Чудовища доктора Эйнштейна. О чёрных дырах, больших и малых

В процессе обнаружения волн посредством LIGO физики получают много важной информации[357]. Рисунок изменения частоты дает массы двух черных дыр путем сравнения с результатами моделирования. Фаза слияния используется для определения вращения образующейся в результате черной дыры. Координаты события в небе определяются разницей во времени поступления сигналов в два детектора (то, что одинаковый сигнал наблюдается в обеих точках, помогает исключить помехи или ложный источник). Если точек всего две, ограничения на положение источника в небе не слишком строги: он может находиться где угодно в пределах широкой полосы. Однако успех LIGO вдохновил международное сообщество. Европа недавно ввела в эксплуатацию интерферометр в Италии (Virgo), а скоро введет и в Германии (GEO600). В 2019 г. закончено строительство интерферометра в Японии, еще один планируется запустить в Индии в начале 2020-х гг. Регистрация в трех или более точках позволит сузить область происхождения гравитационных волн до определенного астрономического источника и, следовательно, наблюдать его во всем электромагнитном спектре[358].

Расстояние до источника оценивается по силе сигнала. Волны расходятся от черной дыры в трех измерениях и слабеют, распространяясь в космосе. Гравитационные волны имеют огромное преимущество перед электромагнитными: их амплитуда обратно пропорциональна расстоянию. Если черные дыры в десять раз дальше, то сигнал в десять раз слабее. Астрономы не могут измерить амплитуду электромагнитной волны; они измеряют интенсивность – квадрат амплитуды, и если звезда в десять раз дальше, то интенсивность световой волны в 100 раз меньше. Поэтому LIGO, читая гравитационные волны, имеет огромный охват и может регистрировать катаклизмы, произошедшие в миллиардах световых лет от нас.

Но не был ли успех LIGO случайным? Невозможно набрать статистику на одном событии. Что, если Вселенная лишь чуть приоткрыла свои тайны, спев нам короткую песенку? Восторг физиков сменился тревогой. Они искали утешение в словах Эйнштейна: в какой-то момент в 1921 г., когда казалось, что общая теория относительности опровергнута экспериментом, он изрек: «Господь изощрен, но не злонамерен».

С восторгом и невероятным облегчением команда LIGO объявила, что 26 декабря 2015 г. было зарегистрировано второе событие. Сигнал был слабее, потому что источник находился несколько дальше, на расстоянии 1,5 млрд световых лет, также это было вызвано меньшими массами черных дыр – 9 и 14 солнечных масс вместо 29 и 36, как в первом событии. Событие с промежуточной датой, 12 октября, получило статус неподтвержденного кандидата. Оно было слабым, поскольку его участники – черные дыры в 13 и 23 солнечные массы – слились вскоре после того, как на Земле зародилась жизнь, на колоссальном удалении 3,3 млрд световых лет[359]

. В 2017 г. LIGO зарегистрировала еще три события (илл. 61). Пять подтвержденных событий и одно вероятное – тысяча физиков ликовала. LIGO – оглушительный успех. Это начало эры гравитационно-волновой астрономии[360].

В августе 2017 г. LIGO зарегистрировала еще одну пульсацию гравитационных волн. Это событие имело два отличия от предыдущих. Сигнал был слабее, и его источник находился лишь в 130 млн световых лет. Это значит, что сигнал возник при слиянии менее массивных объектов – нейтронных звезд, а не черных дыр[361]. LIGO работала совместно с европейским интерферометром Virgo, и сигналы трех разных детекторов позволили ученым с беспрецедентной точностью определить, откуда именно пришли гравитационные волны. Нейтронные звезды слились в галактике NGC4993. Обсерватории мира включились в работу.

В результате было получено огромное количество данных, и родилась астрономия нового типа. Два спутника NASA зарегистрировали выброс гамма-лучей от слияния нейтронных звезд, и свыше 70 телескопов по всему земному шару поймали затухающее оптическое и инфракрасное свечение, возникшее вследствие столкновения. В отличие от слияния черных дыр, при котором не возникает электромагнитного излучения, нейтронные звезды сливаются во взрыве, который в тысячу раз мощнее сверхновой. Как следствие мы имеем выброс излучения и поток нейтронов, приведших в движение облако радиоактивных продуктов[362]

. За один день облако разрослось от размеров большого города до размеров Солнечной системы. Нейтроны внедрились в ядра атомов и превратили их в ядра более тяжелых элементов. По оценкам теоретиков, при событии образовалось 200 земных масс золота – на $10³¹, если бы вы их заполучили! Наблюдение за гравитационными волнами сопоставлялось с исчерпывающей информацией об электромагнитных излучениях, и это направление было названо многосигнальной астрономией. Предполагается, что LIGO и Virgo примерно раз в неделю будут наблюдать слияние нейтронных звезд и раз в две недели – слияние черных дыр[363]. Космос бурлит волнами пространственно-временного континуума, а астрономы наконец обрели глаза, чтобы это видеть.