Блюз черных дыр и другие мелодии космоса - Жанна Левин

Джерри Острайкер и астрофизик Джон Бакал, также из Принстона, были, вероятно, самыми яростными критиками проекта LIGO. Кипу, убежденному стороннику LIGO (они, пожалуй, даже могли бы назвать его пропагандистом), предстояло склонить на свою сторону и коллег-ученых, и членов Конгресса, которые не готовы были поддержать столь обширный и долгосрочный научный проект без предоставления им определенных гарантий. Кипу надлежало привести надежные научные аргументы, доказывающие существование астрофизических источников, которые с высокой вероятностью могли быть обнаружены на установке LIGO. Что-то LIGO услышит. Вероятно. Почти наверняка. Но даже сейчас Кип не может гарантировать это на сто процентов.

Сегодня прежние предубеждения, царившие в научном сообществе, отброшены и реальное существование некоторых источников гравитационных волн больше не оспаривается. Этими надежными и безотказными в плане регистрации с помощью детектора LIGO источниками являются компактные двойные звездные системы. Мы знаем, что они существуют, хотя насколько часто они встречаются во Вселенной, нам пока неизвестно. Определение “компактный” относится к погасшим, сколлапсировавшим звездам: белым карликам, нейтронным звездам и черным дырам. Они компактны – их отличает присутствие огромной массы в очень малом объеме. И они погасли – они больше не светят так ярко, как раньше (если вообще как-то светят), потому что в их недрах больше не осталось термоядерного топлива. Когда-то они были крупнее и активнее – тогда, когда в их более плотных ядрах протекали термоядерные реакции, превращая легкие элементы в более тяжелые. В конце своего жизненного цикла они сжались – или сначала взорвались, а затем сжались.

Когда Рай впервые задумался о LIGO, существование надежных источников гравитационных волн находилось под большим вопросом. Черные дыры не были еще признаны всеми в качестве реальных астрофизических объектов, хотя любой физик и тогда согласился бы с правильностью математического решения уравнения Эйнштейна. Эйнштейн сам признал математическую корректность уравнений после того, как Карл Шварцшильд [32] послал ему (прямо из окопов Первой мировой) письмо, надеясь на его одобрение. Однако Эйнштейн считал, что природа защищает нас от появления черных дыр. Как и многие другие в то время, он полагал, что материя не поддается бесконечному сжатию, что существуют некие силы, способные воспрепятствовать желанию гравитации раздавить атомы материи до неузнаваемого состояния.

Прошло двадцать лет с той поры, как Уилер подарил черным дырам их имя, и многоуважаемые астрофизики были уже по горло сыты теоретическими выкладками. Теперь они ожидали куда большего: эмпирических доказательств. Но даже когда такие доказательства накапливались, наблюдениям всегда находилось альтернативное объяснение, иное, чем существование черной дыры. Альтернативные объяснения становились все более искусственными (возможно, облако газа устроено таким образом, что данные искажаются, и прочие нелепые фантазии). “Это нарушало действие принципа бритвы Оккама, – говорит Рай. – Эти объяснения были настолько сложными и необоснованными, что. – И он пренебрежительно машет рукой. – Но я не мог просить денег в МТИ для поиска черных дыр, если более уважаемые ученые факультета были уверены, что черные дыры не существуют”.

Однако постепенно, шаг за шагом в сообществе астрофизиков нарастала уверенность в существовании компактных объектов во Вселенной. Открытие пульсаров убедило многих ученых в наличии нейтронных звезд. Открытие пульсара в Крабовидной туманности, оставшейся от яркой вспышки сверхновой, склонило общественное мнение к тому, что нейтронные звезды являются конечным состоянием гравитационного коллапса – по крайней мере, в случае некоторых звезд. Яркий рентгеновский источник Лебедь Х-i указывал на существование черных дыр. Решающим аргументом стал пульсар Халса – Тейлора, косвенно продемонстрировавший потери энергии на образование гравитационных волн. По мере того как все больше ученых убеждалось в том, что звезды заканчивают свой эволюционный путь в качестве компактных объектов, крепла также уверенность в существовании источников гравитационных волн. Оставалось ответить на вопрос: “Сколько их?”

Белые карлики и нейтронные звезды обладают крайне низкой светимостью. Мы не можем их наблюдать, если они находятся слишком далеко от нас, за пределами нашей Галактики. Имеются лишь указания на их существование в нашей собственной Галактике Млечный Путь, размер которой в поперечнике составляет около ста тысяч световых лет. Ближайшая большая галактика, Туманность Андромеды, находится от нас на расстоянии около 2,5 миллиона световых лет. Мы видим сверхновые в далеких галактиках, но если они отдалены от нас на многие миллионы или миллиарды световых лет, увидеть их тоже не представляется возможным. У нас имеются все основания экстраполировать накопившиеся знания о нашей собственной галактике на другие галактики. Существует огромное количество звезд в огромном числе галактик в наблюдаемой Вселенной. Среди сотен миллиардов звезд в сотнях миллиардов галактик должны существовать звезды, завершившие свой жизненный цикл. Но внегалактические компактные объекты слишком слабы, чтобы обнаружить их с помощью телескопов.

При такой огромной популяции компактных объектов LIGO может надеяться обнаружить их с помощью гравитационно-волновой обсерватории, даже если их невозможно наблюдать в обычные телескопы. Компактные объекты сами по себе не излучают гравитационные волны, как не бьют сами по себе в барабан барабанные палочки. Они должны двигаться. Компактные массы должны испытывать ускорение, чтобы придать гравитационным волнам энергию. Пульсар Халса – Тейлора испытывает ускорение, вращаясь на своей орбите вокруг другой нейтронной звезды. Весьма вероятно, что большинство звезд рождаются парами и умирают тоже парами, хотя взрыв сверхновой, в результате которого образуется компактный звездный объект, может иногда выкидывать звезду-компаньона. Нейтронные звезды и черные дыры, поисками которых занимается LIGO, – это те, которые заканчивают свою жизнь парами. (Белые карлики в двойных системах оставляют лишь мелкую рябь на поверхности пространства-времени, и LIGO их заметить не в состоянии.) Подобно водовороту в искривленном пространстве-времени, компактные объекты вращаются друг вокруг друга и, испытывая при этом ускорение, излучают гравитационные волны.

Вот в это самое время, пока в Конгрессе разгораются дебаты, компактные двойные звездные системы за счет энергии своего орбитального вращения генерируют волны пространстве-времени, с каждым новым оборотом по спирали приближаясь друг к другу. Каждый следующий виток орбиты занимает немного меньше времени, чем предыдущий.

Все (а не только компактные) астрономические двойные системы излучают гравитационные волны. Изменяя свою орбиту из-за взаимодействия с Солнцем, теряя свою орбитальную энергию на излучение гравитационных волн, Земля медленно, по спирали, приближается к Солнцу. Луна неторопливо, по спирали, падает на нас[33]. Солнце близится к центру Галактики – но все это происходит бесконечно медленно, а образующиеся в результате гравитационные волны слишком слабы, чтобы их можно было зарегистрировать. Эти процессы займут бесконечно-бесконечно-бесконечно много времени даже в сравнении с возрастом Вселенной. Потухнет Солнце. Млечный Путь столкнется с Туманностью Андромеды. Шансов, что человечество будет наблюдать за грядущим Апокалипсисом, практически нет, так что Хокинг смело может делать ставки.