гравитационные волны от эксцентричных двойных систем

Ночное небо полно колец и пузырей, но в радиодиапазоне они выглядят иначе. В данных австралийского радиотелескопа ASKAP всплыла структура, похожая на два мыльных пузыря, выдутых из одной соломинки. Один пузырь почти идеально круглый, второй слегка налезает на него — будто их выдохнули с разницей в секунду.

Маяк, который мигает не каждую секунду, а раз в несколько минут или даже часов. Именно так ведут себя долгопериодические радиотранзиенты — космические источники, открытые совсем недавно. Их сигналы слишком медленные для обычных пульсаров (быстро вращающихся нейтронных звёзд), но слишком мощные, чтобы их можно было списать на случайные помехи.

Где-то в глубинах космоса две сверхмассивные чёрные дыры кружатся друг вокруг друга. Их танец не плавный — орбита вытянута, словно резиновый жгут, который то натягивается, то сжимается. Каждый такой оборот рождает рябь в ткани пространства-времени — гравитационные волны.

В мае 2020 года детекторы LIGO и Virgo зафиксировали гравитационный всплеск GW200105. Среди множества подобных гравитационных волн этот выделялся странностью: орбита столкнувшихся нейтронной звезды и чёрной дыры оказалась не идеальным кругом, а вытянутым эллипсом.

Вселенная переписывает свою историю снова и снова. Там, где обычная астрономия видит лишь точку — чёрную дыру, — гравитационные волны снимают тонкие слои прошлого, как с древнего палимпсеста. Идею о том, что чёрные дыры могут расти, поглощая друг друга, а их потомки — вступать в новые союзы, астрофизики обсуждают уже полвека.

Выделить сигнал от одной пары сверхмассивных чёрных дыр — всё равно что расслышать шаги танцора в грохоте урагана. Где-то в космосе эти монстры кружатся в медленном гравитационном танго, искажая само пространство-время. Их гравитационные волны — не резкие всплески, как у LIGO, а глубинное дыхание метрики, растянутое на годы.

Карусель: лёгкую раскрутить проще, массивную — труднее. Примерно так же ведут себя нейтронные звёзды — сверхплотные остатки взорвавшихся светил. Астрономы заглянули в полсотни двойных систем, где одна нейтронная звезда вращается вокруг другой, и заметили: чем тяжелее звезда, тем длиннее её период вращения. Связь не жёсткая, но статистически заметная.

Фигуристка кружится на льду, постепенно сходя с орбиты. Так и маленькая звезда или чёрная дыра, обращаясь вокруг массивной чёрной дыры, теряет энергию. Она испускает гравитационные волны — рябь пространства-времени, которую улавливают детекторы на Земле. Но танец этой пары сложнее, чем кажется. Маленький компаньон не просто точка.

Обычная микроволновая полость напоминает музыкальную шкатулку: она отзывается только на строго определённые частоты — свои собственные ноты. Но что, если заставить её звучать иначе? Учёные изменили правила игры, сделав стенки «односторонними». Внутри такой полости волна может бежать лишь вперёд, не отражаясь назад.

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.

В центре галактики огромная чёрная дыра окутана невидимым облаком — роем сверхлёгких частиц, которые она сама и породила. В это облако ныряет другая чёрная дыра, размером со звезду, и начинает долгий танец по спирали. Сближение длится миллионы лет, но самые драматичные события разворачиваются у самого горизонта. Орбита маленькой дыры редко бывает идеальным кругом.

Волны перебирают гальку на песчаном пляже. Мелкие камешки лежат плотно друг к другу, почти одинаковые по размеру. Чуть дальше от берега — россыпь покрупнее и поразнообразнее. А у самой воды, где прибой особенно силён, скапливаются самые большие и окатанные обломки. Примерно так же природа сортирует чёрные дыры по массе, когда они сливаются в пары.

Два камня падают в пруд. От каждого расходятся круги, но стоит им столкнуться — возникает всплеск и короткий звонкий удар. Примерно так же звучит слияние двух нейтронных звёзд — сверхплотных остатков взорвавшихся светил.

В 2022 году астрономы начали открывать странные космические маяки — длиннопериодические радиотранзиенты. В отличие от быстрых пульсаров, открытых Джоселин Белл Бернелл в 1967 году, эти объекты вспыхивали с периодичностью в десятки минут и часов.

Два фигуриста кружатся на льду. Один — лёгкий и осторожный, почти не крутится. Другой — массивный и быстрый, вращается изо всех сил, да ещё и в разные стороны. Примерно так выглядит картина, которую нарисовали гравитационные волны от слияния чёрных дыр.

Волчок крутится с огромной скоростью и вместо ровного жужжания издаёт тихое гудение — потому что он чуть-чуть помят. Примерно так работают нейтронные звёзды: шары размером с город, сжатые до такой плотности, что чайная ложка их вещества весит как гора.

Когда нейтронная звезда и чёрная дыра сливаются в финальном катаклизме, они возмущают ткань пространства-времени, порождая гравитационные волны — рябь, которая спустя миллионы лет достигает детекторов на Земле.

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.

Оркестр из миллионов инструментов играет одну ноту, но каждый вступает в свой момент и со своей громкостью. Так звучит стохастический гравитационно-волновой фон — гул от неразличимых по отдельности слияний чёрных дыр. Долгое время считалось, что пары чёрных дыр кружатся почти по идеальным окружностям. Но орбиты могут быть и сильно сплюснутыми эллипсами.

Два тяжёлых шара кружатся на поверхности пруда. От них расходятся круги — это гравитационные волны. Когда шары сближаются, волны уносят энергию, и круги становятся чаще. Астрономы ловят такую рябь от пар сверхмассивных чёрных дыр — они в миллиарды раз тяжелее Солнца и сидят в центрах далёких галактик. Но в пруду может быть не только вода.

Качели раскачиваются всё сильнее, если толкать их в такт. Похожий механизм включается, когда мёртвая звезда кружит вокруг массивной чёрной дыры, окутанной облаком сверхлёгких частиц. Эти частицы — кандидаты на роль тёмной материи (невидимого вещества, которое держит галактики от разлёта).

Когда чёрные дыры сближаются и разлетаются — без слияния, лишь чиркнув гравитационными полями — они становятся идеальными снарядами для проверки законов гравитации. В экстремальных полях, где замедление времени достигает чудовищных величин, любая трещинка в теории засияет ослепительной вспышкой.

Пара фигуристов кружится, держась за руки. Если траектория — идеальный круг, каждый толчок партнёра предсказуем. Но стоит вытянуть её в овал, и усилия становятся неравномерными: на сближении рывок, на отдалении затишье. Примерно так же ведут себя две чёрные дыры в последние минуты перед слиянием.

Две чёрные дыры закручиваются друг вокруг друга не плавным хороводом, а как два камня, брошенных с разных берегов в глубокий омут. Их орбита похожа на сильно сплющенный овал — эксцентриситет почти единица. Когда они наконец сталкиваются, рождается мощный всплеск гравитационных волн — дрожи самого пространства.

Представьте невидимый океан, состоящий из тёмной материи — сверхлёгких частиц, само существование которых впервые заподозрил Фриц Цвикки ещё в 1930-х годах.

Долгое время в астрофизике господствовало убеждение: гигантские струи радиоизлучения — радиовыбросы, бьющие из центральных областей, — привилегия исключительно эллиптических галактик. Считалось, что лишь их спокойная, лишённая выраженной внутренней структуры среда позволяет формировать такие колоссальные фонтаны энергии, питаемые сверхмассивными чёрными дырами.

Представьте гул многолюдной площади — именно так звучит гравитационный фон Вселенной, уловленный сетью пульсаров — нейтронных звёзд, которые с точностью атомных часов испускают регулярные радиоимпульсы. В этом вселенском гаме скрыты «отпечатки» отдельных пар чёрных дыр, обращающихся друг вокруг друга.

Затмения в двойных звёздах — как часы: белый карлик (плотный остаток звезды) регулярно проходит перед соседкой, и свет на короткое время гаснет. Но у большинства таких пар часы то спешат, то отстают на секунды за годы. Астрономы измерили эти сбои у 43 систем и нашли закономерность.

Двойная система SS433 известна тем, что чёрная дыра в ней сдирает вещество со звезды-соседки. Часть газа падает в дыру, а часть выбрасывается двумя узкими струями, которые крутятся, как юла. Эти струи видны в радиодиапазоне и в рентгене.

Хлопающая крышка от банки с вареньем — вот герой этой истории. Нажмёшь на неё, и она с громким щелчком перескакивает из выпуклого положения в вогнутое. Точно так же ведёт себя балка с шарниром внутри каждой ячейки новой механической решётки. Учёные собрали из таких хлопающих балок шестиугольную сетку — как соты, только из упругих пластинок. Когда одну балку резко сжимают, она перещёлкивается и толкает соседнюю.

Широкие пары звёзд похожи на двух танцоров, которые держатся за руки, но стоят в разных концах зала. Их связь слабая, и любой прохожий может их разнять. Астрономы нашли 26 таких пар и проверили, насколько крепко они держатся. Оказалось, 12 пар танцуют по правилам Ньютона: их орбиты можно вычислить, как для планет вокруг Солнца. Но три пары движутся слишком быстро.

Вращающаяся чёрная дыра — космический водоворот, который затягивает всё вокруг. У некоторых таких дыр есть невидимые нити, которые тянутся от горизонта событий, как спицы от колеса. Учёные долго спорили, что это за нити и можно ли их увидеть. В новой работе физики показали, что эти нити — не просто математическая условность.

На расстоянии около 25 000 световых лет от Земли, в созвездии Стрельца, вокруг нейтронной звезды GX 13+1 закручена плотная завеса. Она рассеивает рентгеновские фотоны, как туман рассеивает свет уличного фонаря, и долгое время прятала от астрономов истинную мощь источника.

Две чёрные дыры кружатся в тесном танце, и вокруг них рождается нечто удивительное — гравитационная молекула. Облако ультралёгких бозонов, частиц с массой меньше электронвольта, обволакивает пару, как электронное облако в ионе H2+. Только роль ядер играют чёрные дыры, а роль электрона — поле, размазанное на десятки километров.