Космос. От Солнца до границ неизвестного

Сообщение об открытии стало сенсацией среди физиков и астрономов по всему миру. Гравитационные волны позволят нам исследовать фундаментальные физические явления, изучать самые странные объекты во Вселенной и, возможно, даже заглянуть в самые ранние моменты ее эволюции.

Потом последовали новые находки – коллаборация LIGO поймала гравитационные волны от других пар сталкивающихся черных дыр. Одно из этих явлений наблюдалось также на франко-итальянском детекторе гравитационных волн Virgo

, расположенном неподалеку от Пизы (Италия). Наличие этого второго детектора позволяет астрономам гораздо более точно определять направление на источник, что в будущем может помочь им отслеживать гипотетическое излучение, приходящее из этой точки.

Массы черных дыр, столкновение которых зафиксировали во втором эпизоде, составляли около 8 и 14 масс Солнца. Именно в таком диапазоне, по расчетам астрофизиков, должны находиться массы объектов, возникающих в результате коллапса звездных ядер. Но другие события свидетельствуют о том, что существует популяция черных дыр с массами от 25 до 35 солнечных масс. До эксперимента LIGO об этой группе объектов мы ничего не знали.

Затем, в августе 2017 года, коллаборация LIGO впервые увидела гравитационные волны от слияния нейтронных звезд. Это событие, произошедшее на расстоянии 130 миллионов световых лет, наблюдали и другие астрономы. Около 70 телескопов и обсерваторий по всей планете и в космосе одновременно развернулись к одной и той же точке в созвездии Гидры и обнаружили там гамма-всплеск и послесвечение в видимом диапазоне.

Рис. 10.2. Через 100 лет после теоретического предсказания черных дыр их открыли экспериментально – в LIGO.

На рисунке – две черные дыры в сценарии слияния друг с другом во время сближения по спиралевидной траектории (R. Hurt – Caltech / JPL.).

Это доказывало, что слияния нейтронных звезд могут вызывать кратковременные гамма-всплески. Астрономы впервые стали свидетелями формирования тяжелых элементов – в результате взрыва образовалось столько золота, что его хватило бы, чтобы сделать планету размером с Землю, а также другие тяжелые элементы, включая уран, плутоний и свинец.

По мере обнаружения новых подобных сигналов мы будем в состоянии уточнять наше понимание эволюции и структуры Вселенной как целого. Наблюдения за несколькими слияниями черных дыр, возможно, помогут понять природу темной энергии. По форме сигнала – возрастанию и падению частоты и мощности гравитационных волн – мы можем определить размеры черных дыр и выяснить, насколько интенсивным было событие во время его зарождения. Сравнение первоначальной мощности события со слабыми вибрациями детектора LIGO говорило бы нам о том, насколько далеко оно произошло. Вместе с наблюдениями стандартных телескопов это может поведать нам о расширении пространства за то время, которое потребовалось гравитационным волнам, чтобы дойти до нас. На этом основании мы сможем оценить степень влияния темной энергии на пространство.

К работе по поиску гравитационных волн подключились и другие типы детекторов. Европейское космическое агентство планирует разработать лазерную интерферометрическую антенну (eLISA

) – огромный космический детектор, способный улавливать гораздо более длинные волны, включая волны, которые должны излучаться при столкновении двух сверхмассивных черных дыр. Технология этого детектора уже опробована в подготовительной космической программе LISA Pathfinder (LISA-следопыт).

В будущем мы можем ожидать появление детекторов, работающих на более коротких длинах волн, чем LIGO, что может позволить нам уловить первичные гравитационные волны из очень молодой Вселенной. Эти волны должны были возникнуть в период инфляции – ускоренного расширения – в первые мгновения после Большого взрыва. Результаты этих наблюдений могут даже указать нам путь к созданию теории великого объединения Вселенной. Когда-то все четыре фундаментальных взаимодействия самой природой были объедены в одно целое. По мере того, как Вселенная расширялась и охлаждалась, эти фундаментальные взаимодействия потеряли связь друг с другом в результате непонятных пока событий. Но исследование гравитационных волн может пролить свет на эти события.