Черные дыры и складки времени. Дерзкое наследие Эйнштейна - Кип Торн

10.8. Художественная концепция L-образной вакуумной системы и экспериментального корпуса в углу буквы «L» антенны LIGO около Хэнфорда. [Предоставлено проектом LIGO, Калифорнийский технологический институт]

Строительство такой амбициозной сети сооружений для обнаружения волн, которых никто и никогда не видел, может показаться слишком смелым. На самом деле, это не так смело, поскольку существование гравитационных волн уже было доказано в результате астрономических наблюдений, за что Джозеф Тейлор и Рассел Халс из Принстонского университета получили в 1993 г. Нобелевскую премию. Тейлор и Халс обнаружили с помощью радиотелескопа две нейтронные звезды, одна из которых является пульсаром, обращающиеся вокруг друг друга с периодом 8 часов, и с помощью исключительно тщательных радиоизмерений убедились, что звезды сближаются по спирали в точности с той скоростью (на 2,7 миллиардных частей в год), которую предсказывают законы Эйнштейна, учитывающие эффект отдачи излучаемых во Вселенную гравитационных волн. Кроме слабых толчков гравитационных волн ничто иное объяснить наблюдаемое спиральное сближение этих нейтронных звезд не может.

* * *

Как будет выглядеть гравитационно-волновая астрономия в начале XXI века? Возможен такой сценарий:

К 2007 г. в полную силу работают восемь интерферометров, каждый длиной несколько километров. Они сканируют космос в поисках всплесков гравитационных волн. Две антенны работают в Пизе, в Италии, две в Ливингстоне, в Луизиане, на юго-востоке Соединенных Штатов, две в Хэнфорде в штате Вашингтон, на северо-западе Америки, и две в Японии. Из пары интерферометров на каждом месте один является «рабочей лошадкой», инструментом, который следит за колебаниями в диапазоне от 10 до 1000 Гц, а другой, только недавно разработанный и установленный, продвинутый «специальный» интерферометр, который обнаруживает колебания в диапазоне от 1000 до 3000 Гц.

Однажды на Землю приходит пакет гравитационных волн от удаленного космического источника. Каждый гребень волны сначала толкает массы детекторов в Японии, затем проходит сквозь Землю и достигает детекторов в Вашингтоне, а затем в Луизиане и, наконец, в Италии. В течение примерно минуты гребни волны сменяются провалами и наоборот. Массы каждого детектора слегка вздрагивают, изменяя длины путей лазерных пучков и, тем самым, меняя мощность света, падающего на фотодетекторы. Сигналы с восьми фотодиодов передаются через сеть на центральный компьютер, который извещает команду ученых о том, что на Землю прибыл еще один минутный всплеск гравитационных волн, уже третий на этой неделе. Компьютер объединяет сигналы с выходов восьми фотодетекторов, вычисляя четыре вещи: наиболее вероятное положение источника всплеска на небе, границы области ошибок, в которых заключено это наиболее вероятное положение, и две волноформы, две осциллирующие кривые, аналогичные тем, которые вы получите, если будете исследовать звук симфонии с помощью осциллографа. История источников закодирована именно в этих формах (рис. 10.9).

Две формы получаются потому, что гравитационная волна имеет две поляризации. Если волна проходит вертикально через интерферометр, то одна поляризация описывает приливные силы, которые вызывают колебания в направлениях восток — запад и север — юг, а другая описывает колебания вдоль направлений северо-запад — юго-восток и северо-восток — юго-запад. Каждый детектор, в зависимости от своей ориентации чувствует некоторую комбинацию из этих двух поляризаций, а из откликов восьми детекторов компьютер воссоздает две формы волны.

Затем компьютер сравнивает полученные волноформы с теми, которые содержатся в большом каталоге, так же как наблюдатель может опознать высоко летящую птицу, сравнив ее профиль с картинками в соответствующей книге. Каталог был составлен на основании численного моделирования источников на компьютерах, а также на основе предшествующих наблюдений за гравитационными волнами от сталкивающихся и сливающихся черных дыр, нейтронных звезд, вращающихся нейтронных звезд (пульсаров) и взрывов сверхновых. Идентификация этого всплеска оказывается простой (если бы это был, например, всплеск от сверхновой, все было бы сложнее). Волноформа однозначно показывает уникальную подпись двух сливающихся черных дыр.

Волноформа имеет три участка:

• Первый участок длительностью в одну минуту (из которой показаны на рис. 10.9 только последние 0,1 секунды) представляет собой колебания деформации, с постепенно нарастающей амплитудой и частотой — это как раз та форма, которая ожидается от спирального сближения двух объектов в двойной системе. Чередование меньших и больших колебаний отражает тот факт, что орбита является не круглой, ^немного эллиптической.

• Сегмент длительностью в 0,01 секунды почти идеально соответствует недавним (в начале XXI века) результатам, полученным моделированием на суперкомпьютерах слияния двух черных дыр в одну. Согласно этим моделям пики, обозначенные буквой Я, соответствуют моментам касания и слияния горизонтов черных дыр, однако парные флуктуации, обозначенные буквой D, являются новым открытием, впервые сделанным с помощью нового специального интерферометра. Более старые рабочие лошадки не могли обнаружить эти флуктуации из-за их более высокой частоты, они не проявляются в результатах суперкомпьютерного моделирования и являются настоящим вызовом для теоретиков, требуя объяснения. Возможно, это были первые намеки на причудливые нелинейные колебания пространственно-временной кривизны сливающихся черных дыр, о которых ранее не подозревали. Теоретики, заинтригованные перспективами, возвращаются к моделированию в поисках признаков таких парных осцилляций.

Время, с Время, с

10.9. Одна из двух волноформ, вызванная слиянием двух черных дыр. Деформация, вызванная волной, отложена по вертикали в единицах 10-21; время в секундах отложено по горизонтали. Первый график показывает только последние 0,1 секунды части волноформы, соответствующей спиральному сближению звезд; предшествующая минута выглядит аналогично, с постепенным увеличением амплитуды и частоты колебаний. Второй график показывает в растянутом масштабе последние 0,01 секунды. Участки волноформы, связанные со спиральным сближением и затуханием, мы сейчас, в 1993 г., хорошо понимаем на основании решений уравнений поля Эйнштейна. Как выглядит участок, связанный со слиянием, мы пока не знаем (показанная кривая является плодом моей собственной фантазии); будущее моделирование на суперкомпьютерах должно позволить рассчитать и это. В тексте предполагается, что это моделирование успешно сделано в начале XXI века

• Третий сегмент длительностью 0,03 секунды (на рис. 10.9 показано только его начало) состоит из колебаний постоянной частоты с постепенно уменьшающейся амплитудой, точно таких, которые ожидаются от пульсаций деформированной черной дыры, пытающейся стряхнуть все свои деформации. Такую же форму имеют затухающие колебания звучащего колокола. Деформации представляют собой два выступа, как у гантели, вращающихся вокруг экватора черной дыры и постепенно исчезающие в процессе того, как рябь кривизны уносит их энергию (рис. 10.2 вверху).

И компьютерного анализа деталей волноформ не только восстанавливается история спирального сближения, слияния и затухания, но и определяются массы и скорости обращения исходных и конечной черных дыр. Каждая из исходных черных дыр имела массу в 25 солнечных и медленно вращалась. Конечная черная дыра имеет массу в 46 солнечных и вращается со скоростью, составляющей 78 процентов от максимальной. Энергия недостающих 4 солнечных масс (2 х 25–46 = 4) была преобразована в рябь кривизны и унесена гравитационными волнами. Полная площадь поверхности исходных черных дыр была равна 136000 квадратных километров. Полная площадь поверхности конечной дыры больше, как это требует второй закон механики, черных дыр (глава 12) и составляет 144000 квадратных километров. Волноформы также позволяют определить, что расстояние черной дыры от Земли составляет 1 миллиард световых лет с точностью около 20 процентов. Волноформы также говорят нам, что мы на Земле находимся почти перпендикулярно плоскости исходных орбит и смотрим теперь на северный полюс вращающейся черной дыры, и показывают, что эксцентриситет (вытянутость) исходных орбит составляла 30 процентов.

Из времени прихода гребней волны на детекторы в Японии, Вашингтоне, Луизиане и Италии компьютер определяет положение черной дыры на небе. Поскольку Япония почувствовала колебания первой, дыра находилась в это время примерно над Японией и под ногами Америки и Европы. Детальный анализ времен прихода позволяет определить наиболее вероятное положение черной дыры с погрешностью около 1º. Если бы дыра была меньше, ее колебания были бы чаще, и это позволило бы определить ее положение точнее, но для таких массивных черных дыр 1º — это все, что может дать сеть антенн. В следующие десятилетия, когда интерферометрические детекторы будут работать на Луне, погрешность по одному из измерений будет уменьшена в 100 раз.