обнаружение двойных звёзд

Детекторы гравитационных волн — это, по сути, сверхчувствительные «уши» Вселенной: они улавливают дрожь пространства-времени, возникающую при столкновении чёрных дыр или нейтронных звёзд. Но даже самые совершенные «уши» слышат далеко не всё.

На тёмных окраинах нашей Галактики, вдали от ярких звёздных скоплений, прячутся миллионы чёрных дыр — объектов, которые не светятся и почти не поглощают вещество. Обычные методы поиска, рассчитанные на тесные звёздные поля, здесь бессильны. Нужен другой подход. Астрономы предложили использовать в качестве детектора саму ткань пространства.

В центре нашей Галактики находится сверхмассивная чёрная дыра Стрелец A* — объект с гравитацией настолько сильной, что даже свет не может её покинуть. Если рядом с ней обращается невидимый компаньон — например, вторая чёрная дыра, — их орбитальный танец можно обнаружить по поведению света далёких звёзд.

В августе 2019 года детекторы LIGO и Virgo зарегистрировали гравитационную волну от слияния двух компактных объектов в двойной системе. Один из них весил 23 солнечных массы — рядовая чёрная дыра. Второй же — 2.5–2.67 M⊙.

Нейтронная звезда — это бывшее ядро массивной звезды, сжатое до размеров города. Чайная ложка её вещества весит как гора. Но внутри этого сверхплотного шара может скрываться сюрприз: под немыслимым давлением нейтроны распадаются на кварки, и звезда получает новое, более компактное ядро.

Два фигуриста на застывшем до горизонта озере. Они так далеко, что силуэты превратились в точки, а их взаимное притяжение — почти богословский концепт. По заветам Ньютона, они обязаны кружиться в умозрительно медленном вальсе. Но телескопы видят иное. Пары кружат быстрее, будто лёд сам дышит под ними, сообщая ускорение, которого там быть не должно.

В центре Млечного Пути, окутанная пылью и заревом, скрывается сверхмассивная чёрная дыра — Стрелец A*. Вокруг неё, как мотыльки у пламени, кружат десятки звёзд-ориентиров. Две из них, S2 и S38, с эксцентрическими орбитами и периодами в несколько лет, стали главными героями в проверке фундаментальных законов мироздания.

Две нейтронные звезды сближаются по спирали и сталкиваются. Рождается гравитационная волна — рябь в пространстве-времени, короткая гамма-вспышка и тусклое свечение, которое астрономы называют килоновой. Но иногда сигнал проходит мимо тяжёлой галактики.

SETI десятилетиями охотился за сферами Дайсона — гипотетическими оболочками, улавливающими свет звезды и переизлучающими его в инфракрасном. Но космос молчит. Возможно, иной разум действует изящнее: не собирает свет, а обуздывает вращение светила, как гигантский маховик. В осевом кручении заключена энергия 2.3×10³⁵ Дж — достаточно, чтобы питать цивилизацию миллиарды лет.

Вселенная говорит на языке гравитационных волн — дрожи самого пространства-времени. Когда две нейтронные звезды, эти сверхплотные остатки давно отгремевших сверхновых, сливаются в финальном танце, они испускают протяжный, нарастающий по частоте «чирик».

Пара нейтронных звёзд, сплетённая гравитационным замком, чертит в пустоте невидимые круги. Сто лет назад Альберт Эйнштейн описал этот танец как волны искривлённой геометрии, но долгое время мы могли следить за ним лишь краем глаза — по лихорадочному мерцанию радиоимпульсов.

Ещё Эдвин Хаббл открыл, что галактики разбегаются, а Жорж Леметр связал это с расширением пространства. Сегодня модель ΛCDM, опирающаяся на тёмную энергию и тёмную материю, утверждает, что Вселенная плоская, как идеально натянутый холст.

Когда массивная звезда исчерпывает топливо, коллапс ядра может породить сверхновую и нейтронную звезду, но при достаточной массе ничто не останавливает сжатие — рождается чёрная дыра.

Представьте, как настраивается оркестр: скрипки взлетают вверх — это привычный «чирп» слияний чёрных дыр в детекторах LIGO. А теперь вообразите траурный марш: звук, тянущийся вниз, словно затихающая сирена. Именно такой гравитационно-волновой почерк должна оставлять система, где одна из масс отрицательна.

Некоторые красные гиганты — огромные старые звёзды — меняют яркость очень медленно: один цикл может длиться больше года. Астрономы давно не могли понять, почему. Одна идея: рядом крутится невидимый спутник, который периодически заслоняет часть света. Другая: звезда сама пульсирует, как сердце, но очень неторопливо — её внешние слои то сжимаются, то расширяются.

Ритмичные вспышки маяка в густом тумане — так выглядит поиск пульсаров. Маяк вращается, и его луч периодически попадает в телескоп. Но туман размывает свет, и период кажется чуть другим. Если один и тот же маяк наблюдали дважды, можно сверить: периоды должны почти совпасть, а размытие — быть похожим.

В созвездии Рыб есть звезда, которую люди видели тысячи лет, но только теперь разглядели её внутреннее устройство. Альфа Рыб — это не одна звезда и даже не две, а целая семья: две пары звёзд, связанные гравитацией. Раньше астрономы подозревали, что во второй паре прячется ещё одна звезда, но увидеть её не могли — слишком тесно.

Звезда вроде Солнца не просто светит — она тихо гудит. Внутри неё бурлит плазма, и эти движения заставляют поверхность ритмично подниматься и опускаться. Уловить такую дрожь с Земли почти невозможно: она тонет в шуме атмосферы и самого прибора. Поэтому астрономы слушают звёзды из космоса, где тише. Чтобы понять, слышна ли звезда, вычисляют силу её «голоса» на фоне помех.

Горячая звезда на последнем издыхании дрожит, как струна после щипка. Её поверхность колеблется с амплитудой в тысячные доли звёздной величины — это как заметить, что лампочка в комнате мигнула на 0,3% ярче. Для космического телескопа такая точность привычна, но с Земли мешает атмосфера.

Когда две галактики сталкиваются, их центральные чёрные дыры начинают долгий танец сближения. Пока они не слились в одну, мы можем увидеть пару квазаров — ярких огней, которые зажигаются, когда чёрные дыры поглощают газ и пыль. Такие пары на небе — как два маяка, стоящие близко друг к другу, но каждый светит из своей гавани.

В звёздном скоплении NGC 2158, которому больше миллиарда лет, астрономы сосчитали, как часто звёзды живут парами. Телескоп «Хаббл» смотрел на скопление очень долго, чтобы увидеть даже самые тусклые звёзды — те, что легче трети Солнца.

Детекторы гравитационных волн — ряби пространства-времени, предсказанной общей теорией относительности, — LIGO и Virgo зафиксировали глухой раскат: сигнал от слияния двух невидимых объектов.

Два прожектора стоят вплотную: издалека их свет сливается в одно пятно, и кажется, что источник один. Так и в космосе: около 10–20% тусклых звёзд — на самом деле тесные пары одинаковых светил. По отдельности их не разглядеть, но вместе они светят заметно ярче, чем одиночная звезда с теми же параметрами.

В августе 2017 года детекторы гравитационных волн поймали сигнал от слияния двух нейтронных звёзд — сверхплотных остатков взорвавшихся светил. В тот же миг по всей Земле шли обычные будни: самолёты садились, машины ехали, а навигаторы считали маршруты.

В кармане старого пиджака иногда находишь билет в кино трёхлетней давности. Время по нему не восстановить, но можно понять, куда ходил владелец. Так и с горячими субкарликами — крошечными звёздами на позднем этапе жизни, которые светят в основном в ультрафиолете. Их свет — как тот билет: рассказывает о прошлом, но прочитать его сложно.

Настройщик рояля в шумном зале не слушает все звуки подряд — он выделяет одну струну среди десятков. Похожую задачу решает новый лазерный радар: среди множества отражённых лучей он находит те, что несут информацию о вибрации цели. Обычный радар посылает короткий импульс и ждёт эхо. Но если объект дрожит, эхо смазывается.

Две звезды кружатся так близко, что их внешние слои сливаются в общую оболочку. Вещество перетекает с одной на другую, как вода из переполненной чашки в соседнюю. В этом космическом танце, где звёзды буквально касаются друг друга, астрономы впервые массово обнаружили магнитные поля. Учёные навели телескоп с поляриметром HARPSpol на 14 систем, где звёзды обмениваются веществом.

В центрах почти всех галактик скрываются сверхмассивные чёрные дыры — незримые исполины с гравитацией такой силы, что даже свет не может их покинуть. Когда две галактики сталкиваются, их чёрные дыры оказываются парой, обречённой танцевать друг вокруг друга.

Нейтронная звезда — это шарик размером с город, но весит он как полтора Солнца. Внутри такого шарика вещество сжато так, что чайная ложка его весила бы миллиарды тонн. Но из чего именно состоит эта материя, физики до конца не знают.

Пульсар — это мёртвая звезда, которая вращается и посылает радиоимпульсы, как маяк. Если у пульсара есть компаньон, они кружатся вокруг общего центра тяжести. Когда орбита тесная, период обращения меньше суток, и сигнал пульсара начинает «дрожать»: из-за движения звезда то приближается к нам, то удаляется, и частота импульсов меняется, как сирена проезжающей машины.

Вселенная заполнена невидимой массой — тёмной материей, которая проявляет себя только через гравитацию. Одна из гипотез предполагает, что тёмная материя состоит из первичных чёрных дыр — объектов, образовавшихся в экстремальных условиях сразу после Большого взрыва. Эти чёрные дыры могут иметь массу, сравнимую с астероидом, и размер меньше атомного ядра.

Астрономы обнаружили во Вселенной объект-невидимку массой всего около миллиона солнечных масс — по космическим меркам это ничтожно мало, примерно в сто раз легче всего, что ранее удавалось «взвесить» на сопоставимых расстояниях. Сам объект не излучает света, но проявил себя через эффект гравитационного линзирования: он искривил свет ещё более далёкой галактики.