Вселенная. Емкие ответы на непостижимые вопросы - Брайан Грин

Когда коллапс и внутренний взрыв завершаются, запуская взрыв наружу, «центральная машина» превращается в нейтронную звезду.

Астрономы видят пары нейтронных звезд – старых нейтронных звезд, – которые постепенно сближаются по спирали и теряют энергию, излучая гравитационные волны. В конце концов они сталкиваются (рис. 3), производя финальный выброс гравитационных волн, доносящих нам подробные сведения об их движении, об искривленном пространстве-времени вокруг них, об их фантастических столкновениях и о ядерном веществе, из которого они состоят.

Но для меня самым увлекательным применением гравитационных волн будет изучение первой секунды жизни нашей вселенной. Гравитационные волны – единственный вид излучения, который может выйти неискаженным из этого сверхгорячего, сверхплотного периода – первой секунды вселенной – и принести нам детальную информацию и изображения рождения вселенной.

В самые ранние моменты вселенной некоторые из фундаментальных струн – строительных кирпичей всего вещества, согласно лучшим современным идеям физиков-теоретиков – могли претерпеть инфляцию космических масштабов, произведя плотную сеть космических струн.

Когда сеть струн вибрирует, и распутывается, и снова соединяется, она производит гравитационные волны, которые, может быть, удастся измерить при помощи LIGO или LISA или при помощи радиоинтерферометров, измеряющих время прихода импульсов от радиопульсаров. Если бы мы зарегистрировали такие волны, это было бы первым намеком на наблюдательное подтверждение теории струн.

В начале первой секунды жизни вселенной электромагнитная сила была объединена со слабым ядерным взаимодействием. Но когда вселенная расширилась и остыла, это объединение стремительно распалось, и родилась электромагнитная сила. Это могло случиться внутри пузырей (так называемый фазовый переход первого рода), и если так, такие пузыри расширялись и сталкивались друг с другом со скоростью света, производя гравитационные волны. За прошедшие с тех пор эпохи длина этих волн увеличилась, и теперь они идеально подходят для регистрации и изучения с помощью LISA, орбитального проекта Европейского космического агентства.

Эти описания дают представление о классах источников гравитационных волн и об исследованиях, которые в следующее десятилетие или два выйдут на авансцену благодаря гравитационным волнам.

Гравитационная астрономия сейчас находится в той же стадии развития, в какой находилась электромагнитная астрономия вскоре после того, как Галилей навел свой первый оптический телескоп на небо и обнаружил спутники Юпитера. В будущие века гравитационная астрономия расцветет, так же как электромагнитная астрономия расцвела за века, прошедшие после Галилея.

Мы уже кое-что знаем о наблюдаемой вселенной и ее нынешнем экспоненциальном расширении. Этот вид бесконечного расширения соответствует доработанной версии общей теории относительности Эйнштейна, которую он представил в 1917 году, и, чтобы соответствовать этой теории, вселенная должна будет бесконечно экспоненциально расширяться в отдаленное будущее (рис. 1). Вам придется привыкнуть к мысли, что мне нравится иллюстрировать свои слова на графиках пространства-времени. Вот изображение вселенной на графике пространстве-времени. Время изображено движущимся вверх. Мы можем рассматривать пространство в любой момент времени как горизонтальное сечение. Конечно, я не могу изобразить на картинке все три пространственных измерения. Нам придется привыкнуть к кривой сечения на картинке пространства-времени, где горизонтальная плоскость обозначает трехмерное пространство в конкретный момент времени.

Рис. 1. Большой взрыв.

Вас может заинтересовать, зачем все эти рюшечки сзади. Я нарисовал их, чтобы остаться нейтральным в вопросе о том, открыта вселенная пространственно или закрыта, для моего доклада сейчас это неважно. По мере того, как мы поднимаем горизонтальную плоскость вверх по картинке, сечения пространства-времени показывают пространство в текущий момент времени. Вы видите, как вселенная расширяется и расширяется, и это последующее ускоренное расширение вверху – вывод, сделанный из наблюдений Брайана Шмидта за сверхновыми и из наблюдений другой группы во главе с Солом Перлмуттером. Меня это вполне устраивает, потому что это ускоренное расширение – прямое предсказание общей теории относительности Эйнштейна, которая содержит то, что называется космологической постоянной, величиной, обычно обозначаемой заглавной греческой буквой лямбда: Λ.