тайцзи

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.

Квантовый детектор — это чувствительный маятник, подвешенный в пустоте. Если мимо проходит резкая гравитационная волна, интуиция подсказывает: маятник качнётся. Но расчёт показывает обратное: волна не раскачивает, а гасит уже существующие колебания.

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.

Когда горсть камешков падает в пруд, от каждого разбегаются круги. Если камешки разные, то и круги получатся разными: одни резкие, другие плавные. Но если смотреть на воду издалека и видеть лишь малую часть ряби, все эти отличия смазываются.

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.

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.

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 2034 году с космодрома уходит ракета с необычным грузом: два шара размером с большой глобус, каждый весом под тонну. Никаких двигателей, никакой электроники. Только зеркальная поверхность из сотен уголковых отражателей — крошечных призм, которые возвращают свет точно туда, откуда он пришёл. Это и есть будущий космический камертон.

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.

13,8 миллиардов лет назад Вселенная кружилась в вальсе. Поворот направо был запрещён. Сегодня отголоски того космического бала доходят до нас в виде едва уловимой ряби пространства-времени — гравитационных волн. Их существование предсказал Эйнштейн.

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.

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.

Космические антенны LISA и Taiji — это три спутника, которые летят за Землёй вокруг Солнца, образуя треугольник со сторонами в миллионы километров. Они измеряют, как меняется расстояние между ними, когда проходит гравитационная волна — словно рябь на пруду от брошенного камня.

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.

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.

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.

Крошечная монетка кружит вокруг тяжёлого шара для боулинга. Монетка — это небольшая чёрная дыра или нейтронная звезда, а шар — сверхмассивная чёрная дыра в центре галактики.

Когда вода замерзает в озере, лёд покрывается сетью трещин — границами между кристаллами. Похожий процесс в первые мгновения после Большого взрыва мог породить огромные структуры, напоминающие ледяные разломы.

Пульсары — это стремительно вращающиеся нейтронные звёзды, останки массивных светил, испускающие радиовспышки с регулярностью, превосходящей точность атомных часов. Их импульсы служат естественными космическими маяками.

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.

Вселенная пронизана невидимой субстанцией — сверхлёгкой тёмной материей, которая не сталкивается с обычным веществом, но может дрожать, словно туго натянутая струна.

Астрономы слушают космос подобно старому радиоприёмнику: они не ищут конкретную станцию, а вращают ручку, чтобы уловить любой необычный шум.

Вселенная иногда напоминает кастрюлю с кипящей водой. При достаточном нагреве жидкость превращается в пар — это фазовый переход. В ранней Вселенной тоже могло происходить нечто подобное: поле, заполнявшее пространство, внезапно меняло своё состояние, как вода становится газом.

Два луча света бегут по замкнутому кольцу во встречных направлениях. Согласно постулату о неизменности скорости света, в вакууме она всегда одинакова для любого наблюдателя. Когда кольцо вращается, один луч вынужден догонять смещающуюся цель — его путь удлиняется, а второй, напротив, летит навстречу приёмнику, сокращая дистанцию.

Гравитационные волны — это дрожь пространства-времени, порождаемая космическими катаклизмами: слияниями чёрных дыр и нейтронных звёзд.

Ещё в 1960-х физик Джозеф Вебер пытался поймать гравитационные волны — рябь пространства-времени, предсказанную общей теорией относительности, — с помощью алюминиевых цилиндров. Идея была проста: волна должна заставить цилиндр дрожать, словно камертон, на собственной резонансной частоте.

В огромном зале расставлена сотня камертонов. Каждый из них — это пульсар, сверхплотный остаток звезды, который вращается с бешеной скоростью и посылает радиоимпульсы точнее любых часов. Когда через зал проходит низкая звуковая волна, все камертоны начинают чуть-чуть расстраиваться одновременно.

Дрожь пространства звучит как оркестр. Гравитационные волны, пойманные детекторами LIGO и Virgo, рассказывают о столкновениях чёрных дыр. Иногда в музыке слышны фальшивые ноты — крошечные отклонения от партитуры Эйнштейна. Они могут шептать о новой физике или просто о пыли на смычках.

Три спутника разойдутся в гелиоцентрической пустоте, образовав треугольник со стороной в три миллиона километров. Это будущая обсерватория Taiji, нацеленная на миллигерцовые гравитационные волны — рябь пространства-времени от слияния сверхмассивных чёрных дыр и других грандиозных событий.

Детекторы гравитационных волн — это микрофоны, слушающие дрожь пространства. Но их собственный шум заглушает слабые сигналы. Чтобы услышать больше, физики добавляют в прибор специальный «сжатый» свет: он уменьшает квантовые помехи, как шумоподавление в наушниках.

Камертон, начав звучать, заставляет вибрировать соседние струны. Примерно так же ведёт себя облако сверхлёгких частиц (их ещё называют аксионами) вокруг быстро вращающейся чёрной дыры. Дыра, словно мотор, раскручивает частицы, и те начинают излучать гравитационные волны — дрожь самого пространства.

В наушниках, через которые слушают далёкий оркестр, время от времени что-то потрескивает. Потрескивание может быть настолько громким, что заглушит музыку или даже сольётся с ней.

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.

Детектор Taiji, который планируют запустить в космос, будет улавливать дрожь пространства от столкновений огромных чёрных дыр. Но в его данных то и дело мелькают случайные всплески — как треск в радиоприёмнике. Эти помехи, называемые глитчами, сбивают с толку программы, которые пытаются извлечь параметры чёрных дыр: их массы, расстояния, скорости вращения.

Вселенная началась не с безмолвия, а с грандиозного всплеска — первичные гравитационные волны, рябь самой ткани пространства-времени, до сих пор разносят эхо того события. Уловить это эхо астрофизики пытаются двумя взаимодополняющими методами.

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.

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.

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

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.