гравитационные волны тёмной материи

Нейтронная звезда — это город размером с Манхэттен, который весит как полмиллиона Земель. Чайная ложка её вещества перевесила бы Эверест. А теперь в этот сверхплотный шар подмешали что-то невидимое и неуловимое — частицы тёмной материи. Именно это сделали физики в новом исследовании.

Вселенная — гигантский концертный зал, где вместо стен и балконов парят невидимые облака тёмной материи. Этот архитектурный ансамбль не статичен: он преломляет и рассеивает проносящуюся сквозь него «музыку» — гравитационные волны от слияния чёрных дыр.

Гравитационные волны от слияния чёрных дыр звучат как басовые аккорды, пульсары отбивают ритм, а реликтовое излучение доносит отголоски Большого взрыва. Но есть и безмолвный игрок — тёмная материя, чьё присутствие выдают лишь гравитационные эффекты.

Слияние чёрных дыр — это не беззвучный удар. Родившаяся дыра дрожит и затухает, испуская гравитационные волны — рябь самого пространства. Этот сигнал называют «звоном» (ringdown), и он похож на затихающий звон колокола: у него есть основной тон и несколько обертонов.

Традиционно чёрная дыра описывалась тремя параметрами — массой, зарядом и угловым моментом. Это лаконичное описание, доведённое до афоризма Джоном Уилером: «Чёрные дыры не имеют волос».

Спустя почти век после того, как Фриц Цвикки заподозрил неладное в движении галактик скопления Волос Вероники, а Вера Рубин измерила звёздные скорости в спиральных рукавах, природа тёмной материи остаётся одной из самых мучительных загадок.

Свет пробивается сквозь мятую плёнку — и выходит слегка иным. Примерно так же гравитационные волны, рождённые в ранней Вселенной, ощущают на себе комковатое распределение галактик и тёмной материи.

Когда рояль падает в пропасть, мы думаем о пропасти. А о том, что на рояле надет чехол, — нет. Примерно так же астрофизики десятилетиями смотрели на экстремальные сближения малых тел с большими черными дырами. Их интересовала сама черная дыра и то, что крутится вокруг нее. А вот что надето на саму «пулю» — на маленький объект, который летит к гибели, — почти никто не спрашивал.

В центре Млечного Пути, как матрёшка в матрёшке, спрятана сверхмассивная чёрная дыра, а вокруг неё — рой звёзд и невидимая оболочка из тёмной материи. Эта оболочка, или «шип», по идее должна быть очень плотной у самого горизонта. Но звёзды и мелкие чёрные дыры, кружащие рядом, могут действовать как ложка в чашке с кофе: перемешивать и разбрасывать частицы.

Сверхчувствительный микрофон слушает не звук, а дрожание самого пространства. Так работают детекторы гравитационных волн — LIGO, Virgo, KAGRA. Их лазерные лучи бегают по многокилометровым тоннелям и замечают, если пространство сжимается или растягивается хотя бы на тысячную долю размера протона.

Четырнадцатого мая 2019 года детекторы LIGO зарегистрировали гравитационный всплеск, который не вписывался в обычные рамки. Событие GW190521 предстало как столкновение двух чёрных дыр массами 85 и 66 солнц. Итоговая дыра в 142 солнечные массы угодила прямо в «запрещённый» диапазон — туда, где звёздные коллапсы почти не оставляют следов.

Нейтронная звезда — это сверхплотный остаток взрыва сверхновой, где чайная ложка вещества весит миллиард тонн. Многие из них, как открыла ещё в 1967 году Джоселин Белл Бернелл, становятся пульсарами — космическими маяками, регулярно вспыхивающими в радиодиапазоне.

Вселенная пронизана невидимой субстанцией — сверхлёгкой тёмной материей, которая не сталкивается с обычным веществом, но может дрожать, словно туго натянутая струна.

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная была кипящим котлом. Но затем, согласно новой гипотезе, она на короткое время резко остыла — намного сильнее, чем считалось раньше. В этом ледяном мире частицы тёмной материи, похожие на крошечные маятники, замерли и не начинали свои колебания.

Тёмная материя — великий невидимка космоса. Она не излучает, не поглощает, не отражает свет, но её гравитационная хватка чувствуется в каждом движении галактик. Семьдесят лет назад Вера Рубин показала, что окраины галактик вращаются слишком быстро — словно их подхлёстывает незримый пастух.

Сразу после Большого взрыва пространство-время покрылось рябью — гравитационными волнами, словно от брошенного камня. Эти колебания самой ткани мироздания, предсказанные в инфляционной модели Аланом Гутом, растянулись на всю Вселенную. Рябь слегка уплотнила первичное вещество в одних местах и разре́дила в других.

Детектор, заполненный сверхтекучим гелием-4, похож на идеально тихое озеро. Жидкость не плещется, не пузырится — она замерла в едином квантовом состоянии. Сквозь неё пролетает невидимый гость — частица тёмной материи. Сама она не светится и не оставляет следа. Но иногда задевает ядро атома гелия. Ядро получает слабый толчок и сдвигается.

В огромном зале расставлена сотня камертонов. Каждый из них — это пульсар, сверхплотный остаток звезды, который вращается с бешеной скоростью и посылает радиоимпульсы точнее любых часов. Когда через зал проходит низкая звуковая волна, все камертоны начинают чуть-чуть расстраиваться одновременно.

В квантовом мире электроны могут вести себя как волны. Если создать для них особые условия, эти волны начнут чувствовать нечто похожее на гравитацию. В кристаллах, которые называют вейлевскими полуметаллами, электроны движутся так, будто у них нет массы, а их энергия зависит от направления — словно наклонённый конус.

Гравитационные волны — это рябь в ткани пространства-времени, расходящаяся от массивных источников подобно кругам на воде от брошенного камня. Когда такая волна огибает галактику, её траектория искривляется — совсем как водная рябь, наталкивающаяся на подводный валун.

Каждый вечер в городском архиве дежурный раскладывает новые папки по стеллажам. Если за день их пришло слишком много, полки прогибаются, и наутро архив отвечает на запросы медленнее. Примерно так же устроена память чёрной дыры: она не просто хранит информацию, она физически ощущает её вес.