GWTC

Ночное небо лишь кажется абсолютно чёрным: современные телескопы различают миллионы галактик, но некоторые объекты настолько тусклы, что практически сливаются с фоновым свечением. Именно такую «почти невидимку» случайно зафиксировали астрономы во время наблюдений скопления Девы на двухметровом телескопе обсерватории Тейде. Галактика получила обозначение TTT J1237327+143535.

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.

Галактика NGC 5584 — это огромный звёздный город, где одни кварталы только застраиваются, а другие уже отмечены старыми гигантами. Чтобы увидеть и тех и других, астрономы использовали два очень разных «фонарика». Ультрафиолетовый телескоп Swift высветил горячие голубые пятна — звёздные ясли, где массивные светила загораются совсем недавно.

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.

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.

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.

Представьте шумное кафе. Вы пытаетесь расслышать два тихих разговора: один доносится от столика у окна — это слияния чёрных дыр, второй — едва уловимый шёпот из дальнего угла, отголоски рождения Вселенной. Но всё заглушает гул кофемашины и уличный шум — дрожание детекторов. Новая работа учит компьютер разделять эти звуки.

Пласт за пластом, артефакт за артефактом — археолог восстанавливает историю древнего поселения. Так и астрофизики, разбирая 259 записей LIGO–Virgo–KAGRA, увидели чёткую слоистую структуру среди сливающихся чёрных дыр. Каждый слой — сотни миллионов лет эволюции, запечатлённые в гравитационных волнах.

23 ноября 2023 года детекторы LIGO уловили нечто странное. Сигнал гравитационных волн от слияния двух чёрных дыр, получивший номер GW231123, указывал на рекордные массы — 137 и 101 солнечных — и аномально быстрое вращение. Это была бы самая массивная и быстровращающаяся пара, когда-либо зарегистрированная.

Космос полон невидимых волн — ряби пространства, которую оставляют после себя катастрофы вроде столкновения чёрных дыр. Обычная чёрная дыра поглощает всё без следа. Но есть гипотетические экзотические объекты — сверхплотные сгустки материи без горизонта событий (поверхности, из-под которой не вырваться даже свету).

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.

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⊙.

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.

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 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.

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.

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.

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.

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».

Космос сам расставляет линзы на пути гравитационных волн. Когда две чёрные дыры сливаются, рождённая рябь летит сквозь Вселенную. Если по дороге встречается массивное скопление галактик, его гравитация искривляет путь волн — совсем как стекло фокусирует свет.

Детекторы LIGO и Virgo ловят рябь пространства-времени, но некоторые сигналы заставляют переписывать сценарии звёздной смерти. GW190814 — слияние чёрной дыры в 23 массы Солнца с компактным объектом в 2,6 солнечных — дисгармоничный аккорд в симфонии стандартных моделей.

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.

Гул стоит по всей Вселенной. Это не звук, а дрожь самого пространства — гравитационный волновой фон. Его создают пары сверхмассивных чёрных дыр, кружащих друг вокруг друга в центрах далёких галактик. Каждая такая пара — как басовый инструмент в огромном оркестре. Поймать соло одного инструмента на фоне общего гудения — задача для пульсарных антенн.

В 2015 году детекторы впервые поймали гравитационную волну — дрожь пространства, долетевшую от слившихся чёрных дыр. С тех пор такие сигналы стали для астрофизики новым окном во Вселенную. Но гравитационные волны способны на большее: они несут в себе отпечаток самой теории тяготения.

Волны перебирают гальку на песчаном пляже. Мелкие камешки лежат плотно друг к другу, почти одинаковые по размеру. Чуть дальше от берега — россыпь покрупнее и поразнообразнее. А у самой воды, где прибой особенно силён, скапливаются самые большие и окатанные обломки. Примерно так же природа сортирует чёрные дыры по массе, когда они сливаются в пары.

Когда далёкая галактика посылает нам свет, он ослабевает с расстоянием — и по этому ослаблению можно узнать, как далеко она находится. Примерно так же работают гравитационные волны: чем дальше их источник, тем слабее дрожь пространства, которую ловят детекторы на Земле.

В центре почти каждой большой галактики живёт сверхмассивная чёрная дыра — молчаливый гигант, вокруг которого кружат звёзды, газ и другие, менее крупные чёрные дыры. Время от времени один из этих объектов срывается со своей орбиты и начинает падать на центрального монстра по сужающейся спирали.

В центре Млечного Пути, как матрёшка в матрёшке, спрятана сверхмассивная чёрная дыра, а вокруг неё — рой звёзд и невидимая оболочка из тёмной материи. Эта оболочка, или «шип», по идее должна быть очень плотной у самого горизонта. Но звёзды и мелкие чёрные дыры, кружащие рядом, могут действовать как ложка в чашке с кофе: перемешивать и разбрасывать частицы.

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.

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.

Оркестр, где каждый музыкант играет свою партию, а дирижёр пытается уловить едва слышный ритм, общий для всех. Примерно так астрономы ищут гравитационные волны от пар сверхмассивных чёрных дыр (весом в миллиарды солнц), которые кружатся друг вокруг друга где-то в далёких галактиках.

Четырнадцатого мая 2019 года детекторы LIGO зарегистрировали гравитационный всплеск, который не вписывался в обычные рамки. Событие GW190521 предстало как столкновение двух чёрных дыр массами 85 и 66 солнц. Итоговая дыра в 142 солнечные массы угодила прямо в «запрещённый» диапазон — туда, где звёздные коллапсы почти не оставляют следов.

Нейтронная звезда — это сверхплотный остаток взрыва сверхновой, где чайная ложка вещества весит миллиард тонн. Многие из них, как открыла ещё в 1967 году Джоселин Белл Бернелл, становятся пульсарами — космическими маяками, регулярно вспыхивающими в радиодиапазоне.

Ещё Эдвин Хаббл открыл, что галактики разбегаются, а Жорж Леметр связал это с расширением пространства. Сегодня модель ΛCDM, опирающаяся на тёмную энергию и тёмную материю, утверждает, что Вселенная плоская, как идеально натянутый холст.

Детекторы LIGO, Virgo и KAGRA действуют как сверхчувствительные «микрофоны» Вселенной, улавливающие гравитационные волны — колебания самой ткани пространства-времени.

Огромный надувной шар, на котором нарисованы галактики, раздувается — и рисунок растягивается, соседние точки отдаляются друг от друга. Скорость этого растягивания и есть постоянная Хаббла. Обычно астрономы ловят свет далёких звёзд и смотрят, насколько он покраснел от растяжения пространства.

Гравитационные волны — это колебания самой ткани пространства-времени, возникающие при катастрофических событиях, таких как слияние чёрных дыр или других сверхмассивных объектов.