За волной волна

Прошло несколько недель после сенсационного сообщения научной группы детектора aLIGO об открытии гравитационных волн. Шумиха улеглась, количество научных статей по этому поводу несколько уменьшилось, и их тематика перешла в другую плоскость. Самое время разобраться, какие новые открытия гравитационная астрономия сулит нам в будущем и как она повлияет на наше понимание процессов во Вселенной?

Волны нашли — это действительно грандиозный результат, подтверждающий общую теорию относительности Эйнштейна ровно в год столетия ее публикации. Более того, сигнал впервые доказал существование черных дыр звездных масс, до этого момента объектов ожидаемых, предсказанных, но чье существование не было надежно установлено. Астрономы даже определили массу этих черных дыр. А что же нам обещают дальше?

Понятно, что в будущем гравитационные волны станут интересны ученым не сами по себе, а как средство пролить свет на очередные загадки Вселенной. Они превратятся из объекта исследования (скорее всего достаточно распространенного — уже скоро должны появиться свежие статьи той же команды, где они представят данные о регистрации новых сигналов), в инструмент для проверки нашего понимания мира.

Для начала давайте вспомним, что нам может дать гравитационно-волновая астрофизика. Вот круг задач, которые будут решать существующие и строящиеся гравитационные детекторы:

1. Сливающиеся двойные черные дыры могут стать прекрасными «стандартными сиренами» (по аналогии со «стандартными свечами», которые используются для определений расстояний в привычной нам электромагнитной астрономии). Если удастся зарегистрировать одновременно гравитационный и электромагнитный сигналы (например, от слияния черных дыр), то это резко повысит точность определения расстояний во Вселенной, а также обновит значения таких фундаментальных параметров как космологическая постоянная, плотность вещества во Вселенной, постоянная Хаббла, пространственная кривизна и так далее.

2. В центре нашей Галактики (как и в подавляющем большинстве других галактик) присутствует объект массой в несколько миллионов масс Солнца. Это известно по движению небесных тел вокруг того, что мы все привыкли называть сверхмассивной черной дырой , хотя прямых подтверждений того, что это именно она нет. Поэтому консервативная часть научного сообщества продолжает называть его — официально — Темным Массивным Объектом (ТМО), объясняя это тем, что согласно всем предсказаниям, оно, конечно, должно быть черной дырой, но пока мы не доказали наличие горизонта событий — лучше не рисковать. Любой компактный объект массой порядка одной солнечной, притянутый гравитацией ТМО, совершит до миллиона оборотов, излучая в пространство гравитационные волны, которые будут способны уловить гравитационные детекторы, размещенные в космосе. Форма пришедшего сигнала будет сильно зависеть от того, чем именно является ТМО. Если форма совпадет с предсказанной — это будет долгожданным доказательством существования сверхмассивных черных дыр.

Кроме того, гравитационные волны от черных дыр с массами в миллионы масс Солнца настолько сильные, что их можно будет регистрировать на значительных расстояниях. А это, в свою очередь, поможет установить, когда началось их формирование, и верно ли наше представление о том, что они образовывались частым слиянием сравнительно небольших предшественников, массами в 100-1000 масс Солнца.

3. Подобно реликтовому излучению, которое несет информацию о Большом Взрыве, и благодаря которому температура Вселенной равна трем Кельвинам, существует также стохастический гравитационно-волновой фон. Он мог быть образован в ранней Вселенной под воздействием квантовых осцилляций (колебаний), возникших в конце стадии инфляции. Предполагаемая плотность энергии подобных осцилляций очень сильно разнится от модели к модели, но теоретически они могут быть зарегистрированы будущими детекторами. Необходимо заметить, что доказать, что это именно те реликтовые гравитационные волны, которые мы ищем, может быть совсем уж непростой задачей — у всех еще на слуху громкая история команды BICEP2, которая сначала увидела поляризацию реликтового излучения, вызванную сильными гравитационными волнами в ранней Вселенной. Потом же оказалось, что источник поляризации — это всего лишь тепловое излучение пыли в Млечном Пути.

4. Разлет вещества при взрыве сверхновой, конечно же, тоже порождает гравитационные волны. Исторически, именно на поимку этих волн были настроены первые детекторы. И хотя они так и не смогли ничего обнаружить, это вовсе не значит, что и новое поколение детекторов окажется бессильным. Проблема в том, что в Млечном пути подобные события случаются слишком редко, а значит ловить придется гораздо более слабые сигналы из других галактик. Тем не менее, именно регистрация подобных волн должна показать нам процессы, которые происходят в ядре сверхновой перед самым взрывом, когда в оболочке из водорода и более тяжелых элементов уже сформировалась нейтронная протозвезда и ее сверхсильные магнитные поля, как считается, играют важную роль в рождении сверхновой.

5. Если космические струны существуют, то в их точках перегиба должны возникать слабые гравитационные волны. Струны предсказаны теорией Великого объединения и некоторыми инфляционными моделями. Поимка подобных низкочастотных волн превратила бы эти экзотические модели в серьезные теории.

Для реализации этих смелых идей нужны подходящие инструменты. Уже сейчас одновременно готовятся к запуску или проектируются сразу несколько таких детекторов. Помимо выполнения общих исследований, перечисленных выше, каждый из них будет иметь и свои уникальные особенности. Мы постараемся рассказать о самых интересных из них.

Детекторы Virgo и LIGO относились к первому поколению инструментов поиска гравитационных волн (в своем «классе», конечно, резонансные детекторы Джозефа Вебера мы в расчет не берем). Принцип их работы вкратце таков: луч лазера раздваивается системой призм и зеркал и оба получившихся луча бегают по двум туннелям, расположенным перпендикулярно. Отразившись много раз от зеркал, эти лучи снова соединяются и попадают на детектор — такая схема называется интерферометром Майкельсона. Если расстояние между зеркалами одинаковое, то оба луча приходят в фазе друг с другом (ведь они изначально испущены одним и тем же лазером). Если же по какой-то причине (например, из-за проходящей гравитационной волны) расстояние между одной парой зеркал изменилось (пусть даже очень незначительно и на короткое время), то лучи придут не в фазе, что создаст интерференционную картину вроде вот такой. На самом деле такие концентрические окружности хороши для лабораторных работу в ВУЗах, в то время как ученые придумали менее эффектный, но более эффективный метод: пришедший сигнал попадает на один-единственный детектор, который работает по принципу микрофона, преобразуя его в колебания напряжения. Именно поэтому первый пойманный сигнал гравитационный волны выглядел вот так:

После модернизации проект LIGO стал называться aLIGO, Virgo — aVirgo (a — advanced) и теперь это уже второе поколения детекторов. Их приборы оказались способны обнаруживать гравитационные волны (тот самый знаменитый всплеск GW150914), но их чувствительность все еще ограничена, в частности, влиянием сейсмической активности Земли и тепловыми помехами, которые ухудшают стабильность подвеса зеркал (это та часть проекта aLIGO, которой в составе международной коллаборации занимались российские ученые из группы профессора Владимира Брагинского).

Третье поколение детекторов, которое сейчас только проектируется, должно преодолеть подобные проблемы за счет, например, строительства подземных интерферометров, в которых зеркала и оборудование будет охлаждаться до сверхнизких температур. Таким прибором должен стать телескоп Эйнштейна, который будет работать по все тому же принципу интерферометра Майкельсона, но с длиной плеча в десять километров (у aLIGO всего четыре километра), а треугольная схема позволит получать координаты источника гравитационных волн. Проект находится на начальной стадии, еще не выбрано место строительства. 

Чувствительности телескопа Эйнштейна на низких частотах (порядка 10-20 Гц, это звуки самых широких труб органа, на границе слышимого человеком диапазона и инфразвука) должно хватить для обнаружения гипотетического класса черных дыр промежуточной массы: отдельные черные дыры уже найдены, но их должно быть намного, намного больше. Есть теории, согласно которым подобные черные дыры могут находиться в центрах ультраярких рентгеновских источников. Телескоп сможет засечь подобные черные дыры на красных смещениях до z~15 (!), то есть практически от момента, когда они вообще могли теоретически впервые сформироваться.

Если реальная чувствительность этого телескопа окажется такой же, как планируется, то телескоп Эйнштейна сможет искать гравитационные волны от глитчей нейтронных звезд. Глитчи представляют собой своего рода «звездотрясения», возникающие тогда, когда из-за разных скоростей вращения коры и ядра поверхность нейтронной звезды начинает резко изменять свою геометрию.

Следующий гигант на подходе и один из самых масштабных и ожидаемых проектов — это, конечно, eLISA. Изначально совместный проект NASA и Европейского космического агентства (ESA) должен был называться LISA — Laser Interferometer Space Antenna, то есть космическая лазерная интерферометрическая антенна. Однако, в 2011 году из-за недостатка финансирования NASA вышла из проекта и его слегка упростили, чтобы ESA смогла потянуть постройку детектора в одиночку. Если не произойдет никаких неожиданностей, то в 2034 году в космос полетит комплект из трех спутников, которые образуют равносторонний треугольник, обращающийся вокруг Солнца по той же орбите, что и Земля, но отстающий от нее на угол в 20 градусов. Каждый спутник будет и источником и приемников сигналов интерферометра, кроме того, он будет выполнен по схеме «спутник с нулевым ускорением» (zero-drag satellite), то есть лазер и зеркала будут свободно висеть внутри внешней оболочки. Такая схема защищает прибор от воздействия каких-либо тормозящих или ускоряющих сил (вроде солнечного ветра или соударения с частицами газа и пыли), так что интерферометр будет двигаться только под воздействием гравитации (которая, как показал Эйнштейн, нисколько не сила, а очень даже искривление пространства-времени).

В статье «Перспективы детектора eLISA для обнаружения двойных черных дыр в нашей Галактике» Наоки Сето кратко описывает устройство космического интерферометра и, что более важно, пишет о научных задачах, которые стоят перед детектором: eLISA сможет мерить эксцентриситет орбит сливающихся черных дыр и определять участок неба, откуда идет сигнал. Это важно, потому что параметры орбиты напрямую зависят от способа происхождения этих ЧД.

На сегодня есть две модели их образования: сценарий «изолированных двойных» и «динамический сценарий».

В первом случае в изначально двойной системе массивные звезды эволюционируют и по каким-то причинам не разлетаются друг от друга после взрыва сверхновых, но продолжают вращаться друг вокруг друга, уже превратившись в две черные дыры. Кстати, шагом в развитии этой теории было опубликованное на нашем ресурсе несколько неожиданное предположение астрофизика Абрахама Лоеба о том, что сентябрьский гравитационный всплеск образован двумя черными дырами, появившимися в результате деления одной быстровращающейся очень массивной звезды. В этом случае эксцентриситет будет близким нулю — это круговая орбита.

В случае динамического сценария черные дыры появляются в изолированных системах или вследствие разрушения двойных систем. Важным аспектом этого сценария является наличие вокруг плотного звездного окружения. Обмен кинетической энергией систем из множества тел приводит к тому, что массивная черная дыра стремится оказаться ближе к общему центру масс звездного скопления. Там рано или поздно она оказывается захвачена гравитационным полем такой же одинокой черной дыры. Их суммарная масса и угловой момент обычно достаточны, чтобы выбросить прочь все прочие звезды и другие объекты поблизости — пара черных дыр сформирована. В этом случае эксцентриситет орбиты приближается к единице, то есть она будет эллиптической. Важно отметить, что по мере сближения и потери углового момента, орбиты будут округляться, поэтому важно зарегистрировать гравиволны еще тогда, когда черные дыры будут достаточно далеко друг от друга — и в этом расположенная в космосе eLISA не будет знать себе равных (с Земли мы сможем измерить эксцентриситет только если он будет слишком большим, например, при наличии третьей звезды, а это маловероятное событие). По последним осторожным прикидкам астрофизиков в кубе со стороной 1 гигапарсек (в этот объем входит несколько скоплений галактик) в год сливаются от 2 до 400 пар черных дыр различных масс, так что данных должно быть достаточно.

При умеренно-консервативных подсчетах, eLISA будет способна регистрировать гравитационные волны, которые уносят энергию черных дыр массами 50-100 солнечных в четырех миллиардах световых лет от нас. А черные дыры массами в миллионы и миллиарды масс Солнца она будет способна увидеть на расстояниях, сравнимых с масштабами всей видимой Вселенной. Это предоставит ученым очень важные наблюдательные данные, которые помогут выяснить процессы образования и эволюции галактик.

Практически одновременно вышла еще одна статья о преимуществах, которые появятся у ученых, когда eLISA и aLIGO будут работать вместе. Альберто Сесано из Университета Бернингема в своей публикации «Прогнозы многоволновой гравитационной астрономии» утверждает, что, похоже, источники гравитационных волн, которые в сентябре засек детектор aLIGO, детектор eLISA тоже потенциально мог бы обнаружить.

Это ведет к трем важным последствиям: во-первых, детектор eLISA будет способен обнаружить несколько тысяч двойных сливающихся черных дыр, во-вторых, миллионы подобных черных дыр во Вселенной и миллионы же двойных белых карликов в нашей Галактике будут привносить заметный шум в показания детекторов, с которым надо бороться. Наконец, в-третьих, — и это может оказаться самым важным, — часть сливающихся черных дыр (до сотни по предварительным расчетам) будут сначала обнаружены eLISA и через несколько недель — aLIGO. Это даст возможность заранее подготовиться как детектору гравитационных волн, так и другим доступным телескопам, чтобы следить за выбранным участком пространства.

Такая задержка сигнала никак не связана со скоростью распространения гравитационных волн — еще в 2003 году астрофизик Сергей Копейкин в совместной работе с Эдом Фомалонтом доказал, что они летят со скоростью света. Дело в том, что eLISA будет работает на чуть бóльших длинах волн и сможет регистрировать черные дыры, которые вращаются дальше друг от друга и еще не готовы слиться (напомним, что частота гравитационных волн напрямую связана с частотой обращения черных дыр вокруг центра их масс). Если бы eLISA работала сейчас, то она бы зарегистрировала испускание гравитационных волн от той самой системы GW150914 еще 5 лет назад, определила бы массы черных дыр с точностью в одну сотую, их координаты с точностью до одного градуса и время слияния с точностью лучше, чем 10 секунд. Такая связка различных детекторов, работающих на разных частотах, открывает перспективы многоволновой гравитационной астрономии — совершенно новому способу получения знаний о мире вокруг. А если использовать гравитационные детекторы в связке с существующими привычными нам телескопами, то результаты должны быть еще лучше.

Вообще говоря, существующие модели не предсказывают сильного выброса электромагнитного излучения при слиянии черных дыр, однако космический телескоп Ферми, судя по всему, зарегистрировал гамма-излучение в той области, где обнаружили сигнал от GW150914. Это может быть ионизированный газ (плазма), который образовал подобие аккреционного диска вокруг двух черных дыр. Использование антенны eLISA в качестве упреждающего детектора поможет заранее навестись на предполагаемую область неба телескопам, работающим во всем диапазоне электромагнитного спектра — от радио и инфракрасного до рентгеновского и гамма-излучения. Изучение характеристик и особенностей черных дыр, тесты теории гравитации в экстремальных условиях, проверка наших знаний фундаментальной физики — вот это вот все станет доступным астрофизикам в течение ближайших 20 лет.

Один из вопросов, который надо решить, если мы готовимся регистрировать сверхдалекие гравитационные волны — как их искажает расширение Вселенной? Будут ли они подвержены эффекту Доплера? Недавняя статья профессора Абхай Аштекара из Penn State University утверждает, что вполне будут: и длина гравитационных волн и массы черных дыр будут искажаться пропорционально (1+z), где z — это красное смещение. То есть из-за расширения пространства нам будет казаться, например, что все черные дыры тем тяжелее, чем они от нас дальше, и на это надо будет делать поправку.

Впрочем, если ждать гравитационные детекторы третьего поколения не хватает терпения и хочется красивых результатов сейчас и побольше, то у нас есть хорошая новость: японцы уже почти достроили свой детектор KAGRA (в марте 2014 года завершено строительство туннелей, регистрация сигналов должна начаться в 2018-м году). Его можно условно отнести к поколению «2+»: детектор будет чуть лучше aLIGO в области частот порядка мегагерц и сможет более точно «видеть» само слияние ЧД. А если все расчеты подтвердятся, то сможет засечь слияние нейтронных звезд на расстоянии до 240 мегапарсек (поверьте — это очень много). Парадоксально, но детектор будет улавливать те самые гравитационные волны, которые сейчас безжалостно отфильтровываются командами aLIGO и VIRGO как гравитационный шум. Вроде сигналов  от нейтронных звезд, которые слишком слабые, чтобы было возможно их различить, но слишком часты, чтобы не учитывать их вовсе.

В заключение можно сказать, что гравитационная астрофизика, родившаяся в сентябре 2015 года, в ближайшие десятилетия будет переживать стремительный расцвет. И объединенные усилия теоретиков, наблюдателей и строителей телескопов должны (нет, не пролить свет — это выражение уже не подходит новой науке) вывести знания человечества по кривой четырехмерной дорожке пространства-времени на новый уровень.

Марат Мусин