Блюз черных дыр и другие мелодии космоса - Жанна Левин

Это столкновение представляет собой самое мощное событие из когда-либо зарегистрированных человеком, начиная с Большого взрыва. Мощность гравитационной волны в сто миллиардов триллионов раз превосходит светимость Солнца. Детекторы зарегистрировали четыре последних витка черной дыры с массой, в 29 раз превосходящей массу Солнца, в паре с другой черной дырой – с массой, в 36 раз превосходящей массу Солнца. Две черных дыры, находящиеся на расстоянии друг от друга всего в несколько сотен километров, вращались вокруг общего центра тяжести почти со скоростью света. Как только они соприкоснулись, их горизонты событий, искаженные в результате их сближения, слились, образовав новую черную дыру с массой, более чем в 6о раз превышающей массу Солнца. Зарегистрированный сигнал от этих последних нескольких витков и самого столкновения длился 200 миллисекунд. Четырехкилометровые интерферометры зарегистрировали изменение длины на десятитысячную долю размера протона, что в точности совпало с теоретическими предсказаниями, сделанными Кипом и его коллегами десятилетия тому назад. Это событие из разряда относительно громких, сигнал от которого возвышается над уровнем фона. Такой сигнал можно преобразовать в звук, но для этого его необходимо замедлить, чтобы человеческое ухо смогло уловить возрастающую частоту звука по мере того, как черные дыры сближаются друг с другом. В данных присутствуют и другие всплески, но ни один из них не является настолько ярким и четким. Как часто происходят подобные события, определить трудно.

Зарегистрировав это событие, LIGO отметила столетний юбилей создания общей теории относительности. Эйнштейн впервые представил геометрическое описание гравитации 25 ноября 1915 года. Иначе говоря, мечта Рая сбылась.

Рай говорит: “Это как избавиться от обезьяны, которая вскочила тебе на спину”.

И шутит: “Моя жена вдруг очень заинтересовалась физикой”. По стечению обстоятельств, давний знакомый Рая из Национального научного фонда, Рич Айзексон, навестил его в штате Мэн в ту самую неделю в середине сентября. Первая реакция Рича на новость была скептической. “Ты сам-то в это веришь?” – спросил он. Рай даже высказывал опасения, что сигнал мог быть добавлен в данные эксперимента хакерами, но уровень знаний, который для этого требуется, скорее всего, превышает уровень знаний любого человека – за исключением самых способных ученых, нескольких членов научного сообщества (которых на всякий случай даже опросили). И недоверие вынужденно отступило перед всеобщим робким восторгом.

Когда я встретила Кипа, он сказал: “Я чувствую глубокое удовлетворение”. Кип всегда полагал, что первым зарегистрированным событием окажется слияние черных дыр, и эту его уверенность не могли поколебать изменчивые настроения научного сообщества. Чем более массивными будут черные дыры, тем громче зазвучит сигнал от их слияния. Такой сигнал может быть зарегистрирован на очень большом расстоянии; в область чувствительности детекторов попадет значительное количество черных дыр, хотя двойные системы, состоящие из черных дыр, относительно редки. Так что у Кипа был наготове всего один вопрос: “Когда?”

Я рассказала Кипу, что экспериментаторы склонялись к мысли, будто обнаружения придется ждать несколько лет.

“Да, но только не Рана, – поправляет он. – Рана всегда говорил мне, что обнаружение случится вот-вот”.

Я расспрашиваю Рану о его предвидении. Он отвечает: “Я всегда это говорил”.

И все же, услышав о случившемся, Рана впал в ступор: “Мы же только включили эту штуку!” Он хладнокровно выждал целый день, прежде чем взглянуть на данные; исключительная чистота сигнала показалась ему абсурдной. Ни малейшего отклонения от формы сигнала, предсказанной ранее теоретически! (Я сама за пару минут, воспользовавшись собственной программой, смогла смоделировать сигнал от слияния черных дыр, который выглядит в точности как сигнал в данных, очищенный от шумов.) Рана надеялся бросить вызов общей теории относительности. Надеялся, что помог построить машину для проверки квантовой гравитации. “Что ж, придется еще потрудиться”, – говорит он.

Рай позволяет себе минутку мечтательности: “Черные дыры. Это то, чего ожидал бы любой физик моего поколения. Чистая геометрия. Чистое слияние пространства-времени”. Но его мысли тут же обращаются к будущему. Детекторы становятся гораздо более чувствительными, чем раньше. Проиллюстрировать это можно цитатой из готовящейся к публикации статьи: “384-часовой период времени, о котором здесь идет речь, превосходит все предыдущие попытки наблюдения слияния черных дыр, взятые вместе”. Однако чувствительность интерферометра должна быть еще выше. И Рай снова возвращается к работе, помогая подавить шумы детектора. Многое еще предстоит сделать, чтобы достичь проектных характеристик гравитационной обсерватории.

Я говорю:

– Рай, мои поздравления! Не могу выразить словами свое волнение. И даже не представляю масштабы вашего.

– Ну да, снять обезьяну со спины мне удалось, но теперь она идет рядом со мной. Так что спросите у нее.

Несколько миллиардов лет назад существовали две очень большие звезды, вращающиеся друг вокруг друга. Возможно, вокруг них также вращались планеты, хотя двойная звездная система слишком нестабильна или слишком проста по составу для того, чтобы вокруг нее образовались планеты. В конце концов одна из звезд потухла, а затем погасла и другая – и образовались две черные дыры. Обе эти черные дыры вращались в полной темноте, вероятно, в течение миллиардов лет – до тех самых финальных 200 миллисекунд, когда они столкнулись и слились в одну, испустив при этом в окружающую Вселенную цуг гравитационных волн.

Звук путешествовал до нас 1,4 миллиарда световых лет. Один миллиард четыреста миллионов световых лет. За несколько часов, прежде чем его волна достигла Земли, LHO начала запись данных. За час до прихода волны начала сбор данных LLO. К ночи ученые в Вашингтоне отказались от попыток довести программу тестов до конца и разошлись по домам. Отчаявшиеся исследователи в штате Луизиана тоже отложили свои тесты и оставили прибор работать в режиме наблюдения. Через час сигнал достиг Земли. Гравитационная волна, пришедшая из района Южного полушария неба, скользнула мимо Луизианы, а затем, распространяясь по континенту со скоростью света, через 10 миллисекунд достигла LHO.

К 8:00 утра волна уже удалилась от Земли на два миллиарда километров. Рай, находясь на отдыхе в штате Мэн, по обыкновению проверил журнал – на тот случай, что кому-то может потребоваться его помощь. И обнаружил записи, сделанные красной ручкой, о замораживании всей активности на обеих площадках. При виде их Рай, как и любой другой член соообщества, задался вопросом: “Что, черт возьми, там происходит?! ”

Появятся пресс-релизы. Будут опубликованы научные доклады. Будет множество статей и сообщений. Будут документы, отчеты Национального научного фонда, вся история будет записана во всех подробностях. Мы продолжим отправлять в космос известия о наших достижениях, объявляя, что мы были здесь, что мы, невзирая на неудачи, не отказались от нашего стремления познать природу, и что однажды у нас получилось: мы услышали, как столкнулись черные дыры.