Блюз черных дыр и другие мелодии космоса - Жанна Левин

Представьте, что где-то во Вселенной сталкиваются две черных дыры – массивные, как звезды, но размером лишь с город, абсолютно черные (полностью поглощающие свет) дыры (пустоты). Под действием сил тяготения в последние секунды своей жизни они совершают тысячи оборотов вокруг точки контакта, завихряя пространство-время, пока не сольются в одну большую черную дыру. По масштабу это событие – самое грандиозное с момента образования Вселенной: в результате выделяется энергия, более чем в триллион раз превосходящая энергию миллиарда солнц. Однако при этом не излучается ни единого кванта света[2]. Черные дыры сталкиваются друг с другом в абсолютной темноте. Никто никогда не увидит этого, какой бы телескоп ни изобрели.

Огромная энергия, которая выделяется в результате такого столкновения, имеет чисто гравитационную природу и распространяется в окружающем пространстве в виде гравитационных волн. Оказавшийся поблизости астронавт не увидел бы ровным счетом ничего. Зато пространство вокруг него (и то, которое занимает его тело) стало бы искривляться – периодически сжиматься и растягиваться. Находясь достаточно близко к сливающимся черным дырам, астронавт мог бы услышать гравитационные волны. В абсолютной темноте он услышал бы, как звучит пространство-время. (Не будем принимать во внимание возможность смерти от черной дыры.) Гравитационные волны подобны звуковым колебаниям, но для их распространения не нужна материальная среда. Когда черные дыры сталкиваются, они звучат.

Ни один человек никогда не слышал звучания гравитационных волн. Ни один прибор их еще надежно не зарегистрировал[3]. Гравитационные волны распространяются со скоростью света. Время их путешествия от места возникновения до Земли может занимать миллиарды лет, и к тому моменту, когда волны наконец достигнут нашей планеты, шум от столкновения черных дыр станет неуловимо слабым. Слабым и тихим настолько, насколько это вообще можно себе представить. Гравитационные волны изменяют расстояние между телами [4]. К моменту, когда они достигнут Земли, это изменение не будет превышать размера атомного ядра даже для расстояний, равных трем диаметрам земного шара.

Кампания, целью которой стала регистрация колебаний пространства-времени, началась примерно полвека назад. Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO) – самый дорогостоящий проект из всех, когда-либо финансировавшихся Национальным научным фондом (ННФ), независимым федеральным агентством США, которое поддерживает фундаментальные научные исследования. Проект LIGO объединяет две обсерватории: одну в Хэнфорде, штат Вашингтон, вторую в Ливингстоне, штат Луизиана. Каждая из них занимает территорию около четырех квадратных километров. Проект суммарно стоит больше миллиарда долларов, в нем участвуют сотни ученых и инженеров из разных стран. LIGO – это апогей технологического прогресса.

Несколько лет назад наблюдения в обсерваториях были приостановлены – проводились работы по модернизации детекторов. По словам одного из экспериментаторов, заменили все их элементы, кроме пустоты – вакуума. А в это время научные группы по всему миру производили расчеты, разрабатывали алгоритмы для обработки данных, создавали хранилища информации, чтобы извлечь из нового оборудования максимум пользы. Многие ученые посвятили свои жизни тому, чтобы экспериментально измерить “изменение расстояния, по величине меньшее, чем отношение толщины человеческого волоса к ста миллиардам длин окружности Земли”.

Я надеюсь, что после того, как гравитационные волны впервые будут обнаружены, наземные обсерватории в течение многих лет смогут регистрировать звуковые сигналы катастрофических астрономических событий, которые происходили в различных уголках космического пространства, – сигналы, возникшие в результате столкновения потухших звезд и взрывов сверхновых, а также отголоски Большого взрыва. Любое значимое событие в космосе заставляет пространство-время звучать. За срок службы этих обсерваторий ученые запишут звенящие диссонирующие ноты, чтобы озвучить историю Вселенной – немое кино, смонтированное человечеством из неподвижных изображений космоса, серии картинок, полученных за последние четыреста лет, с того самого момента, когда Галилей направил свой первый телескоп на Солнце.

Я участвую в этом грандиозном эксперименте, в этой смелой попытке измерить едва уловимые изменения формы пространства-времени и как ученый, надеющийся внести свой вклад в данную фундаментальную область знаний, и как новичок, пытающийся разобраться в том, как работает незнакомое оборудование, и как писатель, мечтающий задокументировать первую в истории человечества регистрацию сигналов непосредственно от черных дыр. По мере того как глобальная сеть гравитационных обсерваторий приближается к финишной прямой в этом забеге на длинную дистанцию, становится все труднее не верить в скорые открытия, хотя скептиков по-прежнему хватает.

Проект LIGO родился и развивался среди самых различных противоречий: спорили друг с другом известные ученые, возникали серьезные разногласия между единомышленниками, приходилось решать сложнейшие технические задачи, спорными были даже сами исходные предпосылки – однако теперь проект уверенно движется к поставленной перед ним полвека назад цели и постоянно наращивает свой научный потенциал. Мы вот-вот станем свидетелями того, как колоссальная установка уловит шепот космоса. Мысленный эксперимент, воспринимавшийся поначалу как занимательный ребус, удался, и идея, возникшая в 1960-е годы, материализовалась в стекле и металле. Модернизированные обсерватории LIGO (проект Advanced LIGO) начали работать осенью 2015 года, спустя столетие после того, как Эйнштейн опубликовал математическое описание гравитационных волн. Чувствительность гравитационных телескопов достигнет максимума за один-два года… ну, может быть, за три. Благодаря оборудованию предыдущего поколения была доказана принципиальная возможность регистрации гравитационных волн, однако успех эксперименту вовсе не гарантирован. Природа не всегда идет на уступки. И когда усовершенствованные приборы обсерваторий, прецизионно настроенные и тщательно откалиброванные, приступят к поиску чего-то необычного, ученые, отбросив все сомнения, прильнут к мониторам компьютеров в надежде получить долгожданные сигналы из космоса.

Эта книга – не только хроника охоты за гравитационными волнами, за аудиозаписью истории Вселенной, за звуковой дорожкой соответствующего ей немого фильма. Она еще и дань уважения донкихотскому, героическому, мучительному стремлению экспериментаторов к поставленной цели. Дань уважения безумным мечтам.