Чудовища доктора Эйнштейна. О чёрных дырах, больших и малых

Слияния сверхмассивных черных дыр происходят еще медленнее и, соответственно, излучают гравитационные волны меньшей частоты. Исходя из примерных расчетов, пара черных дыр в миллион солнечных масс должна при слиянии излучать гравитационные волны частотой 10^–3 Гц в течение часа; при массах в миллиард солнечных частота гравитационных волн составит 10^–9 Гц, а временная шкала растянется на десятки лет. Чтобы поймать волну, странствие которой займет годы, детектор должен быть исключительно стабильным. Основательное компьютерное моделирование говорит о том, что LISA будет регистрировать несколько слияний в год – в основном ситуации, когда обе черные дыры в 10⁶

–10⁷ раз массивнее Солнца. Такая выборка позволит нам взглянуть на ранний этап формирования черных дыр и галактик[369].

Однако самые громкие события и самые зрелищные слияния – с участием черных дыр в миллиард солнечных масс – порождают волны исключительно низких частот, недоступных для LISA. Даже система телескопов длиной миллион километров будет слишком малой, чтобы обнаружить эти гравитационные волны; нужен инструмент размером с галактику. И теперь мы знакомимся с системой тайминга пульсаров. Пульсары – это мертвые коллапсировавшие звезды, состоящие только из нейтронов. При осевом вращении горячие точки на их поверхности проходят через зоны обзора радиотелескопов, и радиоимпульсы поступают с идеально точным временным интервалом. Пульсары, совершающие сотни оборотов в секунду, представляют собой самые точные часы во Вселенной.

В миллиардах световых лет от нас две сверхмассивные черные дыры неторопливо кружатся в танце, продолжающемся несколько миллионов лет. Когда они наконец падают друг другу в объятия и сливаются, они омывают Вселенную низкочастотными гравитационными волнами, сжимающими и растягивающими ткань пространства-времени. Как и мы на Земле, пульсары покачиваются на этих волнах, распространяющихся со скоростью света. Волны слегка меняют пульсарный ритм. Например, волна частотой 10^–8 Гц, что означает один цикл за четыре месяца, заставит импульсы приходить на 10 наносекунд раньше в январе и на 10 наносекунд позже в марте. Это ювелирная работа, но современные радиотелескопы способны измерять импульсы с требуемой точностью. Массивы пульсаров используются для повышения чувствительности эксперимента и дают некоторую чувствительность к направлению распространения сигнала[370].

Система тайминга пульсаров – самый грандиозный эксперимент в истории науки. Это не 4 км LIGO или 1 млн км LISA – пульсары-детекторы разнесены на тысячи триллионов километров. Детектором является вся галактика Млечный Путь. Это поистине Большая наука. Четыре массива пульсаров активно ищут сигналы, и их данные объединяются во всемирный массив. По мере добавления пульсаров в списки объектов наблюдения и увеличения чувствительности вероятность того, что в ходе одного или нескольких экспериментов в ближайшее десятилетие будут зарегистрированы слияния сверхмассивных черных дыр, увеличивается до 80 % (илл. 62)[371]

.

Гравитация и Большой взрыв

Регистрация первичных гравитационных волн – это пока неосвоенные области науки. Как вы помните, волны пространственно-временного континуума возникают всякий раз, когда масса меняет его движение или конфигурацию. Беспрецедентные масштабы изменения массы происходили в ранней Вселенной, когда материя, впоследствии сформировавшая сотни миллиардов галактик, занимала пространство размером меньше атома. Современная космология включает так называемую инфляцию – раннюю фазу экспоненциального роста Вселенной, тогда еще микроскопической, через 10^–35 секунд после Большого взрыва. Инфляцией объясняют непонятную в ином случае равномерность и гладкость Вселенной[372]

. Инфляция предполагает, что «зародыши» галактик были квантовыми флуктуациями.

Теория инфляции поддерживается рядом косвенных свидетельств, но энергия в то время была в триллионы раз выше, чем можно достичь в лаборатории или в ускорителях – таких как Большой адронный коллайдер, поэтому мы не можем воспроизвести ее экспериментально на Земле. Важно протестировать теорию инфляции, потому что это приблизит нас к Священному Граалю теории квантовой гравитации. Гравитационные волны, вызванные инфляцией, должны до сих пор сотрясать Вселенную. Их энергия распределена по частотам, различающимся на 29 порядков, что позволяет применить все рассмотренные нами методы регистрации[373]. Однако эти волны слишком слабы, чтобы их можно было измерить интерферометрами или системами тайминга пульсаров, поэтому астрономы сосредоточились на их следах в заполнившем Вселенную излучении – когда она остыла настолько, чтобы смогли образоваться стабильные атомы. Это излучение распространяется во Вселенной в неизменном виде с момента спустя 400 000 лет после Большого взрыва, и мы наблюдаем его в микроволновом диапазоне. Растяжение и сжатие пространства, согласно предсказанию теории, должно было оставить в микроволновом излучении слабый вихревой узор[374].