Что там у астрофизиков

Ждем объявления о важном открытии, связанном с гравитационными волнами

Вечером в понедельник, 16 октября, астрофизики, работающие на гравитационных телескопах LIGO и Virgo, а также их коллеги из 70 других обсерваторий мира объявят о некоем важном открытии в сфере гравитационно-волновой астрономии. Речь идет о новом методе исследования Вселенной, благодаря которому за короткий срок, с тех пор как в 2015 году после апгрейда началась работа установки для детектирования гравитационных волн LIGO, было зафиксировано уже четыре случая возмущений от слияния пар черных дыр. Суть нового открытия ученые официально не раскрывают, но мы попробуем рассказать, чтó ученое сообщество ожидает услышать в понедельник.

События последних дней, развернувшиеся в астрофизических кругах всего мира, заставляют вспомнить атмосферу первых страниц книги о Гарри Поттере — посреди дня летают стаи сов, люди в странных одеждах возбужденно перешептываются, но никто ничего не говорит вслух, и магглам остается только догадываться, что происходит.

Научный мир замер в предвкушении: все ждут понедельника, когда будет объявлено о некоем важном открытии в сфере гравитационно-волновой астрономии. Что это за открытие? Астрономы и физики молчат, а нам, видимо, остается только догадываться, с чего вдруг в разных концах мира на одно и то же время назначено сразу несколько важных пресс-конференций (только в Москве их состоится как минимум две).

Ну что же, догадываться так догадываться. Давайте предположим, — просто предположим, — следующее: в понедельник в 17:00 по Москве коллаборация LIGO/Virgo объявит, что ей удалось зафиксировать гравитационные волны от слияния двух нейтронных звезд, находившихся на расстоянии около 130 миллионов световых лет. При этом вспышка была зарегистрирована не только в гравитационных волнах, но и в оптике, и в гамма-диапазоне.

Что такое гравитационные волны

Любое тело, которое имеет массу и движется с переменным ускорением, создает гравитационные волны — возмущения пространства-времени. Их существование еще в 1916 году предсказал Альберт Эйнштейн. Общая теория относительности описывает гравитацию как взаимодействие четырехмерного пространства-времени с любыми телами и полями, его «искажения» и порождают гравитационные волны.

Несмотря на то, что источником волны может быть любое тело, только через сто лет после Эйнштейна мы смогли создать достаточно чувствительные приборы для их измерения: наиболее мощные гравитационные волны, например от слияния черных дыр, порождают смещения в сотни раз меньше диаметра протона.

Предполагаемым квантом гравитационных волн является пока не обнаруженная частица — гравитон. Теория предсказывает, что он должен обладать спином 2 и двумя различными направлениями поляризации спина. Изначально существовало несколько концепций, описывающих гравитон, и, согласно некоторым из них, он даже мог обладать массой. Однако из-за сложностей при совмещении квантовой теории и общей теории относительности разработать квантовую теорию гравитации пока никому не удалось.

Впервые гравитационные волны были зарегистрированы в 2015 году детекторами LIGO. В настоящий момент работают три детектора гравитационных волн: два в США и один в Италии. С их помощью уже четырежды удалось зафиксировать гравитационные волны, и в каждом из этих случаев источником гравитационных волн было слияние массивных черных дыр.
Мы попросили астронома Сергея Попова из Государственного астрономического института имени Штернберга МГУ, автора книги о нейтронных звездах «Суперобъекты», рассказать (в рамках предположения), что же физики и астрономы могут узнать о мире, наблюдая гравитационные волны от слияния двух нейтронных звезд, и почему ученые по всему миру буквально подпрыгивают от нетерпения.

N + 1: Зачем нам ловить гравитационные волны?

Сергей Попов: Изучение гравитационных волн позволит многое понять о самой гравитации. Например, мы поняли, что скорость их распространения с высокой точностью равняется скорости света. Это означает, например, что теория гравитации с тяжелыми гравитонами пока не подтверждается. И у других альтернатив общей теории относительности будет все более и более сужаться область параметров.

В общем, благодаря гравитационным волнам можно узнать еще много интересного об одних только черных дырах, о свойствах областей вблизи их границ и о теории гравитации в целом.

Чего еще не рассказали нам гравитационные волны о черных дырах?

История гравитационной астрономии только начинается, и я уверен, что впереди ученых ждет не одна Нобелевская премия за новые данные как о природе черных дыр, так и о самой гравитации. Причем речь именно о премиях, которые могут получить люди, работающие с гравитационно-волновыми детекторами.

Если нам повезет и слияние черных дыр произойдет относительно близко — на расстоянии не в пять миллиардов световых лет, а, например, в 500 миллионов — или если наши гравитационные телескопы станут более чувствительными, то мы сможем увидеть эффект отражения гравитационной волны от горизонта событий черной дыры. По этим отраженным сигналам мы сможем увидеть, чтó происходит в области у границы, которая сейчас совершенно недоступна для наблюдений.

По сути это и будет настоящее открытие черных дыр. До сих все свидетельства их существования были хотя и очень убедительными, но все же косвенными — а в этом случае мы можем получить доказательства, что там действительно есть горизонт событий.

Наверное, самое интересное — это сигнал после слияния черных дыр, когда горизонт новой черной дыры «дрожит» и излучает гравитационные волны. В зависимости от того, как именно она дрожит, можно будет подтвердить или исключить какие-то теории об устройстве черных дыр, и это уже вполне тянет на Нобелевскую премию.

А если гравитационные волны пришли от слияния нейтронных звезд — что мы узнаем о них благодаря этому факту?

Гравитационные волны от слияния нейтронных звезд, даже без наблюдений этого события в оптике и других диапазонах, позволят нам с высокой точностью измерить их массы и радиусы.

А это настоящий святой Грааль ядерной физики, потому что мы до сих пор не знаем, из чего состоят нейтронные звезды, как они устроены внутри. В течение последних десятилетий теоретики создали множество моделей, рассказывающих о внутреннем строении нейтронных звезд. При этом каждая модель «снаружи» соответствует определенным значениям массы и радиуса, и даже 10-процентные отклонения могут радикально поменять наши представления о том, что происходит в недрах нейтронной звезды.

Так могло бы звучать слияние нейтронных звезд в звуковом диапазоне:

Это можно сравнить со знаменитой историей про корону и Архимеда. Казалось бы, какая разница: составляет плотность металла короны 19,3 грамма на кубический сантиметр или 17,3? Но такая разница означает, что в первом случае корона сделана из чистого золота, а во втором — из сплава, и царь, в зависимости от точности измерений, может кому-то отрубить голову.

Вот так же и астрофизикам необходимо узнать: состоит ли нейтронная звезда из протонов и нейтронов, или в ее недрах есть гипероны, или пионы, или это кварковые звезды, — словом, получить определенную точку на графике. И вот в зависимости от того, как ляжет эта точка, мы и узнаем, чтó происходит с веществом в невероятно экстремальных условиях внутри нейтронной звезды.

Это одна из задач, ради которых строят коллайдер NICA в Дубне, ради которых строят ускоритель FAIR в Германии, это фантастически важно для физики. И если мы сумеем провести гравитационно-волновые измерения слияния нейтронных звезд, то получим эти данные с нужной точностью.


А что мы увидим, если к результатам детекторов добавятся результаты наблюдений в оптическом и гамма-диапазоне?

Если мы одновременно с гравитационными волнами увидим вспышку в оптике, в гамма и рентгене, это очень много даст нам для исследования синтеза тяжелых элементов во Вселенной. Раньше считалось, что их основной источник — взрывы сверхновых. Но около десяти лет назад появились данные, позволившие говорить, что определяющий вклад в их формирование вносят именно слияния нейтронных звезд. И это несмотря на то, что такие слияния происходят примерно в тысячу раз реже, чем взрывы сверхновых.

При слиянии нейтронных звезд эффективность процесса синтеза тяжелых ядер гораздо выше, поскольку в этом случае включается так называемый r-процесс. Кроме того, при вспышке сверхновой значительная часть вещества просто падает обратно. А в случае с нейтронными звездами выброс вещества начинается еще до основных стадий слияния. Под действием гравитации их начинает сильно «корежить», и примерно 10 процентов вещества уносится наружу.

Это килоновые — так называют транзиенты после слияния нейтронных звезд (их не надо путать со сверхновыми!). При этом выкидывается какое-то количество тяжелых элементов, которые распадаются и подсвечивают туманность вокруг. Килоновые уже наблюдали несколько раз после коротких гамма-всплесков.

Но это модели, которые необходимо подтвердить наблюдениями. И наверняка при той прорве информации, которую нам могут дать и гамма, и оптика, и гравитационные волны, очень многое станет понятней и это сильно продвинет вперед модель нуклеосинтеза. Мы будем точно знать, откуда во Вселенной берутся золото и другие тяжелые элементы.

Откуда берутся тяжелые металлы

Как известно, элементы таблицы Менделеева от углерода до молибдена (вместе с примкнувшими к ним барием, вольфрамом и титаном) появляются в результате звездного нуклеосинтеза — реакций ядерного синтеза в ядрах звезд либо во время их жизни, либо в результате их яркой смерти (которое мы наблюдаем в виде вспышек сверхновых).

Эту общую картину пришлось пересмотреть, когда в конце 1990-х годов было установлено, что вспышки сверхновых, будучи одними из самых энергетически мощных взрывов во Вселенной, не дают нужного количества тяжелых элементов. Кроме того, ряд тяжелых элементов отсутствует у очень старых звезд. В них уже есть кремний, кальций и даже железо, но нет ни рубидия, ни йода, ни золота. Однако эти же элементы есть в более молодых звездах, которые, по идее, должны были образовываться из таких же облаков с остатками сверхновых.

Значит, во Вселенной должны быть другие источники тяжелых элементов. Еще в 1989 году было выдвинуто предположение, что таким источником могут быть слияния нейтронных звезд, вращающихся друг вокруг друга.

(Читать полностью)
Кроме того, есть важнейшая проблема для ядерной физики — предельная масса нейтронной звезды. Узнав эту массу, мы сможем сказать, сколько способна «набрать» нейтронная звезда, не коллапсируя в черную дыру. Например, мы увидим, что образовался объект с массой 2,2 массы Солнца и коллапс не произошел. А в другом случае мы увидим 2,3 массы Солнца и коллапс. Значит, мы сможем провести границу и это решит вопрос о поведении вещества при высокой плотности.

Сергей Кузнецов


Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.