спектроскопия 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.

Представьте лотерею, где вместо денег разыгрывают чёрные дыры. Каждый билет — случайная точка на небе, а выигрыш — гравитационная волна от слияния двух гигантов. Шанс сорвать джекпот ничтожен, но если уж повезло, волна будет слышна на всю Вселенную.

Можно отправить к чёрной дыре короткий радиоимпульс и ждать отражённого эха. Казалось бы, чем короче сигнал, тем лучше он прощупает мельчайшие детали пространства у самого горизонта — той области, откуда даже свет не возвращается. Но природа ставит ловушку: сверхкороткая волна почти насквозь пролетает гравитационный барьер и уходит внутрь дыры.

Когда две чёрные дыры сливаются, по ткани пространства-времени разбегаются круги — гравитационные волны. Но что, если на месте одной из них не привычная чёрная дыра, а нечто иное — экзотический компактный объект? Теория допускает, что у него нет горизонта событий, а есть отражающая поверхность.

В первые мгновения жизни Вселенная напоминала бурлящий котёл. Вещество не было разлито ровно — в нём зрели сгустки и пустоты, и их бурное движение рождало дрожь самого пространства: гравитационные волны. Сегодня мы пытаемся уловить их отголоски — например, с помощью сети радиотелескопов NANOGrav, — и сравнить с предсказаниями.

2.1 × 10⁻⁹ — примерно такой же разброс температуры по небу, как если бы на океанской глади измерили рябь высотой в доли миллиметра. Эта микроскопическая неоднородность запечатлена в реликтовом излучении и рассказывает о самом начале времён.

13,8 миллиардов лет назад Вселенная кружилась в вальсе. Поворот направо был запрещён. Сегодня отголоски того космического бала доходят до нас в виде едва уловимой ряби пространства-времени — гравитационных волн. Их существование предсказал Эйнштейн.

Детекторы LIGO поймали сигнал GW250114 — гравитационную волну от слияния двух чёрных дыр. После главного всплеска остался затухающий «хвост» — прямые волны от горизонта новорождённой дыры. Ожидалось, что их затухание покажет силу тяжести на поверхности горизонта. Но измеренное значение оказалось меньше.

Ранняя Вселенная напоминала переполненный зал, где тяжёлые частицы сталкивались и распадались в оглушительном темпе. Среди них могли быть скалярные лептокварки — частицы, которые одновременно цепляются за кварк (кирпичик материи) и лептон (например, электрон).

В первые мгновения после Большого взрыва материи и антиматерии было почти поровну. Но что-то нарушило равновесие — иначе всё аннигилировало бы в излучение, и мир остался бы пустым. Один из кандидатов на роль «нарушителя» — сверхтяжёлые правые нейтрино. Это частицы-близнецы обычных нейтрино, только массивнее в миллиарды раз.

В классической картине мира гравитация — это плавные изгибы пространства и времени. Но на микроскопическом уровне, где правит квантовая механика, эти изгибы должны превращаться в зернистую рябь. Частицы такой ряби называют гравитонами. Беда в том, что прямолинейные расчёты с гравитонами вечно упираются в бесконечности — теория теряет смысл.

Гравитационно-волновая обсерватория похожа на микрофон, расставленный в разных точках Земли. Когда приходит сигнал из космоса — например, от слияния чёрных дыр или взрыва сверхновой, — каждый микрофон слышит чуть разное. До сих пор считалось, что фронт волны плоский, как свет от далёкого прожектора.

Рябь на пруду расходится кругами от брошенного камня. А теперь сам пруд начинает мелко дрожать — вода колеблется не только от камня, но и сама по себе. Примерно так ведут себя гравитационные волны в пространстве, где пульсирует особое скалярное поле. Авторы работы построили математическую модель такой дрожи.

Пульсары — это стремительно вращающиеся нейтронные звёзды, останки массивных светил, испускающие радиовспышки с регулярностью, превосходящей точность атомных часов. Их импульсы служат естественными космическими маяками.

Гравитационные волны — это колебания самой ткани пространства-времени, подобные вибрациям гигантской космической струны. Обычные детекторы, такие как LIGO и Virgo, улавливают низкочастотные «ноты» — возмущения от слияния массивных чёрных дыр звёздных масс.

Вселенная иногда напоминает кастрюлю с кипящей водой. При достаточном нагреве жидкость превращается в пар — это фазовый переход. В ранней Вселенной тоже могло происходить нечто подобное: поле, заполнявшее пространство, внезапно меняло своё состояние, как вода становится газом.

Гравитационные волны — это колебания самой ткани пространства-времени, предсказанные общей теорией относительности.

Гравитационные волны — это дрожь пространства-времени, порождаемая космическими катаклизмами: слияниями чёрных дыр и нейтронных звёзд.

Ещё в 1960-х физик Джозеф Вебер пытался поймать гравитационные волны — рябь пространства-времени, предсказанную общей теорией относительности, — с помощью алюминиевых цилиндров. Идея была проста: волна должна заставить цилиндр дрожать, словно камертон, на собственной резонансной частоте.

Симфония звучит, но в партитуру вкралась едва заметная фальшивая нота. Примерно так физики ищут отклонения от общей теории относительности в «звуках» Вселенной — гравитационных волнах от слияния чёрных дыр. Эти волны, словно круги на воде от брошенного камня, расходятся по ткани пространства-времени и доходят до детекторов на Земле.

Далекий оркестр играет симфонию, но запись полна помех. Мелодия написана для двух инструментов, однако из шума будто пробивается третий голос — тихий и незнакомый. Так астрофизики вслушиваются в гравитационные волны, пытаясь уловить малейшие отклонения от предсказаний Эйнштейна.

Представьте идеально гладкий пруд: малейшее дуновение ветерка порождает рябь на его поверхности. В роли такого пруда выступает плоский кристалл из заряженных атомов — ионов, удерживаемых в электромагнитной ловушке.

Часы — это не просто механизм со стрелками. В основе каждого атомного ядра лежит природный метроном: оно колеблется с почти идеальной равномерностью. Если поднять один такой ядерный метроном на пару метров, его ритм чуть ускорится из-за искривления времени — эффекта, предсказанного Эйнштейном в общей теории относительности.

Лёгкие — это не два мешка, а миллионы крошечных пузырьков, куда заходит воздух и подходит кровь. Чтобы увидеть, как они работают, врачи иногда используют МРТ без контрастного вещества: прибор ловит слабые сигналы от самих тканей. Но сигналы эти похожи на радиоприёмник в грозу — дыхание сбивается, пульс скачет, и картинка разваливается.

Луч света, проходя сквозь прозрачную пластинку, обычно сохраняет свой цвет. Если же пластинку собрать из тонких чередующихся слоёв, она превращается в решётку, которая отражает и пропускает волны избирательно. Это давно используют в лазерах и оптических фильтрах. Теперь такие решётки заставили вибрировать — и свет начал менять цвет.

Лазерный луч удерживает одиночный ион в вакууме, и этот ион ведёт себя как шарик, запертый между двумя лунками. Лунки — это не ямы в земле, а области, где иону энергетически выгодно находиться. В классическом мире шарик скатился бы в одну из лунок и остался там. В квантовом мире ион размазан по обеим лункам сразу и время от времени проскакивает сквозь разделяющий их барьер.

Первичные чёрные дыры ведут себя подобно закипающим чайникам: в процессе испарения они испускают «свист» — гравитационные волны, рябь самого пространства-времени.