Чудовища доктора Эйнштейна. О чёрных дырах, больших и малых

Награда недолго ждала героев. Часто случается так, что между открытием и присуждением его авторам Нобелевской премии проходит много времени. Некоторые выдающиеся ученые умерли, так этого и не дождавшись, а посмертно премия не присуждается. Не приходилось, однако, сомневаться, что регистрация гравитационных волн быстро получит признание. И неудивительно, что в октябре 2017 г., менее чем через два года после того, как LIGO впервые ощутила волнение пространственно-временного континуума, Райнер Вайсс, Кип Торн и Барри Бэриш были объявлены лауреатами Нобелевской премии по физике.

Столкновения и слияния массивных черных дыр

Теперь, по обнаружении колебаний пространственно-временного континуума, мы ожидаем следующего. В Млечном Пути миллиард нейтронных звезд и 300 млн черных дыр – множество кандидатов на слияние. Однако вероятность того, что они входят в тесно связанные двойные системы, очень мала, поэтому слияние черных дыр происходит примерно раз в 500 000 лет. Долго придется ждать! Впрочем, чувствительность LIGO обеспечивает громадный охват в масштабах Вселенной. Когда усовершенствованная LIGO вновь заработает в 2020 г., она будет в три раза чувствительней, следовательно, сможет уловить сигнал с расстояния, в три раза большего[364]. Она измерит невероятно слабые сдвиги – на какие-то доли 10²²

. Поскольку объем пропорционален кубу расстояния, количество объектов вырастет в 30 раз. Возможно, будет регистрироваться до 1000 событий в год, или по два ежедневно[365].

Другой режим исследования – это гравитационные волны, излучаемые при проглатывании сверхмассивной черной дырой, находящейся в центре галактики, компактного тела – например, нейтронной звезды или черной дыры звездной массы. Снова проведем аналогию со звуком: чем массивнее черные дыры, тем продолжительнее орбитальное время при их слиянии и тем ниже частота специфического «чирпа». Сверхмассивное тело «звучит» в интервале частот от 10^–4

Гц до 1 Гц, орбитальное время составляет от нескольких часов до нескольких секунд. Сигналы сверхмассивной черной дыры будут ниже порога слышимости человека и даже ниже самой низко звучащей трубы органа; такие звуки скорее ощущаются, чем воспринимаются на слух.

Из-за столь низкого интервала частот детектор, который регистрирует гравитационные волны, исходящие от самых массивных черных дыр, должен находиться в первозданной среде космоса. Предполагаемым инструментом для решения этой задачи является лазерно-интерферометрическая космическая антенна (LISA). Это будет «созвездие» из трех спутников, образующих равносторонний треугольник со стороной миллион километров[366]. Установка, в десять раз превышающая размер орбиты Луны, будет обращаться вокруг Солнца на том же расстоянии от него, что и Земля, но с отставанием 20 градусов. На основном спутнике будут размещены лазер и детектор, на двух других, вспомогательных, – отражатели, прикрепленные к пробным массам из сплава золота и платины. LISA создана для измерений смещений менее размера атома на расстоянии 1 млн км, или с точностью 1 из 10²¹

. Чтобы зарегистрировать крохотные колебания пространственно-временного континуума, пробные массы должны быть защищены от воздействия любой силы, кроме гравитации, словно бы они не были частью космического аппарата и просто «свободно падали» на орбите Земля – Солнце. Решение этой инженерной задачи требует безупречного контроля над космическим кораблем. Каждый аппарат должен парить вокруг своей пробной массы, определяя свое положение относительно него с помощью емкостных сенсоров и точными микродвигателями поддерживая идеальную центровку по массе. В 2016 г. испытательная миссия ЕКА LISA Pathfinder доказала работоспособность технологии. Благодаря успеху LIGO в 2017 г. были приняты обязательства по финансированию проекта, и теперь у LISA блестящие перспективы[367].

Согласно стандартной космологической модели, структуры строятся иерархически, путем слияния меньших тел и поглощения окружающей материи. Так, карликовые галактики, объединяясь, создают большие галактики, а те продолжают расти – как за счет объединения с более многочисленными карликовыми галактиками, так и за счет газа, попадающего из межгалактического пространства. Центральные черные дыры следуют тому же процессу роста, но трудно предсказать подробности, потому что он зависит от сложного процесса аккреции и особых условий в центре галактик[368].