Как спастись от черных дыр. Нобелевка по физике научила землян слышать космические вопли
Нобелевская премия по физике в этом году вполне ожидаемо присуждена за обнаружение гравитационных волн. Это не просто открытие еще одного из бесконечной череды разнообразных физических явлений, которыми нас не устает удивлять природа. Это открытие принципиально нового способа узнавать о происходящем во Вселенной за миллиарды световых лет от нас.
До сих пор существовал только один такой способ: улавливать электромагнитные волны (видимый свет, рентгеновское излучение, гамма-всплески), исходящие от сверхдальних объектов. Теперь их два: к электромагнитным волнам добавились гравитационные. Более того, эти последние позволяют слышать как раз то, о чем электромагнитные волны молчат. Например, слияние гигантских черных дыр - эти объекты называются так именно из-за своей невидимости ни в каком диапазоне электромагнитного спектра. Они представляют собой дыры в пространстве и не выпускают наружу ничего, но при слиянии вызывают в пространстве-времени рябь - гравитационные волны. И мы, земляне, наконец научились эту рябь улавливать.
Гравитационные волны предсказал в 1916 г. Альберт Эйнштейн в своей теории гравитации - общей теории относительности. Через 100 лет, в феврале 2016-го, они стали одной из самых горячо обсуждаемых тем, когда физики из LIGO - двух гигантских гравитационных обсерваторий, расположенных в американских штатах Луизиана и Калифорния, - объявили о том, что 14 сентября 2015 г. впервые обнаружили гравитационную рябь. Она была порождена слиянием двух черных дыр, имевших массу 36 и 29 солнечных масс. В результате слияния образовалась черная дыра с массой в 62 солнечных, а остальные три солнечных массы за десятые доли секунды были излучены в виде гравитационных волн. Это грандиозный космический вопль прозвучал 1,3 млрд лет назад за 1,3 млрд световых лет от нас. И детекторы LIGO его услышали.
Именно за это и удостоены Нобелевской премии три американских физика - 85-летний Райнер Вайс, 81-летний Барри Бариш и 77-летний Кип Торн. Вайс получит половину от общей суммы в 9 млн шведских крон ($1,1 млн), а Торн и Бариш разделят поровну вторую половину. Такое решение Нобелевского комитета вполне понятно. Вайс еще в середине 1970-х анализировал возможные источники фонового шума, который мог бы помешать улавливать гравитационные волны, а также спроектировал детектор - лазерный интерферометр, способный этот шум устранять. Вайс и Торн были основателями проекта LIGO в 1983 г. Они уже тогда были твердо уверены, что гравитационные волны будут обнаружены и перевернут наше представление о Вселенной. А Бариш довел этот проект до решающего успеха.
Из трех лауреатов самым известным является, несомненно, Кип Торн - один из главных мировых экспертов по общей теории относительности. Знает его и широкая публика как автора идеи, научного консультанта и исполнительного продюсера научно-фантастического фильма Interstellar ("Межзвездный") режиссера Кристофера Нолана. Фильм вышел на экраны в октябре 2014 г., менее чем за год до открытия гравитационных волн. По задумке Торна, этим волнам предстояло сыграть в сценарии очень важную роль: именно благодаря им профессор Бренд и его сотрудники должны были обнаружить на орбите вокруг Сатурна червоточину в пространстве, позволяющую быстро переместиться в другую галактику.
В наброске сценария, предложенном Торном еще в 2006 г., профессор Бренд и его команда просматривали данные, собранные детекторами LIGO за два последних года, и обнаружили очень слабые гравитационные волны, источник которых находился где-то на орбите вокруг Сатурна. Этим источником могла быть только парочка, состоящая из нейтронной звезды и черной дыры. Но это было невероятно: Сатурн бы давным-давно разрушился от такого соседства. Кроме того, гравитация дыры и нейтронной звезды давно сместила бы орбиты всех планет Солнечной системы, включая Землю. Со смещенной орбитой Земля то приближалась бы к Солнцу, то отдалялась бы от него, а мы бы все поджарились, замерзли и вымерли. И все же волны определенно исходили из окрестностей Сатурна. Профессор Бренд видел этому лишь одно объяснение: волны идут из червоточины, которая вращается вокруг Сатурна. А источники волн - черная дыра и нейтронная звезда - находятся по другую сторону этой червоточины. Волны расходятся от звезды и от дыры, небольшая их часть попадает в червоточину, проходит сквозь нее и распространяется по Солнечной системе, достигая и Земли, где находятся детекторы LIGO.
Но в фильме эта задумка Торна не была реализована - гравитационные волны не вошли в сценарий из-за своей якобы заумности (хотя червоточина легла в основу сюжета). Что ж, можно ожидать, что теперь, когда за эти волны дали Нобелевскую премию, создатели фантастических фильмов уже не будут их бояться и найдут им достойное применение. Ведь эти волны - единственное, что может предупредить землян о приближении к Солнечной системе черной дыры. Гравитационные всплески будут сообщать нам всякий раз, когда мрачная странница поглотит очередную звезду или планету, и по этим данным можно будет даже просчитать маршрут блуждающей опасности, хотя сама она совершенно невидима.
После первого космического вопля, услышанного детекторами LIGO, они уловили еще три. 26 декабря 2015 г. был зафиксирован гравитационный всплеск от слияния двух черных дыр на расстоянии 1,4 млрд световых лет от нас. Затем 4 января 2017 г. - на расстоянии 2,9 млрд световых лет, а 14 августа 2017 г. - на расстоянии 1,8 млрд световых лет. Этот четвертый по счету космический вопль был услышан уже не двумя, а тремя гравитационными детекторами - к двум американским детекторам LIGO присоединился обновленный франко-итальянский детектор Virgo в Италии вблизи Пизы. Ему повезло уловить гравитационные волны спустя всего две недели после ввода в эксплуатацию.
Когда событие обнаруживается сетью из трех детекторов, область его поиска в небе значительно сокращается. Так, для источника августовского сигнала область поиска составляет всего 60 квадратных градусов, а если бы ученым были доступны только данные двух детекторов LIGO, она была бы в 10 раз больше.
Физики Института Макса Планка (Германия) пришли к выводу, что в гравитационных волнах могут проявлять себя события не только в нашей Вселенной, но и в "параллельных вселенных" в других измерениях. По сравнению с другими фундаментальными взаимодействиями, например электромагнетизмом, гравитация чрезвычайно слаба, и причиной этой слабости может быть как раз то, что гравитация взаимодействует с большим числом измерений, а не просто с тремя пространственными и одним временным. Физики искали новые измерения с помощью Большого адронного коллайдера, но до сих пор эти попытки не увенчались успехом. По оценкам авторов исследования, детекторы гравитационных волн смогут предоставить нужные экспериментальные данные.
На помощь LIGO придет LISA
В июне 2017 г. Европейское космическое агентство (ESA) дало зеленый свет проекту LISA - космической антенне для поиска гравитационных волн. Космический аппарат готовится к запуску в 2034 г.
LISA будет состоять из трех одинаковых спутников, вращающихся вокруг Солнца и расположенных треугольником на расстоянии 2,5 млн км друг от друга. Стороны треугольника будут образованы мощными лазерными лучами.
Когда где-то в космосе сталкиваются компактные массивные объекты, такие как черные дыры и нейтронные звезды, они вызывают гравитационные волны - искажения, которые сжимают и растягивают пространство-время. Спутники LISA обнаружат их благодаря изменениям в расстоянии, которое проходят лазерные лучи.
Чтобы засечь столь незначительные изменения в масштабе менее одной триллионной метра, LISA должна будет игнорировать космические частицы и свет Солнца. Как показала миссия Pathfinder в декабре 2015 г., такой уровень чувствительности достижим. А огромное расстояние между спутниками - на три порядка большее, чем между наземными детекторами LIGO и Virgo, - позволит улавливать гравитационные волны на более низких частотах. Это означает, что можно будет услышать не только самые грандиозные космические катастрофы типа слияния черных дыр, но и менее громкие события, которые происходят гораздо чаще.
"Думаю, мы испытываем смесь огромного воодушевления и чувства "ну наконец-то", - говорит старший научный советник ESA Марк Маккогрен. - Мы подошли к стартовой линии и это прекрасно". Конечно, у проекта не было бы шансов на реализацию, если бы команда LIGO не совершила открытие, увенчанное теперь Нобелевской премией.
