закон всемирного тяготения

В центре нейтронной звезды вещество сжато так, что чайная ложка весит миллиард тонн. Казалось бы, лучше места для поиска следов квантовой гравитации не найти. Но между лабораторией и фундаментальным масштабом — пропасть в 10⁸⁰ раз по плотности. Три двери ведут в эту комнату.

Квантовая теория поля — это язык, на котором физики описывают элементарные частицы и их взаимодействия. Авторы работы решили немного «подправить» этот язык — ввели деформации, то есть небольшие изменения правил игры.

Ньютон подарил нам мир, где тела движутся в пустоте, а часы тикают одинаково для всех. Три века эта картина работала безотказно. Но в ней много невидимых подпорок: абсолютное положение, направление «верх-низ», единый для всей Вселенной ритм времени. Мы никогда не измеряли их напрямую — только через отношения между предметами.

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.

Ньютон подарил нам мир, где тела движутся в пустоте, а часы тикают одинаково для всех. Три века эта картина работала безотказно. Но в ней много невидимых подпорок: абсолютное положение, направление «верх-низ», единый для всей Вселенной ритм времени. Мы никогда не измеряли их напрямую — только через отношения между предметами.

Весы, на которых взвешивают не тело, а само пространство вокруг него. Так работают уравнения Эйнштейна в общей теории относительности: они связывают кривизну пространства-времени с тем, что в нём находится. В правую часть уравнения — туда, где «материя», — обычно подставляют либо плотность энергии, либо давление.

Переводчик, отвлекающийся на каждый шорох в зале, рискует превратить час совещания в два. Одна неверная интонация меняет смысл до неузнаваемости. Примерно так же ведёт себя гравитино — гипотетическая частица со спином 3/2 (квантовое число, описывающее внутреннее вращение частицы).

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.

В 2017 году гравитационно-волновые детекторы LIGO и Virgo зафиксировали гравитационную волну — колебание самой ткани пространства-времени от столкновения двух нейтронных звёзд — сверхплотных остатков массивных светил.

Два дома с одинаковыми фасадами. Окна, двери, цвет стен — всё совпадает. Но внутри один пуст, а в другом кипит жизнь. Как узнать, не заходя внутрь? В космосе похожая задача: чёрная дыра и гравастар выглядят одинаково снаружи, но устроены по-разному. Чёрная дыра — это пустота внутри, а гравастар — тонкая оболочка с плотной сердцевиной.

Два города с одинаковой средней плотностью населения. В одном — аккуратная сетка кварталов, в другом — лабиринт узких улочек и неожиданных площадей. На глобальной карте они выглядят близнецами, но жизнь внутри течёт совершенно по-разному.

Сорок красноватых искр застыли на снимках «Джеймса Уэбба». Телескоп разглядел их в глубинах космоса, на расстояниях, где возраст Вселенной был меньше двух миллиардов лет. Эти объекты — активные ядра галактик, только очень компактные и необычно красные. За цвет прозвали их «маленькими красными точками» (LRD).

26 сентября 2022 года зонд DART на скорости 6,6 км/с врезался в астероид Диморф. В космос ударил фонтан обломков. Камни, пыль, песчинки — всё взметнулось в безмолвной вспышке. Два года спустя численное моделирование 20 миллионов траекторий раскрыло судьбу каждой частицы. 93,5% выбросов покинули систему навсегда.

Свет в линзе меняет направление — это знают все. Гравитационные волны, проходя мимо массивного тела, тоже искривляют путь. Но авторы этой работы заглянули дальше: что происходит с самим «цветом» волны — её поляризацией, то есть направлением колебаний.

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 26 000 световых лет от Земли, в сердце Млечного Пути, звезда S301 мчится сквозь пространство на скорости 18 000 километров в секунду. Она огибает сверхмассивную чёрную дыру Sgr A* по вытянутой орбите. В точке наибольшего сближения звезду отделяют всего 280 гравитационных радиусов — примерно как от Солнца до Урана. Для сравнения, предыдущий рекордсмен S2 держался вдесятеро дальше.

Инженерный чертёж небоскрёба всегда содержит число: максимальная нагрузка на фундамент — скажем, 500 килопаскалей. Уравнения Эйнштейна в искривлённом пространстве-времени накладывают похожий предел на «силовую нагрузку» внутри звёзд, планет и любых других сгустков материи.

Два мячика, брошенных с разной высоты, падают на землю с разным ускорением. В космосе всё устроено сложнее: там даже пустота заставляет тела двигаться по-разному.

1799 километров в секунду — с такой скоростью звезда S5-HVS1 навсегда покидает Галактику. 4.8 миллиона лет назад она была выброшена из центра Млечного Пути при тесном сближении со сверхмассивной чёрной дырой Sgr A*. Такое событие оставляет два ископаемых следа: гиперскоростную звезду-беглянку и её компаньона, захваченного на вытянутую орбиту. Второй след, возможно, найден.

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.

Внутри суперкомпьютера пятнадцать устойчивых волновых сгустков — солитонов — сталкиваются, чтобы сформировать гало тёмной материи. Эти волны подчиняются уравнению, которое в начале XX века вывел Эрвин Шрёдингер для электронов, но теперь они рисуют портрет гигантского галактического кокона.

Крошечный спутник, словно пловец, рассекает невидимые слои газа в раздувшейся оболочке красного гиганта. Каждый круг его орбиты возбуждает акустический след — волны сжатия, бегущие сквозь плазму. Согласно закону всемирного тяготения, спутник притягивает газ, а газ — спутник, создавая этот след.

Два фигуриста на застывшем до горизонта озере. Они так далеко, что силуэты превратились в точки, а их взаимное притяжение — почти богословский концепт. По заветам Ньютона, они обязаны кружиться в умозрительно медленном вальсе. Но телескопы видят иное. Пары кружат быстрее, будто лёд сам дышит под ними, сообщая ускорение, которого там быть не должно.

Когда звезда подбирается слишком близко к сверхмассивной чёрной дыре, звучит космический реквием — событие приливного разрушения. Благодаря фотометрии и спектроскопии астрономы различают каждый инструмент в этом оркестре.

Загадка радиусной долины — резкий провал числа экзопланет с радиусом ~1,8 земного — не даёт покоя астрономам. JWST, транзитные обзоры Kepler и TESS рисуют чёткий пробел: каменистые суперземли и газовые субнептуны разделены почти пропастью.

Глубоко в амазонских лесах, под многослойным пологом листвы, лежат огромные земляные фигуры — квадраты, прямоугольники, редкие ромбы. Десятилетиями они дразнили археологов молчаливой геометрией, пока исследователь не вооружился орбитальной оптикой и не увидел в них астрономический прибор.

В центре Млечного Пути, окутанная пылью и заревом, скрывается сверхмассивная чёрная дыра — Стрелец A*. Вокруг неё, как мотыльки у пламени, кружат десятки звёзд-ориентиров. Две из них, S2 и S38, с эксцентрическими орбитами и периодами в несколько лет, стали главными героями в проверке фундаментальных законов мироздания.

В тишине холодных молекулярных облаков, где межзвёздный газ под действием гравитации сжимается в плотные сгустки, рождение массивных звёзд — одна из главных загадок астрофизики. Казалось бы, мощное излучение новорождённого гиганта должно разметать окружающее вещество, прекращая его рост.

Снежинка растёт, нефтяное пятно растекается, толпа движется — уравнения для каждого случая свои. Но финал часто один и тот же: форма, скорость, узор подчиняются простой, повторяющей себя на разных масштабах схеме. Это и есть универсальность — когда за деталями прячется общий закон.

Тёмная материя — невидимый архитектор Вселенной, удерживающий галактики от разлёта. С лёгкой руки Фрица Цвикки и Веры Рубин мы знаем: обычного вещества в космосе — лишь ничтожная примесь. Но что скрывается за этим тёмным веществом?

Гравитационные волны от слияния чёрных дыр звучат как басовые аккорды, пульсары отбивают ритм, а реликтовое излучение доносит отголоски Большого взрыва. Но есть и безмолвный игрок — тёмная материя, чьё присутствие выдают лишь гравитационные эффекты.

Почти сорок лет высокотемпературная сверхпроводимость в купратах остаётся одной из глубочайших загадок физики конденсированного состояния. В обычных металлах электроны спариваются в куперовские пары благодаря колебаниям решётки, но здесь изотопический эффект крайне слаб.

Ранняя Вселенная на красном смещении z>7 была ареной безудержного роста: чёрные дыры с массами до миллиарда солнечных уже сверкали как квазары, поглощая газ с чудовищной скоростью. Как эти исполины успели вырасти за столь малый срок — одна из острельших загадок астрофизики.

Согласно общей теории относительности Эйнштейна, массивное вращающееся тело увлекает за собой ткань пространства-времени, подобно тому как ложка, вращаемая в банке, заставляет течь густой мёд.

Когда JWST всмотрелся в юную Вселенную на красных смещениях 6–10, он обнаружил россыпь загадочных «маленьких красных точек» (LRD). Эти объекты сочетали черты галактик и активных ядер, но их спектры отказывались вписываться в привычные схемы.

Предмет не может быть точкой. По крайней мере, в гравитации Эйнштейна. Уравнения общей теории относительности требуют, чтобы источник поля — материя — был размазан в пространстве, а не сосредоточен в бесконечно малом объёме. Иначе в формулах появляются бесконечности, и гладкого пространства-времени не построить.

Задача трёх тел — извечный камень преткновения небесной механики. Даже Пуанкаре в конце XIX века осознал, что её хаос не поддаётся общим аналитическим решениям. В этом гравитационном безумии лишь изредка встречаются островки регулярности — периодические орбиты.

Раннюю Вселенную часто представляют детским садом: большинство галактик здесь — аморфные кляксы, буйные и иррегулярные, захлёбывающиеся газом и вспышками звездорождения. Но телескоп Джеймс Уэбб разглядел в этом хаосе вундеркинда — галактику M1149-BSG-z5, которая всего через 1,1 миллиарда лет после Большого взрыва уже щеголяет точеной спиралью с баром, присущей лишь зрелым системам.

Граница диктует правила Квантовая гравитация напоминает театр, где пространство-время — сцена, а поля — актёры. Когда у сцены есть край, нужно точно знать, что происходит на границе: иначе спектакль рассыплется. В 2018 году Эдвард Виттен предложил изящный рецепт для такого случая.

Гравитацию обычно объясняют через искривление пространства-времени. Массивные тела продавливают его, как шар для боулинга — натянутую резиновую плёнку. Но у этого подхода есть два менее известных близнеца. В одном гравитация возникает из кручения (скрученности) пространства-времени, в другом — из его неметричности (когда меняются длины и углы при переносе).