Суперобъекты. Звезды размером с город - Сергей Попов

Во-первых, будет напрямую доказано существование гравитационных волн. Сейчас у нас есть лишь косвенное подтверждение. Астрономы наблюдали двойную систему, но не из двух черных дыр, а из двух нейтронных звезд. Одна из них излучает как пульсар, поэтому это как бы очень точные часы, посылающие нам регулярные сигналы, и мы видим, что система сближается, и единственный разумный механизм, который это все объясняет, как раз гравитационные волны. Данные наблюдений оказались в полном согласии с предсказаниями Общей теории относительности. За открытие и исследование двойного радиопульсара астрономы получили Нобелевскую премию по физике. Затем эти результаты были независимо проверены и подтверждены благодаря наблюдению десятка подобных систем.

Во-вторых, если мы откроем сигнал от слияния черных дыр, то мы не только напрямую зарегистрируем гравитационные волны, тем самым доказав правильность геометрического подхода к гравитации, мы еще и получим сильнейшие аргументы в пользу того, что мы правильно понимаем природу черных дыр. Две дыры сольются, образуя единую дыру, ее горизонт будет дрожать какое-то время, и от этого тоже можно зарегистрировать гравитационно-волновой сигнал. Поэтому задачи, связанные с регистрацией гравитационных волн, считаются крайне перспективными.

Лучшим кандидатом в самые первые системы, чей гравитационно-волновой сигнал мы сможем зарегистрировать, являются сливающиеся нейтронные звезды. Они легче чёрных дыр и менее компактны, тем не менее, если слияние происходит ненамного дальше близких крупных скоплений галактик, мы рассчитываем, что сигнал смогут увидеть установки LIGO и VIRGO уже в ближайшие пару лет (затем можно будет наблюдать и более далекие всплески – вплоть до расстояний 200–250 мегапарсек).

Сливающиеся нейтронные звезды – это естественный продукт эволюции массивных двойных. Мы наблюдаем двойные радиопульсары и знаем, что многие из этих систем должны слиться за время, меньшее времени жизни Галактики. Расчеты показывают, что в галактике типа нашей слияния происходят раз в несколько десятков тысяч лет. Черные дыры сливаются друг с другом (или с нейтронными звездами) гораздо реже. Одной из первых работ, посвященных таким слияниям, была статья 1977 года Джона Кларка и Дугласа Эрдли. В ней рассматривалась судьба нейтронной звезды на последних стадиях процесса. Также важные результаты по слияниям были получены в работе Сергея Блинникова и его коллег, опубликованной в 1984 году. Сейчас процессы при слиянии компактных объектов изучают с помощью численного моделирования на самых мощных суперкомпьютерах. И все равно остаются вопросы.

Слияния нейтронных звезд – это прямо-таки золотой феномен: некоторые современные модели показывают, что большая часть золота во вселенной возникла именно в этом процессе. В том числе то золото, из которого делают нобелевские медали.

Слияния нейтронных звезд блестят и сияют во всех диапазонах. Это не только мощный источник гравитационных волн. При слиянии выделяется много энергии, вещество нагревается до гигантских температур – поэтому возникает интенсивный поток нейтрино. И конечно же, мощное электромагнитное излучение.

Сливающиеся нейтронные звезды – главный кандидат в источники коротких гамма-всплесков с длительностью порядка секунды. Почти за полвека наблюдений обнаружено много сотен таких событий, и все данные указывают, что лучшего объяснения не найти. Окончательным подтверждением должно стать одновременное обнаружение гамма-всплеска и гравитационно-волнового сигнала. Скорее всего, это произойдет в третьем десятилетии нашего века.

После слияния синтезируется много новых элементов (не только золото). Среди них есть и радиоактивные. Поэтому можно будет видеть некий аналог сверхновой – мощную вспышку, – но только с максимумом излучения в инфракрасном диапазоне спектра. Такие явления называют килоновыми. Название связано с завышенной первоначальной оценкой: ожидалось, что вспышки будут в тысячи раз ярче вспышек новых. Теперь расчеты говорят о том, что вспышки ярче новых всего лишь раз в сто (поэтому некоторые астрономы шутят, что их стоит переименовать в гектоновые), но зато сам всплеск виден дольше. Наблюдения таких вспышек в инфракрасном диапазоне спектра должны подсказать нам точные координаты всплеска (наблюдения только гравитационного излучения еще долго не будут в состоянии дать очень точные координаты, даже когда число детекторов возрастет и к двум американским и одному европейскому прибавятся установки в Индии и Японии). Тогда явление можно будет изучить гораздо лучше, наведя в эту точку астрономические спутники и крупнейшие наземные телескопы.

Наконец, если в недрах компактных объектов было кварковое вещество, то после слияния «полетят (кварковые) клочки по закоулочкам». Кварковое вещество может существовать в виде очень маленьких порций – страпелек (strangelet). То есть даже вне компактного объекта оно не теряет свои свойства. Мы надеемся, что специальные космические аппараты для изучения космических лучей (AMS-02 и подобные ему) смогут поймать страпельки. Или же наблюдения покажут, что ничего не поймали, а значит, кваркового вещества не существует. Это, кстати, тот случай, когда отрицательный результат поисков тоже важен и дает новую существенную информацию.

Собственно, как ученые хотят это сделать? Когда гравитационная волна проходит сквозь предмет, она сжимает и растягивает его. Если у нас есть несколько предметов, то можно заметить, что меняются расстояния между ними. Скажем, если вы бросите в космосе бусы и они расположатся в виде идеальной окружности, то проходящая гравитационная волна будет периодически превращать такую окружность в эллипс и обратно. В зависимости от поляризации волны для нас это будет выглядеть как череда расширений в одном направлении и сжатий в другом. Если мы сумеем измерять расстояния между разными бусинками, то сможем заметить слабую гравитационную волну, заставляющую бусы совершать эти колебания.

Вначале ученые пытались ставить металлические (например, алюминиевые) болванки и смотреть, как они будут сжиматься-растягиваться. Для этого на них устанавливались пьезодатчики. Первым подобные опыты начал Вебер в конце 60-х годов прошлого века и продолжал их несколько десятилетий. Детекторы этого типа чувствительны в очень узкой полосе частот, соответствующей резонансу в болванке. Это не очень хорошо, так как источники могут и не излучать волны на данной узкой частоте. Например, сигнал от сливающихся нейтронных звезд будет непрерывно менять частоту (она будет расти) по мере сближения объектов и уменьшения орбитального периода.

Установки типа веберовских – это недостаточно чувствительные детекторы. Необходимо, чтобы где-то довольно близко произошел мощный всплеск гравитационных волн, например, слияние двух нейтронных звезд в близкой галактике (а еще лучше – в нашей) или совсем близкий взрыв сверхновой с большой асимметрией. Сам Вебер заявлял, что ему удалось зафиксировать сигнал, например, от сверхновой 1987 года в Большом Магеллановом облаке, но это сообщение не вызвало доверия у научного сообщества. Даже более крупные установки (например, ALLEGRO в США и NAUTILIS и AURIGA в Италии), охлаждаемые до низких температур, не дали никакого значимого результата. Поэтому сейчас используют другой подход.