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

Рассчитать ожидаемые формы волны в случае слияния компактных двойных систем – сложная задача. Даже в простейших случаях такие расчеты не проведешь на карманном калькуляторе, тем более на обороте конверта. Только в 1970-х гг. ученые, занимающиеся математической физикой, достигли первых успехов. Сегодня большая часть сложностей в вычислениях преодолена. Однако нужен суперкомпьютер огромной производительности, чтобы проделать расчеты за обозримое время. Создание библиотеки из нескольких сотен тысяч форм волн – колоссальный труд.

Разумеется, библиотека волн Эйнштейна содержит формы волн, возникающих не только вследствие слияния компактных двойных систем. Асимметричный взрыв сверхновой образовал бы волну совершенно иного характера, как и быстро вращающаяся вокруг своей оси нейтронная звезда с крохотной неровностью поверхности. В силу огромной плотности нейтронные звезды считаются самыми совершенными сферами в природе, но «гора» высотой всего в миллиметр может создать доступные для наблюдения гравитационные волны. Во всех случаях детали могут сильно различаться в зависимости от конкретных обстоятельств.

В любом случае с учетом близкого соответствия характеристик волны теоретическим предсказаниям, никто не сомневается, что GW150914 была образована слиянием двух ЧД в 36 и 29 раз массивнее Солнца. Поскольку ОТО дает первоначальную амплитуду возникающих волн Эйнштейна, достаточно простой обратный расчет, отталкивающийся от наблюдаемой амплитуды, позволяет оценить расстояние до места столкновения.

Форма волны второй регистрации (GW151226) совпала с прогнозом для слияния двух ЧД в 14,2 и 7,5 солнечных масс. Они слились на несколько большем расстоянии – 1,4 млрд св. лет. По очевидным причинам анализ этого события не начинался до 11 февраля 2016 г. – ученые LIGO и Virgo были слишком заняты подготовкой к важной первой пресс-конференции. Габриэла Гонсалес, Фульвио Риччи и Дэвид Райтце представили результаты по GW151226 в среду 15 июня на пресс-конференции в рамках 228-го собрания Американского астрономического общества в калифорнийском Сан-Диего[89].

Из-за меньшей массы объектов-участников второго события фаза сближения по спирали происходила медленнее. Наблюдаемый чирп длился дольше целой секунды, тогда как у GW150914 – только 0,2 с. Соответственно, наблюдалось больше фаз волны: 54 фазы (соответствующие 27 виткам орбиты) в отличие от всего 10 фаз (5 витков) первого события. Возникшая в итоге ЧД опять-таки весила меньше суммы двух изначальных – 20,8 солнечных масс. В этом случае энергетический эквивалент 0,9 солнечной массы превратился в гравитационную волну.

Что касается третьего сигнала, зарегистрированного 12 октября 2015 г., то его возможным источником команда считает слияние двух ЧД в 23 и 13 солнечных масс на расстоянии более 3 млрд св. лет. Однако статистическая значимость в этом случае была значительно ниже, чем в двух предыдущих. С учетом типичных флуктуаций фонового шума детекторов вероятность того, что событие не было настоящей гравитационной волной, оценивается в 1 %. Только поэтому оно не получило официального наименования с аббревиатурой GW и называется LVT151012 (LIGO – Virgo Trigger – событие-инициатор LIGO – Virgo). Тем не менее большинство членов коллаборации считают его истинной регистрацией, хотя и менее убедительной – с уровнем доверительной вероятности «всего» 99 %.

Итак, формы волны первых регистраций LIGO указывали на слияние ЧД. По мнению некоторых ученых, наблюдения гравитационных волн представляют собой первое прямое доказательство существования ЧД. Действительно, поскольку, по определению, ЧД не излучает свет (как и любое другое электромагнитное излучение), она недоступна для непосредственного наблюдения – если только вы не «почувствуете» слабейшие вибрации, вызванные ею в ткани пространственно-временного континуума. Единственный способ прямой коммуникации ЧД с окружающим миром – посредством гравитации, единственный доступный им язык – язык гравитационных волн. Другие имеющиеся свидетельства их существования являются частными и косвенными[90].

_________

Идея ЧД намного старше ОТО Эйнштейна. Ее выдвинул английский священник и геолог Джон Мичелл еще в 1783 г., всего через полвека после смерти Исаака Ньютона. Теория всемирного тяготения была хорошо известна и считалась серьезно обоснованной. Мичелл знал, что каждое небесное тело имеет так называемую скорость убегания – скорость, с которой нужно двигаться, чтобы преодолеть гравитационный захват тела. Например, скорость убегания для Земли составляет 11,2 км/с, для Солнца – 617,5 км/с.

«Что, если бы Солнце было еще массивнее?» – задумался Мичелл. Очевидно, его скорость убегания была бы еще выше. В случае достаточно большой и массивной звезды скорость убегания может достигать 300 000 км/с – скорости света. Но что произойдет, если свет не сможет убежать от звезды?