космический исследователь

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.

Тихая гладь озера вдруг покрывается рябью — где-то на глубине обрушилась подводная скала. Вода едва заметно дрожит, и круги расходятся всё шире, пока не доберутся до поплавка у берега. Эта аналогия точно описывает финал массивной звезды: исчерпав ядерное горючее, она больше не может противостоять собственной гравитации.

Где-то в глубинах Млечного Пути время от времени вспыхивают радиоимпульсы — редкие, размеренные, словно удары далёкого метронома. Эти долгопериодические радиотранзиенты открыли совсем недавно, и они сразу поставили астрономов в тупик.

На заключительном этапе эволюции массивной звезды её ядро стремительно сжимается за доли секунды, порождая вспышку сверхновой — взрыв, отмечающий гибель светила. Этот катаклизм возмущает само пространство-время, испуская гравитационные волны — рябь, которая распространяется сквозь Вселенную, подобно кругам на воде от брошенного камня.

Можно отправить к чёрной дыре короткий радиоимпульс и ждать отражённого эха. Казалось бы, чем короче сигнал, тем лучше он прощупает мельчайшие детали пространства у самого горизонта — той области, откуда даже свет не возвращается. Но природа ставит ловушку: сверхкороткая волна почти насквозь пролетает гравитационный барьер и уходит внутрь дыры.

Колокол звенит не от удара, а от мимолётной дрожи пространства. Гравитационная волна — рябь в ткани пространства-времени, подобная кругам на пруду, — проходя сквозь массивный магнит, вызывает его микроскопическую деформацию. Эту деформацию можно преобразовать в электрический сигнал.

Представьте шумное кафе. Вы пытаетесь расслышать два тихих разговора: один доносится от столика у окна — это слияния чёрных дыр, второй — едва уловимый шёпот из дальнего угла, отголоски рождения Вселенной. Но всё заглушает гул кофемашины и уличный шум — дрожание детекторов. Новая работа учит компьютер разделять эти звуки.

Юла, которая делает сотню оборотов за секунду, вдруг начинает резко терять скорость — гораздо быстрее всех известных юл. Именно так ведёт себя пульсар J0435+3233. Это мёртвая звезда, сжавшаяся до размеров города, но вращающаяся с бешеной скоростью.

Два крошечных грузика, каждый с песчинку весом, висят в темноте при температуре холоднее открытого космоса. Они не касаются друг друга, но между ними есть невидимая нить — гравитация. Эксперимент, который сейчас строят физики, должен поймать момент, когда эта нить дёргает один грузик из-за движения другого.

В 2034 году с космодрома уходит ракета с необычным грузом: два шара размером с большой глобус, каждый весом под тонну. Никаких двигателей, никакой электроники. Только зеркальная поверхность из сотен уголковых отражателей — крошечных призм, которые возвращают свет точно туда, откуда он пришёл. Это и есть будущий космический камертон.

Лазерный луч в многокилометровом тоннеле дрожит от проходящей гравитационной волны — но дрожит едва заметно, на доли диаметра протона. Чтобы расслышать этот шёпот космоса, физики выжимают из света всё, что можно.

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.

Вселенная пронизана невидимой массой — тёмной материей, существование которой впервые предположил Фриц Цвикки в 1930-х годах, наблюдая за движением галактик в скоплениях.

В 2015 году детекторы впервые поймали гравитационную волну — дрожь пространства, долетевшую от слившихся чёрных дыр. С тех пор такие сигналы стали для астрофизики новым окном во Вселенную. Но гравитационные волны способны на большее: они несут в себе отпечаток самой теории тяготения.

Когда далёкая галактика посылает нам свет, он ослабевает с расстоянием — и по этому ослаблению можно узнать, как далеко она находится. Примерно так же работают гравитационные волны: чем дальше их источник, тем слабее дрожь пространства, которую ловят детекторы на Земле.

Пульсары — это стремительно вращающиеся нейтронные звёзды, останки массивных светил, испускающие радиовспышки с регулярностью, превосходящей точность атомных часов. Их импульсы служат естественными космическими маяками.

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.

Детекторы LIGO, Virgo и KAGRA действуют как сверхчувствительные «микрофоны» Вселенной, улавливающие гравитационные волны — колебания самой ткани пространства-времени.

Огромный надувной шар, на котором нарисованы галактики, раздувается — и рисунок растягивается, соседние точки отдаляются друг от друга. Скорость этого растягивания и есть постоянная Хаббла. Обычно астрономы ловят свет далёких звёзд и смотрят, насколько он покраснел от растяжения пространства.

Две точки на поверхности воздушного шара — вот и все ориентиры, когда пытаешься понять, как он раздувается. Примерно так космологи восстанавливают историю расширения Вселенной.

Вселенная иногда напоминает кастрюлю с кипящей водой. При достаточном нагреве жидкость превращается в пар — это фазовый переход. В ранней Вселенной тоже могло происходить нечто подобное: поле, заполнявшее пространство, внезапно меняло своё состояние, как вода становится газом.

Два луча света бегут по замкнутому кольцу во встречных направлениях. Согласно постулату о неизменности скорости света, в вакууме она всегда одинакова для любого наблюдателя. Когда кольцо вращается, один луч вынужден догонять смещающуюся цель — его путь удлиняется, а второй, напротив, летит навстречу приёмнику, сокращая дистанцию.

Гравитационные волны — это дрожь пространства-времени, порождаемая космическими катаклизмами: слияниями чёрных дыр и нейтронных звёзд.

Крошечный шарик массой в доли миллиграмма, подвешенный в магнитном поле и охлаждённый почти до абсолютного нуля, совершает колебания на протяжении 110 часов без остановки — это рекордный уровень изоляции от внешней среды.

Зеркала в интерферометрических детекторах гравитационных волн — это сверхчувствительные «уши», настроенные на рябь пространства-времени. Но их постоянно заглушает собственное дрожание: тепловое движение атомов внутри зеркала создаёт шум, подобный тому, как микрофон на шумном вокзале не может уловить тихий шёпот.

Пульсар — это мёртвая звезда, которая крутится с бешеной скоростью и шлёт радиоимпульсы, как маяк. Но у PSR J1928+1815 сигнал иногда гаснет на 3,6 часа. Что-то заслоняет маяк. Рядом с пульсаром кружит звезда-компаньон, и её тень падает на нас. Долго считали, что компаньон — голая гелиевая звезда: ядро бывшей звезды, с которого сдуло внешние слои.

После взрыва сверхновой сверхновой остаётся нейтронная звезда нейтронная звезда — шар размером с город, состоящий из невообразимо плотной материи и совершающий сотни оборотов в секунду. Любая крошечная неровность на её поверхности заставила бы звезду покачиваться, словно несбалансированный волчок, и она начала бы едва уловимо «гудеть» сквозь ткань пространства.

Чёрные дыры — не безмолвные провалы в ткани мироздания, а природные камертоны, чьё стремительное вращение, предсказанное Роджером Пенроузом в рамках механизма Пенроуза, заставляет вибрировать само пространство-время.

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.

Луч света, проходя сквозь прозрачную пластинку, обычно сохраняет свой цвет. Если же пластинку собрать из тонких чередующихся слоёв, она превращается в решётку, которая отражает и пропускает волны избирательно. Это давно используют в лазерах и оптических фильтрах. Теперь такие решётки заставили вибрировать — и свет начал менять цвет.

Ещё Альберт Эйнштейн в рамках общей теории относительности предсказал гравитационные волны — колебания самой ткани пространства-времени, распространяющиеся со скоростью света.

Вселенная в первые мгновения напоминала тесто, которое то стремительно поднимается, то на секунду замирает. В эти короткие рывки — их называют расширением с перерывами — даже крошечные магнитные поля могли вырасти, как пузырьки в хорошо взбитом тесте.

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.

Гитарная струна, задетая пальцем, дрожит — и воздух вокруг неё передаёт дрожь в ухо. Пространство-время дрожит иначе: когда в нём проходит гравитационная волна, оно слегка растягивается и сжимается. Заметить такую дрожь на частотах от 10 килогерц до 100 мегагерц — задача, для которой строят детекторы нового типа. В основе — сверхпроводящая радиочастотная полость.

Ночное небо усеяно звёздами, и у многих из них есть планеты. Но как заметить крошечный тёмный диск на фоне далёкого солнца? Телескоп «Кеплер» девять лет следил за сотнями тысяч звёзд, ожидая, когда планета пройдёт перед своей звездой и на мгновение её затмит. Такое «подмигивание» — единственный способ найти миры, похожие на наш.

Слияние двух нейтронных звёзд — это как удар гонга: по Вселенной расходится дрожь пространства, гравитационная волна. Детекторы на Земле ловят эту дрожь и по её силе вычисляют расстояние до источника. Но волна летит не в пустоте: по дороге её слегка искривляют гравитационные поля скоплений галактик.

Измерение расширения Вселенной напоминает попытку засечь время забега на беговой дорожке, которая сама растягивается.

Представьте мембрану, натянутую, как кожа на барабане. Она улавливает сразу два сигнала: гравитационные волны — дрожь самого пространства-времени — и неуловимые частицы тёмной материи. Мембрана помещена между зеркалами, и свет давит на неё, словно палец на струну, удерживая в постоянном натяжении.

Вселенная расширяется, и каждое скопление галактик участвует в грандиозном космическом танце. Темп этого танца задаёт постоянная Хаббла — ключевая величина, описывающая скорость расширения.

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.