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

Мы прошли долгий путь с того момента, когда «идиотские зеленые человечки» едва не погубили диссертацию Джоселин Белл. Полвека детективной работы астрономов позволили обнаружить свыше 2000 пульсаров в галактике Млечный Путь, в том числе десятки пульсаров в составе систем двойных звезд. Это замечательный материал для астрономов, желающих понять финальные стадии эволюции массивных звезд. Это ценные данные для специалистов по ядерной физике, изучающих поведение материи при экстремальной плотности. Для последователей Альберта Эйнштейна нет лучшего способа раскрыть секреты пространственно-временного континуума, чем работая с этими космическими гравитационными лабораториями.

В рамках нашей темы, разумеется, самым важным наблюдением является снижение орбиты двойных пульсаров. Тот факт, что орбитальный период пульсара Халса – Тейлора сокращается на 76 мкс в год, служит косвенным доказательством существования гравитационных волн. Напомню, что ускоряющиеся массы вызывают пульсацию пространственно-временного континуума – волны Эйнштейна. Волны уносят энергию. Потеря энергии системой двойных звезд приводит к сужению орбиты. Все просто!

Если вас интересует количество теряемой энергии, она огромна. Каждую секунду пульсар Халса – Тейлора лишается 7,53×10²⁴ Дж. Это примерно в 1000 раз больше энергии, выделившейся 66 млн лет назад при столкновении с Землей астероида диаметром 10 км, повлекшем за собой вымирание динозавров. За секунду!

Если столько энергии перекачивается в пространственно-временной континуум, то возникающие при этом волны Эйнштейна должны быть гигантскими. По крайней мере так кажется на первый взгляд. Однако они крохотные. Невообразимо крохотные. Помните, я сравнивал встряхивание банки с желе и удар кувалдой по бетонному блоку? Пространственно-временной континуум обладает немыслимой жесткостью. Даже энергии тысячи столкновений с астероидами-убийцами в секунду недостаточно, чтобы вызвать в нем возмущение, которое можно было бы заметить.

Кстати, гравитационные волны пульсара Халса – Тейлора имеют очень низкую частоту. Орбитальный период 7,75 часа предполагает частоту около 73 мкГц. Соответствующая длина волны – гигантские 4,2 млрд км. Таким образом, мы говорим об исключительно длинных, низкочастотных, низкоамплитудных волнах. Есть ли у нас шансы измерить их? Ни единого, тем более с расстояния 20 000 св. лет.

Но в будущем ситуация улучшится. Две нейтронные звезды медленно, но верно сближаются по спирали. Чем ближе они друг к другу, тем меньше орбитальный период. Двойные системы излучают две гравитационные волны при каждом прохождении орбиты, поэтому частота пульсаций пространственно-временного континуума постепенно увеличивается – как и амплитуда волн, поскольку нейтронные звезды вращаются по сужающимся орбитам и испытывают все большие ускорения. Меньше длина волны, выше частота, больше амплитуда. Если мы будет достаточно терпеливы, то сможем напрямую обнаружить волны Эйнштейна, идущие от пульсара Халса – Тейлора. Это хорошие новости.

Есть и плохие. Терпения потребуется много. Волны останутся неизмеряемыми до тех пор, пока две нейтронные звезды не начнут с бешеной скоростью носиться по орбите на расстоянии всего нескольких десятков километров друг от друга. Перед самым их столкновением – и, возможно, превращением в ЧД – частота и амплитуда волн существенно возрастут. Слияние вызовет последний мощный выброс волн Эйнштейна, который смогут зарегистрировать датчики на Земле, – физик из Принстона Фриман Дайсон предсказал это еще в 1963 г.[39] Но с пульсаром Халса – Тейлора это произойдет не раньше, чем через 300 млн лет.

Впрочем, другие двойные звезды ведут себя так же: сужение орбиты, уменьшение периодов и в конце концов столкновение. Например, PSR J0737–3039 (знаменитый двойной пульсар) сольется примерно через 85 млн лет. Системе из двух белых карликов WD 0931+444 осталось жить меньше 9 млн лет. Другая двойная звезда, состоящая из белых карликов, J0651+2844 сольется через каких-то 2,5 млн лет. Возможно, в Млечном Пути есть системы двойных звезд, столкновение которых произойдет через 10 лет или завтра. Помните, множество двойных нейтронных звезд не наблюдаемы для нас, потому что их узконаправленные импульсы ориентированы в других направлениях.

Более того, незачем ограничиваться Млечным Путем. Финальное слияние двух массивных компактных объектов, таких как нейтронные звезды или белые карлики, порождает мощные волны Эйнштейна – настолько мощные, что их можно зарегистрировать на Земле, даже если столкновение произошло в соседней галактике. Постройте чувствительный детектор гравитационных волн и сможете уловить пульсации пространства-времени вследствие слияния нейтронных звезд на расстоянии десятков миллионов световых лет.