эксцентриситет гравитационных волн

Радиоприёмник, настроенный на одну станцию, вдруг начинает ловить другую, потому что кто-то невидимый крутит ручку настройки.

Синхронный переводчик в зале, где выступают двое: он должен успеть и за смыслом, и за интонацией, но если говорить слишком быстро, остаётся только пересказ. Примерно так чувствуют себя учёные, когда поток гравитационных волн от слияний чёрных дыр и нейтронных звёзд растёт, а точные расчёты сигналов не поспевают.

Нейтронная звезда — это компактный остаток массивной звезды после вспышки сверхновой. Вещество в ней сжато до ядерной плотности: чайная ложка такого материала весила бы как гора. В этих экстремальных условиях протоны и нейтроны упакованы вплотную, и при колоссальном давлении могут рождаться гипероны — барионы, содержащие странный кварк.

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.

Каждые 165 дней гигантская планета ныряет к своей звезде, едва не касаясь её огненной короны, а затем улетает в ледяную пустоту. Это TIC 241249530 b — экзопланета с рекордным эксцентриситетом 0,94.

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.

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.

Две чёрные дыры, сближаясь перед ударом, напоминают фигуристов в парном вращении: каждая крутится вокруг своей оси, а вместе они закручивают общий танец. Этот общий штопор — так называемый эффективный спин — астрономы могут измерить по гравитационным волнам, которые расходятся от пары, как круги по воде.

В плотном ядре звёздного скопления три чёрные дыры сходятся в опасном танце. Движение хаотично — траектории путаются, словно клубки ниток. Затем одна из дыр вылетает прочь, а две другие остаются на вытянутой орбите. Такая пара продолжает сближаться и в конце концов сливается, порождая всплеск гравитационных волн.

Детекторы регистрируют «рябь» пространства-времени — гравитационные волны, порождённые слиянием чёрных дыр или нейтронных звёзд. Это словно эхо кухни, где готовилось космическое блюдо. Астрономы пытаются восстановить рецепт: как две массивные звезды превратились в экзотическую пару и столкнулись.

Два тяжёлых шара кружатся не по ровному кругу, а по сильно сплюснутому овалу — то сближаются, то разлетаются. Примерно так ведут себя пары чёрных дыр с вытянутыми орбитами. В отличие от спокойных пар, которые постепенно сближаются и сливаются, эти танцоры сохраняют память о бурной юности: о том, как их вытолкнули из звёздных скоплений или заставили кружиться близкие соседи.

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.

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.

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.

Нейтронная звезда — это бывшее ядро массивной звезды, сжатое до размеров города. В её сердцевине вещество спрессовано так плотно, что атомы перестают существовать, а протоны и нейтроны растворяются в море кварков.

Фигурист кружится на льду, вытягивая руки. Если его траектория — почти идеальный круг, описать движение несложно. Но когда он мчится по сильно сплюснутому овалу, то у дальнего края почти замирает, а у ближнего проносится с огромной скоростью. Примерно так ведут себя две звезды на очень вытянутой орбите.

Свежий урожай гравитационных волн принёс загадку. Детекторы LIGO, Virgo и KAGRA поймали десятки сигналов от сливающихся чёрных дыр, и на графике их масс зияет провал: объектов тяжелее 45 Солнц почти нет, а те, что есть, крутятся подозрительно быстро. Кто-то говорит — звёзды-гиганты взрываются слишком «чисто», не оставляя после себя ничего.

Некоторые красные гиганты — огромные старые звёзды — меняют яркость очень медленно: один цикл может длиться больше года. Астрономы давно не могли понять, почему. Одна идея: рядом крутится невидимый спутник, который периодически заслоняет часть света. Другая: звезда сама пульсирует, как сердце, но очень неторопливо — её внешние слои то сжимаются, то расширяются.

Две звезды кружатся вокруг общего центра, поглощая газ из окружающего облака. Вокруг каждой звезды и вокруг всей пары образуются вращающиеся диски газа. Из этих дисков, как из шлангов, вырываются струи. Внутри дисков газ постоянно перемешивается — так работает магнитная неустойчивость.

Телескоп «Кеплер» годами следил за тысячами звёзд и находил планеты по крошечным провалам в их свете, когда планета проходит перед звездой. Такой проход, или транзит, позволяет измерить размер планеты, но не форму её пути.

Звезда вроде Солнца не просто светит — она тихо гудит. Внутри неё бурлит плазма, и эти движения заставляют поверхность ритмично подниматься и опускаться. Уловить такую дрожь с Земли почти невозможно: она тонет в шуме атмосферы и самого прибора. Поэтому астрономы слушают звёзды из космоса, где тише. Чтобы понять, слышна ли звезда, вычисляют силу её «голоса» на фоне помех.

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.

Каждое слияние чёрных дыр порождает гравитационные волны — рябь в ткани пространства-времени, предсказанную общей теорией относительности Эйнштейна и впервые зарегистрированную при решающем участии Кипа Торна.

Когда две звезды сближаются в космическом танце, их движение сопровождается дополнительным покачиванием — следствием искривления пространства-времени (эффект, предсказанный Эйнштейном в общей теории относительности). Планета, обращающаяся вокруг этой пары, тоже подвержена покачиванию.