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

Если двойные системы сверхмассивных ЧД действительно существует где-то во Вселенной, они могут иметь разнообразные орбитальные периоды – от месяцев до тысячелетий. Излучаемые ими волны Эйнштейна, соответственно, будут демонстрировать широкий спектр частот от десятой доли миллигерца до 10 пикогерц. Очевидно, наблюдать гравитационные волны, имеющие период в столетия, затруднительно. Их эффекты недостаточно проявятся на протяжении человеческой жизни, и вероятность их регистрации мала. Более того, при таких больших орбитальных периодах ЧД должны иметь чудовищную массу, чтобы произвести волны достаточной амплитуды. Решетки для наблюдения за временной динамикой пульсаров могли бы улавливать волны с частотами, скажем, от 1 до 10 нГц.

Существуют ли двойные системы сверхмассивных ЧД? Да, существуют. Из главы 12 вы узнаете, что в ядре большинства галактик находится сверхмассивная ЧД. Вероятно, они сформировались много миллиардов лет назад одновременно с самими галактиками. Подробности их формирования пока не вполне ясны, но астрономы зарегистрировали квазары на расстояниях намного больше 12 млрд св. лет. Квазары (сокращение от «квазизвездный объект») – это ослепительные высокоэнергетические ядра галактик, «источником питания» которых служат экстремально массивные ЧД. Судя по тому, что они наблюдаются на огромных расстояниях, они уже существовали, когда Вселенная была еще молодой. Возможно, рождение каждой галактики сопровождалось формированием сверхмассивной ЧД.

Если существуют одиночные сверхмассивные ЧД, то должны быть и их двойные системы. Дело в том, что галактики сталкиваются и сливаются друг с другом. Даже в расширяющейся Вселенной соседние галактики – например, в больших скоплениях галактик – испытывают взаимное притяжение. Постепенно они сближаются, пока не соединятся в одну более крупную галактику. Если в центре каждой была сверхмассивная ЧД, две ЧД также будут притягиваться друг к другу и в итоге образуют двойную сверхмассивную ЧД в ядре объединенной галактики.

Астрономы повсеместно наблюдают свидетельства слияния галактик. Эти процессы протекают слишком медленно, чтобы мы могли следить за ними в реальном времени. Мы видим только отдельные сцены наподобие фотографий ДТП, сделанных с короткой выдержкой. Нарушенные формы спиралей, вытянутые приливными силами хвосты из газа и звезд, возобновленный процесс образования звезд – во Вселенной вокруг нас можно найти любую стадию столкновения галактик. Соединив наблюдения с подробными компьютерными симуляциями, получаем довольно точную картину процесса.

Наша собственная галактика Млечный Путь находится на пути к столкновению со своей ближайшей соседкой – галактикой Туманность Андромеды. Их все еще разделяет 2,5 млн св. лет, но они сближаются со скоростью около 100 км/с. Через несколько миллиардов световых лет две великолепные спиральные галактики столкнутся и сольются в гигантскую эллиптическую галактику. Поскольку в центре каждой из них находится сверхмассивная ЧД, возникшая в результате галактика – так называемая Млекомеда – получит ядро, представляющее собой двойную систему сверхмассивных ЧД.

Двойные сверхмассивные ЧД даже наблюдались, хотя и косвенно, через периодические изменения яркости и доплерометрию далеких (на расстоянии порядка 3,5 млрд св. лет) квазароподобных объектов. Детальные наблюдения и компьютерное моделирование оставляют возможность только для одного объяснения: две очень массивные ЧД на общей орбите. В настоящее время они разнесены на триллионы километров (существенную часть светового года). Предположительно, они сольются через несколько десятков тысяч лет.

_________

Итак, можно ожидать, что во Вселенной имеется множество гравитационных волн чрезвычайно низкой частоты. Они приходят с любого мыслимого направления, имеют широкий спектр частот (наногерцового диапазона), а также значительно отличаются амплитудами в зависимости от массы породивших их ЧД и, разумеется, пройденного расстояния. Вместе они постоянно растягивают и сжимают пространственно-временной континуум – совсем чуть-чуть и очень медленно, астрономы называют это гравитационно-волновым фоном.

Приведу наглядное сравнение. Представьте, что вы находитесь в крохотной лодочке посреди спокойного океана. На его поверхности отчетливо видна слабая рябь. Если кто-то бросит большой камень в воду поблизости от вашей лодки, вы почувствуете, что она начала слегка покачиваться. Намного труднее, однако, заметить очень медленные непрерывные колебания поверхности воды – волны, возможно, гораздо большей амплитуды, но значительно меньшей частоты. Как измерить этот «волновой фон»?