Нейтронные звезды. Как понять зомби из космоса - Катя Москвич

Е[ри прохождении гравитационной ряби одна из двух галерей или чуть удлиняется, или чуть укорачивается. Е[ри этом разница длин меньше, чем одна десятитысячная диаметра такой субатомной частицы, как протон. Когда одно из плеч становится короче, другое становится длиннее, а затем они меняются ролями. Величина удлинения или сокращения плеча зависит от амплитуды волны – максимального смещения из положения равновесия, или, иначе говоря, расстояния от положения равновесия до гребня волны. Изменение длины пути лазерного луча приводит к тому, что отраженный свет движется слегка не в фазе со светом источника. Иначе говоря, время возвращения каждого из двух лучей к источнику слегка различается18.

Затем ученые тщательно измеряют амплитуду и частоту сдвига фаз, что позволяет изучать свойства гравитационной волны. Когда зарегистрированный сигнал анализируется с учетом результатов, полученных на других детекторах, ученые могут определить местоположение источника этих волн – далекой космической катастрофы, вызвавшей возмущение пространства-времени. Чем больше детекторов будет установлено в разных точках по всему миру, тем точнее будет результат. Сегодня определение местоположения всех источников гравитационных волн включает координацию данных детектора Virgo и двух детекторов LIGO. Вскоре им на помощь придут сходные детекторы в Японии[3] и Индии, что позволит гораздо точнее определять местоположение источников.

Новое поколение детекторов, таких как Einstein Telescope и Cosmic Explorer, должно быть гораздо чувствительнее Virgo и LIGO. Сейчас эти проекты находятся в стадии разработки, но планируется, что плечи расположенного под землей детектора Einstein Telescope будут десятикилометровой длины, а детектора колоссальной наземной обсерватории Cosmic Explorer — сорокакилометровой длины. Эти детекторы будут настолько чувствительны и точны, что смогут регистрировать гравитационные волны, исходящие от начавших сближение нейтронных звезд, которых еще миллионы лет отделяют от слияния и образования пульсара, такого, какой по косвенным признакам обнаружили Халс и Тейлор.

За семнадцать лет до открытия

После запуска LIGO и Virgo прошло около десяти лет, но результатов не наблюдалось. С самого начала ученые считали, что подобное возможно, и поэтому всегда существовали планы существенной модернизации детекторов. В 2010 году и LIGO, и Virgo были остановлены. После пяти лет и 620 миллионов потраченных долларов гравитационный телескоп Advanced LIGO (“усовершенствованный LIGO”) приступил к наблюдениям. Его тестирование началось в феврале 2015 года, а официальный старт наблюдательного цикла был дан 18 сентября 2015-го. Теперь чувствительность двух новых установок LIGO стала примерно в четыре раза выше, чем в исходном варианте.

Первая модернизация Virgo прошла в 2011 году, и его чувствительность увеличилась в десять раз. А затем его остановили опять, чтобы еще раз существенно усовершенствовать. Так Virgo превратился в Advanced Virgo — детектор, начавший сбор данных в августе 2017 года. До этого наблюдения самостоятельно вели два детектора LIGO.

Модернизация и предшествующие годы усилий окупились сполна еще до того, как формально (Advanced) LIGO запустили повторно. 14 сентября 2015 года LIGO, еще не отлаженный полностью, вошел в историю. Детектор LIGO уловил гравитационный сигнал, источником которого служило столкновение двух черных дыр звездных масс – или, говоря по-научному, “слияние двойной черной дыры” – на расстоянии около 1,3 миллиарда световых лет от Земли. Сообщение об этом сенсационном открытии (которому предшествовало множество слухов в социальных сетях) было сделано через несколько месяцев, и февраля 2016 года, и слова “регистрация”, “гравитационные волны”, “LIGO” и “Эйнштейн” замелькали в прессе, они доминировали в неформальных разговорах ученых и даже на семейных обедах. В следующем году Вайсс, Торн и Бэриш разделили Нобелевскую премию, присужденную им за это открытие.

Однако Марика Бранчези уже строила планы, существенным образом расширявшие рамки научного значения первого зарегистрированного слияния черных дыр. В 2012 году, вернувшись в Италию после краткосрочной научной работы в Соединенных Штатах, она получила грант на проект, казавшийся в то время почти невероятным. Бранчези хотела убедить коллег, занятых (тогда только теоретически) вопросом обнаружения гравитационных волн, начать взаимодействие с астрономами, которые работают более традиционными методами и исследуют весь электромагнитный спектр излучения – свет, рентгеновские и гамма-лучи.

Таким образом, рассуждала она, как только будут обнаружены гравитационные волны, появится возможность наблюдать их источники и другими методами, перехватывая различных дальних космических “посланников”, сигнализирующих об одном и том же событии. Позже этот подход назовут многоканальной астрономией.

Однако в то время многие астрономы сомневались, что вообще когда-либо удастся наблюдать гравитационные волны непосредственно. “Идея совместной работы астрономов и исследователей гравитационных волн казалась им странной”, – говорит Бранчези. Дело не в том, что ученые не верили в существование гравитационных волн – в этом мало кто сомневался. Они должны существовать. Структура уравнений Эйнштейна требует их наличия, так что все были согласны с тем, что мощный катаклизм должен возмущать пространство-время и служить источником гравитационной ряби.

Но Бранчези в первую очередь интересовали не сами гравитационные волны. Она хотела выяснить, что еще можно узнать о событиях, которые их вызывают. LIGO и Virgo были ей нужны, чтобы зарегистрировать волну и приблизительно определить место, откуда та пришла. Тогда телескопы, ведущие наблюдение в электромагнитном спектре, смогут сразу развернуться в нужном направлении и проверить, можно ли увидеть что-нибудь еще. Если астрономы непосредственно за гамма-вспышкой зафиксируют послесвечение, соответствующее космической катастрофе, которая предположительно вызвала гравитационную волну, у них будет доказательство того, что гравитационное возмущение распространяется со скоростью света. Это будет подтверждением предсказания, сделанного Эйнштейном сто лет назад. У них также будет возможность исследовать природу источника гравитационной волны, его окружение и механизмы, благодаря которым высвобождается такая невероятно большая энергия. Интенсивность электромагнитного излучения черных дыр крайне низка: после коллапса чрезвычайно массивных звезд остаются только гравитационные поля, и никакая материя не может выйти за их пределы, чтобы излучать свет. Поэтому черные дыры – не слишком подходящий объект для оптических телескопов.

А что, если это будут нейтронные звезды? В 2010 году астрофизик Брайан Метцгер из Колумбийского университета пришел к выводу, что столкновение этих объектов большой плотности будет сопровождаться не только возмущением пространства-времени и возбуждением гравитационных волн, но и образованием килоновой. Это вспышка, яркость которой порядка одной сотой яркости сверхновой, и ее должно быть видно с помощью оптического телескопа. Согласно его расчетам, килоновая образуется в горячем облаке радиоактивных осколков – вещества, выброшенного при столкновении и в результате радиоактивного распада тяжелых элементов, синтезированных при слиянии. В довершение всего, столкновение приведет и к кратковременной вспышке гамма-излучения – короткому гамма-всплеску (SGRB, Short Gamma-Ray Burst).

Тогда послесвечение гамма-вспышки должно быть видно в радио-, рентгеновском, а в конце концов даже в оптическом диапазоне, что позволит астрономам точно узнать, куда и когда следует смотреть.

Непросто собрать