Чудовища доктора Эйнштейна. О чёрных дырах, больших и малых

…Они по всей Вселенной шпарят,Не поступаясь прямизной.Для них пустой надутый шарик –Трилльоннотонный шар земной.

Ничто не сдвинув и не тронув,Они проходят сквозь него –Так сквозь стекло скользят фотоны,Так пыль проносит сквозняком.Ни стен для них, ни пьедесталов.

Они способны осадитьХолодную закалку сталиИ жаркой меди звон и прыть.Они летят таким карьером,

Что и не снился жеребцам,Поверх всех классовых барьеровВторгаясь в тело мне и вам.Их суд немыслимо высокий,Их приговор неотвратим,

Он шлет на головы потокиНеощутимых гильотин…[355]

Гравитационные волны бывают трех типов[356]. Первые – стохастические, этот термин описывает любой физический процесс случайного характера. Волны этого типа труднее всего зарегистрировать, поскольку сигнал может перекрываться случайным шумом электроники на высоких частотах и геологической активностью на низких. Самым впечатляющим из стохастических сигналов, как мы скоро узнаем, был бы сигнал Большого взрыва. Вторые – периодические, это гравитационные волны, частота которых почти постоянна долгое время. Чаще всего источниками периодических сигналов являются нейтронные звезды и черные дыры, совершающие орбитальное движение по отношению друг к другу. Поскольку партнеры в двойных системах удалены друг от друга, сигналы слабы. Третьи – импульсные, гравитационные волны, которые приходят короткой вспышкой. Импульсы возникают вследствие формирования черной дыры во взрыве сверхновой, а также слияния нейтронных звезд или черных дыр. Предположительно это самые сильные из гравитационных волн, и образ их весьма специфичен, поэтому их проще всего отличить от шума.

Столкновение черных дыр можно интерпретировать как колокольный звон гравитации. Большой колокол звучит ниже маленького, а большие массы при столкновении излучают волны более низких частот, чем маленькие. Нейтронные звезды на максимуме выдают «чирп» до 1600 Гц, черные дыры минимальной массы – до 700 Гц, а массивные черные дыры, столкновение которых было зарегистрировано LIGO в качестве первого события, начинали со 100 Гц и поднялись примерно до 350 Гц. Нейтронных звезд примерно в три раза больше, чем черных дыр, поэтому мы ожидаем увидеть (в порядке уменьшения количества событий, но увеличения силы сигнала): слияния двух нейтронных звезд, слияния нейтронной звезды и черной дыры и слияния двух черных дыр. Детектор LIGO спроектирован так, чтобы быть наиболее чувствительным к диапазону частот 100–200 Гц, в котором самый сильный сигнал издают сливающиеся черные дыры. Этот интервал идеален для наблюдений. На 100 Гц чувствительность в два раза ниже, поскольку усиливаются помехи от электроники, а на 20 Гц – в десять раз ниже из-за усиления геологических шумов Земли.

Какую информацию дает нам волна пространственно-временного континуума? Давайте сравним ее с волнами на воде. Представьте, что вы – поплавок в большом пруду в ветреный день. Из-за ветра поверхность воды идет рябью, случайный рисунок волн, заставляющих вас подниматься и опускаться, весьма похож на фоновый шум в эксперименте по поиску гравитационной волны. Если кто-то в течение нескольких секунд будет с интервалом в секунду бросать в пруд камни, вы почувствуете дополнительную – периодическую – качку. Это «чирп» двух соединяющихся черных дыр. Размах движения зависит от величины камней и от расстояния от вас до места, куда их бросают, поскольку по мере распространения волны слабеют. У поплавка нет глаз и ушей, и вы чувствуете только движение, вы понятия не имеете, откуда идут волны. Однако, если бы вы могли поговорить с другим, соседним поплавком, вы получили бы больше информации. Волны распространяются концентрическими кругами, и время получения этих двух сигналов позволяет вычислить направление источника методом триангуляции. Именно так ваши уши определяют, откуда доносится звук.