Складки на ткани пространства-времени - Говерт Шиллинг

Сверхмассивные ЧД выдают себя еще и тем, что влияют на движение звезд вблизи ядра галактики. Распределение скоростей звезд в самой внутренней области галактики может свидетельствовать о наличии в центре очень массивного, очень компактного объекта. В 1984 г. измерения скоростей в ядре М32 (маленькой спутницы ближайшей к нам галактики Андромеды) привело к первому в истории открытию сверхмассивной ЧД. В нашей галактике Млечный Путь астрономы даже наблюдали, как отдельные звезды вращаются вокруг невидимого объекта массой около 4 млн солнечных. Это может быть только сверхмассивная ЧД – разумная альтернатива этому объяснению отсутствует.

Благодаря растущему комплексу косвенных свидетельств ЧД постепенно покинули темные закоулки спекуляций и научной фантастики и обосновались в чертогах общепринятой астрофизической реальности. Тем не менее регистрация гравитационных волн, образованных столкновением двух ЧД, была воспринята как долгожданное подтверждение их существования. Впервые было получено ясное сообщение природы, что черные дыры – они же черные звезды, метрики Шварцшильда, застывшие звезды, как ни называй, – являются неотъемлемой частью нашей Вселенной.

Это было весомое послание. При слиянии, породившем GW150914, энергия, эквивалентная не менее чем трем солнечным массам, высвободилась в форме волн Эйнштейна за крохотную долю секунды. Фактически столкновение ЧД стало одним из самых высокоэнергетических событий во Вселенной.

Прежде чем потрясти вас очередной серией астрономических больших чисел, отвечу на вопрос, возможно уже беспокоящий вас. Если ЧД являются областями пространственно-временного континуума, откуда ничто не способно вырваться, как они могут терять массу? Изначально две ЧД были в 36 и в 29 раз массивнее Солнца, но после слияния осталась ЧД массой в 62 солнечных. Как три массы Солнца могли освободиться от гравитационного захвата двух ЧД?

Самоочевидный ответ – они и не могли. Сливающиеся ЧД не исторгали материю, как по волшебству. В действительности не вполне правомерно говорить, что они вообще содержат материю. Независимо от способа формирования ЧД материя, попадающая в нее, изымается из сущего в центральной бесконечно малой точке с бесконечной большой плотностью – в терминологии физиков «сингулярности» ЧД. Физически сохраняется только сильное искривление пространственно-временного континуума. Говоря о массе ЧД, астрономы имеют в виду не определенное количество материи, а определенную степень искривления пространственно-временного континуума – одно из немногих доступных для наблюдения свойств любой ЧД.

Итак, это произошло 1,3 млрд лет назад в безымянной далекой галактике. Два «завихрения» пространственно-временного континуума, каждый со своей кривизной, угодили в жестокий пространственно-временной «шторм», в котором слились в один более крупный «торнадо». Большая часть совокупного наличествующего искривления (почти 95 %) пошла на формирование возникшей в итоге единой ЧД. Чуть меньше 5 % (эквивалент трех масс Солнца) было преобразовано в гравитационные волны.

Подставив три солнечные массы (6×1030 кг) и квадрат скорости света (9 × 1016 м2/с2) в знаменитую формулу Эйнштейна Е = mc2, получаем энергию 5,4 × 1047 Дж. Это в 16 квадриллионов раз больше всей выделенной энергии Солнца за день. Поскольку эта немыслимо большая энергия была высвобождена примерно за 15 мс, пиковая выходная мощность достигала невероятных 3,6×1049 Вт – в десятки раз больше совокупной мощности излучения всех звезд и галактик в наблюдаемой Вселенной.

Когда Брюс Аллен, управляющий директор Института Альберта Эйнштейна в Ганновере, поделился восторгом по поводу регистрации GW150914 со своими сыновьями Мартином и Дэниэлом 12 и 15 лет, новость не произвела на них особого впечатления. Тогда Аллен на скорую руку сделал кое-какие расчеты и сравнил энергетический выход события с разрушительной силой «Звезды смерти» – «абсолютного оружия» Галактической империи из «Звездных войн». «По сравнению с этим столкновением черных дыр “Звезда смерти” – детская игрушка, – сказал он мальчикам. – Энергии, высвободившейся при слиянии, с избытком хватило бы на то, чтобы полностью испарить каждую планету в системе каждой звезды в ста галактиках размером с Млечный Путь». Это их проняло.

Еще один важный момент, который следует уяснить о столкновении и слиянии двух ЧД, – экстремальная гравитация. В главе 3 мы увидели, как физики ставят всевозможные эксперименты, чтобы проверить предсказания ОТО Альберта Эйнштейна. Но релятивистские эффекты становятся значимыми только в очень сильных гравитационных полях (или при скоростях, близких к скорости света). Конечно, можно получить наглядные результаты, если отправить атомные часы в кругосветный полет и измерить уход гироскопа на орбите Земли или установить задержку радиосигнала космического зонда, исчезающего позади Солнца, но все это – эксперименты в условиях низкой гравитации. Даже двойная система нейтронных звезд – «слабопольная среда», во всяком случае если речь идет об ОТО.

Совсем иное дело – наблюдение за происходящим на горизонте событий ЧД, которое дает возможность протестировать теорию Эйнштейна в условиях сильного поля. Именно там физики предполагают найти возможные отклонения от предсказаний ОТО. В том числе поэтому их так окрыляют перспективы гравитационно-волновой астрономии. Возмущения пространственно-временного континуума вследствие столкновения ЧД дают возможность тщательного изучения одной из самых экстремальных сред во Вселенной. Это как раз те условия, в которых хочется ставить эксперименты, испытывая теорию Эйнштейна на прочность.

Как уже было сказано, физики считают невероятным, чтобы ОТО была последним словом в изучении гравитации. Теория несовместима с квантовой механикой – другим могучим опорным столпом физики XX в. Чтобы описание гравитации увязывалось с невероятно успешным описанием других сил природы – и всех известных нам частиц, по крайней мере одну из этих двух теорий необходимо адаптировать. Верный путь к долгожданной универсальной теории взаимодействий неизвестен, но, возможно, на самом краю ЧД найдется дорожный указатель. Изучение волн Эйнштейна, появившихся при столкновении ЧД, может подать нам знак и помочь физикам лучше понять самые фундаментальные свойства природы.

Есть и другая возможность проверки ОТО в непосредственной близости от ЧД. Радиоастрономы, в том числе Хейно Фальке из Университета Радбауд из голландского города Неймегене и Шеп Долеман из MIT, объединяют гигантские радиотелескопы миллиметрового диапазона разных континентов. Они хотят создать Телескоп горизонта событий, самый зоркий инструмент за всю историю астрономических наблюдений, и направить его на сверхмассивную ЧД в ядре галактики Млечный Путь. Несмотря на дистанцию 27 000 св. лет, можно будет увидеть горизонт событий ЧД, выделяющийся черным силуэтом на ярком фоне из звезд и светящихся облаков газа. Это будет нечто вроде чернильно-черных дисков из фильма, который Кип Торн демонстрировал на пресс-конференции LIGO. Реальный облик ЧД на изображении можно будет сравнить с предсказаниями ОТО. Отклонения, возможно, укажут путь к новой физике.

_________

Новая физика пока остается мечтой, но первая регистрация гравитационных волн уже подарила ученым новую астрофизику. Одна из статей о GW150914, опубликованная 11 февраля 2016 г., была полностью посвящена следствиям открытия для астрофизики. Удивительно, что самое первое событие принесло новые важные сведения об эволюции массивных звезд.