Вселенная. Емкие ответы на непостижимые вопросы

В этом случае (рис. 2) показанная орбита черной дыры, близкой к сингулярности, может быть крайне хаотичной, тогда как орбиты более удаленных черных дыр будут более правильными. Измеряя гравитационные волны от маленьких черных дыр, LISA может сконструировать карту искривленного пространства-времени сингулярности, карту, резко отличающуюся от той, что покажут маленькие дыры на орбитах вокруг гигантской черной дыры.

Рис. 2. Орбиты шести малых черных дыр вокруг массивной «голой» сингулярности Манько – Новикова. Модель Джендрю Бринка.

Возможно, LIGO вскоре сможет уловить и расшифровать гравитационные волны, которые образуются, когда черная дыра разрывает на части нейтронную звезду. Эти волны позволят нам узнать подробности строения звездного вещества, в десять раз более плотного, чем ядро атома, вещества более необычного, чем все, с чем до сих пор сталкивались люди. А проанализировав гравитационные данные совместно с данными оптических и рентгеновских наблюдений, мы узнаем еще больше.

Во время концерта мы видим сталкивающиеся черные дыры с нескольких точек зрения. Первая – это столкновение, каким его увидят человеческие глаза: черная дыра искажает свет далеких звезд за счет гравитационного линзирования.

Интереснее наблюдать то же столкновение из «пятого измерения» «Интерстеллар» (рис. 3). Перед столкновением (слева) каждая черная дыра сворачивает пространство в воронку, в центральных областях время замедляется, а стрелки указывают на затягивание пространства в движение. Столкновение (справа) превращает форму пространства, течение времени и движение пространства в бурный шторм. Мы даже видим часть внутреннего пространства сливающихся дыр (черная область в центре).

Во время такого шторма дыры выделяют гравитационные волны, мгновенная мощность которых оказывается в пятьдесят раз больше, чем мгновенная мощность свечения всех звезд во вселенной. Пятьдесят светимостей вселенной, которые выходят за долю секунды полностью в виде гравитационных волн. Без света, без радиоволн, без какого бы то ни было электромагнитного излучения. Это и в самом деле поразительно.

Рис. 3. Пространственно-временная геометрия сталкивающихся черных дыр, которые породили гравитационные волны, впервые зарегистрированные LIGO. Слева: до столкновения. Справа: во время столкновения. Модель – SXS Collaboration, визуализация – Гаральд Пфейфер.

Мы также наблюдаем горизонты событий черных дыр, их поверхности, их точки невозврата, откуда ничто не может вырваться. Когда дыры сталкиваются, их горизонты вытягиваются друг навстречу другу, сливаясь в один (рис. 4), под управлением законов механики черных дыр, сформулированных Стивеном Хокингом. Линии на горизонте изображают вращательное движение пространства в его окрестности. Кривые слева и снизу показывают предшествующее слиянию движение центров дыр; движение, на которое оказывает большое влияние закручивание пространства, происходящее из-за вращения большой дыры.

Рис. 4. Сливающиеся горизонты событий черных дыр – большой и малой – и их траектории по прошлым орбитам. Модель – SXS Collaboration, обработка данных – Энди Бон, визуализация – Карран Мульбергер.

Сверхновые – это самые яркие взрывы, видимые в оптический телескоп. Большинство из них случается, когда ядро тяжелой старой звезды коллапсирует и взрывается изнутри. Мы не до конца понимаем детали такого взрыва и не можем полностью описать механизм его запуска. Но внутренний взрыв производит гравитационные волны и нейтрино, совместный анализ которых поможет нам раскрыть секрет «центральной машины», ответственной за рождение и эволюцию сверхновой.

Когда коллапс и внутренний взрыв завершаются, запуская взрыв наружу, «центральная машина» превращается в нейтронную звезду.

Астрономы видят пары нейтронных звезд – старых нейтронных звезд, – которые постепенно сближаются по спирали и теряют энергию, излучая гравитационные волны. В конце концов они сталкиваются (рис. 3), производя финальный выброс гравитационных волн, доносящих нам подробные сведения об их движении, об искривленном пространстве-времени вокруг них, об их фантастических столкновениях и о ядерном веществе, из которого они состоят.