высокочастотные гравитационные волны

Натянутая струна звучит выше, если её сильнее натянуть. Примерно так же ведёт себя намагниченность в антиферромагнетике: чем сильнее внешнее поле, тем быстрее она колеблется. Но в кристалле оксида хрома что-то пошло не так. В полях от 20 до 30 тесла частота резонанса растёт медленнее, чем должна.

Рентгеновский космический телескоп XMM-Newton в течение двух часов непрерывно наблюдал галактику Mrk 1044. В её центре находится чёрная дыра, вокруг которой обращается аккреционный диск из раскалённого газа. Этот газ испускает рентгеновское излучение, и его яркость нестабильна — она колеблется: то усиливается, то ослабевает.

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 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.

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.

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.

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.

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.

Колокол звенит не от удара, а от мимолётной дрожи пространства. Гравитационная волна — рябь в ткани пространства-времени, подобная кругам на пруду, — проходя сквозь массивный магнит, вызывает его микроскопическую деформацию. Эту деформацию можно преобразовать в электрический сигнал.

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.

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.

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.

Вселенная — огромный оркестр, исполняющий партитуру расширения. Галактики разбегаются в такт неслышной музыке тёмной энергии. Но вот беда: дирижёрская палочка, которую держат Эдвин Хаббл, Адам Рисс и Вера Рубин, задаёт два несовместимых темпа.

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.

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 звучит как грандиозный оркестр: её партитура — гравитационные волны, рябь ткани пространства-времени, существование которой предсказал Альберт Эйнштейн в рамках общей теории относительности.

Тёмная материя — великий невидимка космоса. Она не излучает, не поглощает, не отражает свет, но её гравитационная хватка чувствуется в каждом движении галактик. Семьдесят лет назад Вера Рубин показала, что окраины галактик вращаются слишком быстро — словно их подхлёстывает незримый пастух.

Когда две чёрные дыры сливаются, новорождённая дыра некоторое время «звенит», испуская гравитационные волны — подобно затихающему колоколу. Этот звон улавливают гигантские детекторы, созданные Райнером Вайссом и Кипом Торном.

Сверхчуткий микрофон пытается уловить шёпот далёкой галактики. Но сам микрофон дрожит от тепла — его атомы пляшут, как попкорн на сковородке. Физики называют этот пляс тепловым шумом, и он часто заглушает слабые сигналы. В детекторах гравитационных волн — приборах, ловящих дрожание самого пространства, — ситуация похожая.

В 2015 году детекторы LIGO поймали первый всплеск гравитационных волн — астрономы услышали, как далеко в космосе столкнулись две чёрные дыры. Эта рябь пространства-времени дошла до нас, сохранив форму сигнала: словно звук колокола, пролетевший миллиарды лет без искажений.

В центре многих галактик сидит сверхмассивная чёрная дыра. Когда на неё падает газ, он разогревается и светится ярче целой галактики — это активное ядро. Иногда оттуда вырывается настоящий ураган: поток ионизованного газа, который мчится со скоростью в десятки процентов от скорости света.

Радиотелескоп FAST в Китае — это гигантская тарелка диаметром полкилометра, спрятанная в естественной воронке среди гор. Она ловит радиоволны из космоса, и в свежем обзоре неба ей попались 70 странных объектов: они испускают радиосигнал, характерный для облаков водорода, но в обычный оптический телескоп на их месте почти ничего не видно.

Массивная звезда, в 40 раз тяжелее Солнца, умирает за доли секунды. Её ядро сжимается, как пружина, которую слишком сильно сдавили, а затем резко распрямляется — это и есть взрыв сверхновой. Но что, если звезда ещё и вращается, как фигурист, прижимающий руки к телу, и пронизана магнитным полем, словно невидимыми нитями?

Чёрные дыры — не безмолвные провалы в ткани мироздания, а природные камертоны, чьё стремительное вращение, предсказанное Роджером Пенроузом в рамках механизма Пенроуза, заставляет вибрировать само пространство-время.

Гамма-всплеск — это как выстрел из космической пушки: короткая, но ослепительная вспышка, которая на несколько секунд затмевает целую галактику. Но если смотреть на неё в самый жёсткий гамма-диапазон (фотоны с энергией выше гигаэлектронвольта), то сигнал часто теряется в шуме — как тихий шёпот в шумном зале.

Долгое время в астрофизике господствовало убеждение: гигантские струи радиоизлучения — радиовыбросы, бьющие из центральных областей, — привилегия исключительно эллиптических галактик. Считалось, что лишь их спокойная, лишённая выраженной внутренней структуры среда позволяет формировать такие колоссальные фонтаны энергии, питаемые сверхмассивными чёрными дырами.

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.

Ещё Альберт Эйнштейн в рамках общей теории относительности предсказал гравитационные волны — колебания самой ткани пространства-времени, распространяющиеся со скоростью света.

В скоплении галактик Волосы Вероники, на расстоянии около 320 миллионов световых лет от нас, раскинулось невидимое для глаза облако. Оно светится в радиодиапазоне — это радиоореол, гигантское скопление заряженных частиц, разогнанных почти до скорости света.

Радиотелескоп поймал сигнал от трёх галактик, которые существовали, когда Вселенной было меньше миллиарда лет. Их радиосвечение такое мощное, будто в каждой за короткий срок родилось по тысяче солнц в год. Для сравнения: наш Млечный Путь рождает всего пару звёзд за год. Радиоволны свободно проходят сквозь пыль, которая прячет молодые звёзды в оптике.

Рентгеновское излучение от окрестностей чёрной дыры приходит не сразу. Часть его сначала падает на диск из раскалённого газа, отражается и лишь потом летит к телескопу. Эта задержка — как эхо в горах: сначала слышен прямой звук, а затем отклик от скалы.

Ночью, когда большинство людей спит, огромная тарелка радиотелескопа «Грин-Бэнк» в Западной Вирджинии продолжает слушать небо. За 24 186 часов — это почти три года непрерывного наблюдения — она поймала 50 пульсаров и три быстрых радиовсплеска.

Гитарная струна, задетая пальцем, дрожит — и воздух вокруг неё передаёт дрожь в ухо. Пространство-время дрожит иначе: когда в нём проходит гравитационная волна, оно слегка растягивается и сжимается. Заметить такую дрожь на частотах от 10 килогерц до 100 мегагерц — задача, для которой строят детекторы нового типа. В основе — сверхпроводящая радиочастотная полость.

Гравитационные волны — это рябь пространства-времени, предсказанная общей теорией относительности: они распространяются со скоростью света, незаметно растягивая и сжимая всё на своём пути.

Двенадцать лет астрономы на радиотелескопе ЛПА в Пущино прислушивались к одному и тому же участку неба — направлению на галактику 3C 33. За это время они поймали всего шесть коротких радиосигналов, каждый длиной от одной до четырёх минут.

Сразу после рождения Вселенная не просто расширялась — она проходила стадию инфляции: экспоненциального раздувания с невообразимой скоростью. Эту концепцию предложил Алан Гут. Новые модели сравнивают процесс с накачиванием воздушного шарика рывками. Если между рывками поршень на миг зависает, шарик слегка сжимается и издаёт звонкий хлопок.

Чёрная дыра в двойной системе Swift J1727.8-1613 мерцает в рентгеновских лучах, как костёр на ветру. Но если приглядеться к ритму этого мерцания, можно увидеть чёткие «горбы» — всплески на определённых частотах, похожие на удары барабана в шуме толпы.

Семь миллиардов лет назад чёрная дыра в центре далёкой галактики породила вспышку гамма-излучения — самого энергичного вида электромагнитных волн — невероятной мощности. В декабре 2017-го этот свет, преодолев космические бездны, был зарегистрирован наземной системой телескопов MAGIC.

Короткие мощные радиовсплески из далёкого космоса — FRB (Fast Radio Bursts) — долго ставили учёных в тупик. Считается, что их источник — нейтронные звёзды, сверхплотные ядра погибших звёзд, где магнитные поля невообразимо сильны.