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

С безопасного расстояния соединение двух ЧД, должно быть, представляет собой великолепное зрелище[87]. На пресс-конференции 11 февраля 2016 г. Торн показал компьютерную анимацию на основе того же научного алгоритма, что использовался в фильме «Интерстеллар». Две ЧД представлены в виде круглых дисков, чернильно-черными силуэтами выделяющихся на фоне звезд. При их орбитальном движении свет фоновых звезд отклоняется то в одну, то в другую сторону сильной гравитацией вблизи горизонта событий каждой ЧД. Эффект гравитационного линзирования создает фантастическую картину сдвигающихся и мерцающих звезд. Две ЧД сближаются по спирали, сливаются, и возникает одна ЧД, вибрирующая, словно гонг, но намного быстрее. Постепенно колебания затухают, все успокаивается. Через миллиард с лишним лет возмущения пространственно-временного континуума, вызванные этой катастрофой, достигают Земли, хотя и с почти неуловимой амплитудой.

Почему ученые настолько уверены, что все произошло именно так? Видео выглядит убедительно, но это всего лишь анимация на основе уравнений ОТО. Откуда Торн и его коллеги знают массы двух слившихся ЧД и массу дыры, возникшей в результате слияния? Откуда они знают, что произошло именно слияние ЧД, а не другое событие? Как можно что-то утверждать, исходя лишь из двух коротких чирпов, зарегистрированных LIGO?

В какой-то мере это продукт здравого смысла и дедукции. Согласно теории Эйнштейна, компактный двойной объект порождает гравитационные волны с частотой, в два раза превышающей орбитальную частоту. Поскольку непосредственно перед слиянием наблюдаемая частота волны составляла порядка 200 Гц, два движущихся по общей орбите объекта совершали около 100 оборотов в секунду. Одно это указывает на то, что массы и плотности объектов были огромны. Продолжительность события также информативна. Сближение по спирали менее массивных объектов заняло бы больше времени. Объекты меньшего диаметра слились бы при большей орбитальной частоте. Наконец, частота волны Эйнштейна во время фазы затухания определяется массой образовавшейся ЧД.

Разумеется, уточнение масс требует значительно более тщательного анализа. Но есть одна проблема: практически невозможно, исходя из наблюдаемого рисунка волны (и чирпа), реконструировать характеристики процесса слияния. Теоретикам приходится сравнивать наблюдения со многими десятками тысяч рассчитанных характеристик волны и искать максимальное совпадение.

В качестве аналогии можно привести отпечатки пальцев. Каждый отпечаток уникален, и отпечаток, найденный детективом, идентифицирует единственного человека. Но невозможно установить, кто этот человек, имея только отпечаток его пальца. Нужна база данных из миллионов отпечатков, в которой ищется совпадение.

Поэтому теоретики посвятили много сил расчету предполагаемых характеристик волн для самых разных событий – в действительности для каждого возможного слияния. Какие волны Эйнштейна ожидаются при слиянии двух нейтронных звезд в 1,4 солнечной массы (как у двух компонентов двойной системы Халса – Тейлора)? В случае более массивных нейтронных звезд? Если одна звезда на 50 % массивнее другой? А если на 40 % или на 60 %? При слиянии нейтронной звезды и ЧД? Или двух ЧД? В случае приливных деформаций? Эксцентрических орбит?

Разные объекты, разные массы и соотношения масс, разный угол зрения, скорость вращения – для любого возможного сочетания можно рассчитать, какая получится волна. За годы теоретики создали библиотеку из нескольких сотен тысяч форм волн. Характерный чирп GW150914 наиболее соответствует прогнозу для волны, вызванной слиянием двух ЧД массами в 36 и 29 раз больше массы Солнца. Таким образом, эти «отпечатки» указали «детективам» LIGO на «подозреваемого». То, что кажется черной магией, является серьезной наукой[88].

Это непростые вычисления. Математическая составляющая ОТО очень сложна, поэтому Эйнштейну потребовалось так много времени, чтобы сформулировать свои идеи. Например, ЧД вызывает деформацию окружающего пространственно-временного континуума. Искривление пространственно-временного континуума – это определенное количество энергии. Согласно Эйнштейну, энергия эквивалентна массе. Таким образом, энергия искривления вызывает некоторое добавочное искривление. Так называемые нелинейные характеристики ОТО делают любое вычисление очень сложным и длительным.

Другую сложность представляет система координат. В теории всемирного тяготения Исаака Ньютона каждое событие можно было описать по отношению к абсолютному пространству и абсолютному времени. Пространство и время задавали инвариантную координатную систему. В ОТО Эйнштейна нет ничего абсолютного. Координатная система (пространственно-временной континуум) испытывает воздействие события, которое вы пытаетесь описать. В случае ЧД пространственно-временной континуум очень сильно искривляется, засасывается и поглощается ее мощной гравитацией. Можете представить, как трудно вычислить местонахождение объекта, если координатная система разорвана в клочья.