инспирал с экстремальным отношением масс

В густом облаке газа и пыли, где рождаются массивные звёзды, две молодые звезды недавно прошли очень близко друг от друга. Их танец длится всего около шестидесяти лет, и астрономы впервые увидели его в деталях.

Сеть радиотелескопов, разбросанных по всей планете, ловит шёпот далёкой чёрной дыры. Каждая антенна записывает сигнал, но как совместить эти записи, если часы на станциях тикают с разной скоростью, а атмосфера искажает приходящие волны? Обычно данные сначала «калибруют» — подгоняют под эталон, но эталон сам может ошибаться.

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.

Представьте тихую комнату, в которой нужно расслышать одну мелодию среди множества едва слышных шорохов. Примерно так выглядит поиск сигналов от экстремальных систем из двух чёрных дыр — объектов с настолько сильной гравитацией, что даже свет не может их покинуть. В таких системах одна дыра огромна, а вторая в миллионы раз меньше.

Две чёрные дыры кружатся в космическом танце, сближаясь по спирали. В финале они сливаются в одну — и этот миг порождает мощный всплеск гравитационных волн, рябь самого пространства-времени. А что остаётся после слияния?

В центре галактики сидит сверхмассивная чёрная дыра, а вокруг неё раскинулось огромное разреженное облако тёмной материи. Оно не светится, не греет, но своей тяжестью искривляет пространство и меняет правила игры для всего, что крутится рядом.

Космос полон невидимых волн — ряби пространства, которую оставляют после себя катастрофы вроде столкновения чёрных дыр. Обычная чёрная дыра поглощает всё без следа. Но есть гипотетические экзотические объекты — сверхплотные сгустки материи без горизонта событий (поверхности, из-под которой не вырваться даже свету).

В центре многих галактик прячутся не только сверхмассивные чёрные дыры, но и огромные облака невидимого вещества. Если это вещество состоит из сверхлёгких частиц, оно способно собираться в плотные сгустки — своего рода «звёзды» из тёмной материи.

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.

Когда звезда-гигант исчерпывает топливо, она схлопывается в чёрную дыру. У такой дыры есть внешняя граница — горизонт событий, за который не вырваться даже свету. Но у многих чёрных дыр есть и внутренний рубеж — второй горизонт, отделяющий внешние слои от ядра сингулярности.

Представьте, что вы подбираете ключ к замку, но рука чуть дрожит — и ключ не подходит. Учёные проверяли, как Вселенная «дрожала» в первые мгновения, сравнивая данные телескопов. Оказалось, что если добавить в раннюю Вселенную немного «тёмной энергии», которая ускорила её расширение, то выводы меняются.

В центрах далёких галактик иногда загораются рентгеновские «маяки». Они вспыхивают не хаотично, а строго по расписанию — раз в несколько часов или дней. Эти всплески называют квазипериодическими извержениями (повторяющимися почти через равные промежутки).

Детекторы гравитационных волн зафиксировали странный всплеск — сигнал GW241011. Две чёрные дыры слились, но пара выглядела необычно: одна дыра была примерно втрое легче другой, и при этом система в целом быстро вращалась. Такое сочетание — редкий гость в каталогах.

Крошечная звезда кружится вокруг гигантской вращающейся чёрной дыры. Постепенно она приближается по спирали, и этот танец длится тысячи лет. Всё это время в пространстве расходятся волны — как круги на воде, только это гравитационные волны. Их можно «услышать» специальными детекторами.

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.

Стремительно вращающаяся чёрная дыра — область, где пространство-время искривлено до предела, — напоминает колокол, способный гудеть веками. Её особые колебания, или квазинормальные моды, почти не затухают, теряя энергию невероятно медленно.

Канатоходец кружит над пропастью по спирали, с каждым витком приближаясь к центру. Его траектория — не плавное скольжение, а серия резких рывков и замираний. Примерно так ведёт себя крошечная чёрная дыра, когда её затягивает к сверхмассивному соседу.

Сверхмассивная чёрная дыра плывёт в облаке тёмной материи. В привычной картине эта невидимая субстанция просто добавляет массу и почти не трогает обычное вещество. Но частицы тёмной материи могут обладать собственным вращением — спином.

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.

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 почти каждой большой галактики живёт сверхмассивная чёрная дыра — молчаливый гигант, вокруг которого кружат звёзды, газ и другие, менее крупные чёрные дыры. Время от времени один из этих объектов срывается со своей орбиты и начинает падать на центрального монстра по сужающейся спирали.

Гравитационные волны от крошечного тела, падающего на чёрную дыру, работают как рентгеновский снимок. Только просвечивают не кость, а само искривлённое пространство-время.

Крошечная монетка кружит вокруг тяжёлого шара для боулинга. Монетка — это небольшая чёрная дыра или нейтронная звезда, а шар — сверхмассивная чёрная дыра в центре галактики.

Гигантская чёрная дыра — объект с гравитацией столь мощной, что даже свет не может её покинуть, — разорвала звезду приливными силами. От звезды остался искорёженный аккреционный диск: раскалённое газовое облако, вращающееся вокруг дыры, — словно виниловая пластинка, покоробленная жарой.

Обычно сближение чёрных дыр — это постепенный процесс: они кружатся в сужающейся спирали, и этот танец порождает долгую рябь гравитационных волн — колебаний самой ткани пространства-времени.

Вселенная полна невидимого вещества, которое управляет движением галактик. В 1970-х астроном Вера Рубин показала: без тёмной материи звёзды на окраинах давно разлетелись бы. Но из чего она состоит, неизвестно.

Камень летит в колодец — и через секунду доносится всплеск. Звезда падает в чёрную дыру — и пропадает за горизонтом, оставляя лишь дрожь пространства. Но что, если дно колодца не тупик, а проход? В привычной картине материя сжимается в точку бесконечной плотности — сингулярность. Здесь уравнения ломаются, как часы, угодившие в бетономешалку.

Тени сверхмассивных объектов в центрах галактик — М87 и Млечного Пути — стали иконами современной астрофизики. Но что, если эти тени — след не поглощения, а прохода? Уравнения Эйнштейна разрешают существование проходимых кротовых нор — тоннелей в ткани пространства-времени.

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).

Фигурист кружится по льду, постепенно приближаясь к центру. Его траектория — не идеальная спираль: иногда он попадает в ритм музыки и делает дополнительный оборот, слегка меняя скорость. Примерно так же ведёт себя маленькая чёрная дыра, когда падает на сверхмассивную.

В центре огромной воронки, засасывающей всё вокруг, по спирали падает маленький шарик. Пока он кружится, рождается низкий гул — это дрожит само пространство, и такую дрожь мы называем гравитационными волнами. Частота их растёт, тон повышается — совсем как звук сирены проносящейся мимо машины.

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.

Раскрученный волчок на столе покачивается: ось вращения наклонена, и движение становится неровным. Похоже ведут себя чёрные дыры, вокруг которых крутится диск из газа и пыли. Если оси вращения чёрной дыры и диска не совпадают, вся система начинает вибрировать, порождая рябь в пространстве-времени — гравитационные волны.

Когда две чёрные дыры сливаются, пространство-время содрогается от гравитационных волн — ряби кривизны, распространяющейся со скоростью света. Новообразованная чёрная дыра получает колоссальный импульс отдачи, подобно пушке, испытывающей отдачу при выстреле.

Две чёрные дыры кружатся всё быстрее и сливаются в одну. Этот танец сотрясает само пространство: от места встречи разбегаются волны, похожие на круги от брошенного камня. Иногда при слиянии вспыхивает и свет. Если поймать и волны, и вспышку, можно дважды измерить расстояние до катастрофы — как будто один и тот же путь засекают по звуку и по свету.

Две невращающиеся чёрные дыры — области пространства-времени с гравитацией настолько сильной, что ничто, включая свет, не может их покинуть, — в момент слияния рождают гравитационные волны — рябь в самой ткани пространства-времени, которую ловят приборы, разработанные при участии Кипа Торна.

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

Чёрные дыры подобны космическим волчкам. Их вращение искривляет пространство-время — как и предсказывал Эйнштейн в общей теории относительности, — и характеризуется безразмерным параметром спина, принимающим значения от 0 до 1.

Палка, брошенная в пруд, идет ко дну по прямой. Но если вода в пруду медленно прибывает, палка задержится и утонет не там, где ждали. Так и с черными дырами: обычно считают, что вокруг них — пустота, но вся Вселенная потихоньку растягивается. Это растяжение, как прибывающая вода, слегка меняет путь всего, что кружит рядом с дырой.

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.