Блюз черных дыр и другие мелодии космоса

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.

Но LIGO сумеет услышать заключительный этап жизни двойных систем, состоящих из нейтронных звезд и черных дыр, – тех самых пар компактных объектов, которые мы еще не наблюдали, потому что они расположены слишком далеко, чтобы обнаружить их с помощью обычных телескопов. Представьте себе последние минуты перед столкновением двух черных дыр. Обе черные дыры, каждая из которых имеет, скажем, около шестидесяти километров в поперечнике, перед тем как слиться друг с другом, делают сотни оборотов в секунду, двигаясь со скоростями, близкими к скорости света. Их движение в пространстве в последние мгновения перед слиянием вызывает волны, достаточно мощные для того, чтобы мы смогли их услышать, когда они дойдут до Земли. Вероятность обнаружить компактную двойную систему в течение последних пятнадцати минут ее жизни, длившейся до этого миллиарды лет, очень невелика, если, конечно, ограничить район поиска только нашей Галактикой.

В Млечном Пути одна нейтронная звезда сталкивается с другой нейтронной звездой, возможно, раз в десять тысяч лет, хотя эти оценки пока очень ненадежны. Возможно, что одна нейтронная звезда сталкивается с черной дырой раз в несколько сотен тысяч лет, а одна черная дыра сталкивается с другой черной дырой раз в пару миллионов лет. И было бы очень глупо потратить пятьдесят лет, чтобы построить LIGO ради поиска столкновений компактных двойных систем только в пределах нашей собственной Галактики.

Чтобы зарегистрировать столкновение черных дыр или нейтронных звезд в течение разумного времени (скажем, в течение года после ввода установки в эксплуатацию), LIGO должна быть чувствительна к источникам волн, расположенным в миллионах галактик вокруг нас. Однако другие галактики находятся далеко, и поэтому поле зрения детектора LIGO должно простираться на очень большие расстояния. Но общеизвестно, что чем дальше находится источник, тем слабее сигнал от него, поэтому, хотя первое поколение установки LIGO и провело шесть научных запусков (периоды времени, когда установка функционировала в полном объеме и производилась запись физических данных), в ходе их можно было надеяться обнаружить двойную систему нейтронных звезд на расстоянии, не превышающем примерно 45 миллионов световых лет (что соответствует расстоянию до скопления Девы, близлежащего к нам скопления галактик), и – немного дальше – пару черных дыр. Кажется, что это далеко, но, оказывается, недостаточно далеко. Ничего обнаружено не было.