детектирование гравитационных волн

Переводчик отвлекается на каждый шорох в зале — и час совещания превращается в два. Примерно так вели себя детекторы гравитационных волн при анализе долгих сигналов: каждый поворот Земли добавлял помех в расчёты, и обработка суточного слияния нейтронных звёзд грозила растянуться на недели. Новая работа показывает, как навести порядок и услышать весь разговор целиком.

Чёрная дыра — область пространства-времени с настолько сильной гравитацией, что даже свет не может её покинуть — похожа на волчок, который в вакууме вращался бы вечно. Но если вокруг неё сформируется облако из сверхлёгких бозонов — гипотетических частиц с целым спином, — картина меняется.

Бросьте в пруд два камня разной формы — круги на воде расскажут, какой из них был гладким, а какой угловатым. Так же работают гравитационные волны — рябь пространства-времени, предсказанная общей теорией относительности: когда два сверхплотных объекта сливаются, дрожь пространства-времени разносит подробности об их внутреннем устройстве.

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.

Космологи подобны картографам, только вместо гор и рек они наносят на карту невидимые силы. Тёмная энергия — загадочная субстанция, заставляющая Вселенную расширяться с ускорением, — остаётся одной из главных загадок. Одна из гипотез — модель «кинетического гравитационного переплетения» (KGB).

Огромная чаша с водой. Бросьте в неё камень — по воде пойдут круги. Примерно так же работает и ткань пространства-времени: когда две массивные звезды сливаются, они рождают рябь — гравитационные волны. Эти волны долетают до Земли, и их улавливают гигантские детекторы вроде LIGO и Virgo.

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⊙.

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.

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».

Космические антенны LISA и Taiji — это три спутника, которые летят за Землёй вокруг Солнца, образуя треугольник со сторонами в миллионы километров. Они измеряют, как меняется расстояние между ними, когда проходит гравитационная волна — словно рябь на пруду от брошенного камня.

Детекторы LIGO и Virgo улавливают гравитационные волны от слияний чёрных дыр и нейтронных звёзд. Но среди космических сигналов их чувствительные плечи постоянно пересекают тени — кратковременные шумовые артефакты, глитчи, которые разыгрывают настоящий теневой театр.

Два мёртвых солнца кружатся в вечном танце. Их орбита — идеальный метроном, отмеряющий время с точностью атомных часов. Но даже у мёртвых звёзд бывает дрожь. Гравитационные волны от таких пар, которые будет ловить космическая антенна LISA, могут рассказать не только о строгом ритме, но и о его крошечных случайных сбоях.

Гул стоит по всей Вселенной. Это не звук, а дрожь самого пространства — гравитационный волновой фон. Его создают пары сверхмассивных чёрных дыр, кружащих друг вокруг друга в центрах далёких галактик. Каждая такая пара — как басовый инструмент в огромном оркестре. Поймать соло одного инструмента на фоне общего гудения — задача для пульсарных антенн.

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.

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.

Гравитационные спутники заметили, что поле тяжести Земли едва заметно дышит с периодом около шести лет. Словно невидимый маятник раскачивает планету изнутри, и каждые шесть лет стрелка весов чуть смещается. Сигнал оказался настолько чистым, что его удалось отделить от шума океанов и тающих ледников.

Гравитационные телескопы вслушиваются в космическую «музыку» — гравитационные волны, рябь пространства-времени от далёких катастроф вроде слияния чёрных дыр. Но их записи полны «царапин» — коротких земных помех, или глитчей. Раньше оценка качества данных велась по всей дорожке сразу, и слабые щелчки терялись в общем шуме.

Оркестр, где каждый музыкант играет свою партию, а дирижёр пытается уловить едва слышный ритм, общий для всех. Примерно так астрономы ищут гравитационные волны от пар сверхмассивных чёрных дыр (весом в миллиарды солнц), которые кружатся друг вокруг друга где-то в далёких галактиках.

Когда две нейтронные звезды — сжатые до размеров города — сближаются в финальном танце, пространство-время вокруг них оживает, испуская гравитационные волны.

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.

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

Гравитационные волны — это колебания самой ткани пространства-времени, возникающие при катастрофических событиях, таких как слияние чёрных дыр или других сверхмассивных объектов.

Пространство-время — не пассивная пустота, а динамическая мембрана, способная к упругим деформациям. Когда сталкиваются нейтронные звёзды — сверхплотные объекты размером с город, где вещество сжато до ядерной плотности или чёрные дыры — области с гравитацией столь сильной, что даже свет не покидает их пределов, мембрана вздрагивает…

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.

Астрофизика XXI века оглушает триумфами: мы поймали дрожь пространства-времени от слияния невидимых исполинов; разглядели «тень» сверхмассивного монстра в далёкой галактике; прочертили орбиты звёзд, пляшущих вокруг компактного нечто в сердце Млечного Пути. Казалось бы, вековая гипотеза обрела плоть: чёрные дыры обнаружены.

Камень падает в колодец, и всплеск доходит до ушей с задержкой. Что-то похожее происходит со светом, когда он улетает от Земли: его колебания становятся реже, луч словно «устаёт». Это гравитационное красное смещение — явление, о котором сто лет назад говорил Эйнштейн. Массивная планета замедляет само время, и свет это чувствует.

Кастрюля с водой стоит на плите. Когда вода закипает, она скачком превращается в пар — это фазовый переход. В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная пережила нечто похожее, только менялись не жидкость и газ, а фундаментальные поля.

Когда чёрные дыры или нейтронные звёзды сливаются, они возмущают саму ткань пространства-времени, порождая гравитационные волны — рябь, предсказанную ещё Эйнштейном в рамках общей теории относительности.

Огромный пруд, по которому расходятся круги от двух тяжёлых камней, кружащихся друг вокруг друга. Камни сближаются, круги становятся чаще и сильнее, и вот-вот камни столкнутся. Гравитационные волны — это такие же круги, но не на воде, а в самой ткани пространства. Их испускают пары массивных чёрных дыр, когда те сливаются в одну.

Вселенная в возрасте пары сотен миллионов лет напоминала гигантскую кухню, где из первичного «теста» — водорода и гелия — лепились первые галактики. В их центрах зажигались черные дыры, словно печи разной мощности: от легких «примусов» до тяжелых «очагов». Но как быстро они набирали массу, поглощая окружающий газ?

В наушниках, через которые слушают далёкий оркестр, время от времени что-то потрескивает. Потрескивание может быть настолько громким, что заглушит музыку или даже сольётся с ней.

На столе стоит чувствительный прибор — крутильные весы. Два тяжёлых груза вращаются рядом с подвешенным стержнем, и их притяжение стремится повернуть этот стержень. Но грузы расположены так, что их обычное ньютоновское притяжение взаимно уничтожается: один тянет в одну сторону, другой — в противоположную. Остаётся лишь слабый остаток, который и ловит прибор.

Когда две чёрные дыры кружатся друг вокруг друга и сливаются, они посылают по Вселенной рябь — гравитационные волны. Эти волны несут в себе отпечаток того, как именно двигались объекты перед столкновением. По форме этого «танца» можно понять, насколько объекты похожи на идеальные чёрные дыры.

В 2015 году две гигантские установки в США уловили дрожь пространства — гравитационную волну от столкновения чёрных дыр. С тех пор такие сигналы ловят регулярно, но сами детекторы огромны: их плечи растянуты на километры.

Согласно общей теории относительности Эйнштейна, массивные объекты вызывают искривление пространства-времени — подобно тому, как тяжёлый шар прогибает натянутую резиновую плёнку. При ускоренном движении таких объектов рождается рябь — гравитационные волны, расходящиеся, словно круги от брошенного в пруд камня.

Детекторы гравитационных волн — ряби пространства-времени, порождаемой массивными космическими событиями — традиционно работают по принципу согласованной фильтрации: сигнал сравнивают с банком заранее рассчитанных шаблонов, словно пытаясь узнать знакомую мелодию в шуме.

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

Два чёрных гиганта кружатся и сталкиваются — по Вселенной расходится дрожь пространства. Эту дрожь ловят детекторы гравитационных волн. Но в сигнале может скрываться не только масса и расстояние: если законы физики чуть-чуть разные в разных направлениях, волна исказится.

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