Маленькая книга о чёрных дырах

Продолжим аналогию между гравитационной волной и светом немного дальше. Электромагнитные волны порождаются ускоряющимися электрическими зарядами. Например, в радиомачте во время работы в проводниках возбуждаются высокочастотные переменные токи. Эти токи являются не чем иным, как электрическими зарядами, ускоряющимися то в одном, то в другом направлении. Они порождают электрические и магнитные поля, которые затем распространяются во все стороны, чтобы быть принятыми нашими радиоприемниками. Радиоволны по сути являются тем же светом, только с более длинными волнами, и добиться излучения видимого света также можно ускорением зарядов то в одном, то в противоположном направлении. Подобным же образом гравитационные волны порождаются ускоряющейся материей. Обычной формой ускорения в гравитационных системах является центростремительное ускорение на круговых орбитах. Пример, которым мы подытожили главу 2, заключался в том, что двойные звездные системы порождают гравитационное излучение из-за орбитального движения звезд друг вокруг друга. Убыль энергии, уносимой из системы этим излучением, приводит к тому, что орбиты звезд начинают постепенно сближаться по спирали, и это сближение можно зарегистрировать. Тогда, вероятно, вас не слишком удивит и то, что и черные дыры, сближаясь по спирали друг с другом, тоже должны продуцировать гравитационное излучение. Однако, с философской точки зрения, в высшей степени удивительно, что гравитационное излучение может выходить из системы, в которой нет ничего, кроме пустого пространства (под словом «пустое» мы подразумеваем, что оно является решением уравнений поля в вакууме). Этот парадокс заставляет нас вспомнить уже высказанную нами ранее мысль: тяготение само по себе притягивает!

Гравитационные волны, зарегистрированные установкой LIGO, кто-то сравнил со звуком; возможно, самую большую известность из всех высказываний руководителей группы LIGO приобрело то, в котором они назвали щебет и стук, которые они услышали, переведя гравитационные волны в звуки (а частота принятых гравитационных волн случайно совпала именно с характерной для звуковых волн частотой в пару сотен герц), «музыкой космоса». Эта аналогия остроумна и глубока, но здесь мы хотели бы подчеркнуть как раз отличие гравитационных волн от звуковых. Звук – распространяющаяся в воздухе волна сжатия. Это означает, что звук состоит из перемежающихся областей высокого и низкого давления, распространяющихся сквозь массу воздуха. Отдельные молекулы газов, из которых состоит воздух, находятся в состоянии постоянного хаотического теплового движения, но «поверх» этих сложных случайных движений участие в звуковой волне заставляет эти молекулы в среднем то подаваться немного вперед к слушателю, когда они вступают в область высокого давления и оно толкает их вперед, то немного сдавать назад от слушателя, когда область низкого давления отсасывает их назад. Это пример продольной волны: здесь слово «продольный» отражает тот факт, что внутреннее движение молекул, составляющее волну, происходит в направлении «вперед-назад» вдоль одной и той же продольной оси, которая определяется направлением распространения волны звука. В отличие от этого, обычный пример поперечной волны – это волна на струне, натянутой горизонтально. Если ударить по одному из концов струны молоточком сверху вниз, можно будет увидеть, как это вертикальное колебание бежит по струне в горизонтальном направлении. Слово «поперечный» обозначает, что внутреннее, локальное движение струны, составляющее собственно волну (в описанном нами примере вертикальное) происходит перпендикулярно к направлению распространения волны (горизонтальному). Гравитационные волны (и световые тоже) – это волны поперечные. Интересно, что, как следует из вышесказанного, при взрыве, где все вещество ускоряется во внешнем направлении в форме идеальной сферической оболочки, никакого гравитационного излучения не возникает[16]. Пытаться таким способом породить гравитационную волну было бы похоже на попытку создать вертикальное поперечное колебание натянутой струны, просто натягивая ее туже, вместо того чтобы стучать по ней молоточком или щипком оттягивать вниз. Со звуком все совершенно иначе: при взрыве разлетающаяся во все стороны оболочка породила бы оглушительный грохот – именно потому, что при взрыве движение происходит в том же направлении вовне, в каком распространяется и сам звук.