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

Прежде чем потрясти вас очередной серией астрономических больших чисел, отвечу на вопрос, возможно уже беспокоящий вас. Если ЧД являются областями пространственно-временного континуума, откуда ничто не способно вырваться, как они могут терять массу? Изначально две ЧД были в 36 и в 29 раз массивнее Солнца, но после слияния осталась ЧД массой в 62 солнечных. Как три массы Солнца могли освободиться от гравитационного захвата двух ЧД?

Самоочевидный ответ – они и не могли. Сливающиеся ЧД не исторгали материю, как по волшебству. В действительности не вполне правомерно говорить, что они вообще содержат материю. Независимо от способа формирования ЧД материя, попадающая в нее, изымается из сущего в центральной бесконечно малой точке с бесконечной большой плотностью – в терминологии физиков «сингулярности» ЧД. Физически сохраняется только сильное искривление пространственно-временного континуума. Говоря о массе ЧД, астрономы имеют в виду не определенное количество материи, а определенную степень искривления пространственно-временного континуума – одно из немногих доступных для наблюдения свойств любой ЧД.

Итак, это произошло 1,3 млрд лет назад в безымянной далекой галактике. Два «завихрения» пространственно-временного континуума, каждый со своей кривизной, угодили в жестокий пространственно-временной «шторм», в котором слились в один более крупный «торнадо». Большая часть совокупного наличествующего искривления (почти 95 %) пошла на формирование возникшей в итоге единой ЧД. Чуть меньше 5 % (эквивалент трех масс Солнца) было преобразовано в гравитационные волны.

Подставив три солнечные массы (6×10³⁰ кг) и квадрат скорости света (9 × 10¹⁶ м²/с²) в знаменитую формулу Эйнштейна Е = mc², получаем энергию 5,4 × 10⁴⁷ Дж. Это в 16 квадриллионов раз больше всей выделенной энергии Солнца за день. Поскольку эта немыслимо большая энергия была высвобождена примерно за 15 мс, пиковая выходная мощность достигала невероятных 3,6×10⁴⁹ Вт – в десятки раз больше совокупной мощности излучения всех звезд и галактик в наблюдаемой Вселенной.

Когда Брюс Аллен, управляющий директор Института Альберта Эйнштейна в Ганновере, поделился восторгом по поводу регистрации GW150914 со своими сыновьями Мартином и Дэниэлом 12 и 15 лет, новость не произвела на них особого впечатления. Тогда Аллен на скорую руку сделал кое-какие расчеты и сравнил энергетический выход события с разрушительной силой «Звезды смерти» – «абсолютного оружия» Галактической империи из «Звездных войн». «По сравнению с этим столкновением черных дыр “Звезда смерти” – детская игрушка, – сказал он мальчикам. – Энергии, высвободившейся при слиянии, с избытком хватило бы на то, чтобы полностью испарить каждую планету в системе каждой звезды в ста галактиках размером с Млечный Путь». Это их проняло.

Еще один важный момент, который следует уяснить о столкновении и слиянии двух ЧД, – экстремальная гравитация. В главе 3 мы увидели, как физики ставят всевозможные эксперименты, чтобы проверить предсказания ОТО Альберта Эйнштейна. Но релятивистские эффекты становятся значимыми только в очень сильных гравитационных полях (или при скоростях, близких к скорости света). Конечно, можно получить наглядные результаты, если отправить атомные часы в кругосветный полет и измерить уход гироскопа на орбите Земли или установить задержку радиосигнала космического зонда, исчезающего позади Солнца, но все это – эксперименты в условиях низкой гравитации. Даже двойная система нейтронных звезд – «слабопольная среда», во всяком случае если речь идет об ОТО.

Совсем иное дело – наблюдение за происходящим на горизонте событий ЧД, которое дает возможность протестировать теорию Эйнштейна в условиях сильного поля. Именно там физики предполагают найти возможные отклонения от предсказаний ОТО. В том числе поэтому их так окрыляют перспективы гравитационно-волновой астрономии. Возмущения пространственно-временного континуума вследствие столкновения ЧД дают возможность тщательного изучения одной из самых экстремальных сред во Вселенной. Это как раз те условия, в которых хочется ставить эксперименты, испытывая теорию Эйнштейна на прочность.

Как уже было сказано, физики считают невероятным, чтобы ОТО была последним словом в изучении гравитации. Теория несовместима с квантовой механикой – другим могучим опорным столпом физики XX в. Чтобы описание гравитации увязывалось с невероятно успешным описанием других сил природы – и всех известных нам частиц, по крайней мере одну из этих двух теорий необходимо адаптировать. Верный путь к долгожданной универсальной теории взаимодействий неизвестен, но, возможно, на самом краю ЧД найдется дорожный указатель. Изучение волн Эйнштейна, появившихся при столкновении ЧД, может подать нам знак и помочь физикам лучше понять самые фундаментальные свойства природы.