Складки на ткани пространства-времени. Эйнштейн, гравитационные волны и будущее астрономии

Возможно, вы задаетесь вопросом, как LISA будет различать источники гравитационных волн и определять свойства каждого. LIGO совсем нелегко зарегистрировать отдельное событие. Как разобраться в десятках или даже сотнях постоянных источников волн Эйнштейна, каждый из которых по-своему воздействует на пространственно-временной континуум? Событие GW150914 было изолированным и ясно различимым, как щелчок бича, но Млечный Путь, где изобилуют двойные системы белых карликов, можно сравнить с актовым залом, где стоит неумолчный гул бесчисленных жужжащих волчков. Разве контрольные грузы LISA не будут хаотически двигаться, реагируя на множество разных частот одновременно?

Не все так плохо. Действительно, большое число одновременных сигналов гравитационных волн будут накладываться друг на друга, но относительно легко разложить беспорядочный на первый взгляд результирующий сигнал на составляющие синусоиды. Наш мозг делает это постоянно. Барабанные перепонки единовременно реагируют на множество звуковых волн. Тем не менее мы без труда различаем человеческий голос, звонок своего сотового и шум проезжающей машины, даже если слышим их одновременно. Все, что нужно, – анализ данных.

Конечно, идентифицировать некоторые формы волны будет сложно просто потому, что не известно, чего ожидать. Например, космологи надеются найти свидетельства существования суперструн – удивительных одномерных структур с очень высокой плотностью массы и большой энергией, возможно пронизывающих Вселенную. Эти топологические дефекты пространственно-временного континуума предсказывают некоторые теории Большого взрыва, но никто не знает, существуют ли они и какого характера гравитационные волны могут порождать. В любом случае собираемые LISA данные станут кладезем информации для ученых, занимающихся астрономией, астрофизикой высоких энергий и космологией.

На мой взгляд, одним из самых замечательных качеств LISA станет способность предупреждать нас о приближающихся столкновениях ЧД. Если бы эта программа уже действовала в 2015 г., астрономы предсказали бы время GW150914 с точностью до нескольких секунд. Более того, они бы точно знали, где искать электромагнитные проявления события. Все телескопы на Земле и в космосе обследовали бы место катастрофы в поисках одновременной рентгеновской вспышки, излучения видимого или инфракрасного света, и, разумеется, все сотрудники LIGO приникли бы к мониторам в центрах управления.

Это не сказка. Непосредственно перед столкновением друг с другом две ЧД звездной массы имеют орбитальный период в несколько миллисекунд – именно поэтому они излучают высокочастотные гравитационные волны, которые могут быть зарегистрированы LIGO и Virgo. За месяцы или годы до ДТП космического масштаба у них намного больший орбитальный период, исчисляемый секундами или даже минутами. Наземные детекторы не могут наблюдать соответствующие низкочастотные волны, но LISA «увидит» их, причем, вероятно, с расстояния в миллиарды световых лет.

В результате длительного изучения постоянного источника волн космическая обсерватория сможет определить его местоположение в небе методом триангуляции. Большие наземные оптические телескопы попытаются найти галактику, в которой находится двойная система, и установить расстояние до нее. Подробный анализ сигнала даст астрономам точную информацию о массах двух объектов и изменении их орбиты. Задолго до столкновения и слияния они откроют почти все свои секреты. Когда орбитальный период сократится до нескольких секунд, LISA не сможет наблюдать сигнал, но недалек момент, когда чувствительный наземный интерферометр примет эстафету, чтобы стать свидетелем заключительных стадий слияния. Разумеется, все уже будут наготове.

Ученый мир замер в предвкушении. В университетах, институтах и лабораториях по всему земному шару самые светлые умы неустанно и самоотверженно трудятся над тем, чтобы Лазерно-интерферометрическая космическая антенна стала реальностью и была готова к выводу в космос примерно к 2031 г. Еще около 15 лет, и LISA – а также ее японский и китайский аналоги, если этим проектам будет сопутствовать успех, – совершит переворот в области гравитационно-волновой астрономии.

Это не значит, что ближайшие полтора десятилетия не обещают ничего интересного. Поговорим о более близких свершениях – и не в космосе, а на Земле. Точнее, под землей.

16 Новости гравитационно-волновой астрономии

В огромной пещере в горе Икэно на западе Японии рабочие строят второй по величине в мире лазерный интерферометр. Исходная версия детектора гравитационных волн в Камиока (Kamioka Gravitational Wave Detector, KAGRA) была создана и протестирована в марте и апреле 2016 г., после чего началась установка нового оборудования базовой версии: дополнительные зеркала, многоуровневые системы подвеса, новые лазеры, криогенные холодильные агрегаты. Участники масштабных работ надеются завершить их к концу 2018 г., если удастся избежать очередных простоев. Построить подземный интерферометр с плечом 3 км – непростая задача.