частота гравитационной волны

Зеркало мчится со скоростью почти сорок тысяч километров в секунду — это около одной восьмой скорости света. Свет, упавший на него, отскакивает обратно, но уже другим: его частота увеличивается, как мяч, отбитый ракеткой на лету, приобретает дополнительную энергию. Именно такое зеркало учёные построили внутри тончайшей стеклянной нити, заполненной водородом.

Представьте себе струну, натянутую между двумя колками. Малейшее прикосновение заставляет её дрожать, и по высоте звука можно угадать, как именно её тронули. Похожую струну физики из Аризонского университета натянули не в музыкальном инструменте, а на кремниевой мембране толщиной в сотню нанометров. Только вместо звука они слушают свет, отражённый от крошечной решётки, нанесённой на эту мембрану.

После взрыва сверхновой в центре остаётся компактный объект размером с город — новорождённая нейтронная звезда. Это экстремальное состояние вещества: звезда горячая, сжатая до ядерной плотности и дрожит, как колокол после удара.

Самый первый миг существования Вселенной подобен натянутой струне, по которой внезапно ударили. Она завибрировала, и эти колебания застыли в крупномасштабной структуре — галактиках и пустотах. Но физики подозревают, что были и другие вибрации — быстрые, локальные, почти как барабанная дробь на фоне медленной мелодии.

295 000 метров в секунду. С такой скоростью не мчатся даже частицы в корональных выбросах Солнца. Но в центре скопления галактик H1821+643 горячий газ движется именно так. Квазар в его сердце делает выдох — и его дыхание взбаламучивает всё вокруг на расстоянии в 60 тысяч световых лет.

За 10⁻³⁵ секунды после Большого взрыва разыгралась самая стремительная часть. Пространство раздувалось быстрее света — это инфляция. Почти всю партитуру исполняло одно поле, инфлатон, дирижировавшее темпом и тональностью.

Световая ловушка удерживает атом почти неподвижно — как шарик на мягкой пружинке. Но стоит появиться ускорению, например силе тяжести, и равновесие смещается. Атом сдвигается в стоячей световой волне, и это меняет темп, с которым он обменивается энергией с полем. Частота такого обмена становится прямым индикатором ускорения.

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная гудела, как колокол. Инфляция — эпоха стремительного расширения, подтверждённая измерениями реликтового излучения — завершилась, и поле инфлатона начало колебаться вокруг минимума своего потенциала.

Когда две чёрные дыры сливаются вдалеке, до нас доходит дрожь пространства — гравитационные волны. Обычно их описывают уравнениями Эйнштейна, но что, если на самых крошечных расстояниях гравитация работает иначе? Авторы работы взяли одну из таких гипотез — гравитацию Хоржавы-Лифшица.

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).

Капля холодного гелия пролетает в опасной близости от чёрной дыры. Это не просто капля — это мёртвая звезда размером с Землю, но с массой, сравнимой с солнечной.

Два тяжёлых шара из тёмной пустоты летят навстречу друг другу и бьются точно в лоб. Это не бильярд — это столкновение двух равных чёрных дыр. Удар рождает дрожь самого пространства — гравитационные волны. Большая часть этой дрожи — низкий гул, который физики называют тормозным излучением.

В стандартном представлении чёрная дыра — это лишь безликий провал в пространстве-времени, область, где гравитация настолько сильна, что даже свет не может её покинуть.

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.

Далёкий маяк вспыхивает на мгновение ярче целой галактики. Это быстрый радиовсплеск — загадочный сигнал, приходящий из глубин космоса. Некоторые из них повторяются, и астрономы заметили странность: у таких всплесков быстро меняется поляризация — характеристика, показывающая, как радиоволна закручена в пространстве.

Камертон, начав звучать, заставляет вибрировать соседние струны. Примерно так же ведёт себя облако сверхлёгких частиц (их ещё называют аксионами) вокруг быстро вращающейся чёрной дыры. Дыра, словно мотор, раскручивает частицы, и те начинают излучать гравитационные волны — дрожь самого пространства.

Когда две сверхмассивные чёрные дыры кружатся друг вокруг друга перед слиянием, они встряхивают само пространство — как катер, бегущий по озеру, оставляет за собой волны. Эти волны называют гравитационными. Они летят сквозь Вселенную и проходят сквозь всё, даже сквозь Землю.

Солнечное пятно — тёмный остров на раскалённой поверхности — дышит. Каждые три минуты от него расходится волна, бежит по невидимой магнитной арке и заставляет плазму над соседним пятном вспыхивать радиосигналом. Семь таких вспышек подряд поймали радиотелескопы 14 февраля 2024 года. Цепочка всплесков повторялась с периодом около 160 секунд.

Два нейтронных ядра сталкиваются, и пространство вокруг них дрожит, как поверхность пруда от брошенного камня. Эту дрожь ловят огромные детекторы гравитационных волн. А если при столкновении выбрасывается узкий луч гамма-излучения, его видят космические телескопы как короткий гамма-всплеск.

Свет можно зажать между двумя зеркалами, как пружину в тисках. Он мечется туда-сюда и становится всё плотнее — так получают сверхъяркие лучи. Но есть предел: при слишком большой яркости зеркала начинают дрожать. Свет раскачивает их, как ветер раскачивает качели, и часть энергии уходит в эту тряску. Физики измерили, откуда берётся дрожь.

Радиотелескоп ловит сигнал из Крабовидной туманности — и на экране вместо ровной линии появляются светлые и тёмные полосы, как на шкуре зебры. Это излучение пульсара — быстро вращающейся нейтронной звезды, которая осталась после взрыва сверхновой.

Химическая связь — как натянутая пружина между атомами. Когда её разрывают, осколки молекулы отлетают, но не замирают: они продолжают дрожать, как отпущенная струна. Именно эту дрожь удалось поймать группе исследователей, разорвавших молекулу метилиодида ультрафиолетовым лазером. Осколок — метильный радикал — начал вибрировать, словно зонтик, который то раскрывается, то складывается.

Каждый час, когда стрелки на часах сходятся на двенадцати, в магнитосфере Земли что-то происходит. Будто невидимый дирижёр взмахивает палочкой — и вдоль магнитных линий к поверхности бегут волны. Их называют жемчужинами: на записях они выглядят как нитка бус, нанизанных на время. Жемчужины — это сверхнизкочастотные электромагнитные волны с частотой от 0,2 до 5 герц.

Гамма-всплески — самые мощные взрывы во Вселенной: умирающая звезда схлопывается в чёрную дыру — область с гравитацией такой силы, что даже свет не может её покинуть, выбрасывая потоки энергии. Нередко это случается после вспышки сверхновой — взрывного финала жизни массивной звезды.

Радиотелескоп ловит сигнал длительностью в несколько миллисекунд — и за это мгновение выделяется энергия, сравнимая с той, что Солнце излучает за дни. Это быстрый радиовсплеск, миллисекундный радиоимпульс из далёкой галактики. С момента открытия в 2007 году астрофизики спорят, что его порождает.