Блюз черных дыр и другие мелодии космоса - Жанна Левин

Квазары – это разновидность активных галактических ядер, в центре которых находятся сверхмассивные черные дыры. Активные галактические ядра, обладающие массой в миллиард масс Солнца, сконцентрированной в объеме размером с нашу Солнечную систему, – это мощный аттрактор относительно более плотного галактического центра. Вокруг галактического ядра могут вращаться десятки тысяч более мелких черных дыр. Сверхмассивная черная дыра может возникнуть из зародышевой черной дыры, которая со временем разрастается до фантастически огромных размеров.

Практически все, что мы знаем о нашей Вселенной, о ее истории и устройстве, мы знаем благодаря наблюдениям, проводимым астрономами и физиками-экспериментаторами, которые получают информацию в электромагнитном диапазоне излучения, иными словами – в виде света. почти всегда в виде света, хотя иногда и в виде частиц высокой энергии. Эта информация приходит и от объектов, возраст которых сравним с возрастом Вселенной, и от объектов, расположенных от нас в непосредственной близости. По тому, как варьируются цвет, интенсивность и спектр источников света, ученые пытаются реконструировать подробную карту Вселенной, ее историю, разворачивающуюся во времени почти на четырнадцать миллиардов лет. Однако в богатейшей палитре того, что мы можем видеть, меня больше всего интересует пустое пространство, пустота, абсолютная темнота, бескрайние просторы пространства-времени.

Черные дыры – темные. В этом их сущность. Это их отличительная особенность, которая и дала им имя. Они теряются на фоне темного неба. Они – тень на фоне яркого неба. Вы никогда не увидите их в телескоп. Поскольку почти всю информацию о Вселенной мы получаем, наблюдая свет, одиночные черные дыры, вокруг которых недостаточно космического мусора, практически невозможно наблюдать на фоне окружающей их темноты. Хотя, это не совсем верно.

Мы видим, что черные дыры уничтожают соседние с ними звезды. Мы видим, как в центрах галактик вокруг темных и неприметных сверхмассивных черных дыр вращаются звезды. Мы видим струи вещества, выбрасываемые черными дырами на расстояния в миллионы световых лет и заметные в самых дальних галактиках наблюдаемой части Вселенной. Но мы действительно никогда не видели черную дыру[22] и именно поэтому с таким трепетом ожидаем возможности ее услышать.

Наверняка должны существовать такие черные дыры, которые никак нельзя увидеть. Они одиноки. Либо вращаются вокруг подобной же черной дыры. Ничто не падает на них. Ничто в их окрестностях не светит достаточно ярко. Мы не можем разглядеть тень от них – во всяком случае, пока не можем. Но если черные дыры сталкиваются, то мы могли бы услышать, как они заставляют звенеть окружающее их пространство и время, распространяя со скоростью света волны в искривленном пространстве-времени Вселенной. Если в гравитационных обсерваториях получится хотя бы незначительно выделить этот сигнал из шума, то мы сможем записать звучание звезд в последние секунды перед их столкновением. Мы сможем услышать, как неровности на поверхности вращающейся нейтронной звезды скребут пространство-время. Мы сможем записывать звуки от столкновения нейтронных звезд, возможно, образующих новую черную дыру. И мы сможем регистрировать звуки от слияния черных дыр, образующих более тяжелую черную дыру и испускающих миллиарды триллионов триллионов триллионов ватт энергии в виде гравитационных волн.

На Белл Бёрнелл, “верующую в гравитационное излучение”, как она сама о себе говорила, обнаружение пульсара Халса – Тейлора произвело неизгладимое впечатление. В 1993 году Рассел Алан Халс и Джозеф Хотон Тейлор-млад-ший получили Нобелевскую премию по физике за измерения, подтвердившие существование гравитационных волн – хотя и косвенно, методом дедукции. В течение нескольких лет Халс и Тейлор тщательно наблюдали за двойной системой, известной в каталогах как PSR B1913 + 16. (PSR значит пульсар; цифры обозначают прямое восхождение и склонение в угловых координатах, указывающих направление на небесной сфере.) Они наблюдали за компактной нейтронной звездой, находившейся на расстоянии двадцати одной тысячи световых лет от нас и посылавшей радиоимпульсы в сторону Земли с частотой семнадцать раз в секунду. Нейтронная звезда – это гигантский магнит, который, подобно маяку, вращает свой радиолуч в пространстве. То есть это пульсар. Прецизионные измерения модуляции этих импульсов показали, что пульсар с периодом в 7,75 часа вращается вокруг другой менее заметной нейтронной звезды. Это само по себе уже достаточно необыкновенно. Затем они заметили, что с каждым годом время полного оборота двойной системы уменьшается на 76,5 микросекунды, и сделали вывод, что энергия орбитального вращения тоже должна уменьшаться.

Энергетические потери в точности совпали с предсказаниями теории гравитации Эйнштейна. Вращаясь на орбите, нейтронные звезды как бы перепахивают пространство-время, распространяя вокруг гравитационные волны, на образование которых расходуется их энергия. Или, попросту говоря, гравитационные волны, унося потери энергии, заставляют звучать окружающее пространство-время. В ходе этого блестящего исследования теория и эксперимент удивительным образом “поддержали” друг друга.

Спустя примерно триста миллионов лет эта двойная система израсходует всю свою энергию на образование гравитационных волн и две нейтронные звезды сольются в одну. По идее, последние часы их существования могли бы быть зарегистрированы в обсерватории, аналогичной LIGO, если, конечно, люди тогда по-прежнему будут жить на Земле и по-прежнему будут функционировать наземные астрономические обсерватории, что по многим причинам до смешного маловероятно. Но до тех пор, пока для этой двойной системы не пробьет последний час, гравитационные волны, излучаемые ею, будут слишком слабы, чтобы измерить их здесь, на Земле. Однако мы не настолько амбициозны, чтобы пытаться услышать пульсар Халса – Тейлора. Мы преследуем другие цели. Пары, состоящие из нейтронной звезды и черной дыры, в последние минуты их жизни производят настолько мощные колебания пространства-времени, что мы можем зарегистрировать эти волны даже на расстоянии сотен миллионов – или больше – световых лет. Мы в состоянии видеть нейтронные звезды, находящиеся в нашей собственной Галактике, но они слишком слабы, чтобы наблюдать их на расстоянии миллионов световых лет. От пульсара Халса – Тейлора, для сравнения, нас отделяет всего двадцать одна тысяча световых лет. Этот пульсар находится в пределах нашей Галактики Млечный Путь. Поэтому астрономы с их традиционными телескопами не могут сфотографировать большинство компактных пар до столкновения. В тот момент мы должны будем их услышать[23].

Мы не можем строго доказать, что энергия пульсара Халса-Тейлора расходуется на образование именно гравитационных волн. Мы можем только утверждать, что предсказания для потерь энергии в двойной системе за счет гравитационных волн очень точно объясняются наблюдениями. И благодаря дедукции делаем вывод о том, что гравитационные волны должны уносить энергию. По-видимому. Это отличное пари, достойное ставки в миллиард долларов.