Блюз черных дыр и другие мелодии космоса - Жанна Левин

Первый такой вечер с постдоками я провела в феврале 2013 года. В то время работы по установке усовершенствованного детектора в LIGO были в самом разгаре. Ожидался совершенно новый инструмент, известный как aLIGO (а здесь – первая буква слова advanced, усовершенствованный). Я говорила тогда, что, возможно, к следующей нашей встрече, намеченной на 2015-й, уже будет зарегистрирован первый сигнал гравитационных волн. Но мои собеседники не то чтобы горько усмехнулись, а просто молча покачали головами. Без шансов. Исключено. Не в 2015-м. “Ну, может быть…” – допустил один из них. Может быть, месяц или два тестов, но никак не измерений. И никаких обнаружений. Некоторые мрачно говорили про 2018 год. Возможно, сегодняшним вечером, в конце марта 2015-го, у них больше оснований для оптимизма.

Никто из них, родившихся в 1970-х или 1980-х, а то и в 1990-х, не знал Джо Вебера. Но это похоже на то, как если бы они строили один и тот же корабль. Или нет, погодите-ка, я подобрала другую метафору: как если бы они собирались искать одни и те же сокровища. Пользовались одной и той же картой, продолжая поиски там, где предыдущая стимпанк технология[41] потерпела неудачу, – где безумный старик разработал негодный детектор, склепав нечто металлическое, размером с небольшую лабораторию, после чего сделал заявление о своем псевдооткрытии.

Коллективное разочарование все нарастало из-за раздражающей неопределенности, каждый из исследователей молча переживал по поводу собственных профессиональных проблем (системы подвеса, оптических волокон, передачи сигнала в электрической цепи), а вслух все высказывали опасения по поводу судьбы проекта в целом (сроки работ, чувствительность детектора, мнение внешнего сообщества). И все-таки вера в общее дело держала их на плаву. Установка уже почти заработала, так что каждый новый день приближал их к цели.

Мы научились упрощать описания будущих открытий. У каждого из нас есть свои собственные приемы, и мы пользуемся ими, когда хотим избежать использования технического жаргона и рассказа о теориях, понимание которых требует тяжкой мыслительной работы. Так что мне довелось услышать бесчисленное количество вариантов. Вот и сегодня я снова выслушиваю несколько сокращенных версий одной и той же истории. Мужчины и женщины, сидящие за этим столом, – члены команды, которая своим трудом заработала право стать частью великого открытия. Этот поиск – не просто поиск черных дыр, и он ни в коем случае не сводится к простому перечислению уже известных объектов.

Мы собираемся принимать сообщения, посылаемые нам непосредственно силами природы и распространяемые переносчиками взаимодействий фундаментального характера. Мы собираемся прислушаться к голосу фундаментального закона природы. Этот сплав мемов “непосредственный”, “сообщения” и “фундаментальный” понятен всем сидящим нынешним вечером за столом, хотя и встречаются эти мемы в самых разных комбинациях.

Только сообщения от наиболее тяжелой, катастрофического масштаба, концентрации гравитационной энергии достигнут земных детекторов. И тут речь в первую очередь идет о черных дырах, Большом взрыве и взрывах сверхновых. Ниже мы, исходя из широкого спектра наших амбициозных интересов, рассмотрим каждый из этих потенциальных источников по отдельности.

При столкновении черных дыр пространство вокруг них продолжает звенеть вплоть до того момента, когда в результате их слияния не образуется большая вращающаяся дыра; после этого пространство замолкает. Любые сливающиеся компактные объекты издают звук со все возрастающей частотой и мощностью – в завершение же раздается характерное чирикание. Форма модуляции звука напрямую зависит от параметров вращения двойной системы. Таким образом, мы можем реконструировать траектории перемещения барабанных палочек, бьющих по барабану.

Когда сталкиваются нейтронные звезды, они с высокой долей вероятности образуют черную дыру, хотя в процессе столкновения обломки внешней коры нейтронных звезд могут и отшелушиваться, тем самым уменьшая массу образующегося в результате этой кутерьмы объекта настолько, что вместо черной дыры рождается новая нейтронная звезда. Нейтронные звезды, собственно, не видны в телескоп вплоть до момента их слияния. Но при ударе намагниченные, сверхпроводящие шаровидные сгустки конденсированной ядерной материи разрушаются, излучая гамма-кванты (кванты электромагнитного излучения более высокой энергии, чем видимый свет и чем рентгеновские лучи). Отдельная категория известных, наблюдаемых и хорошо изученных гамма-всплесков (сокращенно GRB) объясняется столкновением нейтронных звезд. Такие всплески наблюдают с помощью спутников. Несмотря на то, что они были зарегистрированы, их пространственное разрешение оставляет желать лучшего. Детекторы гамма-излучения, установленные на спутниках, не позволяют получить пространственную картину взрыва, длительность которого составляет всего доли секунды. Зато они могут отслеживать изменения формы выброса энергии во времени. Обычно за коротким острым пиком следует затухание сигнала, а иногда регистрируется более слабое послесвечение. Сотрудничество между гравитационными обсерваториями и экспериментами по регистрации GRB с помощью спутников заметно расширяет научные перспективы. LIGO может регистрировать последние минуты жизни двойных систем и “рекомендовать” спутникам переориентировать телескопы на поиск ожидаемого гамма-всплеска. (Обратное тоже верно, потому что LIGO сохраняет данные для последующего анализа.) Эта бурно развивающаяся область исследований называется многоканальной астрономией [англ. multimessenger astronomy], поскольку одновременно имеет дело с данными детекторов как электромагнитных, так и гравитационных волн [42].

Взрыв сверхновой, после которого образуется компактный объект, является еще одним потенциальным источником. Раз в несколько веков звезда взрывается достаточно близко к нам, так что мы можем видеть это явление невооруженным глазом, не прибегая к наблюдениям с помощью телескопа. Однако происходит это с гораздо меньшим, чем при столкновении черных дыр, выделением энергии в виде гравитационных волн. Если теория верна, то даже с помощью усовершенствованного детектора LIGO будет трудно услышать взрыв сверхновой звезды за пределами нашей Галактики.

Каждый взрыв сверхновой звучит по-своему, и зависит это от того, как именно в недрах звезды происходит детонация. Этот звук может напоминать и стон кита, и щелчок кнута. Звучание напрямую связано с ускорением масс во время взрыва. В научном сообществе LIGO существует подгруппа, занимающаяся исключительно поиском и анализом взрывов сверхновых – как предсказанных заранее, так и непредвиденных. Хотя имеются желающие поставить на то, что взрывы сверхновых будут одними из первых объектов, обнаруженных с помощью гравитационных детекторов, большинство все-таки думает, что эти события слишком тихие, чтобы быть зарегистрированными за разумное время наблюдения.