Космос для не космонавтов - Денис Игоревич Юшин

от взаимодействия нейтронных звёзд – ещё один шаг на пути к пониманию величайшей загадки.

Сможет ли LIGO обнаружить кротовые норы?

Этот вопрос следует вынести отдельно. Мы фактически прикованы к своей планете и с огромным трудом делаем первые шаги в освоении Солнечной системы. Но что дальше?

Когда шумиха после обнаружения гравитационных волн от слияния чёрных дыр, а затем и от нейтронных звёзд слегка поутихла, LIGO перешла к очередному обновлению детекторов, а физики свою работу продолжили. Тем более что данных им теперь хватит на годы вперёд.

В одной из работ учёные предположили, что гравитационные волны могут возникать в результате «схлопывания» кротовых нор. Они даже смоделировали процесс, показав, каким должен быть сигнал от подобного явления (Pablo Bueno, 2018).

Кротовые норы, как объясняют в своей работе Пабло Буэно с коллегами, по сравнению с чёрными дырами будут обладать характерной отличительной особенностью – отсутствием горизонта событий, что поменяет поведение порождённых кротовыми норами гравитационных волн.

«Особое “дрожание”, которое возникает на последних стадиях слияния чёрных дыр, постепенно исчезает, если у порождённого ими объекта есть горизонт событий. В том случае если его не существует, как у кротовых нор, то эти колебания не исчезают полностью. Они вызывают своеобразное эхо, серию всплесков, похожих на то, как если бы мы крикнули в колодец», – рассказал ведущий автор работы Пабло Буэно.

Согласно созданной модели, первичный всплеск гравитационных волн, порождённых слиянием чёрных дыр и кротовых нор, будет практически полностью совпадать. Различия же проявятся только на финальной стадии явления. Специалисты называют это явление «дрожанием» («ringdown»).

Дело в том, что при слиянии чёрных дыр это гравитационное «эхо» достаточно быстро исчезает из-за наличия горизонта событий. Между тем в кротовых норах «эхо» должно продолжать периодически испускать всплески гравитационных волн со строго определенным спектром и силой. Из-за этого оно будет существовать в десятки раз дольше, чем первичная вспышка колебаний пространства-времени. Правда, будет заметно слабее по силе.

Авторы исследования попытались найти подобное «эхо» в данных, собранных LIGO. Они создали компьютерную модель похожего слияния, но никаких следов пока не обнаружили. Вероятнее всего, просто не хватает чувствительности, которая может быть достигнута после одного из обновлений. Так или иначе, в этой области нас ждёт очень много совершенно невероятных открытий.

Раздел 4

Чёрные дыры

Что такое чёрная дыра?

Сама концепция существования ЧД появилась достаточно давно. Она была реальна ещё в рамках ньютоновской теории тяготения, когда достаточно представить себе объект настолько массивный, что вторая космическая скорость будет для него равна скорости света.

Расцвела эта гипотеза тогда, когда потребовалось объяснение невероятной светимости квазаров. Тут-то и появилась теория дисковой аккреции Шакуры – Сюняева. В рамках этой теории данное излучение исходило из очень быстро вращающихся аккреционных дисков, образующихся вокруг огромных масс.

Таким образом, чтобы объяснить энергию, испускаемую квазарами, надо было предположить, что их массы настолько велики, что они могут быть только чёрными дырами (ЧД). Сразу после этого предположения оказалось, что с помощью ЧД удобно описывать и тесные двойные системы, и активные галактические ядра, и много чего ещё.

Тем не менее мы говорим о чисто теоретической идее, пусть и отлично укладывавшейся в наблюдения.

Как увидеть чёрную дыру?

На данный момент таких технологий у нас нет. Но мы можем постараться увидеть тень ЧД, основная проблема в наблюдении которой – её крайне малый угловой размер. В связи с этим исследователям нужно было достичь очень высокого углового разрешения.

Представители проекта Event Horizon Telescope приводят такой пример: разрешения, достигнутого в проекте, достаточно, чтобы читать газету в Нью-Йорке, находясь в уличном кафе в Париже («enough to read a newspaper in New York from a sidewalk café in Paris»).

Казалось бы, в силу большого расстояния тени ЧД должны быть очень малы. Ведь в обычной жизни мы привыкли к тому, что, чем дальше находится объект, тем меньше его угловой размер для нас.

© EHT

Однако на космологических расстояниях расширение Вселенной приводит к тому, что наблюдаемый угловой размер объекта начинает не уменьшаться, а увеличиваться с ростом красного смещения. Это, в свою очередь, приводит к тому, что тени от очень далёких ЧД могут иметь достаточно большие угловые размеры, чтобы их можно было наблюдать с помощью телескопов следующих поколений. Например, с помощью телескопов имени Джеймса Уэбба (который недавно был запущен) и «Миллиметрон» (запуск которого намечен на начало 2030-х годов).

Впервые задача получить изображение тени чёрной дыры была поставлена в 2017 году. Для этого сформировали консорциум под названием «Телескоп горизонта событий». Это была коллаборация из восьми крупнейших субмиллиметровых антенн, расположенных по всему земному шару. Вместе они работают как гигантский интерферометр с диаметром, равным примерно диаметру Земли.

Теоретическое разрешение «Телескопа горизонта событий» составляет несколько десятков угловых микросекунд, то есть несколько стотысячных долей угловой секунды. Чтобы понять, насколько это маленькая величина, возьмите пончик и положите его на поверхность Луны. Так вот, размер пончика на расстоянии Луны – это тот размер, который имеют тени зафиксированных ЧД. Задача буквально на грани фантастики.

Фотографии чёрных дыр и очередное подтверждение ОТО

Решение сложнейших задач толкает людей, этим занимающихся, на самые разнообразные ухищрения, что в итоге приводит к развитию техники и технологий. Так, попытку получить фото чёрной дыры, на мой взгляд, можно сравнить со стремлением сфотографировать мяч для гольфа на поверхности Луны.

Это кажется невозможным. Но 200 человек решили, что можно сделать то, что считается невозможным. И сделали.

А вот человеком, сделавшим так, чтобы усилия всех остальных не пропали даром, оказалась аспирантка MIT Кэти Боуман. Она разработала алгоритм для визуализации полученных данных. Без неё эти данные так и остались бы огромным нагромождением данных, понятных только специалистам.

Что мы видим и является ли это изображение фотографией?

Видим мы так называемую тень чёрной дыры – кольцевую структуру, состоящую из вещества, падающего на чёрную дыру. Вещества разогретого и потому светящегося. Тёмное пятно в середине – не сама чёрная дыра, а зона ниже последней устойчивой орбиты, с которой фотоны ещё могут вырваться в нашу сторону. Сам предел горизонта событий несколько меньше. Но его мы уже не видим.

Интерферометр получает достаточно сложную цифровую картину интерференционных линий, из которой математическими методами и восстанавливается то изображение, которое нам показывают.