эффект Лензе — Тирринга

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.

Когда протон разбивают на части в ускорителе, из него вылетают кварки и глюоны — фундаментальные частицы, из которых состоит материя. Но свободными их не увидеть: почти сразу они слипаются в новые частицы — адроны, как капли ртути собираются в шарики.

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.

Луч света, пролетающий мимо массивного тела, отклоняется — это эффект гравитационного линзирования, знакомый по снимкам далёких галактик. Астрофизики взяли за основу вращающуюся чёрную дыру (пространство-время Керра) и добавили крошечную поправку к тому, как распространяется сам свет.

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.

Космический луч подлетает к чёрной дыре почти по касательной. Он не падает сразу, а задерживается на неустойчивой орбите — как акробат, балансирующий на канате над пропастью. Сделав несколько витков, свет всё же уходит к далёкому наблюдателю. Такие лучи рождают многократные изображения одного и того же источника — их называют изображениями высшего порядка.

Ранняя Вселенная была неспокойным местом. Пространство дрожало от гравитационных волн — ряби самой ткани мироздания. В этом бурлящем котле, как предполагают, и родилась тёмная материя. Но у новорождённых частиц не было массы — её нужно было откуда-то взять. Обычно за массу отвечает поле Хиггса.

Представьте себе две нейтронные звезды, сжатые до размеров мегаполиса, но весящие по полторы Солнца. Они кружатся в безудержном гравитационном танце, сближаясь и разлетаясь каждые 4,4 часа. В периастре — точке максимального сближения — их разделяет всего пара световых секунд, а скорость достигает трёх с половиной миллионов километров в час.

Сверхмассивная чёрная дыра плывёт в облаке тёмной материи. В привычной картине эта невидимая субстанция просто добавляет массу и почти не трогает обычное вещество. Но частицы тёмной материи могут обладать собственным вращением — спином.

Когда рояль падает в пропасть, мы думаем о пропасти. А о том, что на рояле надет чехол, — нет. Примерно так же астрофизики десятилетиями смотрели на экстремальные сближения малых тел с большими черными дырами. Их интересовала сама черная дыра и то, что крутится вокруг нее. А вот что надето на саму «пулю» — на маленький объект, который летит к гибели, — почти никто не спрашивал.

Представьте трёхликого танцора на гребне световой волны. Один лик — ловец, вбирающий падающие фотоны. Второй — идеальное зеркало, бросающее свет обратно. Третий — матовое стекло, рассеивающее лучи во все стороны. Пока скорость мала, танец слажен. Но на околосветовых скоростях хореография ломается. Это похоже на сёрфера, догоняющего волну. Поначалу вода мощно толкает вперёд.

Чёрная дыра — не идеально гладкий шар. Теория Эйнштейна допускает, что вокруг неё могут роиться невидимые «волосы» — сгустки скалярного поля, искривляющего пространство-время. Скалярное поле здесь — не вещество, а натяжение самого пространства, словно невидимая паутина, сгущающаяся у массивных тел.

Представьте надувной матрас, который равномерно растягивают в стороны, а на его поверхности крутится водяная воронка. При растяжении матраса воронка стягивается — её размер относительно всей поверхности уменьшается.

Две чёрные дыры с разгона бьются лбами — а рядом кружит третья. В обычной жизни такая авария породила бы всплеск гравитационных волн (ряби в пространстве, как от брошенного в пруд камня). Но здесь часть ряби проходит мимо массивного соседа — и меняется, словно свет в кривом зеркале.

Движущиеся сгустки галактик и невидимой тёмной материи — таинственной субстанции, проявляющей себя лишь через гравитацию — создают кильватерные волны в послесвечении Большого взрыва, подобно тому как лодки возмущают гладь пруда.

Луч фонарика скользит по неровному стеклу. Стекло — это массивные скопления галактик, а фонарик — древний свет, рождённый вскоре после Большого взрыва. Проходя мимо таких скоплений, свет не просто огибает их, как вода камень. Его траектория слегка смещается вбок, и величина сдвига зависит от того, как свет «закручен» — вправо или влево.

Наша Вселенная ведёт себя как натянутая эластичная плёнка: массивные тела продавливают её, создавая искривление пространства-времени — гравитацию. В теории мира на бране добавляется скрытое измерение, и эта плёнка становится лишь поверхностью в многомерном пространстве.

Вселенная говорит на двух фундаментальных языках — гравитации и света. В обычных условиях они не смешиваются: гравитационные волны скользят сквозь материю, не оставляя следа, а фотоны пляшут в зеркальных лабиринтах.

Поставьте на стол два одинаковых будильника и запустите их одновременно. Если один из них окажется на скользкой поверхности и начнёт медленно сползать, его ход собьётся — и через минуту они зазвенят вразнобой. Примерно так работает новый метод, предложенный астрофизиками для сверхмассивных чёрных дыр.

Представьте натянутый батут: положите на него тяжёлый шар — ткань прогнётся. Примерно так массивные объекты искривляют само пространство-время. Гравитационные волны — это рябь, расходящаяся от таких катастроф, как слияние чёрных дыр.

Жонглёр подбрасывает булавы, сидя на вращающемся стуле. Если он начнёт крутить булавы все в одну сторону, стул поедет в противоположную — иначе нарушится закон сохранения вращения. Примерно так устроен эффект Эйнштейна — де Хааза: в куске железа магнитное поле выстраивает микроскопические магнитики-спины, и весь кусок чуть поворачивается.

В центре огромной воронки, засасывающей всё вокруг, по спирали падает маленький шарик. Пока он кружится, рождается низкий гул — это дрожит само пространство, и такую дрожь мы называем гравитационными волнами. Частота их растёт, тон повышается — совсем как звук сирены проносящейся мимо машины.

Вода, уходящая в слив, закручивается в воронку. Обычное дело на кухне. Но именно такая воронка оказалась способна повторить два эффекта, которые физики обычно связывают с чёрными дырами и вращением планет. Первый эффект — сдвиг волны при обходе препятствия.

Согласно общей теории относительности Эйнштейна, массивные объекты вызывают искривление пространства-времени — подобно тому, как тяжёлый шар прогибает натянутую резиновую плёнку. При ускоренном движении таких объектов рождается рябь — гравитационные волны, расходящиеся, словно круги от брошенного в пруд камня.

Планету-одиночку KMT-2024-BLG-0816, одну из множества свободно плавающих планет — то есть тел планетной массы, не привязанных гравитацией ни к одной звезде, — обнаружили благодаря эффекту гравитационного микролинзирования.

В холодной тьме межзвёздного пространства дрейфуют миллионы планет-изгоев — миров, не связанных гравитацией ни с одной звездой. Обнаружить их напрямую почти невозможно: они не излучают собственного света и не подсвечены родительским солнцем.

Чёрная дыра не просто поглощает материю — она, подобно гигантскому космическому водовороту, искривляет саму ткань пространства-времени, заставляя лучи света огибать себя и собираясь в фокус.

Согласно теории Эйнштейна, вращение Земли увлекает за собой само пространство-время — этот эффект известен как увлечение инерциальных систем отсчёта, или эффект Лензе — Тирринга. Представьте: массивное тело, словно ложка в густом мёде, закручивает вокруг себя ткань пространства-времени.

Электрон, скользящий по невидимым холмам и впадинам, которые создаёт спиновая текстура, — так выглядит новая глава в физике конденсированного состояния. В квантовых материалах с плавно меняющимся направлением локализованных спинов (спиновая текстура) электрон перестаёт быть просто частицей, летящей сквозь решётку.