LIGO, Virgo, KAGRA

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.

Детекторы гравитационных волн — это, по сути, сверхчувствительные «уши» Вселенной: они улавливают дрожь пространства-времени, возникающую при столкновении чёрных дыр или нейтронных звёзд. Но даже самые совершенные «уши» слышат далеко не всё.

Бросьте в пруд два камня разной формы — круги на воде расскажут, какой из них был гладким, а какой угловатым. Так же работают гравитационные волны — рябь пространства-времени, предсказанная общей теорией относительности: когда два сверхплотных объекта сливаются, дрожь пространства-времени разносит подробности об их внутреннем устройстве.

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.

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.

Целый год LIGO, Virgo и KAGRA ловили дрожь пространства-времени. Тысячи слияний чёрных дыр и нейтронных звёзд оставляли чёткий росчерк. Но среди них прятался другой сигнал — едва слышный шёпот. Так астрономы ищут столкновения объектов легче Солнца.

Вы слушаете далёкий шёпот звёзд, а рядом кто-то постоянно двигает стул. В гравитационно-волновых телескопах эту роль играет рассеянный свет — он отражается от дрожащих поверхностей и создаёт ложные сигналы. Особенность таких помех в том, что они выглядят как повторяющиеся дуги на частотно-временной карте, словно серия арок, уходящих вдаль.

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⊙.

Калейдоскоп шумов — так можно описать поток данных, льющийся из интерферометров LIGO. Эти детекторы, созданные Райнером Вайссом, Кипом Торном и Барри Баришем, улавливают рябь пространства-времени от слияний чёрных дыр, но одновременно регистрируют всё: стрекот земных вибраций, гул электрических…

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 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.

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.

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.

С тех пор как Эйнштейн предсказал гравитационное линзирование, а гравитационные волны были впервые услышаны детекторами LIGO, физики мечтали поймать линзированное эхо — повторяющийся сигнал одного слияния, размноженный гравитацией массивного тела.

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.

В погоне за гравитационными волнами — рябью пространства-времени, оставленной чёрными дырами и нейтронными звёздами — детекторы вроде LIGO накачивают свои плечи светом ослепительной мощности.

Пара нейтронных звёзд, сплетённая гравитационным замком, чертит в пустоте невидимые круги. Сто лет назад Альберт Эйнштейн описал этот танец как волны искривлённой геометрии, но долгое время мы могли следить за ним лишь краем глаза — по лихорадочному мерцанию радиоимпульсов.

В центре многих галактик прячутся чёрные дыры — области с такой сильной гравитацией, что даже свет не может их покинуть. Вокруг них часто кружатся звёзды, и иногда одна из них — пульсар, космический маяк, посылающий строго периодичные радиоимпульсы.

Два чувствительных микрофона слушают Вселенную. Один слышит низкий гул, другой — почти ничего. Дело не в неисправности, а в том, как они повёрнуты. Гравитационно-волновые обсерватории вроде LIGO ловят не только громкие всплески от слияния чёрных дыр. Они пытаются расслышать тихий, постоянный фон — эхо далёких событий, смешанное в общий гул.

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.

Вселенная пронизана невидимой массой — тёмной материей, существование которой впервые предположил Фриц Цвикки в 1930-х годах, наблюдая за движением галактик в скоплениях.

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.

Переводчик записывает многочасовой разговор. Если он попытается удержать в голове весь диалог целиком, к концу неизбежно переврёт детали. Примерно так работают гравитационные обсерватории: они слушают «разговор» массивных тел, сближающихся по спирали.

Сверхчувствительный микрофон слушает не звук, а дрожание самого пространства. Так работают детекторы гравитационных волн — LIGO, Virgo, KAGRA. Их лазерные лучи бегают по многокилометровым тоннелям и замечают, если пространство сжимается или растягивается хотя бы на тысячную долю размера протона.

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.

Обычно сближение чёрных дыр — это постепенный процесс: они кружатся в сужающейся спирали, и этот танец порождает долгую рябь гравитационных волн — колебаний самой ткани пространства-времени.

Пространство-время — не пассивная пустота, а динамическая мембрана, способная к упругим деформациям. Когда сталкиваются нейтронные звёзды — сверхплотные объекты размером с город, где вещество сжато до ядерной плотности или чёрные дыры — области с гравитацией столь сильной, что даже свет не покидает их пределов, мембрана вздрагивает…

Астрофизика XXI века оглушает триумфами: мы поймали дрожь пространства-времени от слияния невидимых исполинов; разглядели «тень» сверхмассивного монстра в далёкой галактике; прочертили орбиты звёзд, пляшущих вокруг компактного нечто в сердце Млечного Пути. Казалось бы, вековая гипотеза обрела плоть: чёрные дыры обнаружены.

Гравитационные волны — это рябь ткани пространства-времени, подобная кругам на воде от брошенного камня. На Земле их регистрацию заглушают сейсмический шум, транспорт и океанские приливы — словно шторм бьёт по озеру, не давая заметить слабые всплески.

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.

Кастрюля с водой стоит на плите. Когда вода закипает, она скачком превращается в пар — это фазовый переход. В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная пережила нечто похожее, только менялись не жидкость и газ, а фундаментальные поля.

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.

Общая теория относительности Эйнштейна описывает, как масса искривляет пространство и время. Эти предсказания многократно проверяли в слабых полях, например, вблизи Земли, но самые суровые испытания теории скрыты у горизонта чёрных дыр — объектов, где кривизна пространства-времени достигает экстремальных значений.

Когда чёрные дыры или нейтронные звёзды сливаются, они возмущают саму ткань пространства-времени, порождая гравитационные волны — рябь, предсказанную ещё Эйнштейном в рамках общей теории относительности.

Свежий урожай гравитационных волн принёс загадку. Детекторы LIGO, Virgo и KAGRA поймали десятки сигналов от сливающихся чёрных дыр, и на графике их масс зияет провал: объектов тяжелее 45 Солнц почти нет, а те, что есть, крутятся подозрительно быстро. Кто-то говорит — звёзды-гиганты взрываются слишком «чисто», не оставляя после себя ничего.