Дрожь Вселенной: как астрономы открыли сотрясение пространства черными дырами
Солнечную систему со всех сторон захлестывает непрерывный поток гигантских гравитационных волн, медленно раскачивающих пространство и время. Спустя 15 лет охоты ученые наконец обнаружили эти волны. Скорее всего, их излучают черные дыры массой от сотен миллионов до десятков миллиардов солнц, готовые столкнуться и слиться. Но не исключено, что в этом потоке есть и реликтовые гравитационные волны, возникшие спустя ничтожные доли секунды после Большого взрыва.
Об открытии, которое войдет в историю астрономии и физики, сообщает серия научных статей в Astrophysical Journal Letters.
Гигантские волны
В начале XX века Альберт Эйнштейн создал общую теорию относительности (ОТО), связывающую пространство, время и тяготение. Из этой теории следовало немало удивительных фактов, например, существование черных дыр и гравитационных волн.
Гравитационные волны — это колебания, растягивающие и сжимающие пространство-время. Когда по Вселенной бежит такая волна, расстояния между всеми точками чуть-чуть меняется. Можно сказать, что все предметы покачиваются на гравитационной волне.
Гравитационные волны излучаются каждый раз, когда какой-нибудь объект движется с ускорением. Чем больше масса и ускорение, тем сильнее волна. Теоретически даже упавшая капля дождя вызывает гравитационный всплеск. Но на практике лишь столкновения черных дыр и нейтронных звезд массой в несколько солнц порождают достаточно сильные волны, чтобы их фиксировали существующие сейчас детекторы. Эти «сильные» волны меняют расстояние между зеркалами детектора на величину, меньшую радиуса протона. Устройства LIGO и VIRGO, улавливающие такие колебания — настоящее чудо техники.
Для регистрации волны важна не только ее амплитуда, но и частота, то есть количество колебаний в секунду. LIGO и VIRGO регистрируют волны с частотой от десятков герц до килогерц. Другими словами, новый гребень волны приходит каждую десятую — тысячную долю секунды. Именно такие волны были обнаружены в 2015 году и с тех пор их наблюдение стало чуть ли не рутиной.
Гравитационные волны, зафиксированные сейчас, имеют частоту в несколько наногерц. Это означает, что следующего гребня волны нужно ждать годы или даже десятилетия, притом что волна движется со скоростью света. То есть расстояния между гребнями измеряются световыми годами. Это грандиозная зыбь Вселенной, на которой покачиваются звезды и планеты.
Галактика как прибор
Человечество не изобрело детекторов для наблюдения наногерцовых волн, но их создала сама природа. Это миллисекундные пульсары — объекты массой с Солнце и размером с город, делающие один оборот вокруг своей оси за несколько миллисекунд.
Поясним, откуда берутся столь экзотические небесные тела. Массивные звезды заканчивают свою жизнь в грандиозном взрыве сверхновой. После этой катастрофы от светила остается миниатюрный остаток: нейтронная звезда или черная дыра. Нейтронные звезды чудовищно плотные: кубический сантиметр их вещества весит сотни миллионов тонн. Такого давления не выдерживают даже атомные ядра.
Вещество нейтронной звезды, вероятно, самое жесткое и прочное во Вселенной. Поэтому эти объекты не разрушаются, с огромной скоростью вращаясь вокруг своей оси. Большинство из них совершает полный оборот за несколько секунд, но некоторые — за миллисекунды.
Сравнительно молодые нейтронные звезды (не старше нескольких миллионов лет) представляют собой природные радиомаяки. Они испускают радиоволны в виде узкого луча. Звезда вращается вокруг своей оси, и луч поворачивается вместе с ней. Когда этот луч накрывает Землю, радиотелескоп фиксирует яркую вспышку излучения. Потом луч отворачивается и возвращается на следующем обороте. Для наблюдателя это выглядит как серия радиоимпульсов, следующих друг за другом строго через один и тот же промежуток времени. Поэтому такие «маяки» и называются пульсарами.
По стабильности пульсары могут поспорить с атомными часами. И неудивительно, ведь период между импульсами – это период вращения нейтронной звезды. Если уж махина массой в полтора–два солнца вертится с огромной скоростью, замедлить или ускорить этакий маховик почти невозможно.
Но гравитационные волны меняют расстояние между пульсаром и телескопом. Из-за этого радиосигнал проходит то чуть большую, то чуть меньшую дистанцию, и пульсар сбивается с ритма. Это изменение ничтожно. Но его можно заметить, располагая столь точными часами, как миллисекундные пульсары, да и еще и удаленными на многие световые годы.
Поймать волну
В 2007 году для охоты на низкочастотные гравитационные волны была основана коллаборация NANOGrav. Это аббревиатура от словосочетания North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves, то есть «Североамериканская наногерцовая обсерватория [для наблюдения] гравитационных волн». В момент создания она действительно была североамериканской. Сегодня в NANOGrav входят радиотелескопы, расположенные не только в Северной Америке, но и в Европе, Азии и Австралии. Анализом данных занимаются эксперты из более чем 70 научных учреждений по всему миру, включая МГУ. Радиотелескопы NANOGrav 15 лет наблюдают 68 миллисекундных пульсаров, разбросанных по Галактике. Специалисты обрабатывают гигантские объемы данных, ища закономерности. И вот наконец они нашли именно то, что искали.
Детекторы LIGO и VIRGO фиксируют единичные всплески — отголоски отдельных космических катастроф. По ним можно вычислить, в какой точке Вселенной столкнулись две черные дыры. «Галактический детектор» NANOGrav обнаружил нечто иное: непрерывный шум со всех направлений. Образно говоря, это не отдельные резкие выкрики, а ровный гул толпы. Это значит, что гравитационные волны порождаются множеством источников, рассеянных по далекому космосу.
Это очень слабый сигнал, тонущий в неизбежных шумах самой разной природы. Чтобы выделить его, пришлось учесть множество тонких эффектов: движение пульсаров, влияние межзвездного вещества на радиоволны, нестабильность эталонных часов в обсерваториях и даже точное местоположение центра Солнечной системы.
«Для окончательного доказательства гравитационно-волновой природы шума требуются новые наблюдения, но уже сейчас ясно, что обнаруженный сигнал с 99,9% вероятностью имеет астрофизическое происхождение» — считает директор Государственного астрономического института имени Штернберга МГУ член-корреспондент РАН Константин Постнов.
Конец или начало
Скорее всего, источник этих волн — сверхмассивные черные дыры. Такая дыра есть в центре практически любой крупной галактики. Когда галактики сталкиваются и сливаются, их центральные черные дыры приближаются друг к другу. Они образуют все более тесную пару, сближаясь по спирали и излучая при этом гравитационные волны. В конце концов гиганты сталкиваются и сливаются в одну черную дыру.
Так, во всяком случае, гласит теория. Самая тесная пара черных дыр, известная наблюдателям, столкнется только через сотни миллионов лет. Сейчас между ее членами 750 световых лет. Для сравнения: от Солнца до ближайшей звезды (Проксимы Центавра) всего четыре световых года. Скорее всего, в поле зрения наших телескопов попадают и куда более тесные пары черных дыр. Но мы не можем опознать в них именно пары: слишком близкие друг к другу объекты неминуемо сливаются для наблюдателя в один объект.
Наногерцовые гравитационные волны испускаются, когда до столкновения остаются считанные миллионы лет. Тем самым они позволяют заглянуть в самый финал космической драмы. Это поможет ученым лучше понять свойства сверхмассивных черных дыр, их родительских галактик и самого пространства-времени.
Но есть и еще более интригующие гипотезы о происхождении наногерцовых волн. Такие волны могли испускаться спустя ничтожные доли секунды после Большого взрыва 13,7 млрд лет назад. Для сравнения: химический состав Вселенной несет информацию о первых минутах, реликтовое излучение — о первых сотнях тысяч лет. Гравитационные волны позволили бы подобраться к началу начал гораздо ближе, чем любое другое свидетельство из ранней Вселенной. Тогда материя находилась в состояниях, недостижимых ни в какой лаборатории. Заглядывая в столь далекое прошлое, потенциально можно проверить самые глубокие физические теории вплоть до теории струн.