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

Введение

На далекой окраине спиральной галактики вокруг заурядной звезды – желтого карлика – обращается маленькая планета, образовавшаяся примерно 3,3 млрд лет назад из скопления пыли и более крупных частиц. Из космического пространства в ее теплые океаны попали органические соединения, из которых сформировались самореплицирующиеся молекулы. Теперь эти воды изобилуют одноклеточными формами жизни. Пройдет не слишком много времени, и жизнь на голубой планете начнет осваивать пустынные прежде континенты.

В другой оконечности огромной Вселенной короткое существование двух сверхмассивных звезд завершается колоссальными вспышками сверхновых. Вследствие этого катастрофического события образуется тесная двойная система ЧД, каждая из которых в десятки раз массивнее далекого желтого карлика. Их гравитация притягивает газ и пыль, оказавшиеся поблизости, и искривляет траекторию света в прилегающем пространстве. Ничто не может вырваться из чудовищного гравитационного поля этой космической бездонной ямы.

Вращаясь вокруг общего центра масс, ЧД порождают волны – слабые пульсации пространства-времени, распространяющиеся со скоростью света. Волны уносят энергию, вследствие чего ЧД все больше сближаются, пока не начинают совершать несколько сотен оборотов в секунду со скоростью вполовину скорости света. Пространственно-временной континуум растягивается и сжимается, слабые возмущения превращаются в мощные волны. Наконец, две ЧД коллапсируют и сливаются в одну, что сопровождается сильнейшим выбросом гравитационной энергии. На месте катастрофы вновь воцаряется покой, но отголоски события – последние мощные всплески гравитации – распространяются в космосе, словно цунами.

Отзвуки гибели пары ЧД достигают границ нашей спиральной галактики лишь через 1,3 млрд лет. За это время они становятся гораздо слабее, и, хотя по-прежнему сжимают и растягивают все объекты на своем пути, этого никто не замечает. Поверхность голубой планеты теперь покрыта папоротниками и деревьями, гигантские рептилии уже вымерли из-за последствий столкновения с астероидом, а эволюция одного из множества видов здешних млекопитающих увенчалась появлением любознательных двуногих созданий.

Гравитационные волны, порожденные слиянием двух ЧД, входят во внешнюю область Млечного Пути. Теперь им потребуется всего лишь 100 000 лет, чтобы достичь окрестностей Солнца. Пока они несутся со скоростью 300 000 км/с к Земле, ее разумные обитатели приступают к изучению Вселенной, частью которой являются. Они шлифуют линзы для телескопов, открывают новые планеты и их спутники и составляют карту Млечного Пути.

За 100 лет до момента встречи гравитационных волн с Землей – когда они прошли 99,99999 % пути продолжительностью 1,3 млрд лет – 26-летний ученый Альберт Эйнштейн заявляет о теоретической возможности их существования. Проходит еще полвека, прежде чем люди всерьез берутся за поиски этих волн. Наконец в начале XXI в. появляются достаточно чувствительные детекторы. Проработав лишь несколько дней, аппаратура регистрирует слабые колебания, амплитуда которых много меньше размера атомного ядра.

В понедельник, 14 сентября 2015 г., в 09:50:45 по Гринвичу предположение, выдвинутое Эйнштейном 100 лет назад, подтверждается: астрономы получают гравитационное «сообщение» о коллапсе ЧД, произошедшем в чрезвычайно отдаленной галактике.

Первая прямая регистрация гравитационной волны по праву считается одним из величайших научных открытий нового столетия. Последующая регистрация волн с помощью еще более чувствительных приборов откроет перед астрономами совершенно новые возможности изучения Вселенной и подарит физикам надежду разгадать наконец тайну пространства и времени.

Замысел этой книги зародился у меня за несколько лет до появления в интернете информации о проекте LIGO – лазерно-интерферометрической обсерватории гравитационных волн. Было бы замечательно, подумал я, окончить рукопись одновременно с первым в истории наблюдением гравитационной волны. Книгу можно было бы опубликовать вскоре после сообщения об эксперименте, упомянув о полученных результатах в эпилоге.

Научно-технический прогресс, однако, оказался более стремительным, чем я предполагал. Едва ли кто ожидал, что первые же дни использования детектора принесут успех. Как результат, большую часть исследований и работы над рукописью мне пришлось проделать после эпохального открытия. Теперь, когда книга окончена, я вижу, что все сложилось наилучшим образом – открытие стало не постскриптумом, а неотъемлемой частью повествования.

Историю гравитационно-волновой астрономии писали и до меня. В этой книге она лишь часть сюжета. В ней речь идет также о развитии науки, путях, ведущих к открытиям, событиях сегодняшнего дня и видах на будущее, в котором изучение гравитационных волн станет полноценной областью астрономии. Обнаружение GW150914 – сигнала, зарегистрированного в памятный понедельник, – это и кульминация вековых поисков, и первая страница совершенно новой главы в исследовании Вселенной.