gw170817

Ночью маяк на скале не гаснет, но иногда смотритель опускает шторы на лампе. Свет остаётся, просто его меньше. Нечто подобное произошло с рентгеновским пульсаром 4U 0114+65: он не исчез, а лишь притушил своё излучение. Пульсар — это нейтронная звезда, которая захватывает вещество соседней звезды и испускает импульсы рентгена с каждым оборотом.

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

Два снимка одного маяка. Один сделан с лодки, плывущей прямо в луч, второй — с берега, где луч лишь чиркает по краю неба. По этим двум кадрам можно восстановить, как свет маяка распределён по углам, даже не приближаясь к нему. Примерно так астрономы поступили с двумя гамма-всплесками, которые считают близнецами. Первый всплеск, GRB 090510, поймали в 2009 году.

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.

Маяк на краю галактики мигает без расписания: то молчит годами, то за один день выдаёт сотни вспышек. За таким маяком нужен вахтенный, который не спит и не отвлекается. С 2008 года эту вахту несёт гамма-монитор Fermi GBM на орбите Земли, и его журнал только что пополнился самой полной записью за всю историю наблюдений.

Представьте себе два волчка, запущенных на столе. Если они вращаются в одну сторону, их общее вращение велико; если навстречу друг другу — суммарное вращение может быть нулевым, хотя каждый волчок по отдельности вертится быстро. В паре нейтронных звёзд, сближающихся перед слиянием, роль таких волчков играют их собственные вращения — спины.

Маяк вспыхивает не равномерно, а короткими яркими импульсами. Нейтронная звезда в системе 4U 1323-62 — такой маяк в рентгеновском диапазоне. Она стягивает газ с соседней звезды, и когда на её поверхности скапливается достаточно вещества, происходит термоядерный взрыв — рентгеновская вспышка.

Скопление галактик RXC J0528.9−3927 похоже на город, окутанный туманом: в центре ярко светит радиоореол, а дальше, за пределами привычных границ, астрономы разглядели едва заметное свечение. Оно тянется на два миллиона световых лет — втрое дальше, чем сам ореол. Телескоп MeerKAT в Южной Африке собирал этот тусклый свет 12,9 часа, как фотограф, снимающий ночное небо с длинной выдержкой.

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.

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.

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.

Когда умирает звезда во много раз тяжелее Солнца, она сжимается и взрывается сверхновой. Это не просто вспышка света — весь процесс, от обрушения ядра до разлёта оболочки, порождает дрожь самого пространства. Такие волны называют гравитационными. Учёные взяли десятки трёхмерных моделей взрывов и выяснили: гравитационный гул от сверхновых складывается из двух частей.

Брошенный камень расходится кругами по воде. Гравитационная волна — такая же рябь, но в пространстве-времени. Её порождает, например, слияние двух чёрных дыр. В классической физике эта рябь вечна: раз возникнув, она летит сквозь Вселенную, не затухая. Но гравитация подчиняется квантовым законам.

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.

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.

Ранняя Вселенная напоминала стремительно остывающий океан. При колоссальных температурах всё было единым — кварки, электроны, взаимодействия сливались в симметричный «пар». Но по мере расширения и охлаждения этот пар конденсировался, фазовые переходы сменяли друг друга, словно вода превращается в лёд.

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.

Почти два месяца требуется звёздной паре J05+50, чтобы завершить один оборот вокруг общего центра. С Земли она выглядит как слабая точка в созвездии Геркулеса — 4625 парсек от нас. Фотометрия с двойной звезды фиксирует лишь мерное покачивание яркости, словно пульс огромного сердца.

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⊙.

Нейтронная звезда — это бывшее ядро массивной звезды, сжатое до размеров города. Чайная ложка её вещества весит как гора. Но внутри этого сверхплотного шара может скрываться сюрприз: под немыслимым давлением нейтроны распадаются на кварки, и звезда получает новое, более компактное ядро.

Юла, которая делает сотню оборотов за секунду, вдруг начинает резко терять скорость — гораздо быстрее всех известных юл. Именно так ведёт себя пульсар J0435+3233. Это мёртвая звезда, сжавшаяся до размеров города, но вращающаяся с бешеной скоростью.

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 2017 году детекторы LIGO и Virgo записали дрожь пространства-времени от столкновения двух нейтронных звёзд — событие GW170817. За первым всплеском последовало послезвучие: килогерцевые колебания только что родившегося сверхплотного остатка. Этот сигнал — не просто шум, а голос самой материи, сжатой до немыслимых пределов.

В 2019 году на установке LIGO зафиксировали гравитационную волну — рябь в ткани пространства-времени, — чья частотно-временная карта напоминала причудливый гребень. Каждый такой сигнал от слияния чёрных дыр оставляет уникальный узор, похожий на отпечатки пальцев.

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.

Вселенная звучит, но наше ухо улавливает лишь басы. LIGO слышит рокот слияний чёрных дыр — это инфразвук космоса. А выше, в гигагерцах, звенят флейты и скрипки первичной гравитации.

17 минут — с такой частотой бьётся сердце AM Гончих Псов, задавая ритм всему классу ультракомпактных двойных. В этих системах два белых карлика кружат в предсмертном танце, сжимая орбиту под неслышный пока шёпот гравитационных волн. Каждая пара — вселенский метроном, отбивающий уникальный темп.

Детекторы гравитационных волн — как чуткие микрофоны, слушающие шёпот далёких катастроф. Но время от времени в них врывается резкий треск — короткая помеха, которую называют глитчем. Такой треск бывает похож на настоящий сигнал от слияния чёрных дыр, и тогда астрономы рискуют принять шум за открытие.

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.

Низкий гул, идущий из-под земли, может оказаться шумом далёкой стройки, а может — отголоском древнего землетрясения. Похожая загадка встала перед астрономами, когда в 2023 году они уловили сверхнизкочастотные гравитационные волны — дрожь самого пространства-времени, бегущую сквозь Вселенную.

Два сверхплотных шара, каждый размером с город, кружатся в танце. Их масса меньше солнечной, но внутри — вещество, сжатое до немыслимых пределов. Один шар — нейтронная звезда, другой — странная звезда, целиком состоящая из кварков (элементарных частиц, из которых сложены протоны и нейтроны). Когда они сталкиваются, разница становится слышна.

Вселенная переписывает свою историю снова и снова. Там, где обычная астрономия видит лишь точку — чёрную дыру, — гравитационные волны снимают тонкие слои прошлого, как с древнего палимпсеста. Идею о том, что чёрные дыры могут расти, поглощая друг друга, а их потомки — вступать в новые союзы, астрофизики обсуждают уже полвека.

В океане космоса каждый шторм рождения или слияния сверхмассивных чёрных дыр порождает рябь — гравитационные волны, распространяющиеся со скоростью света. Миллиарды лет эти волны накладываются, сливаясь в низкочастотный гул, словно далёкий прибой.

Загадка тёмной материи мучает физиков почти век. Среди кандидатов на её роль — первичные чёрные дыры (ПЧД), возникшие в раскалённых объятиях первого мига после Большого взрыва.

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».

Карусель: лёгкую раскрутить проще, массивную — труднее. Примерно так же ведут себя нейтронные звёзды — сверхплотные остатки взорвавшихся светил. Астрономы заглянули в полсотни двойных систем, где одна нейтронная звезда вращается вокруг другой, и заметили: чем тяжелее звезда, тем длиннее её период вращения. Связь не жёсткая, но статистически заметная.

Две нейтронные звезды — сверхплотные остатки массивных светил — сливаются в одну, и пространство вокруг них вздрагивает: рождается гравитационная волна, рябь в самой ткани пространства-времени. Почти одновременно из места катастрофы вырывается узкий поток вещества — джет.

Нейтронные звёзды, рождающиеся в огне сверхновых, не перестают удивлять даже спустя почти век после предсказания.

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).