Складки на ткани пространства-времени - Говерт Шиллинг

На следующий день, в среду, 7 сентября, консорциум eLISA и рабочая группа L3 из НАСА провели первое совместное собрание и обсудили варианты изменения и совершенствования исходного плана миссии. НАСА не обещало вернуться к финансированию 50/50, но и несколько миллионов долларов очень важны. Вариантов усовершенствований предлагалось много: более крупные телескопы, более мощные лазеры, бóльшая длина плеч (2 млн км или даже 5 млн). Как сказал Данцманн: «Мы должны предложить нечто такое, чтобы все упали». Ученым очень хотелось вернуться к схеме из трех интерферометров вместо одного, с размещением лазеров на каждом из трех космических аппаратов. Все надеялись, что V-образную схему eLISA с двумя плечами удастся достроить до замкнутого треугольника. «Мы хотим вернуть третье плечо, – заявил Данцманн ко всеобщему восторгу, – и мы вернем третье плечо».

Физик из MIT Дэвид Шумейкер, работающий по этому направлению с 1975 г. и по настоящее время возглавляющий Advanced LIGO, был чрезвычайно доволен: «Это очень важное собрание. Судя по всему, это поворотный пункт в судьбе eLISA. Я предлагаю отныне отказаться от е в названии. Теперь у нас снова LISA».

До принятия окончательного решения по строительству Лазерно-интерферометрической космической антенны еще пройдет время (заявка на миссию подана 13 января 2017 г.), но уже ясно, что в начале 2030-х гг. лазерные пучки начнут переотражаться между тремя космическими аппаратами, летящими группой вокруг Солнца в нескольких миллионах километров друг от друга, держа дистанцию с точностью до пикометра. Наконец астрономы смогут зарегистрировать волны Эйнштейна на миллигерцовых частотах, излученные тесными двойными системами и сливающимися сверхмассивными ЧД на окраинах наблюдаемой Вселенной.

LISA, возможно, не останется в одиночестве. На собрании в Цюрихе Сюити Сато из токийского Университета Хосэй отчитался в ходе работ по проекту «Децигерцовой интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории» (Deci-hertz Interferometer Gravitational Wave Observatory, DECIGO). Масштабный замысел возник в 2001 г. DECIGO должен был стать своего рода мини-LISA с тремя маленькими космическими аппаратами на дистанции порядка тысячи километров друг от друга. В следующем десятилетии на орбиту Земли можно будет вывести демонстрационную миссию поменьше (pre-DECIGO) с плечами 100 км, а в 2030-х гг. осуществить программу в полном объеме.

Тем временем китайские ученые строят планы создания двух космических интерферометров. Первый – «ТянКин» – предложен командой университета Чжуншань в Гуанчжоу. Он будет состоять из трех аппаратов на орбите Земли, образующих гигантский треугольник с Землей в центре. Плечи интерферометра составят около 150 000 км. Более крупная структура для размещения на орбите Солнца разрабатывается Академией наук КНР. При длине плеч 3 млн км она сопоставима с LISA. По словам Гань Цзина из Института механики АН КНР, два китайских проекта могут быть объединены в одну миссию с предполагаемым выводом в космос в начале 2030-х гг.

_________

Можно только гадать, что именно «увидят» космические интерферометры. Разумеется, у астрономов есть обоснованные предположения, но детали неясны. Рассмотрим, к примеру, слияние сверхмассивных ЧД. Если в центре большинства галактик находятся гигантские ЧД и если галактики сталкиваются, можно предполагать, что их ЧД в конце концов начнут совершать орбитальное движение в центре объединенной галактики. Сначала они будут излучать только наногерцовые гравитационные волны, обнаруживаемые посредством долгосрочного высокоточного измерения временнóй динамики радиопульсаров (см. главу 13). Затем, в случае сближения пары ЧД по спирали, орбитальный период уменьшится, а частота волны Эйнштейна возрастет. Примерно за два года до столкновения и слияния LISA сможет зарегистрировать эти волны независимо от удаленности их источника.

Однако, поскольку свету нужно время, чтобы пересечь Вселенную, мы наблюдаем галактики, находящиеся от нас на расстояниях в миллиарды световых лет, такими, какими они были миллиарды лет назад. Чтобы оценить возможную частоту слияний сверхмассивных ЧД, астрономам нужно знать историю эволюции галактик и ЧД в их ядрах, а также вероятность того, что каждая двойная система сверхмассивных ЧД рано или поздно переживает столкновение. Теоретики предложили широкий спектр прогнозов на основе различных астрофизических гипотез, но никто не знает точного ответа.

Ответ дадут наблюдения гравитационных волн – это, безусловно, огромный плюс LISA. Любая жизнеспособная теория эволюции галактик и ЧД должна согласовываться с наблюдаемой частотой слияний. Через несколько лет работы LISA покажет, какие теории ошибочны, а какие могут соответствовать действительности.

Еще меньше мы знаем о компактных объектах, попадающих в сверхмассивную ЧД. Время от времени такая ЧД в ядре галактики поглощает звезду или облако газа, оказавшиеся слишком близко. Предположительно, в рядовой галактике вроде нашей такое событие случается раз в несколько миллионов лет. Нормальная звезда, подобная Солнцу, почти наверняка будет разорвана на части приливными силами ЧД. Некоторые выбросы рентгеновского излучения, наблюдаемые в других галактиках, возможно, вызваны подобными событиями. Но значительно более компактный объект, например белый карлик, нейтронная звезда или относительно маловесная ЧД, может преодолеть приливное воздействие. Если в результате это обреченное небесное тело начнет все быстрее обращаться вокруг сверхмассивной ЧД, то при этом будут излучаться гравитационные волны, которые LISA сможет зарегистрировать. Такое событие называется слиянием с экстремальным соотношением масс (Extreme Mass Ratio Inspiral, EMRI), поскольку ненасытная ЧД несравнимо массивнее своей жертвы.

К сожалению, никто не знает, насколько часто происходят EMRI. Оценки разнятся от нуля до тысяч событий в год. Слишком много неизвестных: распределение масс сверхмассивных ЧД (сколько их приходится на определенный диапазон масс), количество компактных объектов в центральных областях галактик, детали процесса и т. д. Возможно, компактные объекты не задерживаются на орбите ЧД, а просто исчезают. Наблюдения LISA дадут астрономам ответы и на эти вопросы. Каким бы ни оказался наблюдаемый уровень EMRI, эти события позволят узнать, что происходит – и что не происходит – в ядрах галактик повсюду во Вселенной.

Это относится и к двойным системам белых карликов в нашей Галактике. Как говорилось в главе 5, каждая солнцеподобная звезда заканчивает свою жизнь белым карликом – небесным телом массой почти как у Солнца, но размером не больше Земли. Поскольку большинство звезд Млечного Пути входят в двойные или кратные системы, можно предполагать, что двойных белых карликов очень много. Если они обращаются по общей орбите достаточно быстро и близко друг к другу, то постоянно излучают волны Эйнштейна в частотном диапазоне LISA. (Такие пары в других галактиках, скорее всего, находятся слишком далеко, чтобы мы могли зарегистрировать создаваемые ими возмущения пространственно-временного континуума.)

За последние десятилетия астрономы открыли несколько двойных белых карликов. Особенно интересна система SDSS J065133.338+284423.37, сокращенно J0651. Она находится на расстоянии около 3500 св. лет в созвездии Близнецов. Между двумя карликовыми звездами всего 100 000 км – около четверти расстояния от Земли до Луны. Они совершают оборот по общей орбите за 12,75 минуты, следовательно, должны излучать гравитационные волны частотой 2,6 мГц – как раз посередине диапазона чувствительности LISA. Более того, астрономы знают, что эта система излучает волны: орбитальный период уменьшается на 0,29 мс в год. J0651 послужит LISA контрольным источником, как и несколько других тесных двойных систем.