Маленькая книга о чёрных дырах

Раз уж мы снова вспомнили о невероятной чувствительности LIGO, посвятим ей еще немного времени: в работе детекторов, подобных LIGO, есть одна не упоминавшаяся нами до сих пор важная особенность. Дело в том, что шумы, то есть все факторы, из-за которых расстояния вдоль измерительных плеч вибрируют и этим мешают различить вибрации гравитационных волн, в установке LIGO довольно велики. Только при очень редких, очень «громких» событиях, как раз таких, как столкновение черных дыр, зарегистрированное 14 сентября 2015 года, сигнал бывает различим на фоне этого шума. Но LIGO может измерить и сигналы, находящиеся под уровнем шума: для этого разработаны хитроумные методы анализа данных на основе того, что называется «библиотеками шаблонов»: обширные коллекции теоретических форм сигнала для всевозможных видов гравитационных волн, которые могут прийти на LIGO. Можно сравнить такой шаблон с уникальным «отпечатком пальцев» события, в том числе и такого, как спиральное сближение двух невращающихся черных дыр с массой в 32 солнечных. Источники шума: дрожание почвы, вызванное проезжающим по окрестному шоссе грузовиком или лесозаготовками вблизи городка Ливингстон, где расположена установка LIGO, тоже обладают своими характерными «отпечатками пальцев», и их форма отличается от тех, что свойственна «чириканью» сливающихся черных дыр. Детектор LIGO постоянно бомбардируется шумом, и поэтому то, что он измеряет, представляет собой смесь всех этих шумовых «отпечатков пальцев», наложившихся друг на друга вместе с появляющимися то здесь, то там «отпечатками» гравитационных волн. Таким образом, шаблон действует как маска, пропускающая через себя «отпечаток пальцев» гравитационной волны, который этому шаблону в точности отвечает, и в то же время блокирующая не соответствующие ему «отпечатки» шумовых сигналов. Хотя с помощью этой методики и нельзя полностью избавиться от влияния шума, она очень помогает – во всяком случае, достаточно для того, чтобы детектор LIGO улавливал гравитационно-волновые события, происходящие на невообразимых расстояниях от Земли.

Чтобы установка LIGO полностью реализовала свой потенциал в качестве гравитационно-волновой обсерватории, когда она достигнет планируемого уровня чувствительности, придется (и сейчас уже приходится) преодолевать некоторые дополнительные трудности, связанные с методом шаблонов. Первая из них заключается просто в вычислении всех возможных шаблонов формы сигнала для столкновений черных дыр и других событий, способных быть источниками гравитационных волн: столкновений между черными дырами и нейтронными звездами, слияний двух нейтронных звезд, вспышек сверхновых. Гравитационные волны могут приходить от быстровращающихся нейтронных звезд с выпуклостями на поверхности[18], из космического «океана» первичных гравитационнных волн, порожденных на заре эволюции Вселенной, и, наконец, возникать при разрывах, перекручивании и пересечениях в сети космических струн, которые, согласно гипотезам некоторых космологов, составляют основу Вселенной[19]. Решать эйнштейновские уравнения поля во всех этих разнообразных ситуациях – задача не из легких, но делать это необходимо, чтобы построить требующиеся для работы LIGO шаблоны. Труднее всего в этом отношении иметь дело со столкновениями. Но после нескольких десятилетий совместных усилий десятков исследователей теоретически задача слияния двойных черных дыр теперь в целом решена. Этого удалось достичь, сочетая аналитические методы (хорошо работающие на ранних стадиях спирального сближения) и численное моделирование на суперкомпьютерах (необходимое при расчетах поздних этапов сближения и собственно столкновения двух черных дыр). Нейтронные звезды выводят проблему на новый уровень сложности: для этого случая требуется также решать уравнения, описывающие динамику вещества, из которого состоят нейтронные звезды. Фактически, как уже было сказано в главе 5, мы не обладаем подробной информацией о свойствах ядерного вещества при исключительно высокой плотности, по всей видимости, существующей в нейтронных звездах. Можно построить шаблоны, количественно выражающие неопределенность наших знаний о сверхплотном ядерном веществе, и тогда есть обоснованные надежды на то, что наблюдения гравитационных волн, порождаемых слияниями нейтронных звезд или столкновениями черных дыр с нейтронными звездами, дадут нам много новых сведений о свойствах вещества при крайне высокой его плотности.