от той, что покажут маленькие дыры на орбитах вокруг гигантской черной дыры.

Рис. 2. Орбиты шести малых черных дыр вокруг массивной «голой» сингулярности Манько – Новикова. Модель Джендрю Бринка.

Возможно, LIGO вскоре сможет уловить и расшифровать гравитационные волны, которые образуются, когда черная дыра разрывает на части нейтронную звезду. Эти волны позволят нам узнать подробности строения звездного вещества, в десять раз более плотного, чем ядро атома, вещества более необычного, чем все, с чем до сих пор сталкивались люди. А проанализировав гравитационные данные совместно с данными оптических и рентгеновских наблюдений, мы узнаем еще больше.

Во время концерта мы видим сталкивающиеся черные дыры с нескольких точек зрения. Первая – это столкновение, каким его увидят человеческие глаза: черная дыра искажает свет далеких звезд за счет гравитационного линзирования.

Интереснее наблюдать то же столкновение из «пятого измерения» «Интерстеллар» (рис. 3). Перед столкновением (слева) каждая черная дыра сворачивает пространство в воронку, в центральных областях время замедляется, а стрелки указывают на затягивание пространства в движение. Столкновение (справа) превращает форму пространства, течение времени и движение пространства в бурный шторм. Мы даже видим часть внутреннего пространства сливающихся дыр (черная область в центре).

Во время такого шторма дыры выделяют гравитационные волны, мгновенная мощность которых оказывается в пятьдесят раз больше, чем мгновенная мощность свечения всех звезд во вселенной. Пятьдесят светимостей вселенной, которые выходят за долю секунды полностью в виде гравитационных волн. Без света, без радиоволн, без какого бы то ни было электромагнитного излучения. Это и в самом деле поразительно.

Рис. 3. Пространственно-временная геометрия сталкивающихся черных дыр, которые породили гравитационные волны, впервые зарегистрированные LIGO. Слева: до столкновения. Справа: во время столкновения. Модель – SXS Collaboration, визуализация – Гаральд Пфейфер.

Мы также наблюдаем горизонты событий черных дыр, их поверхности, их точки невозврата, откуда ничто не может вырваться. Когда дыры сталкиваются, их горизонты вытягиваются друг навстречу другу, сливаясь в один (рис. 4), под управлением законов механики черных дыр, сформулированных Стивеном Хокингом. Линии на горизонте изображают вращательное движение пространства в его окрестности. Кривые слева и снизу показывают предшествующее слиянию движение центров дыр; движение, на которое оказывает большое влияние закручивание пространства, происходящее из-за вращения большой дыры.

Рис. 4. Сливающиеся горизонты событий черных дыр – большой и малой – и их траектории по прошлым орбитам. Модель – SXS Collaboration, обработка данных – Энди Бон, визуализация – Карран Мульбергер.

Сверхновые – это самые яркие взрывы, видимые в оптический телескоп. Большинство из них случается, когда ядро тяжелой старой звезды коллапсирует и взрывается изнутри. Мы не до конца понимаем детали такого взрыва и не можем полностью описать механизм его запуска. Но внутренний взрыв производит гравитационные волны и нейтрино, совместный анализ которых поможет нам раскрыть секрет «центральной машины», ответственной за рождение и эволюцию сверхновой.