Складки на ткани пространства-времени. Эйнштейн, гравитационные волны и будущее астрономии

Предисловие

Среди выдающихся ученых Эйнштейн заслуженно занимает особое место. Его понимание пространства и времени полностью изменило наши представления о гравитации и космосе. Знакомый каждому образ веселого мудреца с седой шевелюрой тиражируется на плакатах и футболках, однако свои главные труды он завершил в молодости – мировая слава настигла его, когда ему не было и 40 лет. 29 мая 1919 г. произошло солнечное затмение. Группа под руководством астронома Артура Эддингтона фотографировала звезды вблизи Солнца, которые во время затмения становятся доступными для наблюдения. Измерения показали, что звезды смещены относительно нормального положения в небе, поскольку их свет отклоняется гравитацией Солнца. Это подтвердило один из ключевых прогнозов Эйнштейна. О результатах сообщили в Лондонском Королевском обществе, и мировая пресса подхватила новость. «Лучи искривляются в небесах: триумфальное подтверждение теории Эйнштейна!» – гласил несколько преувеличенный заголовок в The New York Times.

Общая теория относительности (ОТО), предложенная Эйнштейном в 1915 г., – это торжество чистой мысли и научного прозрения. Практические следствия из нее нам, землянам, почти незаметны. Требуется разве что чуть-чуть подстраивать часы, используемые в современных системах навигации, но для запуска и сопровождения космических аппаратов достаточно наследия Ньютона.

Осознанная Эйнштейном связь пространства и времени – тот факт, что «пространство указывает материи, как двигаться, материя указывает пространству, как искривляться», – играет решающую роль во многих космических явлениях. Однако проверить теорию, эффекты которой проявляются на огромном удалении, сложно. Почти полвека ОТО оставалась на обочине развития физики, но с 1960-х гг. накопилось достаточно свидетельств в пользу двух ключевых предположений Эйнштейна – Большого взрыва, предопределившего расширение Вселенной, и существования черных дыр (ЧД).

В феврале 2016 г., почти через 100 лет после знаменитого собрания Королевского общества, где прозвучал отчет об экспедиции астрономов, наблюдавших солнечное затмение, теория Эйнштейна была подкреплена заявлением – на сей раз в пресс-клубе в Вашингтоне – о регистрации обсерваторией LIGO[1] гравитационных волн. Этой теме посвящена книга Говерта Шиллинга – увлекательное повествование, охватывающее период более 100 лет.

Эйнштейн видел силу гравитации как «искривление» пространства. Меняя форму, гравитирующие объекты возбуждают волны в пространстве. Когда такая волна оказывается вблизи Земли, наша область пространства «дрожит» – попеременно растягивается и сжимается по мере прохождения сквозь нее гравитационных волн. Однако этот эффект практически незаметен, поскольку сила гравитации – слабое взаимодействие. Гравитационное притяжение объектов, окружающих нас в повседневной жизни, ничтожно. Взмахнув двумя гантелями, вы возбудите гравитационные волны, но пренебрежимо слабые. Даже планеты, вращающиеся вокруг звезд, или взаимно обращающиеся двойные звезды не создают достаточно сильных волн, чтобы их можно было зарегистрировать.

Астрономы пришли к выводу, что источники, доступные для наблюдения LIGO, должны обладать намного более мощной гравитацией, чем обычные звезды и планеты. В идеале это события с участием ЧД. О существовании ЧД известно почти 50 лет. Большинство являются остатками звезд в 20 и более раз массивнее Солнца. Такие звезды ярко светят и гибнут в катаклизме (о котором свидетельствует вспышка сверхновой), причем их внутренняя часть коллапсирует в ЧД. Звездная материя «изымается» из Вселенной, оставляя на покинутом пространстве гравитационный отпечаток.

Две ЧД, которым предстоит образовать двойную систему, постепенно сближаются по спирали. По мере их сближения прилегающее пространство испытывает все большее возмущение, наконец они сливаются в одну вращающуюся ЧД, которая колеблет пространство и «звенит», порождая все новые волны, пока не успокоится и не затихнет. Чирп – сотрясение пространства, ускоряющееся и усиливающееся вплоть до момента слияния ЧД, а затем затухающее, – может зафиксировать LIGO. В нашей Галактике такой катаклизм случается реже чем раз в 1 млн лет. Однако подобное событие порождает сигнал, поддающийся регистрации LIGO, даже если происходит за 1 млрд световых лет[2] от нас – миллионы галактик находятся на меньшем расстоянии. Для обнаружения даже самых благоприятствующих наблюдению событий требуется невероятно чувствительная и очень дорогая аппаратура. В детекторах LIGO пучки мощного лазерного излучения проходят через четырехкилометровые трубы с вакуумом внутри и отражаются от зеркал, установленных в каждом торце труб. Анализируя параметры световых сигналов, можно выявить изменение расстояния между зеркалами, попеременно увеличивающегося и уменьшающегося при расширениях и сжатиях пространства. Амплитуда этого колебания чрезвычайно мала – около 0,0000000000001 см (1×10^–13 см), в миллионы раз меньше размера атома[3]. В обсерватории LIGO используется два одинаковых детектора, разнесенных на расстояние 3000 км, – один находится в штате Вашингтон, другой – в Луизиане. Единичный детектор реагировал бы на микросейсмические волны, проезжающие мимо транспортные средства и т. п. Чтобы исключить ложную тревогу, экспериментаторы берут в расчет лишь те события, которые регистрируются обоими детекторами.

Несколько лет LIGO ничего не обнаруживала. Обсерватория была модернизирована и вновь полноценно заработала в сентябре 2015 г., и тогда после десятилетий разочарований пришел успех – был зарегистрирован чирп, свидетельствующий о столкновении двух ЧД более чем в 1 млрд св. лет от Земли. Возникла новая область науки – экспериментальное исследование динамических характеристик пространства.

К сожалению, широко разрекламированные заявления ученых об открытиях иногда оказываются ошибкой или преувеличением. Подобное случалось и в этой сфере наук, примеры чего я привожу в своей книге. Я считаю себя скептиком, не склонным к легковерию. Но заявления исследователей, работающих с LIGO, – итог нескольких десятков лет усилий опытных ученых и инженеров – звучат убедительно, и на сей раз я уверен, что не разочаруюсь.

Получение этих данных – настоящий прорыв, одно из величайших открытий десятилетия, не уступающее по значимости открытию бозона Хиггса, вызвавшему ажиотаж в 2012 г. Существование бозона Хиггса являлось базисом Стандартной модели физики элементарных частиц, развивавшейся несколько десятилетий. Аналогично гравитационные волны – пульсации ткани пространства – важнейшее и принципиальное следствие ОТО Эйнштейна.

Питер Хиггс 50 лет назад предсказал существование частицы, названной его именем, но обнаружение бозона и установление его свойств стало возможным лишь с развитием технологий. Для этого потребовалась огромная установка – Большой адронный коллайдер. Гравитационные волны были предсказаны еще раньше, но с их обнаружением пришлось повременить, поскольку зафиксировать крайне слабый эффект невозможно без крупномасштабного и исключительно точного оборудования.

Полученные результаты не только с помощью нового метода подтверждают теорию Эйнштейна, но и углубляют знания о звездах и галактиках. Астрономических свидетельств существования ЧД и массивных звезд мало – трудно спрогнозировать, сколько таких объектов окажется в пределах, доступных для наблюдения. Пессимисты полагали, что эти события чрезвычайно редки и даже обновленная, усовершенствованная LIGO ничего не обнаружит, по крайней мере год или два. В действительности, если это не исключительная «везучесть новичка», была открыта новая область астрономии, изучающая динамические характеристики самого пространства, а не наполняющей его материи. К исследованиям подключились другие детекторы в Европе, Индии и Японии, разрабатываются планы запуска аппаратуры в космос.

К сожалению, очень многие ученые уклоняются от популярного объяснения своих идей и открытий, считая их слишком мудреными и сложными для понимания. Ученые излагают свои мысли языком математики, большинству не знакомым, но самое важное можно объяснить обычными словами, если владеешь ремеслом писателя. Говерт Шиллинг – один из лучших авторов, пишущих о науке, – в этой книге он превзошел самого себя. Его повествование охватывает более 100 лет. Ключевые понятия излагаются ясно и интересно и помещаются в исторический контекст, дополняясь образами ученых, отметившихся на этом пути. Некоторые из них были буквально одержимы наукой, что неудивительно, – нужно быть одержимым, чтобы посвящать годы и даже десятилетия сложным экспериментам без малейших гарантий результата. Усилия одиночек опирались на труд сотен специалистов, объединявшихся в команды. Говерт Шиллинг рассказывает о яростных спорах, неудачах и поразительных технических достижениях ученых и инженеров, десятилетиями добивавшихся фантастической точности измерений и получивших эпохальные свидетельства существования пульсаций пространства и времени. Это удивительная история в захватывающем изложении.