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

Есть и другая возможность проверки ОТО в непосредственной близости от ЧД. Радиоастрономы, в том числе Хейно Фальке из Университета Радбауд из голландского города Неймегене и Шеп Долеман из MIT, объединяют гигантские радиотелескопы миллиметрового диапазона разных континентов. Они хотят создать Телескоп горизонта событий, самый зоркий инструмент за всю историю астрономических наблюдений, и направить его на сверхмассивную ЧД в ядре галактики Млечный Путь. Несмотря на дистанцию 27 000 св. лет, можно будет увидеть горизонт событий ЧД, выделяющийся черным силуэтом на ярком фоне из звезд и светящихся облаков газа. Это будет нечто вроде чернильно-черных дисков из фильма, который Кип Торн демонстрировал на пресс-конференции LIGO. Реальный облик ЧД на изображении можно будет сравнить с предсказаниями ОТО. Отклонения, возможно, укажут путь к новой физике.

_________

Новая физика пока остается мечтой, но первая регистрация гравитационных волн уже подарила ученым новую астрофизику. Одна из статей о GW150914, опубликованная 11 февраля 2016 г., была полностью посвящена следствиям открытия для астрофизики. Удивительно, что самое первое событие принесло новые важные сведения об эволюции массивных звезд.

До начала работы усовершенствованного LIGO (aLIGO) многие члены коллаборации предполагали, что интерферометр сможет обнаруживать главным образом столкновения нейтронных звезд. Предел расстояния, на котором возможна регистрация слияния нейтронных звезд, даже стал стандартным количественным параметром чувствительности интерферометра. У iLIGO и первоначальной версии Virgo, например, этот «охват» составлял 50–65 млн св. лет; во время первого научного запуска aLIGO – на одной трети чувствительности – достиг 200 млн св. лет.

Разумеется, астрофизики ожидали и столкновений ЧД. Если пара вращающихся по общей орбите нейтронных звезд сближается по спирали, то и пара ЧД должна вести себя так же. Столкновения ЧД могут быть зарегистрированы на значительно бóльших дистанциях: поскольку объекты массивнее, амплитуда возникающих волн Эйнштейна также гораздо выше, поэтому GW150914 удалось зарегистрировать на Земле, несмотря на удаленность в 1,3 млрд св. лет.

Никто, однако, не знал, сколько существует двойных ЧД – до сих пор не было обнаружено ни одной. Соответственно, неизвестно было, сколько ожидать столкновений и слияний. Прогнозные разнились на многие порядки. Напротив, двойные нейтронные звезды были открыты в галактике Млечный Путь; первой стала система Халса – Тейлора. Сочетая статистику с научными предположениями, несложно дать грубую оценку количества столкновений, которые сможет зарегистрировать такой интерферометр, как LIGO. В случае iLIGO это примерно одна регистрация в десятилетие, для aLIGO – несколько в год. (Напомню, что увеличение чувствительности в три раза приводит к троекратному росту охвата – от 65 до 200 млн св. лет. Поскольку это соответствует в 27 раз большему объему пространства, ожидаемый уровень регистраций также возрастает в 27 раз.)

Таким образом, ученые имели представление о количестве возможных регистраций слияний нейтронных звезд. Вероятно, поэтому они считали, что именно эти события в первую очередь будут обнаруживать усовершенствованные детекторы. Для физиков, не имеющих солидной астрономической подготовки, стало неожиданностью, что событием, зарегистрированным в 2015 г., оказалось столкновение ЧД. Другие, например Стэн Уиткомд из Калтеха, были с самого начала уверены, что в регистрациях LIGO будут преобладать слияния ЧД. Они могут быть сколь угодно более редкими, утверждает Уиткомб, зато их можно «увидеть» с гораздо большего расстояния. Кип Торн в книге 1994 г. «Черные дыры и складки времени» даже описывает сценарий «будущего», сверхъестественно близкий реальным событиям сентября 2015 г.:

Из деталей формы волны компьютер выводит не только историю спирального сближения, слияния и затухания возмущений, но и массы, и угловые вращения исходных дыр и результирующей дыры. Исходные дыры весили каждая в 25 раз больше Солнца и медленно вращались вокруг своих осей. Получившаяся дыра имеет массу в 46 солнечных и вращается со скоростью 97 % от предельно допустимой. Энергия, эквивалентная четырем массам Солнца (2 × 25–46 = 4), была преобразована в пульсации кривизны и унесена волнами.

Весьма похоже!