Полная гравиволна

Нобелевскую премию 2017 года по физике присудили трем американским ученым, которые не только создавали и совершенствовали гравитационные антенны на базе лазерных интерферометров, но и при помощи сотен специалистов со всего света сумели достичь на них такой точности, что прибор зафиксировал ничтожнейшую рябь пространства-времени от ужасных событий, к счастью происходящих на огромных расстояниях от Земли: энергия зафиксированных гравиволн в местах рождения чудовищна, она равной той, что получается от мгновенной аннигиляции нескольких масс Солнца

Изображение: ligo.caltech.edu

Путь к интерферометру

История ловли гравитационных волн, ряби пространства-времени, возникающей при движении массивных тел с переменным ускорением, начинается в 60-х годах XX века. Именно тогда американский физик Джозеф Вебер из Мэрилендского университета создал первую гравитационную антенну — алюминиевый цилиндр метровой длины и весом в полторы тонны, обклеенный тензодатчиками (см. «Химию и жизнь» 1972 №11). Предполагалось, что при прохождении гравитационной волны цилиндр испытает деформацию, а датчики смогут ее зафиксировать. Поскольку деформация чрезвычайно мала, у нее может быть множество причин. Для выявления из шума полезного сигнала Вебер поставил две антенны на расстоянии в тысячу километров и стал искать только синхронные всплески деформаций. И нашел! Поначалу, а опыты проходили с 1965-го по 1969-й, наблюдалось по нескольку одновременных (с разницей не более десятых долей секунды) событий на обеих антеннах в неделю, затем по мере совершенствования оборудования частота увеличилась до одного-двух событий в день. Анализ показал, что очевидные глобальные причины вроде землетрясений или воздействия линий электропередач можно отмести. Из расчета же вероятностей следовало, что число таких совпадающих событий слишком велико, чтобы счесть совпадения случайными.

Поскольку цилиндры обладают одной длинной осью, можно было задуматься о направлении на источник сигналов: чем ближе оно к ориентации осей цилиндров, тем больше должен быть сигнал, поскольку деформация пропорциональна длине пути волны внутри вещества. Это направление удалось определить: центр Галактики.

Казалось бы, Вебер уже может открывать шампанское в предвкушении Нобелевской премии. И действительно, его работа успешно развивалась, одну антенну даже забросили на Луну во время экспедиции «Апполона-17». Но тут вмешались скептики.

Теоретики посчитали, сколько звезд должно было взорваться в Галактике, чтобы обеспечить измеренную Вебером частоту событий. Оказалось, что гораздо больше, чем их есть сейчас, — при такой частоте все звезды должны были повзрываться всего за один миллиард лет. Более жесткие критики указывали, что для объяснений опытов Вебера вся энергия Вселенной должна обратиться в гравитационные волны за считаные сотни миллионов лет. Коллеги-экспериментаторы добавили скепсиса: поставив аналогичные цилиндры, они стали смотреть на происходящие события. Например, такой опыт был поставлен в лаборатории В.Б. Брагинского в МГУ имени М.В. Ломоносова (см. «Химию и жизнь» 1974 №9). Результат разочаровал. Действительно, фиксировали всплески деформации, которые нельзя было объяснить флуктуациям температуры, попадались среди них и парные события, разделенные промежутком времени не более полусекунды. Однако форма таких парных сигналов была слишком несходной, чтобы считать их происходящими от одной причины, да и частота событий не выходила за рамки статистической погрешности. Так к середине 70-х открытие Вебера было закрыто, хотя объяснить природу парности сигналов и причину, по которой они шли как будто из центра Галактики, никто не смог или не стал: раз уж теория вероятности говорит, что сигнала нет, так и объяснять нечего. Вебер, впрочем, с критиками не согласился и до конца жизни считал, что полученные им данные не были артефактами. Коллеги, что бывает нечасто в таких случаях, отмечают заслуги Вебера в деле создания гравитационных антенн: не будь его, еще неизвестно, дали бы финансовые органы денег на развитие таких исследований.

Из опытов Вебера физикам стало ясно, что простой болванкой тут не обойтись и надо строить более сложную систему, благо к тому времени были открыты лазеры. В 1962 году советские физики М.Е. Герценштейн и В.И. Пустовойт придумали схему с их применением, которая сейчас работает во всех антеннах мира; чувствительность таких антенн в сто тысяч раз выше, чем в опытах Вебера. Помимо LIGO, есть еще две — GEO в Германии и VIRGO в Италии.

В схеме Герценштейна—Пустовойта луч лазера разделяется на два, которые расходятся в двух перпендикулярных направлениях (рис. 1). В конце пути каждый из них отражается от зеркала и возвращается назад. Встречаясь, лучи дают интерференционную картинку, которая зависит от длин путей, проходимых лучами. Если длина изменяется, меняется картинка, и можно рассчитать, как эти пути изменились. Задача охотника на гравитационные волны — вычленить из невнятного шума, который порождается множеством причин, полезный сигнал, связанный с изменениями расстояний из-за гравитационной волны.

Первую такую антенну построил все тот же Вебер со своим аспирантом, однако никаких результатов не получил и сосредоточился на опытах с алюминиевыми цилиндрами. А вот Райнер Вайс проявил упорство. В 1967 году он собрал антенну метрового размера (работы финансировал Массачусетский технологический институт) и убедился, что с ее помощью можно достичь высокой чувствительности. К 1972 году ему стало ясно, что нужен прибор километрового размера, и в 1974-м он подал заявку в Национальный научный фонд США с просьбой профинансировать создание пока девятиметрового прототипа.

Тем временем аналогичные работы начались в шотландском Глазго и немецком Гарчинге, где исследователи шли по тому же пути: метровый интерферометр, десятиметровый и многосотметровый (сейчас у антенны GEO длина плеч 600 метров, и она время от времени участвует в совместных сеансах наблюдения с другими антеннами). Подключился и Калифорнийский технологический институт при идейном руководстве Кипа Торна. В начале 80-х и Вайс и Торн получили деньги на десятиметровые антенны, а Вайсу выделили финансирование на разработку проекта километровой антенны. К 1983 году проект, предусматривающий строительство интерферометра с плечами по пять километров, был закончен, и в 1984 году, после объединения обеих американских групп, началась реализация проекта LIGO, правда, меньших размеров — с плечами по четыре километра. Он предусматривал строительство двух интерферометров на расстоянии в 3000 километров. Бэрриш, ставший в 1994 году директором проекта, разбил его на этапы с постепенным приближением к той чувствительности, которая необходима для фиксации гравитационных волн, — должно было регистрироваться изменение длины пути луча лазера на 10^-22 долю. Как указывают в своих пресс-релизах исследователи, это все равно что измерить размер апельсина с точностью до размера атома. Но главное — Бэрриш принес в проект дух международного сотрудничества, присущий ядерной физике, и вскоре проект LIGO перестал быть американским: в нем объединили усилия ведущие специалисты многих стран. В частности, физики из группы Брагинского создали зеркала и подвесы для них с чрезвычайно высокими характеристиками; например, время затухания колебаний зеркал с такими подвесами исчисляется годами.

В сентябре 2015 года, после очередной модификации, когда чувствительность антенны стала всего в 2,5 раза хуже расчетной, и была зафиксирована первая гравитационная волна от слияния черных дыр (см. «Химию и жизнь» 2016 №3) С тех пор по сентябрь 2017 года наблюдалось еще четыре таких же события плюс одно кандидатное. Поскольку работают антенны сеансами с многомесячными перерывами, получается одно событие за два месяца наблюдений. По достижении расчетной чувствительности их число должно возрасти до двух десятков в год.

1. Слева — алюминиевый детектор Вебера. Справа — схема интерферометра для ловили гравитационных волн. Луч из лазера 1 попадает на делитель 2 и расщепляется на два луча. Они проходят через полупрозрачные зеркала, затем долетают до непрозрачных зеркал, отражаются, возвращаются назад и в конце-концов попадают на детектор 5. Если длины их путей изменились, детектор зафиксирует изменение яркости возникающей на нем интерференционной картинки

Загадочные дыры

Первое же зафиксированное событие вызвало у физиков некоторое недоумение, которое продолжало расти по мере появления новых. Казалось бы, первыми должны фиксироваться события из окрестных галактик, ведь чем ближе объект, тем сильнее сигнал. Однако все пять событий, связанных с черными дырами, происходят очень далеко за сотни мегапарсеков от Земли. Фактически прибор фиксирует волны на пределе своей чувствительности. А ни одного ближнего события нет.

Очень странные объекты участвуют в событии. Согласно базовой теории, слияния черных дыр происходят в 40 раз реже, чем слияния нейтронных звезд. Однако с сентября 2015 по июль 2017 года ни одного слияния нейтронных звезд не случилось. И это притом что теория утверждает: в каждой галактике такое слияние происходит раз в десять тысяч лет. Поскольку в относительной близости от нас — в шаре радиусом 30 мегапарсеков — находится сто тысяч галактик, сигнал от ближних нейтронных звезд должен приходить раз в месяц. А получаем мы сигнал от дальних черных дыр раз в два месяца.

Другая странность — размер сливающихся черных дыр. В четырех событиях из пяти их масса в десятки раз превышает солнечную, то есть масса породившей такие дыры звезды должна быть еще больше, превышать солнечную в сотню раз. Астрономам же известно, что самые тяжелые звезды — голубые гиганты вроде Веги или Альтаира — имеют массу всего в несколько десятков масс Солнца. И при этом встречаются они крайне редко, их доля от общего числа звезд — всего три стотысячных процента. Эволюция таких звезд довольно сложна, и если она приводит к появлению черной дыры, то ее масса насчитывает лишь несколько солнечных. Получается, что достаточно массивных звезд для образования дыр массой в три десятка солнечных астрономы не знают. Более того, в числе наблюдаемых кандидатов на черные дыры (а их обнаруживают по рентгеновскому свечению от падающего вещества) столь тяжелых объектов почти нет (рис. 2). А чтобы произошло слияние, их должно быть достаточно много, ведь нужны не просто тяжелые черные дыры, а такие, которые волею судеб встретились в безграничном пространстве и образовали пару. Возникают гипотезы, что это либо первичные черные дыры, возникшие на заре Вселенной, либо звездные, но уже прошедшие немалую эволюцию, претерпевшие неоднократные слияния.

2. Гравитационные детекторы зафиксировали два типа событий — от черных дыр, которые, как правило, тяжелее, чем известные астрономам, и от нейтронных звезд, которые вполне обычны.

Третья странность — отсутствие подобных событий в ближних к нам галактиках. Казалось бы, оттуда можно получить сигнал от слияния как «непонятных» тяжелых, так и тех легких черных дыр, что хорошо известны из теории эволюции звезд. При этом число последних должно быть больше, чем экзотических останков неизвестных звезд или реликтов Большого взрыва. Мощность таких ближних сигналов должна быть больше дальних, доступна для фиксации антенны. Но нет этих сигналов, как нет и сигналов от ближних событий, аналогичных тем, что уже зафиксированы: такие сигналы из-за своей высокой мощности могли быть хорошо заметны даже до последней модернизации антенн.

Поэтому в среде гравитационщиков уже возникли подозрения, что такие объекты распределены по Вселенной неоднородно. В общем-то основания для подобных соображений есть. Если посмотреть на карту Вселенной (см. «Химию и жизнь» 2006 № 8, рис. 3), то можно увидеть, что на расстоянии 200—800 мегапарсеков от нас расположена границы крупномасштабной структуры Вселенной — так называемые Великие стен, то есть конгломераты огромных космических объектов — галактик и их скоплений, собранные в относительно тонкой области пространства, которая, подобно стенке мыльного пузыря окружает относительно пустую область. В общем-то вполне возможно, что концентрация черных дыр там намного больше, чем в окружающем нас скоплении галактик. Да и видим мы относительно молодой мир — фиксируемые катастрофы случились полтора миллиарда лет назад.

3. Фрагмент карты Вселенной, на которой видны крупномасштабные структуры, удаленные от нас более, чем на полтора миллиарда световых лет. Расстояние указано в логарифмическом масштабе.

Как бы то ни было, уже благодаря первым наблюдениям зарождающейся гравитационной астрономии перед исследователями возникла интересная задача: им нужно придумать новый класс черных дыр и ломать головы над их природой. Вопрос же о многократном расхождении числа слияний черных дыр и нейтронных звезд повис в воздухе. Скептики начали даже рассуждать: а может быть, что-то неладно в теории — то ли мироздания, то ли гравитационной антенны.

Нейтронное событие

И вот в августе 2017 года, за три месяца до объявления Нобелевской премии, долгожданное событие случилось — антенны LIGO, как по заказу, зафиксировали слияние двух нейтронных звезд. Таким образом, комплект возможных для наблюдения гравитационных волн стал полным. Причем, о чудо, это событие зафиксировала и антенна VIRGO, которая только-только начала проводить наблюдения после модернизации. Итальянцы, видимо, сэкономили и сделали ее с плечами по три километра, поэтому чувствительность антенны меньше. Однако опытным программистам удалось из ее зашумленных данных вытащить информацию о событии. Успех, который невозможно переоценить: ведь имея три значения времени прихода волны в разных точках Земли, можно провести триангуляцию и определить направление на источник. Это было сделано в тот же день, и результат немедленно направили во все обсерватории Южного полушария — именно оттуда шел сигнал. Кроме того, данные отправились и на орбитальные гамма-телескопы «Ферми» и «Интеграл». Оптические наземные телескопы, расположенные главным образом в Чили, к сожалению, сумели приступить к наблюдениям лишь с десятичасовой задержкой: событие случилось утром, и надо было ждать, пока зайдет Солнце.

Это событие, в отличие от предыдущих, особых загадок не принесло. Наоборот, оно стало прекрасной иллюстрацией справедливости теории. Нейтронные звезды оказались, как и положено, с массами, близкими к массе Солнца. Находились они, как и рассчитывали физики, фактически в соседней галактике — на расстоянии 40 мегапарсеков от Земли. Непонятно, однако, почему получилось лишь одно событие за два года, а не двадцать с лишним. Видимо, в этой части теорию мироздания придется переделывать.

Интересно посмотреть на энергию волны: она в сто раз меньше, чем от слияния тяжелых черных дыр. Поскольку энергия обратно пропорциональна квадрату расстояния, нетрудно посчитать, что сила этой волны на Земле такая же, как у волн от дальних событий с тяжелыми черными дырами. А если все эти события фиксируются на пороге чувствительности, значит, при нынешней чувствительности антенн более далекие события, с нейтронными ли звездами или с легкими черными дырами, зафиксировать не удастся.

Главное же достижение состоит в том, что впервые удалось точно найти место, где произошло событие, и проследить за разворачивающейся там катастрофой (кадр из соответствующего фильма показан на заставке к статье).

С Земли в этом месте поначалу не было видно ничего. Но вот спустя 1,7 секунды после слияния нейтронных звезд обсерватория «Ферми» увидела ярчайшую вспышку гамма-лучей. Прошло полсекунды и гамма-всплеск зафиксировала обсерватория Интеграл. Через несколько секунд последовала еще пара гамма-вспышек меньшей интенсивности. По прошествии нескольких часов возникло рентгеновское излучение, которое к вечеру сменилось ультрафиолетовым, а потом перешло в видимый диапазон. Несколько дней это свечение продолжалось, становясь все краснее и краснее. А спустя десять с лишним дней появился и радиосигнал.

Такое свечение неплохо укладывается в теорию гамма-всплесков. Вот как она описывает ход событий. При слиянии нейтронных звезд часть материала не попадает в конечный объект, но оказывается распыленной в окружающем пространстве. Прежде всего это так называемые джеты — потоки вещества, которые с огромной скоростью вылетают вдоль оси вращения системы двух звезд. Поскольку двигающиеся с ускорением заряженные частицы испускают электромагнитные волны, эти джеты должны ярко светиться. Но поначалу они вынуждены пробиваться сквозь образовавшуюся от разрушения сливающихся звезд пыль, а эту пыль, в свою очередь, гонят прочь от места катастрофы удивительные ветры, состоящие из, казалось бы, невесомых нейтрино. Но в реакциях между нуклонами нейтрино рождаются в таком огромном количестве, что придают частицам вещества гигантские скорости. Однако у частиц джетов скорости еще больше, и вот они, преодолев сопротивление облака пыли, вырываются наружу. Тогда-то и происходит первая, самая мощная гамма-вспышка. Мы смотрим на этот джет сбоку — физики рассчитали, что угол зрения лежит в пределах 20—50^о, поэтому видим события гамма-свечения достаточно долго. Если бы мы смотрели прямо на джет, то увидели бы короткий, но гораздо более мощный гамма-всплеск.

Джет летит в конус, с каждой секундой его диаметр и соответственно область свечения становятся больше. Однако его частицы теряют скорость — свечение сдвигается в красную сторону. Если бы человек мог находиться рядом с местом этой катастрофы, например на какой-нибудь планете сливающейся системы, он бы видел, как небосвод закрывает постепенно краснеющий плюмаж фейерверка космического масштаба. Хотя, скорее всего, до этого момента он бы не дожил: прошедшая сквозь него гравитационная волна разорвала бы и его, и планету на атомы.

Фейерверком от джетов дело не ограничивается: облако пыли ведь так же быстро летит прочь от места катастрофы, и в нем происходит очень интересный и важный процесс. Пыль нейтронной звезды — это не обычное межзвездное вещество. Изначально это даже не вещество, а плотнейшее облако нейтронов. Поскольку свободный нейтрон живет всего 880 секунд, а потом распадается на протон, электрон и антинейтрино, это облако быстро превращается в алхимический реактор: в нем начинается нуклеосинтез; протоны и нейтроны объединяются в ядра химических элементов. Он идет не так, как в звездах: доля нейтронов в облаке чрезвычайно велика, и при таком синтезе формируются главным образом тяжелые элементы. Именно их спектральные линии, например свинца и золота, удалось разглядеть при анализе свечения с места катастрофы. Сопровождающий рождение элементов их радиоактивный распад порождает мощное свечение расширяющегося облака. Это явление, впервые обнаруженное в 2013 году, называется «килонова», и считается, что именно таков важнейший механизм формирования тяжелых элементов во Вселенной. Благодаря гравитационным антеннам развитие килоновы впервые удалось рассмотреть в таких подробностях.

А что же черные дыры? За три дня до этого события действительно было зафиксировано очередное слияние массивных черных дыр, причем и на VIRGO тоже, то есть и здесь удалось сделать триангуляцию. И что? Ничего. Никакого свечения замечено не было. Должно ли оно быть вообще? Тут мнения астрономов расходятся. С одной стороны, обсерватория «Ферми» фиксировала гамма-всплеск, который можно связать с самым первым событием, замеченным в сентябре 2015 года: он случился спустя секунды после прихода волны и в нужной области небосвода. С другой стороны, если при слиянии нейтронных звезд возникают облака вещества, которые движутся быстро и оттого светятся, то при слиянии черных дыр никакое вещество никуда не летит. Единственный возможный источник свечения — межзвездная пыль, частицы которой, прежде всего электроны, ускоряются непосредственно гравитационной волной. Есть расчеты интенсивности такого свечения (см., например, arXiv:astro-ph/0312151v1 5 Dec 2003). Они показывают, что если черные дыры сливаются в центральных областях галактики, где концентрация межзвездной пыли велика, то, действительно, гравитационная волна может зажечь мощное свечение. А если процесс идет на окраине галактики или в межгалактическом пространстве — шанс увидеть свет от черных дыр крайне мал. Это обстоятельство — невидимость последствий слияния черных дыр — усиливает интригу: получается, что мы практически лишены возможности точно узнать, где именно происходят фиксируемые гравитационной антенной события, и можем лишь полагаться на справедливость теоретических построений и основанных на них расчетных моделях. Обнаружение слияния тяжелых черных дыр в ближайших к нам сотнях тысяч галактик позволило бы прояснить картину, но пока их нет. Что же касается слияния легких черных дыр с массой в несколько солнечных, то рассчитывать на их скорое наблюдение не стоит. Если мы видим слияние нейтронных звезд не чаще одного раза в год, а их в сорок раз больше, чем число слияний черных дыр, значит, последние случаются в возможной для наблюдений области пространства один-два раза за век. Это тот самый случай, когда хочется надеяться, что теория неверна.