гравитационные волны

Вода в баке крутится со скоростью, близкой к четырём оборотам в секунду, и в ней, как по волшебству, возникает колонна размером с обеденный стол. Вихрь живёт десятки оборотов, хотя всё вокруг него бурлит и дрожит. Откуда берётся такая устойчивость? Секрет в том, что вихрь не изолирован. Его подпитывают волны, которые рождаются у стенок бака и бегут внутрь, как рябь по поверхности пруда.

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.

Волновой пакет похож на путешественника, который то теряет силы и расплывается по дороге, то держит строй, то собирается в кулак. В 50-метровом лотке с водой глубиной 5 метров учёные проследили, как ведёт себя колоколообразная группа волн, когда у неё меняют высоту, но не ширину. Гауссов пакет — это волна с плавным подъёмом и спадом, как холм на воде.

Прожектор с изменяемой шириной луча скользит по берегу. Его свет — это длинные океанские волны, которые рождаются в прибойной зоне и расходятся в обе стороны: к пляжу и в открытое море. Раньше этот прожектор считали точечным, но реальная зона обрушения, где рушатся короткие волны, имеет конечную ширину, и она меняется по мере того, как фронт накатывает и отступает.

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.

Ударьте по колоколу — и он зазвенит на своей собственной ноте. Чёрная дыра, получив возмущение, тоже «звенит», но вместо привычного звука рождается дрожь самого пространства-времени — гравитационные волны.

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.

Две чёрные дыры, закружившись в гравитационном танце, сближаются всё быстрее и в конце концов сливаются в одну. Этот танец не бесшумен: он сотрясает само пространство-время, и по Вселенной расходятся гравитационные волны — рябь кривизны, предсказанная общей теорией относительности.

Детекторы гравитационных волн — это, по сути, сверхчувствительные «уши» Вселенной: они улавливают дрожь пространства-времени, возникающую при столкновении чёрных дыр или нейтронных звёзд. Но даже самые совершенные «уши» слышат далеко не всё.

Обычное зеркало меняет местами левое и правое. Многие законы физики не замечают такой подмены — они зеркально симметричны. Но некоторые явления, например слабое взаимодействие, эту симметрию нарушают. До сих пор считалось, что гравитация и свет нарушают зеркальность каждый по-своему, независимо.

Два раскалённых уголька, оставшихся от костра, кружатся в темноте, постепенно сближаясь. С каждым витком они теряют крохи энергии, уходящей в невидимую рябь пространства-времени. Именно так выглядит система eRASSU J060839.5−704014 — пара белых карликов (сверхплотных остатков звёзд, исчерпавших термоядерное топливо), разнесённых на расстояние, сравнимое с диаметром Земли.

Бросьте камешек в пруд — по воде разойдутся круги. Нечто подобное происходит с черной дырой после столкновения с другой дырой: она испускает гравитационные волны — рябь пространства-времени, напоминающую затухающий звон колокола.

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.

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.

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.

Два микроскопических алмаза парят в глубоком вакууме, разделённые расстоянием, которое свет не успевает преодолеть за время эксперимента. Внутри каждого, как застывшая искра, живёт спутанный спин — квантовое состояние, связывающее их в единое целое.

Когда горсть камешков падает в пруд, от каждого разбегаются круги. Если камешки разные, то и круги получатся разными: одни резкие, другие плавные. Но если смотреть на воду издалека и видеть лишь малую часть ряби, все эти отличия смазываются.

Камень падает в пруд. Круги разбегаются, становятся слабее и вскоре исчезают. Но если бы пруд был бесконечным, а вода идеальной, волнение длилось бы вечно, постепенно угасая. В физике такие затухающие остатки называют «хвостами» — они живут долго после того, как основная волна ушла.

Свет в детекторе гравитационных волн бегает по многокилометровым тоннелям, отражаясь от зеркал. Идеально ровный луч похож на гладкую простыню, которую держат за углы. Но стоит одному зеркалу наклониться на ширину атома — и простыня идёт складками: в луче просыпаются «паразитные» узоры, более сложные световые пятна — их называют высшими модами. Раньше такие складки считали мусором.

Когда два массивных тела сливаются в одно, по ткани пространства-времени расходятся гравитационные волны — рябь, подобная кругам на воде от брошенного камня. После слияния чёрная дыра ещё некоторое время «звенит», испуская особые колебания — квазинормальные моды. Обычно этот звон быстро затухает, как эхо в пустом зале.

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.

Десятки радиотарелок, разбросанных по Земле, годами слушают тиканье далёких пульсаров — мёртвых звёзд, которые вращаются и шлют импульсы строже атомных часов. Когда между звездой и нами проходит гравитационная волна — рябь пространства-времени, — тиканье чуть-чуть сбивается. Сеть таких часов и есть пульсарный тайминг, а сбои — след гравитационной ряби.

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная раздувалась быстрее, чем свет успевал её пересечь. Этот процесс, называемый космологической инфляцией, можно представить как надуваемый воздушный шар, только вместо резины растягивается само пространство.

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.

Камень падает в пруд — и по воде расходятся круги. Так же массивные тела рождают гравитационные волны — колебания самого пространства-времени. До сих пор эти волны ловили огромными детекторами: они чуть вздрагивают, когда волна проходит сквозь них. А что творится на микроуровне, внутри крошечного кусочка вещества?

Когда воздушный шарик надувают слишком быстро, его стенки начинают дрожать. Примерно то же самое происходило с пространством в первые мгновения после Большого взрыва: Вселенная раздувалась стремительно, и сама её ткань пошла рябью.

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.

Слияние двух нейтронных звёзд — это не просто столкновение. Ещё до касания они деформируют друг друга приливными силами, и эта деформация зависит от того, насколько «мягкая» или «жёсткая» материя внутри. Жёсткая материя сопротивляется сильнее, мягкая — легче меняет форму.

Рассмотрим однородное сферическое облако космической пыли, которое начинает сжиматься под действием собственной гравитации. По классическим законам общей теории относительности такое облако неизбежно сколлапсировало бы в точку бесконечной плотности — сингулярность, где уравнения поля перестают работать.

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.

Два массивных тела, застывших в квантовой суперпозиции, напоминают пару танцоров, которые пытаются сохранить единый ритм, пока вокруг них шумит оркестр. Каждая гравитационная волна — это музыкант, сбивающий их с такта.

Где-то в глубинах Млечного Пути время от времени вспыхивают радиоимпульсы — редкие, размеренные, словно удары далёкого метронома. Эти долгопериодические радиотранзиенты открыли совсем недавно, и они сразу поставили астрономов в тупик.

Всё началось с растяжения. В первые доли секунды Вселенная раздулась — физики называют это инфляцией: экспоненциальное расширение, за которым стояло скалярное поле с огромной потенциальной энергией. Потом стремительное расширение сменилось фазой, где энергия поля перешла в обычные частицы.

Свет, покидающий массивное тело, теряет энергию: его частота слегка уменьшается, а цвет смещается к красному концу спектра. Это явление физики называют гравитационным красным смещением. В рамках классической физики всё прозрачно, но на квантовом уровне возникают тонкости.

Гравитационная волна — это колебание самой ткани пространства-времени, порождённое, например, слиянием чёрных дыр. Представьте её как звон колокола в ночи: по громкости можно судить о расстоянии до источника.

Две звезды кружатся друг вокруг друга, постепенно сближаясь. Их танец теряет энергию, и эта энергия уходит в пространство — в виде гравитационных волн, а иногда и других полей.

На заключительном этапе эволюции массивной звезды её ядро стремительно сжимается за доли секунды, порождая вспышку сверхновой — взрыв, отмечающий гибель светила. Этот катаклизм возмущает само пространство-время, испуская гравитационные волны — рябь, которая распространяется сквозь Вселенную, подобно кругам на воде от брошенного камня.

Чёрная дыра — не просто космический пылесос. Если она вращается, то способна усиливать волны вокруг себя, как горное эхо повторяет звук. Для сверхлёгкой тёмной материи — гипотетических частиц в миллиарды раз легче электрона — этот эффект, называемый сверхизлучением, может создать огромное облако.

В тёмной комнате едва слышен шёпот. Чтобы разобрать слова, нужно подойти вплотную — или расставить много чувствительных микрофонов. Примерно так рассуждают авторы новой работы: они размещают квантовые «уши» прямо внутри резонатора, где высокочастотная гравитационная волна превращается в электромагнитное эхо.

В двойной звёздной системе одна звезда перетягивает вещество с соседки. Веками оно оседает на поверхности нейтронной звезды — сверхплотного остатка погибшего светила, где чайная ложка вещества весит миллиарды тонн.