Помоги проекту - поделись книгой:
Миллисекундные радиопульсары полезны тем, что для них можно очень точно измерять массы нейтронных звезд. И астрономы этим активно пользуются. Самые тяжелые объекты, обуздывающие фантазию теоретиков, занимающихся уравнением состояния, – как раз двойные миллисекундные пульсары. У некоторых из них масса даже немного превышает две солнечных. Неудивительно, что их партнерами чаще всего являются белые карлики. В таких системах вторая звезда успела проэволюционировать до конца. Соответственно, она успела передать много своей массы соседке – нейтронной звезде. То есть, скорее всего, самые тяжелые из известных нейтронных звезд не были такими от рождения.
Есть и радиопульсары в паре со второй нейтронной звездой. Таких двойных известно менее десятка. Изначально в такой системе должно было быть две массивные звезды. И она должна была пережить два взрыва. А чтобы мы с большей вероятностью открыли пульсар, он должен долго жить, т. е. быть миллисекундным, раскрученным.
Системы из двух компактных звезд помогают изучать теорию гравитации, так как пульсар – это очень точные часы, а вторая нейтронная звезда создает мощное гравитационное поле, в котором вынуждены работать и посылать нам сигналы эти часы. За открытие и исследование первой подобной системы, в результате которых были получены косвенные доказательства существования гравитационных волн, Расселу Халсу и Джозефу Тейлору в 1993 году была вручена Нобелевская премия по физике.
В начале этого века был открыт еще более удивительный объект: дважды двойной радиопульсар PSR J0737–3039. Это сделали Марта Бурге и ее соавторы. В этой системе обе нейтронные звезды наблюдались как радиопульсары (более старая – как миллисекундный, а более молодая – как обычный). Сейчас молодой пульсар не виден, так как его луч перестал попадать на Землю из-за прецессии. Но в будущем мы опять сможем наблюдать сразу два пульсара в двойной. Это очень тесная система (соответственно, слияние произойдет довольно скоро, по астрономическим меркам). Буквально за считаные месяцы удалось увидеть несколько релятивистских эффектов, которые в других системах удается увидеть только после нескольких лет (или даже десятилетий) наблюдений. Кроме того, в этой системе удалось получить фантастически точные измерения масс обеих нейтронных звезд. Вдобавок эта система очень близкая – около 600 парсек от Солнца. Значит, по всей видимости, такие пары – не редкость. Такой вывод крайне важен для оценки числа событий слияния пар нейтронных звезд, которые планируется наблюдать на установках VIRGO и LIGO. Обнаружение Мартой Бурге близкого тесного дважды двойного пульсара подтвердило оптимистичные оценки числа слияний, которые ранее делали теоретики на основе расчета эволюции популяций двойных звезд (так называемые метод популяционного синтеза). Отметим, что у нас в стране в этой области исследований работали и работают две очень сильные научные группы: в ИНАСАНе (Александр Тутуков и Лев Юнгельсон) и в ГАИШ (Владимир Липунов, Константин Постнов и др.).
Фотография Марты Бурге, открывшей дважды двойной пульсар. Снимок любезно предоставлен Джоном Саркисяном (John Sarkissian).
Судьба тесных систем из двух нейтронных звезд предсказана Общей теорией относительности. За счет испускания гравитационных волн звезды будут терять орбитальный момент и наконец сольются. Когда два массивных компактных объекта почти со скоростью света упадут друг на друга, выделится огромное количество энергии в самой разной форме. Мы будем обсуждать это явление в отдельном параграфе.
Астрономы надеются открыть еще более редкого «зверя»: пульсар в паре с черной дырой. Они встречаются редко – один на несколько тысяч обычных радиопульсаров (а их сейчас известно около 2000). И уж коли пока не повезло – ни одна такая система не открыта, то надо просто строить очень крупный инструмент, который откроет тысячи новых радиопульсаров. Первым таким прибором станет китайский радиотелескоп с огромной чашей в качестве антенны. Этот инструмент будет похож на знаменитый радиотелескоп в Аресибо. Он должен как минимум удвоить число известных к тому времени радиопульсаров. С высокой вероятностью среди новых будет и пара из радиопульсара и черной дыры, хотя бы одна. Потенциально это тоже может привести к Нобелевской премии. Если же и им не повезет, то через несколько лет в строй войдет система телескопов SKA (Square Kilometer Array). Одна из ее задач – увидеть все радиопульсары в Галактике, которые вообще светят в нашу сторону. От SKA будет не скрыться.
Один из обсуждаемых вариантов системы радиотелескопов SKA. Часть гигантской установки будет находиться в Австралии, часть – в Южной Африке.
Таким образом, двойные системы порождают, может быть, самые интересные объекты во Вселенной, самые мощные взрывы, самые удивительные типы нейтронных звезд и, может быть, имеют отношение к необычным типам черных дыр. Много нового об этих чудесах мы надеемся узнать благодаря регистрации гравитационных волн.
VII. Гравитационные волны
Теория гравитации и геометрия
Рассказ о гравитационных волнах начнем с черных дыр. Идея черных дыр родилась более двух столетий назад. Джон Мичелл и Пьер Симон Лаплас задумались: что будет, если взять обычные ньютоновские законы и рассмотреть увеличение второй космической скорости – т. е. той величины, которую надо единомоментно сообщить какому-нибудь шарику, мячику, камушку, чтобы он улетел, например, с Земли и больше не возвращался? Такая скорость вычисляется по довольно простой формуле
Мы берем эту формулу и видим, что можем, например, или, сохраняя радиус того объекта, с которого запускаем тело, увеличивать его массу – и тогда будет расти критическая скорость «полного улета». Или, наоборот, сохраняя массу, сжимать этот объект, с которого все улетает, – и снова скорость будет возрастать. В конце концов, мы дойдем до скорости света. То есть Мичелл и Лаплас высказали простую, но важную мысль, что согласно этой формуле можно сделать такой объект – или очень тяжелый, или очень компактный, маленький, – что скорость убегания от него будет равна скорости света.
Некий ренессанс идеи, или черные дыры в современном понимании, возник уже в рамках Общей теории относительности. Там картинка немножко иная, и нам в дальнейшем понадобится то, что Общая теория относительности – геометрическая теория гравитации[12]. В этой теории массивные тела искажают пространство-время вокруг себя. Обычно искажение пространства иллюстрируют следующим довольно простым способом. Представьте себе эластичную (например, резиновую) плоскость. Вы кладете на нее разные предметы – чем тяжелее предмет, тем больше прогнется поверхность и, соответственно, возникнет ямка, а прочие объекты будут туда «притягиваться». Вы запускаете на плоскость катиться какие-нибудь другие шарики, и они в эту ямку скатываются. Это хороший образ, и примерно так все и работает: тела притягиваются друг к другу из-за того, что они исказили пространство вокруг себя.
Продолжим эту аналогию. На плоскость можно положить столь тяжелый и компактный предмет (важно помнить, что у нас работает комбинация массы и радиуса: тяжелый, но большой предмет продавит очень большую по радиусу, но неглубокую ямку с малой кривизной стенок, т. е. относительно слабо исказит поверхность, а маленький шарик с очень высокой плотностью – деформирует заметно), что в том месте, где он лежит, плоскость продавится настолько сильно, что возникнет область пространства, которая как бы «окукливается», и из нее наружу ничего выходить не будет. Вот это, если не вдаваться в детали, и есть аналог черной дыры в Общей теории относительности. У нас возникла специфическая область пространства. С точки зрения внешнего наблюдателя, это почти что дыра в плоскости, границы которой четко определены. Внутрь можно попасть, но выбраться оттуда – нельзя. Если в такую дыру попадают объекты, то дыра растет.
Типичная иллюстрация черной дыры в геометрической модели гравитации. Черная дыра очень сильно искривляет пространство вокруг себя. В результате вещество может попасть в «воронку», и не сможет выбраться наружу.
Как настоящая черная дыра устроена внутри – большой и сложный вопрос. Теория позволяет построить довольно экзотические решения для поведения частиц, попавших под горизонт (в некоторых моделях даже собственно горизонт не возникает!). Например, можно избежать попадания некоторых частиц в центральную сингулярность. Но если вы никаких хитростей не добавляете, все действительно должно сваливаться в самый центр. А там мы уже не знаем, что происходит, так как формально многие параметры достигают бесконечных значений, и это говорит о том, что наши физические законы перестают в этой области работать. И здесь возникает проблема: а есть ли вообще черные дыры? С одной стороны, их предсказывает Общая теория относительности – стандартная, на сегодняшний день, теория гравитации. С другой стороны, исследователи понимают, что это не окончательная теория. Она обладает рядом хороших свойств и тщательно проверена там, где это возможно. Но наши экспериментальные и наблюдательные возможности ограничены. И черные дыры как раз являют собой прекрасный пример ограничений, поставленных самой природой. Нам нужна более совершенная теория, в которую Общая теория относительности войдет как часть. Теоретики работают над этим. Но одной теории мало. Надо иметь наблюдательные данные о том, что происходит в очень сильных гравитационных полях. Прямое доказательство существования черных дыр очень помогло бы, но как их открыть? Если это дыры и они черные, то что там вообще можно увидеть?
Единственный, сразу приходящий в голову ответ – это излучение Хокинга. Теория, предложенная Стивеном Хокингом в 1975 году, говорит нам, что черные дыры должны потихоньку испаряться. Однако это очень медленный процесс для реальных астрофизических черных дыр с массами, как у звезд, или для сверхмассивных черных дыр. В реальной ситуации их массы только растут из-за поглощения вещества и излучения, а эффектом испарения можно пренебречь. Только для гипотетических первичных черных дыр малых масс, возникших на заре жизни Вселенной (с начальной массой, скажем, как у астероида, размер дыры при этом будет как у элементарной частицы), испарение может играть важную роль в наши дни.
Обычно хокинговский процесс испарения черных дыр иллюстрируют следующим образом. В вакууме постоянно рождаются пары так называемых виртуальных частиц. Это ничему не противоречит. Здесь уместна аналогия. Вы как бы на короткое время берете взаймы энергию, рождаете пару частиц, а потом они аннигилируют – и все возвращается обратно. Представьте себе такую полукриминальную ситуацию. Вы работаете в банке. Вы периодически берете деньги из кассы, оставляя долговую расписку, и всегда назавтра возвращаете. Ничего страшного не произошло, никто ничего не знает – вы взяли на короткое время и вернули. А теперь представьте, что вернуть деньги не удается. То есть, например, случился какой-то кризис: вы взяли деньги, а вернуть уже ничего не можете. Значит, банк потерял деньги. Для внешнего наблюдателя это выглядит как уменьшение активов банка – его испарение. Ведь из банка деньги утекли, хотя у банка и прибавилось долговых расписок. Вернемся к черным дырам. Пусть вблизи горизонта черной дыры возникла пара частиц, и при этом одна упала в дыру, а другая улетела. Наблюдатель видит, что от черной дыры к нему летят частицы. Единственный источник энергии, для того чтобы получить эти частицы, – масса черной дыры. Таким образом, для внешнего наблюдателя масса начинает уменьшаться.
Это хорошая иллюстрация, но она не отражает некоторых важных аспектов хокинговского испарения. Ключевым моментом оригинальной модели является нестационарность горизонта черной дыры, он не должен стоять на одном месте. Тем, кто хочет детальнее разобраться в этом, можно порекомендовать брошюру Эмиля Ахмедова «О рождении и смерти черных дыр» (из-во МЦНМО, 2015). Здесь же попробуем дать очень краткое описание, основанное на аналогиях.
Известно очень красивое явление, называемое эффектом Казимира. Вакуум заполнен не только виртуальными частицами, но и электромагнитными волнами. Если мы поставим параллельно друг другу две проводящие пластины, то они экранируют внутреннюю область от электромагнитных волн. В ней могут существовать только волны с длиной меньшей, чем расстояние между пластинами. То есть плотность энергии виртуальных волн между пластинами меньше, чем снаружи. Поэтому возникнет сила, стремящаяся сдвинуть пластины. Наоборот, если мы начнем двигать эти пластины, то это приведет к излучению волн: из виртуальных они будут становиться реальными. Похоже на хлопанье в ладоши.
Теперь посмотрим на черную дыру с нестационарным горизонтом. Горизонт делит пространство на две очень непохожие части: снаружи можно попасть внутрь, но обратно – никак. Двигающийся горизонт позволяет сделать эдакий «хлопок одной ладонью». Это настолько необычная поверхность, что ее движение будет «выдирать» из вакуума волны и частицы, делая их реальными. Но на это нужна энергия, и браться она будет из массы черной дыры.
Испарение черной дыры – квантовый процесс. Для него очень важно, насколько горизонт искривлен. У большой черной дыры и размер велик. Поэтому кривизна горизонта мала, и эффект мал. (Вспомним, что наши далекие предки, живя на Земле с радиусом примерно 6400 км, не замечали ее кривизны. Будь радиус планеты раз в 10 меньше, они бы не заблуждались.) Поэтому, пока дыра имеет большую массу, она испаряется медленно. По мере уменьшения массы темп все возрастает и возрастает, и заканчивается все взрывом.
Однако пока наблюдать испарение черных дыр не получается. Вернемся к реалиям астрофизической жизни и вспомним, какие черные дыры мы знаем. Во-первых, есть черные дыры звездных масс. Живет большая массивная звезда. Она пережигает в своих недрах водород в гелий, гелий в углерод и кислород… Наконец доходит до элементов группы железа. Дальше горение идти не может, и ядро схлопывается. Если это схлопывание ничем не остановить, то образуется черная дыра. Типичная масса такого объекта раз в десять больше солнечной. Это достаточно массивная черная дыра, она испаряется очень медленно. Кроме того, вокруг постоянно летает какой-нибудь мусор, а вдобавок есть реликтовое излучение (чья температура, составляющая сейчас 2,7 градуса Кельвина, превышает температуру массивных черных дыр), и это все попадает в черную дыру. Поэтому ее масса все-таки в среднем растет, а испарение ничтожно мало.
Еще есть сверхмассивные черные дыры в центрах галактик. Существует два основных сценария их образования. То ли большие облака газа сразу схлопывались в дыры, а потом они росли. То ли первые звезды давали большие – по 100–200 масс Солнца – черные дыры, которые тоже потом росли, поглощая вещество. Для нас сейчас существенно, что эти дыры испаряются медленно, еще медленнее звездных, потому что температура черной дыры тем меньше, чем больше ее масса. Значит, увидеть их испарение тоже невозможно. Поэтому, вообще говоря, увидеть черную дыру тяжело.
Уверены ли астрофизики в существовании черных дыр? Есть простой практический ответ: Нобелевскую премию за открытие черных дыр пока никто не получил. Значит, нет окончательного подтверждения. В то же время, хотя и нет полной уверенности, почти все астрономы готовы биться об заклад, что они существуют. (Здесь важно уточнить, что мы говорим необязательно о черных дырах Общей теории относительности, а о более общем классе сколлапсировавших объектов, у которых нет поверхности и которым нельзя приписать какое-то обычное уравнение состояния.)
Мы не наблюдаем процессов, присущих исключительно черным дырам, потому что все время видим лишь что-то в их окрестности. Строго говоря, следовало бы говорить лишь о кандидатах в черные дыры, потому что пока можно изучать только поведение вещества вокруг них. Например, можно регистрировать излучение аккреционных дисков. Таким структурам посвящена самая известная, самая цитируемая статья, когда-либо написанная в нашей стране, – это работа Николая Шакуры и Рашида Сюняева, опубликованная в 1973 году. В ней построена модель течения вещества вокруг черных дыр. Это оказалось всем нужно, это крайне востребовано учеными, долгое время эта работа даже была самой цитируемой статьей в астрофизике во всем мире. Но, изучая только диски или движение звезд вокруг сверхмассивных черных дыр в центрах галактик, нельзя абсолютно надежно доказать, что это именно объекты с горизонтом, а не с поверхностью. Может быть, через несколько лет самым надежным источником информации о черных дырах станут гравитационные волны.
Гравитационные волны распространяются по пространству-времени, возмущая его.
Волны пространства-времени
Итак, мы описываем гравитацию с помощью геометрической теории. Обычно для иллюстрации ее свойств используют аналогию с эластичной поверхностью, о которой мы уже говорили. Пусть есть такая резиновая плоскость. Теперь представьте, что вы – бог и вы тыкаете пальцем в эту плоскость. Вы постукиваете по поверхности, и по ней бежит рябь. В некотором смысле это и есть гравитационные волны. Но палец в данном случае появляется откуда-то снаружи. Теперь вернемся в реальность. В реальности возмущение должно производить что-то на самой плоскости, какие-то реальные объекты. В принципе, если вы размахиваете руками – вы испускаете гравитационные волны, потому что руки имеют массу, так что они искажают пространство вокруг себя, вы ими двигаете, и по пространству бежит рябь. Но это очень слабый эффект. Сильный эффект достигается, если двигаются массивные и, что важно, достаточно компактные объекты, потому что нам нужно не просто тяжелое тело – нам нужно в данном месте очень сильно исказить пространство-время. И в данном случае черные дыры идеально подходят.
Однако черная дыра сама по себе достаточно симметрична, она ничего излучать не будет. Нам нужна какая-то асимметрия. К счастью, в природе происходят нужные нам несимметричные процессы. Например, было две массивные звезды. Обе поочередно взорвались как сверхновые и дали две черные дыры. И теперь они крутятся друг вокруг друга. Далее, представьте, у вас два уже шарика катаются по нашей эластичной плоскости, вращаясь вокруг общего центра масс. От них обязательно побежит рябь. Испускаются волны.
Вращаясь по своим орбитам, черные дыры испускают гравитационные волны. Они уносят энергию и момент импульса орбитального движения. Поэтому черные дыры постепенно сближаются. Гравитация так устроена, что если от системы двух тел отнять энергию, то скорость орбитального движения по мере сближения только растет. В случае черных дыр она постепенно доберется до скорости света. Значит, перед слиянием у каждой черной дыры имеется колоссальная кинетическая энергия.
Система из двух компактных объектов, которые сближаются за счет испускания гравитационных волн. Если хотя бы один из объектов является радиопульсаром, то мы можем очень точно измерить изменение параметров системы, что позволяет не только определить свойства обоих компонентов, но и проверять предсказания теорий гравитации.
Итак, мы рассматриваем экстремальный случай. Мы берем одну черную дыру и кидаем в другую. Это уникальный процесс, где столкновение происходит на скорости света, большего и представить нельзя. Вроде бы должна выделиться куча энергии, и она как бы выделяется – только в виде чего? Ведь у черных дыр нет поверхности! У нас сталкиваются не два обычных тела, а две области пространства-времени, ограниченные горизонтом. Вся огромная энергия выделяется в виде гравитационных волн. Если сливается система из двух черных дыр, то происходит очень мощный гравитационно-волновой всплеск. Такие сигналы планируют поймать на гравитационно-волновых антеннах LIGO и VIRGO. В ближайшее время это самый реалистичный способ открыть черные дыры. То есть ученые одним открытием убьют двух зайцев.
Во-первых, будет напрямую доказано существование гравитационных волн. Сейчас у нас есть лишь косвенное подтверждение. Астрономы наблюдали двойную систему, но не из двух черных дыр, а из двух нейтронных звезд. Одна из них излучает как пульсар, поэтому это как бы очень точные часы, посылающие нам регулярные сигналы, и мы видим, что система сближается, и единственный разумный механизм, который это все объясняет, как раз гравитационные волны. Данные наблюдений оказались в полном согласии с предсказаниями Общей теории относительности. За открытие и исследование двойного радиопульсара астрономы получили Нобелевскую премию по физике. Затем эти результаты были независимо проверены и подтверждены благодаря наблюдению десятка подобных систем.
Во-вторых, если мы откроем сигнал от слияния черных дыр, то мы не только напрямую зарегистрируем гравитационные волны, тем самым доказав правильность геометрического подхода к гравитации, мы еще и получим сильнейшие аргументы в пользу того, что мы правильно понимаем природу черных дыр. Две дыры сольются, образуя единую дыру, ее горизонт будет дрожать какое-то время, и от этого тоже можно зарегистрировать гравитационно-волновой сигнал. Поэтому задачи, связанные с регистрацией гравитационных волн, считаются крайне перспективными.
Слияния нейтронных звезд
Лучшим кандидатом в самые первые системы, чей гравитационно-волновой сигнал мы сможем зарегистрировать, являются сливающиеся нейтронные звезды. Они легче чёрных дыр и менее компактны, тем не менее, если слияние происходит ненамного дальше близких крупных скоплений галактик, мы рассчитываем, что сигнал смогут увидеть установки LIGO и VIRGO уже в ближайшие пару лет (затем можно будет наблюдать и более далекие всплески – вплоть до расстояний 200–250 мегапарсек).
Сливающиеся нейтронные звезды – это естественный продукт эволюции массивных двойных. Мы наблюдаем двойные радиопульсары и знаем, что многие из этих систем должны слиться за время, меньшее времени жизни Галактики. Расчеты показывают, что в галактике типа нашей слияния происходят раз в несколько десятков тысяч лет. Черные дыры сливаются друг с другом (или с нейтронными звездами) гораздо реже. Одной из первых работ, посвященных таким слияниям, была статья 1977 года Джона Кларка и Дугласа Эрдли. В ней рассматривалась судьба нейтронной звезды на последних стадиях процесса. Также важные результаты по слияниям были получены в работе Сергея Блинникова и его коллег, опубликованной в 1984 году. Сейчас процессы при слиянии компактных объектов изучают с помощью численного моделирования на самых мощных суперкомпьютерах. И все равно остаются вопросы.
Слияния нейтронных звезд – это прямо-таки золотой феномен: некоторые современные модели показывают, что большая часть золота во вселенной возникла именно в этом процессе. В том числе то золото, из которого делают нобелевские медали.
Слияния нейтронных звезд блестят и сияют во всех диапазонах. Это не только мощный источник гравитационных волн. При слиянии выделяется много энергии, вещество нагревается до гигантских температур – поэтому возникает интенсивный поток нейтрино. И конечно же, мощное электромагнитное излучение.
Сливающиеся нейтронные звезды – главный кандидат в источники коротких гамма-всплесков с длительностью порядка секунды. Почти за полвека наблюдений обнаружено много сотен таких событий, и все данные указывают, что лучшего объяснения не найти. Окончательным подтверждением должно стать одновременное обнаружение гамма-всплеска и гравитационно-волнового сигнала. Скорее всего, это произойдет в третьем десятилетии нашего века.
После слияния синтезируется много новых элементов (не только золото). Среди них есть и радиоактивные. Поэтому можно будет видеть некий аналог сверхновой – мощную вспышку, – но только с максимумом излучения в инфракрасном диапазоне спектра. Такие явления называют килоновыми. Название связано с завышенной первоначальной оценкой: ожидалось, что вспышки будут в тысячи раз ярче вспышек новых. Теперь расчеты говорят о том, что вспышки ярче новых всего лишь раз в сто (поэтому некоторые астрономы шутят, что их стоит переименовать в гектоновые), но зато сам всплеск виден дольше. Наблюдения таких вспышек в инфракрасном диапазоне спектра должны подсказать нам точные координаты всплеска (наблюдения только гравитационного излучения еще долго не будут в состоянии дать очень точные координаты, даже когда число детекторов возрастет и к двум американским и одному европейскому прибавятся установки в Индии и Японии). Тогда явление можно будет изучить гораздо лучше, наведя в эту точку астрономические спутники и крупнейшие наземные телескопы.
Наконец, если в недрах компактных объектов было кварковое вещество, то после слияния «полетят (кварковые) клочки по закоулочкам». Кварковое вещество может существовать в виде очень маленьких порций – страпелек (strangelet). То есть даже вне компактного объекта оно не теряет свои свойства. Мы надеемся, что специальные космические аппараты для изучения космических лучей (AMS-02 и подобные ему) смогут поймать страпельки. Или же наблюдения покажут, что ничего не поймали, а значит, кваркового вещества не существует. Это, кстати, тот случай, когда отрицательный результат поисков тоже важен и дает новую существенную информацию.
Как ловят гравитационные волны
Собственно, как ученые хотят это сделать? Когда гравитационная волна проходит сквозь предмет, она сжимает и растягивает его. Если у нас есть несколько предметов, то можно заметить, что меняются расстояния между ними. Скажем, если вы бросите в космосе бусы и они расположатся в виде идеальной окружности, то проходящая гравитационная волна будет периодически превращать такую окружность в эллипс и обратно. В зависимости от поляризации волны для нас это будет выглядеть как череда расширений в одном направлении и сжатий в другом. Если мы сумеем измерять расстояния между разными бусинками, то сможем заметить слабую гравитационную волну, заставляющую бусы совершать эти колебания.
Вначале ученые пытались ставить металлические (например, алюминиевые) болванки и смотреть, как они будут сжиматься-растягиваться. Для этого на них устанавливались пьезодатчики. Первым подобные опыты начал Вебер в конце 60-х годов прошлого века и продолжал их несколько десятилетий. Детекторы этого типа чувствительны в очень узкой полосе частот, соответствующей резонансу в болванке. Это не очень хорошо, так как источники могут и не излучать волны на данной узкой частоте. Например, сигнал от сливающихся нейтронных звезд будет непрерывно менять частоту (она будет расти) по мере сближения объектов и уменьшения орбитального периода.
Установки типа веберовских – это недостаточно чувствительные детекторы. Необходимо, чтобы где-то довольно близко произошел мощный всплеск гравитационных волн, например, слияние двух нейтронных звезд в близкой галактике (а еще лучше – в нашей) или совсем близкий взрыв сверхновой с большой асимметрией. Сам Вебер заявлял, что ему удалось зафиксировать сигнал, например, от сверхновой 1987 года в Большом Магеллановом облаке, но это сообщение не вызвало доверия у научного сообщества. Даже более крупные установки (например, ALLEGRO в США и NAUTILIS и AURIGA в Италии), охлаждаемые до низких температур, не дали никакого значимого результата. Поэтому сейчас используют другой подход.
Установки, на которые сейчас делается ставка, – это лазерные интерферометры большого размера. Они чувствительны в очень широкой полосе частот. Параметры установок выбирались исходя из свойств ожидаемого сигнала от слияния двух нейтронных звезд. Во многом такие приборы похожи на знаменитую установку, с помощью которой Альберт Майкельсон и Генри Морли доказали отсутствие эфира. Только современные детекторы гораздо больше.
Представьте: в вакуумном тоннеле на расстоянии нескольких километров друг от друга висят зеркала. Когда проходит гравитационная волна, они немножко смещаются друг относительно друга, и это можно заметить. Между зеркалами бегает лазерный луч, который после череды отражений попадает в детектор, где можно наблюдать интерференцию. При смещении зеркал меняется путь, который проходят лазерные лучи, а значит, меняется и интерференционная картинка. Это очень тонкий метод измерений.
Зеркала, конечно же, не находятся в покое. Они чувствуют сейсмические сигналы, чувствуют, как за десятки километров от места обсерватории проезжают тяжелые грузовики. Они дрожат просто потому, что они имеют конечную температуру, т. е. из-за тепловых флуктуаций. Наконец, даже сами фотоны в лазерном пучке «раскачивают» зеркала – о таких тонких эффектах идет речь! Но все эти воздействия можно учесть или отфильтровать[13]. И тогда… Задумайтесь, ученые рассчитывают заметить, как плечо интерферометра длиной в пару километров изменилось на 10–18 метров! Это не только намного меньше атома, но и гораздо меньше атомного ядра, но это можно измерить!
Схема гравитационно-волновой антенны. Сигнал лазера делится и направляется в два плеча интерферометра. Лазерный луч может многократно отражаться от зеркал, создавая в итоге интерференционную картинку. Изменение длины плеч интерферометра будет искажать эту картинку.
Есть надежда, что совсем скоро гравитационные волны будут обнаружены. Тем самым мы не только откроем новое окно во Вселенную, но и будут получены надежные доказательства (насколько это возможно) существования черных дыр.
А затем придет пора и «космических бус». Уже несколько десятилетий разрабатывается проект космического лазерного интерферометра. В нем расстояния между базами с лазерными установками будут исчисляться уже десятками миллионов километров. Сейчас этот проект называется eLISA. Его создает Европейское космическое агентство. Запуск пока намечен на 2034 год. Такой детектор будет чувствителен к волнам от сверхмассивных черных дыр. Они сами большие – размером порядка астрономических единиц, поэтому и детектор должен быть крупным, так как пара сверхмассивных черных дыр в ядре какой-нибудь далекой-далекой галактики испускает гравитационные волны с большой длиной волны, сопоставимой с расстоянием между дырами. Еще более продвинутые космические детекторы следующего поколения смогут, наверное, зарегистрировать и первичные космологические гравитационные волны.
У рукотворных детекторов гравитационных волн есть интересный конкурент – радиопульсары. Мы можем измерять периоды этих объектов с фантастической точностью, граничащей с ходом лучших атомных часов на Земле. Это значит, что мы можем предсказать, когда придет следующий импульс. Если ничто не помешает… Гравитационная волна – возмущает пространство-время. Поэтому сигнал от пульсара, попавший в волну, испытает задержку. И это можно заметить. Впервые эту идею разработал Михаил Сажин в 1978 году.
Благодаря существованию огромного количества двойных звезд, тесных пар сверхмассивных черных дыр, слияниям сверхмассивных черных дыр в разных далеких галактиках и т. д. пространство оказывается заполненным низкочастотными гравитационными волнами. Наблюдая несколько десятков миллисекундных пульсаров, можно находить корреляции в изменениях их периодов. А изменения эти связаны с фоном гравитационных волн. Сейчас работает три крупных проекта, объединяющих радиоастрономов разных стран, по поиску такого сигнала. До появления гигантских космических лазерных интерферометров это будет лучший источник информации по гравволнам низкой частоты.
VIII. Скорости компактных объектов
Какой русский не любит быстрой езды? Собственно, глядя на Феттеля, а раньше – на Шумахера, можно спросить: «Какой немец не любит быстрой езды?», а глядя на Алонсо – «Какой испанец не любит быстрой езды?». Все любят большие скорости. Как ни странно, и нейтронные звезды и черные дыры могут обладать очень большими скоростями. По галактическим меркам даже рекордными. Давайте вспомним, с какими скоростями объекты двигаются в Галактике.
Стремительные звезды
Типичная скорость для звезд – где-то 10, 20, 30 км/с. Это их скорость относительно ближайших соседей. Кроме того, звезды вращаются вокруг центра Галактики. Для Солнца эта скорость немногим больше 200 км/с. Но в качестве индивидуального параметра, характеризующего данный объект, важна именно скорость относительно близких звезд или, если угодно, относительно окружающего его газа в межзвездной среде. Так вот, у нейтронных звезд и черных дыр эти скорости в среднем гораздо выше. Почему?
Есть несколько способов для того, чтобы объект в космосе разогнался. Первый (самый простой) – это взаимодействие с каким-то другим телом. Тогда объект может приобрести скорость. То есть он отберет энергию у какого-то другого объекта. Взаимодействие становится более эффективным, если в нем участвует больше двух тел. Таким способом можно очень сильно ускориться. Например, недавно был открыт новый класс источников – гиперскоростные звезды. Мы уже говорили о них выше. У них скорость гигантская по звездным меркам. Это могут быть даже тысячи километров в секунду. Явный признак взаимодействия с чем-то большим и тяжелым.
Большое и тяжелое в Галактике присутствует в количестве одной штуки. Это сверхмассивная черная дыра в ее центре. Ее масса составляет примерно 4 миллиона масс Солнца. Если пара звезд подлетит очень близко к этой черной дыре и распадется под действием приливных сил, то одна из звезд может приобрести большую скорость и улететь. Это может быть и обычная звезда, и нейтронная, и черная дыра, и белый карлик. Сейчас известны десятки гиперскоростных звезд, но все они находятся на больших расстояниях от нас. Наблюдения показывают, что они в самом деле летят из центра Галактики. Все они – обычные, как правило, не очень массивные звезды. Нейтронных звезд или черных дыр, которые получили свою скорость таким способом, пока не открыли.
Существует еще один весьма экзотический механизм «творения» гиперскоростных звезд. Астрономы наблюдают интереснейшее явление приливного разрыва звезд. Если звезда подлетает слишком близко к сверхмассивной черной дыре, то она оказывается разорванной приливными силами. Образовавшийся газ «вспираливается» в черную дыру, и мы наблюдаем всплеск излучения. Но если мы говорим, что «то, что нас не убивает, делает нас сильнее», то звезды могли бы сказать «то, что нас не разрывает, делает нас быстрее». Если звезду только «ободрало» приливными силами сверхмассивной черной дыры, то она, даже будучи одиночной, может приобрести дополнительную скорость и стать, таким образом, гиперскоростной. Причем весьма необычной, так как улетает она, так сказать, «неглиже». Конечно, компактные объекты так не разгонишь.
Взаимодействие и разгон
Нейтронные звезды и черные дыры в принципе тоже могут быть гиперскоростными. То есть их может разогнать сверхмассивная черная дыра за счет разрыва двойной. Но это очень экзотический механизм. В солнечной окрестности он, конечно же, не работает. Вокруг нас, если мы посмотрим на обычные звезды, есть интересный класс объектов, которые называют убегающими звездами. Как можно догадаться, они имеют скорость больше, чем их соседи. Больше – это 70 км/с, а иногда 100 км/с. Как они приобрели такие скорости?
Есть, опять-таки, два способа. Первый мы уже обсудили – это взаимодействие с каким-то другим телом и получение дополнительной энергии. Только теперь «другое тело» – это не сверхмассивная черная дыра. Происходит коллективное взаимодействие, например, в плотной молодой звездной ассоциации, и часть звезд теряет энергию, а часть – приобретает и становится убегающими.
Второй способ связан с двойными системами. Если у нас две звезды крутятся вокруг друг друга, одна взрывается (т. е. резко становится легче, а вещество улетает из системы), то вторая звезда становится гравитационно не связанной с ней. Но у нее была какая-то орбитальная скорость, и фактически вся эта орбитальная скорость сохранится. Немножечко, правда, звезда все-таки замедлится, пока будет отлетать от своей полегчавшей соседки, но несильно. Поэтому если до распада двойной орбитальная скорость составляла 100 км/с, то после разрыва системы звезда может улететь со скоростью 70 км/с.
Распад двойной системы после взрыва сверхновой. Улетающая оболочка уносит более половины массы системы. Показано движение центра масс оболочки, нормальной звезды и компактного объекта.
Естественно, нейтронные звезды и черные дыры тоже могут приобретать скорость в таком процессе. Тем более что они и образуются в результате вспышки сверхновой. Это называют «эффектом пращи». Как камень вылетает из пращи – крутили-крутили, а потом бросили, – так и здесь: крутилась удерживаемая силой гравитации звезда или черная дыра, а потом улетела, потому что гравитация резко уменьшилась. Так можно разгонять объекты до больших скоростей – сотни километров в секунду. Особенно нейтронные звезды и черные дыры, поскольку они могут оказываться в очень тесных системах. Понять это довольно легко: если у вас есть две большие обычные звезды, то вы не можете их поместить слишком близко – они сами по себе большие. Радиус каждой из них может быть несколько миллионов километров. А если они эволюционируют и расширяются, то будет еще больше.
А вот если одна из звезд уже превратилась в черную дыру или нейтронную звезду, то такой объект может оказаться гораздо ближе к своей соседке. Тела в двойной системе могут сближаться, например, из-за перетекания вещества. В процессе эволюции система станет более тесной. Звезды будут крутиться друг вокруг друга быстрее, и во время второго взрыва сверхновой звезды (т. е. взрыва второй звезды) компактный объект может оказаться улетающим с очень большой скоростью. Так можно получать даже скорости, превосходящие тысячу километров в секунду. Ситуация, когда возможен столь сильный разгон, должна быть довольно редкой, так как система должна быть очень тесной перед распадом. Но такое в принципе возможно.
Наконец, есть способы разогнаться до больших скоростей, доступные только для нейтронных звезд и черных дыр. Их придумали для того, чтобы объяснить данные наблюдений. Давайте посмотрим, откуда появилась эта задача.
Измерения скоростей пульсаров
Мы можем измерять скорости компактных объектов. В разных ситуациях это делается немного по-разному. Например, мы наблюдаем какой-нибудь радиопульсар. Изучаем его несколько лет. Точно измеряем координаты. И замечаем, что он смещается на небе. Если мы знаем расстояние до пульсара, то по его смещению мы можем определить, с какой скоростью он летит (точнее, так мы можем определить проекцию его скорости на небесную сферу). Сейчас благодаря таким измерениям известны скорости сотен радиопульсаров. Смещение наблюдают не только у радиопульсаров, но и у нейтронных звезд, являющихся рентгеновскими источниками или наблюдающихся в видимых лучах. И здесь мы можем определить скорость движения в проекции на небо.
Сравнение скоростей массивных звезд и радиопульсаров. Последние в среднем имеют скорость примерно в 10 раз выше.
В некоторых случаях мы наблюдаем последствия взаимодействия быстро двигающегося пульсара с межзвездной средой – вокруг него возникает ударная волна и красивая туманность. Это также позволяет измерять скорость. Иногда скорость оценивают, исходя из смещения нейтронной звезды от центра остатка сверхновой, ее породившего. Для этого нужно знать, когда произошел взрыв. Чаще всего для остатков сверхновых удается получить неплохую оценку возраста. Статистически мы можем определять скорости молодых радиопульсаров по их смещению относительно плоскости диска Галактики, где они в основном должны рождаться.
Поделиться книгой: