Говерт Шиллинг

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

Переводчик Наталья Колпакова

Научный редактор Олег Верходанов, д-р физ. – мат. наук

Редактор Антон Никольский

Руководитель проекта И. Серёгина

Корректоры Е. Аксёнова, С. Чупахина

Компьютерная верстка М. Поташкин

Дизайн обложки Ю. Буга

Иллюстрация на обложке Shutterstock

© Govert Schilling, 2017

This edition published by arrangement with The Science Factory, Louisa Pritchard Associates and The Van Lear Agency LLC

© Издание на русском языке, перевод, оформление. ООО «Альпина нон-фикшн», 2019

Все права защищены. Данная электронная книга предназначена исключительно для частного использования в личных (некоммерческих) целях. Электронная книга, ее части, фрагменты и элементы, включая текст, изображения и иное, не подлежат копированию и любому другому использованию без разрешения правообладателя. В частности, запрещено такое использование, в результате которого электронная книга, ее часть, фрагмент или элемент станут доступными ограниченному или неопределенному кругу лиц, в том числе посредством сети интернет, независимо от того, будет предоставляться доступ за плату или безвозмездно.

Копирование, воспроизведение и иное использование электронной книги, ее частей, фрагментов и элементов, выходящее за пределы частного использования в личных (некоммерческих) целях, без согласия правообладателя является незаконным и влечет уголовную, административную и гражданскую ответственность.

* * *

Издание подготовлено в партнерстве с Фондом некоммерческих инициатив «Траектория» (при финансовой поддержке Н.В. Каторжнова).

Фонд поддержки научных, образовательных и культурных инициатив «Траектория» (www.traektoriafdn.ru) создан в 2015 году. Программы фонда направлены на стимулирование интереса к науке и научным исследованиям, реализацию образовательных программ, повышение интеллектуального уровня и творческого потенциала молодежи, повышение конкурентоспособности отечественных науки и образования, популяризацию науки и культуры, продвижение идей сохранения культурного наследия. Фонд организует образовательные и научно-популярные мероприятия по всей России, способствует созданию успешных практик взаимодействия внутри образовательного и научного сообщества.

В рамках издательского проекта Фонд «Траектория» поддерживает издание лучших образцов российской и зарубежной научно-популярной литературы.

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.

Мартин Рис

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.

1

Знакомство с пространственно-временным континуумом

Джо Купер облачается в скафандр НАСА и надевает шлем. Если при запуске возникнут неполадки, ему понадобится кислород. Техники помогают ему войти в космический аппарат, расположенный на самом верху ракеты. По радиосвязи он слышит обратный отсчет и чувствует, как адреналин разливается по кровеносной системе. Купер не робкого десятка, но невозможно сохранить абсолютное хладнокровие, когда готовишься устремиться в космос на столбе пламени.

Вскоре он и трое других астронавтов в пути. Все идет по плану. За маленькими окнами корабля синева небес уступает место черноте безвоздушного пространства. Двигатели выключаются, возникает невесомость. Им остается сблизиться с огромной космической станцией, обращающейся вокруг Земли со скоростью более 8 км/с, и пристыковаться. Проще простого.

Казалось бы, рядовой полет к Международной космической станции (МКС) на борту российского корабля «Союз». Обычное дело… или нет? Никто не слышал об астронавте НАСА по имени Джо Купер. И трех спутников у Купера быть не могло. Любой астронавт объяснит, что «Союз» слишком мал для четверых – в нем и троим тесно.

История продолжается. Корабль, к которому пристыковываются астронавты, называется «Эндьюранс» и не имеет ничего общего с МКС. Наконец, они летят на «Эндьюранс» к Сатурну, исчезают в «кротовой норе», выныривают в другой галактике, выходят на орбиту гигантской ЧД под названием «Гаргантюа» и посещают чужие планеты. Купер даже наведывается в гиперпространство.

Это сюжет голливудского блокбастера 2014 г. «Интерстеллар»[4], снятого Кристофером Ноланом с актером Мэттью Макконахи в роли астронавта Купера. Если вы интересуетесь космической тематикой, то всё поняли по одному только имени героя. Возможно, вы даже посмотрели «Интерстеллар» большее число раз, чем я. Это выдающееся кино.

Из ряда научно-фантастических фильмов «Интерстеллар» выделяет наряду с прочим подбор исполнительных продюсеров. Это Джордан Голдберг («Бэтмен», «Начало»), Джейк Майерс («Выживший»), Томас Тулл («Мир Юрского периода»), а также Кип Торн, почетный фейнмановский профессор теоретической физики Калифорнийского технологического института в Пасадене. Не многие физики-теоретики по совместительству продюсируют фильмы.

Что происходит, когда ученый участвует в работе над научно-фантастической картиной? Можно надеяться, что результат не будет противоречить научным знаниям. «Интерстеллар» соответствует им на очень высоком уровне. Торн помог выстроить сюжетную линию. Он познакомил сценариста, режиссера, команду создателей спецэффектов и актеров с астрономией и ОТО. Торн даже написал уравнения на доске одного из персонажей, профессора Джона Бранда (в исполнении Майкла Кейна). К сожалению, Торн не появился на экране в роли самого себя. Очевидно, впрочем, что робот КИПП назван в его честь.

Трудно было бы найти человека, более подходящего на роль научного консультанта фильма о ЧД, чем Кип Торн. Он один из немногих людей, понимающих удивительные свойства пространственно-временного континуума. В 1990 г. Торн даже выиграл пари, которое заключил 15 годами ранее с британским коллегой и другом Стивеном Хокингом в отношении истинной природы космического источника рентгеновского излучения – Лебедь Х-1. (Призом стала годовая подписка на журнал «Пентхаус».) Вышедшая в 1994 г. книга Торна «Черные дыры и складки времени» стала национальным бестселлером.

В начале 2016 г. имя Торна вновь было у всех на слуху. 11 февраля ученые объявили о первом успехе в прямой регистрации гравитационных волн. В отдаленной области Вселенной коллапсировали и слились две ЧД. Столкновение вызвало возмущения пространственно-временного континуума. Проделав путь, превышающий 1 млрд св. лет, волны 14 сентября 2015 г. достигли Земли. Два гигантских детектора LIGO в США зафиксировали мельчайшую дрожь. LIGO – это детище Торна и его коллег-физиков Райнера Вайсса и Рональда Древера.

_________

Никто не видел ЧД вблизи. Никто не знает, существуют ли «кротовые норы». Гравитационные волны настолько малы, что их можно зарегистрировать только сверхчувствительными приборами. Искривление пространства, замедление времени – все это слишком сложно и оторвано от повседневного опыта. Чтобы действительно понимать подобные вещи, нужно разбираться в ОТО Эйнштейна.

Широко известна история об английском астрономе Артуре Стэнли Эддингтоне. В начале XX в. Эддингтон – мы вновь встретимся с ним в главе 3 – был одним из крупнейших популяризаторов новой теории пространственно-временного континуума, предложенной Эйнштейном. После публичной лекции один из слушателей спросил его: «Профессор Эддингтон, правда ли, что только три человека в мире действительно понимают общий принцип относительности?» Поразмыслив, Эддингтон произнес: «Интересно, кто третий?»

Разумеется, все не настолько сложно. Десятки тысяч физиков-теоретиков по всему миру владеют базовыми принципами ОТО. Постоянно появляются новые теоретические разработки, особенно касающиеся ЧД, где становятся важны квантовые эффекты: теория испарения ЧД Стивена Хокинга, «кротовые норы» как кратчайшие пути в пространстве в представлении Кипа Торна, голографический принцип Герарда т’Хоофта и «стена огня» Леонарда Сасскинда.

Я не стану сейчас вдаваться в детали, но, если величайшие умы современности продолжают высказывать поразительные догадки (и спорить о них), следовательно, они еще не овладели ОТО в полной мере. Приведенные примеры – немногие идеи, не кажущиеся высосанными из пальца. В журнале Physical Review Letters выходят статьи об 11-мерном пространственно-временном континууме, путешествиях во времени и множественной Вселенной. И вы считали, что в «Интерстеллар» слишком много натяжек?

Вероятно, поэтому многие интересуются этой, казалось бы, оторванной от жизни темой. Незачем знать, что такое ЧД, чтобы баллотироваться в президенты. Гравитационные волны не решат проблему глобального потепления. Можно прожить жизнь, не задумываясь об общем принципе относительности (единственное впечатляющее исключение я приберег для главы 3). Но это очень интересно, захватывающе и, бесспорно, будоражит воображение – возможно, достаточно веские причины.

Более того, ОТО объясняет, как функционирует мир на фундаментальном уровне. Что, как не стремление понять мир, отличает нас от животных?

Честно говоря, долгие тысячелетия нам это не особенно удавалось. Первые сельскохозяйственные культуры возникли около 12 000 лет назад на Среднем Востоке. К тому времени люди прекрасно знали о круговом движении Солнца и Луны. Они увидели закономерности в расположении звезд и даже заметили, что несколько ярких звезд медленно движутся через созвездия. Вот, собственно, и все. Люди не имели ни малейшего представления о том, как в действительности устроены небесные тела. И даже не стремились узнать. Солнце, Луна и планеты представлялись им богами – внешними и высшими по отношению к обыденности.

Эта картина почти не менялась вплоть до появления великих греческих философов примерно 2500 лет назад. Сотни поколений миновали 9500 лет без существенного прогресса. Если сжать 12 000 лет истории в одни сутки, начав отсчет с полуночи, получим, что Аристотель предложил первую модель Вселенной в виде вложенных хрустальных сфер уже после семи вечера. Наши предки обладали интеллектом – в конце концов, они относились к тому же виду Homo sapiens, что и мы. Просто эта тема не особенно их занимала.

Греки заинтересовались ею. Они справедливо предположили, что Земля представляет собой сферу, и даже вычислили ее окружность с удивительной точностью. (В некоторых учебниках до сих пор утверждается, что Христофор Колумб первым определил форму Земли, но это чушь.) Пусть греки не знали, что такое Солнце, Луна, планеты и звезды, они по крайней мере пытались раскрыть тайну их сложного движения.

Их усилия увенчало появление геоцентрической картины мира Клавдия Птолемея, жившего около 19 веков назад на территории нынешнего северного Египта. (В условных сутках, начавшихся с возникновения сельского хозяйства, это примерно 20:10.) Как явствует из названия, Птолемеева модель мира помещала в центр мироздания Землю. Солнце, Луна и планеты двигались вокруг Земли по сложным комбинациям первичных и вторичных орбит. Птолемеева картина мира даже объясняла, почему планеты то и дело движутся в обратном направлении.

Хорошо, но мимо! Прошли столетия, прежде чем люди поняли, что они что-то упускают. Все изменилось с обнародованием гелиоцентрической картины мира польского астронома Николая Коперника в 1543 г. – сразу после 23:00 условных суток. Человечество шло к пониманию мира удручающе долго, бóльшую часть своей 12-тысячелетней истории.

С открытием Коперника развитие науки ускорилось. Ученые установили, что книга природы написана на языке математики, как изящно сформулировал итальянский физик Галилео Галилей. Галилей изучал движение тел, доказал ошибочность ряда предположений Аристотеля и описал собственные выводы с помощью математических уравнений. Вскоре немецкий ученый Иоганн Кеплер сформулировал знаменитые законы движения планет.

Какое отношение эта история имеет к ЧД, гравитационным волнам и загадкам пространственно-временного континуума? Самое непосредственное. Коперник, Галилей и Кеплер заложили фундамент, на котором Исаак Ньютон выстроил теорию всемирного тяготения, впервые опубликованную в 1678 г. А теория относительности Альберта Эйнштейна – послужившая научной основой фильма «Интерстеллар» – заменила идеи Ньютона. Мы способны постигать мир, лишь совершенствуя работу других. Хрустальные сферы Аристотеля и «кротовые норы» Кипа Торна связаны великой дугой научного постижения и открытий.

Следующая революция свершилась в начале XVII в. Это была революция инструментов. Телескоп изобрел датский изготовитель очков Ханс Липперхей, но первым применил Галилей, открывший кратеры и горы на Луне, темные пятна на Солнце, спутники Юпитера и бесчисленные звезды в Млечном Пути. Впоследствии все более крупные телескопы рассказали нам о существовании двойных звезд, астероидов, туманностей и галактик – а также, разумеется, ЧД. Без телескопа астрономия до сих пор пребывала бы в зачаточном состоянии.

_________

Давайте совершим краткую виртуальную экскурсию по космосу, чтобы убедиться, что верно представляем себе общую картину[5].

Земля – это планета. Наряду с другими семью планетами она обращается вокруг Солнца. Четыре внутренние планеты (Меркурий, Венера, Земля и Марс) невелики и состоят из металлов и скальных пород. Четыре внешние (Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун) огромны; их преимущественный состав – газ и лед. Между орбитами Марса и Юпитера расположен пояс астероидов – каменистых остатков процесса формирования Солнечной системы. За Нептуном – еще один пояс остаточного происхождения, включающий шарики льда и заледеневшие карликовые планеты, самой крупной из которых является Плутон.

Взгляните на небо днем, и вы увидите огромную сферу раскаленного газа – Солнце[6]. Планеты Солнечной системы получают свет и тепло только от Солнца. Ночью на небе видны тысячи других «солнц» – звезды. Они кажутся маленькими, бледными и холодными, но только потому, что находятся чудовищно далеко. Солнце на подобном расстоянии также выглядело бы крохотным пятнышком.

В главе 5 я расскажу о звездах намного больше. Пока просто запомним, что каждая звезда является «солнцем» и что большинство из них, вероятно, имеют собственные системы планет. На данный момент открыто значительно больше 3000 экзопланет[7].

Очень жаль, что мы не можем отправиться к звездам и изучить их вблизи, во всяком случае в обозримом будущем. Даже свету, движущемуся со скоростью 300 000 км/с, требуется 4,3 года, чтобы дойти от Солнца до ближайшей звезды Проксима Центавра. Поэтому астрономы говорят, что Проксима Центавра находится на расстоянии 4,3 св. лет. (Один световой год равен 300 000 × 60 × 60 × 24 × 365,25 км. Это почти 9,5 трлн км.)

Вы когда-нибудь пытались считать звезды на ночном небе? Невооруженным глазом видно несколько тысяч, в зависимости от того, насколько темным является небо. Большинство находится в нескольких десятках или сотнях световых лет – невероятно далеко для большинства людей, но относительно близко с точки зрения астрономов. Для нас это космическое подворье.

Огромное большинство звезд нашей галактики Млечный Путь находится гораздо дальше. Их можно увидеть только в телескоп. Они имеют различные цвета и размеры, а их названия – красные карлики, белые карлики, желтые субгиганты, голубые сверхгиганты – наводят на мысль об обитателях сказочного леса. Их очень много. В настоящее время астрономы считают, что Млечный Путь включает несколько сот миллиардов звезд. Одна из них – наше Солнце.

Это еще не все. Млечный Путь не единственная галактика, во Вселенной их множество. Величественные спирали, например Млечный Путь и туманность Андромеды, гигантские эллиптические скопления старых звезд, карликовые галактики неправильной формы – это ошеломляющее разнообразие и ошеломляющее множество в пространстве протяженностью многие миллиарды св. лет.

В декабре 1995 г. астрономы впервые направили космический телескоп «Хаббл» на крохотную область неба, казавшуюся пустой. Затворы фотокамеры оставались открытыми 10 дней. Так было сделано потрясающее фото более тысячи бледных далеких галактик в области, которую можно было бы заслонить головкой булавки, зажатой в вытянутой руке. Сместившись вправо или влево на расстояние, равное диаметру булавочной головки, мы получили бы изображение еще тысячи отдаленных галактик.

Итак, современникам наблюдаемая Вселенная видится большой, темной, холодной и пустой. Но повсюду в космическом пространстве разбросано около 2 трлн галактик, сгруппированных в скопления и кластеры. Вы оказались далеко в космосе и хотите найти дорогу домой? Надеюсь, вы обзавелись сверхточной навигационной системой – на «космических хайвеях» нет дорожных указателей. Проще нашарить хрестоматийную иголку в стоге сена.

Если вам удастся отыскать галактику Млечный Путь, задержитесь на мгновение, чтобы полюбоваться зрелищем. Несколько сот миллиардов «солнц» сгруппированы в красивые спиральные рукава среди звездных скоплений, ярких туманностей и темных облаков пыли. Одна из этого множества – весьма неприметная, заурядная звезда – наше Солнце. Она проводит жизнь на тихой окраине Млечного Пути, у внутреннего края спирального рукава, где почти никогда ничего не происходит.

Вокруг крохотного огонька движутся восемь крошечных планет. Одна из четырех самых маленьких – Земля. На этой «крупице пыли» в последние столетия люди стали подбираться к открытию тайн Вселенной.

Во всяком случае, мы к этому стремимся.

Как унизительно! Homo sapiens практически невозможно обнаружить в безбрежности космического пространства. В освоении космоса мы тоже делаем первые шаги.

Есть наглядное сравнение. Представим, что вся история Вселенной издана в виде энциклопедии в 14 томов. 14 толстых фолиантов, каждый в 1000 страниц мелким шрифтом. Большой взрыв – первая строка на первой странице 1-го тома. Первые звезды и галактики сформируются примерно к середине 1-го тома. Рождение Солнца и его планет будет описано лишь в 10-м. Вымирание динозавров на с. 935 14-го тома. Появление Homo sapiens – на с. 1000 в нижней пятой части. Вся наша письменная история уложится во вторую половину самой последней строчки.

_________

Методы астрономов – лишь один из путей постижения нашего мира. Многие физики воспользовались бы иным: вместо того чтобы описывать все, что видишь (галактики, звезды, планеты), они бы выяснили, из чего все это состоит и как функционирует.

Представим, что астроном и физик сообща изучают роман Дж. Р. Р. Толкиена «Властелин колец». Астроном, сообщая о результатах своих исследований, изложит фабулу, опишет действующих лиц, метафорический смысл произведения, авторский стиль и т. д. Физик поведет речь об алфавите, частоте употребления букв, правилах пунктуации и грамматики.

Но разве все эти правила не одинаковы во многих совершенно разных книгах? «Да!» – с энтузиазмом подтвердит физик. В этом и прелесть его подхода. Можно отвлечься от частностей и заняться поиском общих базовых закономерностей, чтобы прийти к доступному максимально глубокому пониманию. Конечно, у обоих подходов есть свои сильные и слабые стороны. По сути, они прекрасно дополняют друг друга.

Как любая книга пишется небольшим количеством различных букв и должна подчиняться правилам грамматики, так и все объекты во Вселенной состоят из малого числа элементарных частиц, взаимодействующих посредством фундаментальных сил природы.

Поразительно то, что окружающий мир – булавочные головки, люди, планеты и протоскопления галактик – состоит из элементарных частиц всего лишь трех типов: верхних кварков (u-кварков), нижних кварков (d-кварков) и электронов. Как буквы составляются в слова, предложения, абзацы и книги, так и эти три частицы составляют атомы, молекулы, сложные вещества – буквально каждый объект, который вы можете себе представить.

Что касается фундаментальных сил природы, физикам известны только четыре, две из которых действуют на очень близких дистанциях – в масштабе атомного ядра, поэтому называются сильным и слабым ядерными взаимодействиями. Две другие силы – электромагнитное и гравитационное взаимодействия – проявляются в макромире, о чем известно каждому, кому случалось включить свет или уронить стакан.

Я сейчас упускаю великое множество деталей. Нейтрино, нестабильные элементарные частицы, знаменитый бозон Хиггса, темная материя, суперсимметричные частицы, тетракварки, возможно существующее пятое взаимодействие – список можно продолжать. Интересующихся я отсылаю к популярным книгам об элементарных частицах, поэтому не стану вдаваться в подробности, хотя еще вернусь к нейтрино и темной материи.

В нашем разговоре о пространственно-временном континууме и гравитационных волнах важна загадка силы гравитации. Всем известны ее наглядные проявления. Однако в некотором отношении гравитация резко отличается от других фундаментальных взаимодействий. Альберт Эйнштейн объяснял это тесной связью гравитации с пространством и временем.

Попытаемся объяснить это Исааку Ньютону. Ньютон, разумеется, не знал истинной природы гравитации. Он просто вывел универсальную формулу, эффективно описывающую силу притяжения двух масс, находящихся на определенном расстоянии друг от друга. Но, как большинство его современников, Ньютон считал пространство и время независимыми, абсолютными понятиями.

Фактически взгляды Ньютона на пространство и время во многом близки нашим интуитивным представлениям. Пространство попросту существует – трехмерное ничто, простирающееся бесконечно. Физический объект (будь то элементарная частица или планета) может находиться в некотором положении в пространстве или двигаться из одного положения в другое. Если выбрать определенную точку отсчета, все остальные местоположения можно будет задать всего лишь тремя координатами. Ведите отсчет от избранной точки, и три числа укажут, на какое расстояние нужно переместиться вперед или назад, вправо или влево, а также вверх или вниз, чтобы попасть в другую точку. Пространство – нечто вроде трехмерной миллиметровки. Это пустой неизменяющийся задник, на фоне которого происходят все события во Вселенной.

А время? Воображаемые часы природы отсчитывают и мгновения обычного дня, и каждую секунду после рождения Вселенной. Время – это абсолютный, непогрешимый метроном космоса, отмечающий все и каждое событие уникальной меткой. Кстати, оно одномерно: если выбрана точка отсчета, требуется только одно число, чтобы узнать, в какое время произошло любое другое событие.

Вы с легкостью представите пространство и время так, как их мыслил Ньютон. Это естественное восприятие. Наш мозг так устроен, что приходит именно к этой наглядной картине.

Увы, она ложна.

Эйнштейн показал, что пространство и время связаны. Трехмерное пространство и одномерное время в действительности сплетены в четырехмерный пространственно-временной континуум.

Эйнштейн также доказал, что пространство и время не абсолютны, а относительны. Именно поэтому его революционная теория называется теорией относительности. Каково расстояние между двумя точками в пространстве? Зависит от того, кого вы спрашиваете. Для путешественника, перемещающегося со скоростью, равной половине скорости света, расстояние между двумя точками пространства намного меньше, чем для находящегося в состоянии покоя (покоящегося относительно двух точек). Это справедливо и для отрезка времени между двумя событиями. Чем быстрее вы движетесь, тем медленнее идут ваши часы. Единственное, что является абсолютным – одинаковым для всех наблюдателей, независимо от их движения, – это четырехмерный промежуток между двумя событиями (в двух местоположениях) пространственно-временного континуума.

Наконец, Эйнштейн показал, что масса (а также энергия) оказывает влияние на четырехмерный пространственно-временной континуум. Плоскости слегка искривляются под воздействием массивных объектов, например звезд или ЧД. (Эффект более маленьких и легких объектов – астероидов или яблок – пренебрежимо мал.) Вследствие этого все, что движется по прямой, будь то свет или планета, в присутствии массивного тела начинает двигаться по криволинейной траектории. То, что мы воспринимаем как гравитацию, в действительности является следствием воздействия кривизны пространственно-временного континуума на движение других тел. Поскольку мы говорим об искривлении пространственно-временного континуума, время также испытывает влияние массивных тел – вблизи ЧД часы замедляются.

Если все это кажется вам бредом, познакомьтесь с астронавтом Джо Купером из фантастического фильма «Интерстеллар». Вместе с партнерами по команде Амелией Бранд и Дойлом он провел лишь несколько часов в мире, названном планетой Миллер, на орбите гигантской ЧД Гаргантюа. Из-за чрезвычайной близости орбиты планеты к ЧД искривление пространственно-временного континуума оказалось очень сильным, и время там буквально ползло. К возвращению Купера, Бранд и Дойла на «Эндьюранс» четвертый член команды Николай Ромилли постарел на 23 года.

Сильное искривление пространственно-временного континуума проявляется в облике самой Гаргантюа. ЧД окружена в области экватора плоским диском перегретого газа, из которого материя падает в дыру. По идее, вы должны были бы увидеть только ближнюю сторону диска. В конце концов, его дальняя сторона находится за ЧД. Но в силу искривления пространственно-временного континуума свет дальней стороны изгибается и обходит всю Гаргантюа. ЧД предстает в окружении яркого кольца.

Думаю, временами одержимость Кипа Торна должна была раздражать художников по спецэффектам и компьютерной анимации лондонской фирмы Double Negative, которой пришлось превращать его уравнения, описывающие пространственно-временной континуум, в захватывающие кадры. Иногда последнее слово оставалось не за физиком Калифорнийского технологического института, и научная достоверность отчасти страдала. В своей книге «Интерстеллар: Наука за кадром» (The Science of Interstellar), изданной в 2014 г., Торн вспоминает, что режиссер фильма Кристофер Нолан не хотел слишком усложнять зрителям жизнь. В конечном счете Торн остался очень доволен. «Как я был рад, когда впервые увидел эти кадры! – пишет он. – Впервые за всю историю в голливудской картине ЧД и ее диск были изображены так, как мы, люди, увидим их в реальности, когда научимся совершать межзвездные перелеты».

_________

Итак, мы можем описать и визуализировать влияние искривления пространственно-временного континуума, меняющее траекторию света и ход времени. Но как представить этот четырехмерный конструкт, тем более его искривление?

В 1917 г. Альберт Эйнштейн написал о своей новой теории небольшую книгу, названную без затей «О специальной и общей теории относительности (общедоступное изложение)»[8]. Впоследствии об относительности писали и другие авторы. Одна из самых забавных работ – «Мистер Томпкинс в Стране Чудес», написанная в 1940 г. космологом Георгием Гамовым[9]. Она до сих пор издается, и это не случайно. В раннем подростковом возрасте я залпом прочел другую книгу – «Экскурсия по пространству и времени» (Guided Tour Through Space and Time)[10] венгерского физика Эвы Феньо, написанную в 1959 г. Если вы хотите серьезно углубиться в предмет, непременно прочитайте захватывающую книгу Кипа Торна «ЧД и складки времени: Дерзкое наследие Эйнштейна»[11] (1994). В ней более 600 страниц, но она адресована массовому читателю.

Для визуализации четырех измерений используется нехитрый прием – забыть об одном из них. Разумеется, мы не станем игнорировать временнóе измерение, но отбросить одно из пространственных – допустимо. Таким образом, остаются два пространственных измерения и одно временнóе. Пространственно-временной континуум становится трехмерным, а с тремя измерениями мы знакомы.

В двухмерном пространстве предметы могут перемещаться только вперед или назад и влево или вправо. Верх и низ отсутствуют. Давайте сосредоточимся на движениях, совершаемых в двух измерениях, в горизонтальной плоскости.

Представьте два объекта, движущиеся в плоскости по прямой. Один из них – луч света звезды, имеющий скорость 300 000 км/с, другой – планета, перемещающаяся в том же направлении, но в 10 000 раз медленнее, со скоростью не более 30 км/с. Если ни на один из этих объектов не оказывается никакое внешнее воздействие, оба будут двигаться по неизменной прямой, хотя и с очень разными скоростями.

Теперь поместим Солнце в эту плоскость примерно в 150 млн км от прямой. Мы знаем, что масса Солнца создает искривление пространственно-временного континуума. Вследствие этого траектория движения как света, так и планеты искривляется. Но вот что странно: траектория света меняется крайне мало (мы вернемся к воздействию Солнца на траекторию света в главе 3), а планеты – назовем ее Землей – гораздо сильнее, превращаясь в круговую орбиту. Что произошло? Если на оба объекта воздействует одна и та же сила, разве они не должны следовать траекториями одинаковой кривизны?

Нет, не должны. И вот почему: мы рассматриваем искривление не пространства, а пространственно-временного континуума. Чтобы действительно понять происходящее, нужно добавить в наше двухмерное пространство временнóе измерение и рассмотреть движение в трехмерном пространственно-временном континууме. Итак, время замещает собой третье пространственное измерение (верх/низ). Фактически мы создали новую трехмерную систему координат. По осям х и у – в горизонтальной плоскости – деления отмечают каждые 300 000 км (расстояние, которое свет проходит за секунду). По вертикальной оси z имеются аналогичные деления, соответствующие секундам.

Давайте снова рассмотрим траекторию света. В нулевой момент времени он находится в центральной точке пространства. Через одну секунду он уже переместился в пространстве на 300 000 км – одно деление в горизонтальной плоскости. Но в трехмерном пространственно-временном континууме он также сдвинулся на одно деление вверх. Ведь прошла одна секунда. Итак, в пространственно-временном континууме свет движется под углом 45°.

Теперь взглянем на Землю. За секунду она проходит только 30 км. Нашей планете нужно 10 000 секунд (2 часа и почти 47 минут), чтобы проделать в пространстве путь в 300 000 км. Поэтому траектория движения Земли в трехмерном пространственно-временном континууме (ее мировая линия) имеет гораздо меньший наклон, чем траектория света – всего около 20 угловых секунд (угловая секунда равна 1/3600 градуса). У стороннего наблюдателя создается впечатление, что свет движется по диагонали, а планета практически точно вверх – почти вертикально.

Пока все ясно. Но что произойдет, если добавить в схему Солнце? В нашей упрощенной схеме Солнце не движется в пространстве – его скорость равна 0 км/с. Соответственно, в трехмерном пространственно-временном континууме оно перемещается строго вертикально. Однако масса Солнца вызывает крохотное искривление пространственно-временного континуума. В результате и мировая линия луча света, и мировая линия планеты чрезвычайно слабо отклоняются. Вот как это происходит.

Диагональная мировая линия света слегка искривляется, но в течение очень недолгого времени, поскольку у него очень высокая скорость. Не пройдет и мгновения, как свет оставит далеко позади область, где пространственно-временной континуум искривлен массой Солнца. Как и раньше, он движется строго прямолинейно, в то же время смещаясь вверх под углом 45°, только теперь этот наклон имеет чуть-чуть иное направление. В проекции на двухмерную плоскость мы видим, что траектория света слегка изменилась.

Напротив, Земля остается в области искривления. Она продолжает двигаться в пространственно-временном континууме почти вертикально под одним и тем же углом 20″. Но направление этого крохотного наклона медленно, но постоянно меняется из-за искривления, создаваемого массой Солнца. По прошествии почти 8 млн секунд (около трех месяцев) направление изменится на полных 90°. В проекции на двухмерное пространство мы увидим, что планета прошла четверть своей орбиты вокруг Солнца.

Это слабое искривление! За 8 млн секунд планета переместилась на 8 млн делений «вверх» в пространственно-временном континууме. В то же время она проделала в пространстве каких-то 236 млн км. Это менее 800 делений в горизонтальной плоскости. Было бы чрезвычайно сложно заметить отклонение траектории планеты в пространственно-временном континууме невооруженным глазом – траектория представляет почти идеальную прямую.

Через год Земля совершит полный оборот вокруг Солнца, равный около 940 млн км в пространстве. На это ей потребуется 31,5 млн секунд. Спиральная мировая линия Земли в пространственно-временном континууме практически неотличима от прямой. Причина этого в том, что Солнце не является чрезвычайно массивным объектом и вызывает слабое искривление пространственно-временного континуума. Тем не менее если забыть о временнóм измерении и смотреть только на плоское двухмерное пространство, то окажется, что траектория Земли сильно отклонена – настолько, что превратилась в знакомую всем круговую орбиту. Между тем свет уже промчался почти четверть расстояния до ближайшей звезды.

_________

Понять эти вещи довольно сложно, если слышишь о них впервые, – и я даже не предлагаю вам представить четырехмерный пространственно-временной континуум. (Если вы запутались, попробуйте перечитать предыдущие страницы завтра утром или на следующей неделе.) Как бы то ни было, теперь вы понимаете, почему применительно к пространственно-временному континууму и общему принципу относительности обыденное восприятие нас подводит.

Это поучительный пример. Рассматривая сталкивающиеся ЧД, чрезвычайно сильное искривление пространственно-временного континуума и гравитационные волны, нельзя доверять интуиции. Опираться нужно на расчеты суперкомпьютера, выполненные на основе ОТО Альберта Эйнштейна. Если мы доверяем Эйнштейну, то должны соглашаться с результатами таких расчетов.

Это одна из причин восхищения Кипа Торна тем, каким получился фильм «Интерстеллар». В распоряжении компании – разработчика визуальных спецэффектов, такой как Double Negative, имеются намного более мощные компьютеры, чем у физика-теоретика из Калифорнийского технологического института. Созданные ими сцены дают таким ученым, как Торн, новые ценные идеи. В «Интерстеллар: Наука за кадром» он пишет: «Для меня эти отрывки из фильма подобны экспериментальным данным: они показывают то, что я ни за что не увидел бы самостоятельно, без моделирования»[12].

Как поступают ученые, если у них появляются идеи? Разумеется, публикуют статью. Торн издал даже две статьи – о «кротовой норе» и о гигантской ЧД Гаргантюа из «Интерстеллар». Поищите их текст в интернете. Первая статья, озаглавленная «Визуализация кротовой норы в “Интерстеллар”» (Visualizing Interstellar’s Wormhole), была опубликована в престижном American Journal of Physics. Вторая, «Гравитационное линзирование, создаваемое вращающимися ЧД, в астрофизике и в фильме “Интерстеллар”» (Gravitational Lensing by Spinning Black Holes in Astrophysics, and in the Movie Interstellar) – в другом профессиональном журнале, Classical and Quantum Gravitation[13]. Соавторами обеих статей выступили Оливер Джеймс, Юджин фон Тунцельман и Пол Франклин. Джеймс является главным научным консультантом Double Negative, фон Тунцельман – ответственный руководитель компании по компьютерной графике, а Франклин – сооснователь Double Negative и ответственный руководитель по визуальным эффектам. Физику-теоретику приятно, что его упомянули в интернет-базе кинофильмов (IMDb) в качестве исполнительного продюсера, но специалистам по спецэффектам не менее лестно их включение в arXiv.org – крупнейшее в мире электронное хранилище научных статей по физике.

_________

Торну пришлось смириться с одним небольшим разочарованием. Он надеялся, что в «Интерстелларе» будут показаны гравитационные волны – в конце концов, он стоял у истоков проекта LIGO и имел основания рассчитывать на первую прямую регистрацию этих неуловимых пульсаций пространственно-временного континуума в один год с выходом фильма на экраны. К сожалению, Кристоферу Нолану сюжетная линия и без того казалась переусложненной. Как бы то ни было, гравитационные волны – GW150914 – были впервые обнаружены только через 323 дня после официального релиза картины.

Кип Торн, возможно, работает над сиквелом.

2

Все относительно

Лейден – город поэзии.

На стене дома № 36 по улице Новый Рейн надпись семиметровой высоты представляет собой стихотворение Э. Э. Каммингса, начинающееся строками:

Часы растут, убирая звезды, и вот

рассвет

на улицу небесного света входит,

расточая стихотворения.

Не вполне понимаю, что это значит, но звучит красиво[14].

Стихотворение Каммингса – 23-е по счету. На стенах домов в историческом центре Лейдена – города, расположенного в сорока с небольшим километрах от столицы Нидерландов Амстердама, – около сотни стихотворений.

Среди них выделяется одно, начертанное на восточной стене Музея Бургаве – голландского Национального музея истории науки и медицины. Его трудно продекламировать, поскольку язык, на котором оно написано, знают немногие. Всего одна строчка:

Возможно, вам она не кажется стихотворной. Это уравнение поля из ОТО Альберта Эйнштейна. Как видите, уравнение состоит из двух частей, разделенных знаком равенства, означающим, что левая часть равна правой. В левой части описывается искривление пространственно-временного континуума. В правой – распределение массы (и энергии). Изменив распределение массы, вы измените искривление пространственно-временного континуума. Измените искривление – и материя начнет двигаться по окружности (см. главу 1).

Эйнштейновское уравнение поля написано на языке математики. Лучший его «перевод» на английский язык сделал Джон Арчибальд Уилер, блестящий американский физик, научный руководитель Кипа Торна: «Материя указывает пространственно-временному континууму, как искривляться; пространственно-временной континуум указывает материи, как двигаться». Разве это не поэзия?

Уравнение было написано на стене Музея Бургаве в честь столетия теории Эйнштейна и представлено публике на торжественной церемонии в ноябре 2015 г. голландским физиком Роббертом Дейкграафом, директором Института перспективных исследований в Принстоне (штат Нью-Джерси), где Эйнштейн работал последний 21 год своей жизни. Самая подходящая кандидатура!

От Музея Бургаве всего 15 минут идти пешком до музейного хранилища на Раамстеег, 2. Паулю Стеенхорсту, руководителю реставрационного отдела, есть что показать[15]. Он ведет меня на один лестничный пролет вверх, к комнате № 1.01 с контролируемым микроклиматом, где в сосновых шкафах хранится коллекция, связанная с физикой. Пауль открывает ящик J410 и достает экспонат V34180 – маленькую картонную коробку темно-синего цвета. На крышке надпись: «Идеальное самопишущее перо Ватермана».

Я держу перьевую ручку Альберта Эйнштейна, которой он написал всё, созданное им в период 1912–1921 гг., в том числе рукописи статьи 1915 г. об общем принципе относительности. Искривление пространственно-временного континуума, уравнения поля, гравитационные волны – все «стекало» с кончика этого тонкого Füllfeder (вечного пера), как называл его Эйнштейн.

Вам знакома «теория шести рукопожатий»? Согласно ей, вас отделяет от любого человека на Земле самое большее шесть промежуточных звеньев – других людей. Самопишущая ручка не человек, но в каком-то смысле я всего в двух «рукопожатиях» от величайшего физика в истории.

Кстати, эту характеристику дал не я. Эйнштейн действительно считается самым великим физиком человечества, по крайней мере по результатам опроса 1999 г. с участием 100 выдающихся ученых, проведенного журналом Physics World. В том же году Time объявил Эйнштейна «Человеком столетия» – не конкретно физиком, заметьте, а самой выдающейся личностью вообще.

__________

Все знают, кто такой Альберт Эйнштейн. Пышные усы, растрепанная шевелюра, растянутый свитер, сандалии – хрестоматийный образ ученого. Не много найдется физиков, лица которых обессмертило тиражирование на открытках, кофейных чашках и футболках. Разумеется, свою роль сыграла фотография с высунутым языком, сделанная фотографом UPI Артуром Сассом на 72-летие Эйнштейна. Однако на научный небосклон он взлетел благодаря гениальности.

Как ни удивительно, вы намного больше знаете о Вселенной, чем Эйнштейн в то время, когда разрабатывал ОТО. Тогда никто еще не видел обратной стороны Луны. Не был открыт Плутон. Астрономы не знали, что служит источником энергии Солнца. Истинная природа спиральных туманностей – галактик, таких как наш Млечный Путь, – оставалась неясной. По мнению большинства ученых, Вселенная существовала всегда. До открытия пульсаров, квазаров и экзопланет оставались долгие десятилетия. Антиматерия, нейтрино, кварки – в 1915 г. эти слова были бы для Эйнштейна пустым звуком, – как и скопления галактик, гамма-всплески и темная материя.

Что ученые знали в 1915 г., так это то, что во Вселенной правит гравитация, хотя является крайне слабым взаимодействием. Электромагнитное, например, намного сильнее, но электромагнитные силы могут быть либо положительными, либо отрицательными – притягивающими или отталкивающими. Во Вселенной эти противоположные силы взаимно нейтрализуются. Гравитация, напротив, всегда сила притяжения (антигравитация остается темой научной фантастики). Вследствие этого движение звезд и планет – как и, разумеется, спотыкающихся людей и падающих яблок – подчиняется только этой маломощной силе.

Если вы сомневаетесь, что гравитация очень слаба, простой эксперимент вас в этом убедит. Порвите на полосы лист бумаги и уроните на стол. Они опускаются под действием гравитации Земли – той же силы, которая не дает нам взлететь под потолок. Теперь возьмите маленькую пластмассовую расческу и потрите о собственные волосы или о шерстяной свитер. Поднесите расческу к обрывкам на расстоянии несколько сантиметров. Видите? Они тут же притягиваются статическим зарядом расчески. Что и требовалось доказать: электромагнитное притяжение статически заряженной расчески намного сильнее гравитационного, создаваемого целой планетой! Следовательно, гравитация – действительно слабая фундаментальная сила природы.

Греки почти ничего не знали об электромагнитных силах (и совершенно ничего – о сильных и слабых ядерных взаимодействиях). Знаниями о гравитации они также не обладали. Аристотель считал, что все объекты имеют природную склонность двигаться к центру Вселенной, причем в центре Вселенной находится Земля. Поэтому вещи и падают на землю – все просто. Более того, Аристотель был убежден, что тяжелые предметы падают быстрее легких. Возможно, экспериментировал с клочками пергамента и амфорами?

Жаль, что Аристотель не видел киносъемки командира «Аполлона-15» Дэвида Скотта, бросающего перышко и молоток на поверхность Луны[16]. У Луны нет атмосферы, поэтому отсутствует и сопротивление воздуха, без которого перо падает ровно столько же времени, сколько и молоток, – это выглядит дико. (Причем оба предмета падают в 6 раз медленнее, чем падал бы молоток на Земле, поскольку гравитация Луны составляет лишь 1/6 часть земной, к которой мы привыкли.)

По легенде, Галилео Галилей впервые поставил аналогичный эксперимент в 1589 г., поднявшись на Пизанскую башню. Эксперимент очень прост. Возьмите две сферы разного веса – скажем, свинцовую и деревянную. Они должны быть большими и достаточно тяжелыми, чтобы сопротивление воздуха не оказывало на них существенного воздействия. Поднимитесь на башню. Уроните обе сферы строго одновременно. Какая из них приземлится первой? Если они ударятся о землю в один и тот же момент, вы докажете, что Аристотель заблуждался.

Надежные свидетельства того, что Галилей поставил этот опыт, отсутствуют. Верно, он его описывает, но, возможно, как мысленный эксперимент. Если же Галилей действительно ронял сферы с башни, то, бесспорно, не первым. В 1585 г. фламандский ученый и математик Симон Стевин и его друг Ян Корнелиус де Гроот (впоследствии ставший мэром голландского города Делфта) провели эксперимент, воспользовавшись башней Новой церкви в Делфте. Он подробно описан в книге Стевина, изданной в 1586 г. Мне очень нравится рассказ Стевина – от Новой церкви рукой подать до места, где родился мой отец.

Как бы то ни было, к концу XVI в. ошибочность представлений Аристотеля была доказана раз и навсегда. (В главе 1 вы прочли, что предположение Аристотеля о центральном положении Земли было опровергнуто парой десятилетий ранее Коперником.) Однако и Стевин, и Галилей знали о природе гравитации не многим больше древних греков. Например, подобно Аристотелю, они и мысли не допускали, что движением звезд и планет во Вселенной может управлять та же сила, которая воздействует на движение свинцовых сфер и яблок здесь, на Земле. Прошло еще два десятка лет, прежде чем это понял Исаак Ньютон. (Кстати, история о яблоке, упавшем на голову Ньютону, тоже легенда.)

Ньютон опубликовал свои размышления о гравитации летом 1687 г. не в научной статье, а в виде объемистого трехтомника на латыни под названием «Математические начала натуральной философии» (Philosophiae Naturalis Principia Mathematica)[17]. Первое издание на английском языке вышло лишь в 1728 г., более чем через год после смерти автора. Почти через два века после публикации «Начал», 14 марта 1879 г., в Ульме (на территории нынешней Германии) Паулина Эйнштейн-Кох родила первенца Альберта, которому в будущем удастся доказать неточность воззрений Ньютона.

Вы знаете легенду о Галилео Галилее. Я упомянул легенду о Ньютоне. Легенд об Альберте Эйнштейне хватило бы на книгу размером с эту. К счастью, подлинная история его жизни не менее увлекательна, чем выдуманная. И пожалуй, столь же легендарна.

Альберту был всего год, когда его родители-иудеи переехали из Ульма в Мюнхен. Его отец Герман вместе со своим братом управлял маленькой фабрикой по производству электрооборудования. Мать занималась домом и семьей и в ноябре 1881 г. произвела на свет младшую сестру Альберта Майю. Семью часто навещала тетушка Фанни (сестра матери) с дочерьми Эрминой, Эльзой и Паулой. Маленький Альберт рос в женском окружении; он был горячо привязан к сестрам и любил играть с кузиной Эльзой.

Был ли он особенным ребенком? Едва ли. Разве что тихоней и интровертом. В детстве он научился игре на скрипке. Играл очень хорошо. Кроме того, его зачаровывали вещи, на которые дети обычно не обращают внимания, например компас, подаренный отцом, когда Альберту было 5 лет. Как ни поворачивай его корпус, стрелка всегда показывает в одном и том же направлении. Очевидно, на нее действует нечто в пространстве – потрясающе! Но Герман и помыслить не мог, что сын станет величайшим физиком всех времен.

У отца хватало других забот. В 1894 г. его компания разорилась. Семейство перебралось в Милан в надежде на лучшую участь. Пятнадцатилетний Альберт остался в Мюнхене, чтобы завершить курс гимназии. К этому времени он серьезно интересовался физикой и мечтал продолжить обучение в обновленной швейцарской Высшей технической школе в Цюрихе.

Другим выраженным интересом Альберта были девушки. (Как я уже говорил, он не был каким-то чудиком – большинство мальчиков-подростков живо интересуются девочками.) Девушки также проявляли к Альберту большой интерес. Он был симпатичным: кудрявые черные волосы, красивые темные глаза. Среди очарованных была и Мари Винтелер, дочь орнитолога Йоста Винтелера, преподавателя кантональной школы в Арау (Швейцария). Альберт жил в доме Винтелеров два года, пока учился в Арау. Они с Мари скоро влюбились друг в друга.

В сентябре 1896 г. Альберт сдал выпускные экзамены в школе, показав прекрасный результат, по крайней мере по естественным наукам. «Не слишком хорошо знаю историю… не слишком хорошо знаю французский, который учил» – эти строчки из хита Сэма Кука 1960 г. «Wonderful World» словно написаны об Эйнштейне. Зато по физике, алгебре и геометрии он набрал максимальные баллы. В 17 лет его зачислили в Политехникум.

_________

Мог ли 17-летний юноша помыслить, что именно ему суждено решить ряд животрепещущих проблем физики? Едва ли. Но Альберт Эйнштейн, безусловно, знал об этих проблемах. Особенно выделялась одна загадка, остававшаяся неразрешимой несколько десятилетий и грозившая ниспровергнуть теорию гравитации Ньютона.

Теория Ньютона наконец позволила астрономам понять закономерности движения планет в Солнечной системе. С помощью уравнений Ньютона было относительно просто предсказать, где планета окажется, скажем, через 20 лет от настоящего времени, или установить, где она была полвека назад, – в обоих случаях вычисления, по сути, одинаковы.

Я сказал «относительно просто», поскольку Солнечная система весьма сложна. Будь в ней только Солнце и одна планета, решение уравнений Ньютона было бы детской забавой. На практике на движение каждой планеты оказывает небольшое влияние гравитация всех остальных планет системы. Чтобы предсказать траекторию, например, Сатурна, необходимо принять в расчет силу притяжения Юпитера. Иногда Сатурн слегка замедляется гравитацией Юпитера, иногда слегка ускоряется. Расчет всех этих возмущений – дело далеко не простое!

Возможность проверить теорию Ньютона на жизнеспособность появилась в 1781 г., когда английский астроном Вильям Гершель открыл новую планету за орбитой Сатурна – Уран. Астрономы тут же воспользовались уравнениями Ньютона, чтобы спрогнозировать траекторию движения новой планеты. Конечно, они учли гравитацию других крупных планет. Но вскоре оказалось, что Уран медленно отклоняется от расчетного курса. Неужели теория всемирного тяготения Ньютона неверна? Или существует еще одна планета, сбивающая Уран с пути?

В 1840-е гг. математики усовершенствовали уравнения Ньютона. В нормальном случае нам известны положения всех планет, что позволяет точно вычислять их орбиты. Возможны ли обратные расчеты? Что, если, отталкиваясь от отклоненной орбиты Урана, попытаться вычислить, где должна находиться неизвестная планета, вызывающая отклонение? Французский математик Урбен Леверье решил задачу.

В наши дни было бы легко разработать для этого программное обеспечение – любой студент, изучающий астрономию, справится с этим за один-два дня. Но в те времена в распоряжении ученого были только письменный стол, карандаш, бумага и логарифмические таблицы. Леверье понадобилось несколько месяцев, чтобы получить достоверный результат.

Его усилия окупились. В сентябре 1846 г. вблизи местоположения, указанного Леверье, была обнаружена новая планета. Он написал о своем прогнозе коллеге Иоганну Галле из Берлинской обсерватории. В течение нескольких часов Галле с ассистентом Генрихом д’Арре нашли Нептун – так было названо это небесное тело.

Теперь понятно, почему Нептун иногда называли «планетой, открытой за письменным столом» – она была обнаружена по результатам математических расчетов[18]. В них использовались уравнения Ньютона. Таким образом, открытие Нептуна, восьмой планеты Солнечной системы, было воспринято как триумф теории всемирного тяготения Ньютона.

Именно так обычно работает наука. Она отталкивается от наблюдений – в нашем примере за траекториями падающих яблок и планет. Какой-нибудь гений выдвигает теорию, непротиворечиво объясняющую наблюдения, – в данном случае это Исаак Ньютон и его теория всемирного тяготения. По мере того как все больше предсказаний теории подтверждаются, ученые проникаются все большим доверием к ней – именно так открытие Нептуна подкрепило теорию Ньютона.

Прошло около 10 лет с открытия Нептуна, и Леверье занялся поисками девятой планеты. Искал он ее не за орбитой Урана, а внутри орбиты Меркурия, самой близкой к светилу планеты Солнечной системы. Причина та же: как и Уран, Меркурий вел себя «неправильно».

Траектория движения Меркурия вокруг Солнца не является правильной окружностью. Она имеет выраженный эксцентриситет: расстояние до Солнца меняется при каждом обороте. Более того, сама орбита медленно вращается – самая ближняя к Солнцу точка орбиты Меркурия (его перигелий) со временем смещается. В середине XIX в. это явление – так называемая «прецессия перигелия» – была измерена с большой точностью. Она составляет около 1/6° за столетие – больше, чем предсказывала теория Ньютона. По расчетам Леверье, на 92,5 % прецессию перигелия Меркурия можно было объяснить гравитационными возмущениями других планет. Но 7,5 % (43″ за 100 лет) оставались загадочными. Открытие Нептуна не помогло – Нептун находится слишком далеко и движется слишком медленно, чтобы оказывать заметное влияние на орбиту Меркурия.

Соответственно, Леверье предположил, что существует другая до сих пор не обнаруженная планета внутри орбиты Меркурия. Могла ли столь близкая планета ускользнуть от взгляда астрономов? Безусловно, могла. Восход и закат планеты, находящейся очень близко к Солнцу, происходили бы практически одновременно с солнечными. Вследствие этого она была бы на небе только днем, когда ее невозможно увидеть, становясь доступной для наблюдения только в двух редких случаях: во-первых, при полном солнечном затмении, когда яркий диск Солнца заслоняет Луна; во-вторых, во время транзита, когда планета проходит перед солнечным диском, если смотреть с Земли.

Поскольку Леверье успешно предсказал существование Нептуна на основе неправильного поведения Урана, он был убежден, что прецессию орбиты Меркурия также можно объяснить неизвестной прежде «интрамеркурианской» планетой. Леверье даже подобрал для прилегающей к Солнцу гипотетической планеты название – Вулкан, в честь римского бога огня[19].

Проблема была в том, что никто так и не нашел Вулкан ни во время затмений, ни при предполагаемом транзите. (Сейчас мы точно знаем, что такой планеты не существует.) В конце XIX в., начав изучать физику и математику в Цюрихе, Альберт Эйнштейн понимал, что теорию всемирного тяготения Ньютона можно поставить под сомнение: она не смогла в полной мере объяснить медленную прецессию орбиты Меркурия. Где ошибка?

Молодой Альберт знал и о другой досадной проблеме. Она была связана со скоростью света.

Свет движется невероятно быстро. Настолько быстро, что ученым было сложно измерить его скорость. Для лучшего понимания приведу пример: если включить лазерную указку в Нью-Йорке, ее свет всего через 0,013 секунды достигнет Лос-Анджелеса (если бы не препятствие в виде кривизны поверхности Земли). Лишь во второй половине XVII в. датский астроном Оле Рёмер довольно точно определил скорость света. Сегодня мы знаем, что она составляет около 300 000 км/с. (В действительности 299 792,458 км/с в космическом вакууме. Нам невероятно повезло с выбором метрических единиц, благодаря которому скорость света оказалась столь близкой круглому числу. В других единицах измерений эту величину было бы трудно запомнить. Например, это 670 616 629 миль/ч или – специально для британских читателей старшего возраста – 1803 трлн фарлонгов за две недели.)

Через 15 лет после экспериментов Рёмера, в 1690 г., нидерландский физик Христиан Гюйгенс опубликовал знаменитую книгу «Трактат о свете» (Treatise on Light)[20]. Гюйгенс был одним из величайших ученых своего времени. Он установил природу колец Сатурна, открыл самый крупный спутник Сатурна Титан, первым заметил темные пятна на поверхности Марса. Он значительно продвинул изучение механики и оптики и изобрел маятниковые часы.

В «Трактате о свете» (впервые увидевшем свет на французском языке) Гюйгенс утверждал, что свет является волновым феноменом. Его можно сравнить с волной, распространяющейся по поверхности пруда. Как волны на воде или звуковые волны (а также, о чем вы скоро узнаете, гравитационные), световые волны характеризуются рядом свойств. Поэтому имеет смысл для начала рассмотреть общие свойства волн всех типов.

Во-первых, это амплитуда волнового процесса. У водяных волн амплитуда равна половине разности ее высоты в гребне и ложбине. В случае звуковых или световых волн амплитуда является показателем энергии – силы звука или яркости света. Амплитуда гравитационных волн – это их интенсивность: более мощные волны сильнее искривляют пространственно-временной континуум.

Во-вторых, это скорость волны. Рябь на поверхности пруда распространяется со скоростью около 1 м/с. Звуковые волны в воздухе – со скоростью около 330 м/с. Световые и гравитационные волны движутся со скоростью света, почти 300 000 км/с.

Наконец, частота волны – это количество гребней волны, которые можно насчитать за каждую секунду при наблюдении с неподвижной точки. Пустите в пруд резиновую уточку, и скорость водяной волны покажет вам, насколько быстро уточка поднимается и опускается. Если гребни волн идут тесно – что значит, длина волны мала, – скорость волны относительно велика, и уточка часто подскакивает вверх-вниз. Более длинные волны, гребни которых сильно разнесены, соответствуют более низким частотам и более редким колебаниям уточки.

Из повседневного опыта явствует, что для движения волн нужна среда, в которой они могли бы распространяться: рябь в пруду распространяется в воде, звуковые волны – в воздухе. Неудивительно, что ученые выдвинули идею эфира – таинственной субстанции, заполняющей безвоздушное пространство. Эфир мыслился средой, в которой распространяются световые волны.

Однако к концу XIX в. физики уперлись в проблему. Отсутствовали какие-либо доказательства существования эфира. При наличии такой субстанции Земля, следуя по орбите вокруг Солнца, двигалась бы в ней в разных направлениях, следовательно, имела бы собственную скорость относительно эфира. Эта скорость сказалась бы на измерениях скорости света.

Объясню почему. Допустим, свет далекой звезды распространяется в эфире со скоростью 300 000 км/с. Орбитальная скорость Земли при движении вокруг Солнца почти 30 км/с. Таким образом, когда Земля движется «против течения» – по направлению к звезде, световые волны должны будут приходить к ней со скоростью 300 030 км/с. При движении Земли «по течению», в одном направлении со световыми волнами, ожидаемый результат измерения их скорости составит 299 970 км/с. (Если учесть движение всей Солнечной системы сквозь эфир, картина усложняется, но принцип ясен.)

Американские физики Альберт Майкельсон и Эдвард Морли весной 1887 г. – Альберт Эйнштейн только что отпраздновал 18-летие – поставили изящный эксперимент в Кливленде (штат Огайо). Его детали можно опустить, за исключением любопытного факта – ученые использовали интерферометр, тот же самый инструмент, с помощью которого в сентябре 2015 г. будут впервые в истории зарегистрированы гравитационные волны.

Прибор Майкельсона и Морли был достаточно чувствительным, чтобы измерять малые различия скорости движения света в разных направлениях. Но они не обнаружили никаких отклонений. В какую сторону ни смотри, световые волны всегда имели одну и ту же скорость – 300 000 км/с, как если бы Земля, двигаясь в космическом пространстве, волокла гипотетический эфир вместе с собой. Никто не смог предложить удовлетворительного объяснения этим наблюдениям.

Итак, Эйнштейн знал о двух фактах, не объяснимых в рамках ни одной существующей на тот момент теории, – чрезмерной прецессии перигелия орбиты Меркурия и постоянстве скорости света.

Единственным ответом стала его теория относительности.

_________

Осенью 1896 г. 17-летний Альберт Эйнштейн был зачислен на 4-летний курс математики и физики в Политехническую школу Цюриха. Сначала он поддерживал контакт со своей подругой Мари, но все изменило знакомство с сербкой Милевой Марич, единственной девушкой на потоке. Как и Мари, она была старше Альберта. В отличие от Мари, она понимала многие тонкости физики. Любовь оказалась взаимной.

Через 4 года Альберт окончил курс и получил диплом, дававший возможность преподавать физику и математику в средней школе, но предпочел бы труду учителя работу над диссертацией на степень доктора философии, желательно в нидерландском Лейдене. Лейденский университет был альма-матер и местом работы Хендрика Лоренца, одного из величайших физиков своего времени, которого Эйнштейн глубоко почитал. На основе работы Лоренца он сформулирует идеи относительности.

В 1901 г., надеясь оказаться ближе к Лоренцу, Эйнштейн подал заявление о приеме на работу в лейденскую лабораторию физики низких температур Хейке Камерлинга-Оннеса, другого гиганта науки. Но Камерлинг-Оннес даже не потрудился написать ответ, что оказалось потерей не только для Эйнштейна, но и для голландской физики. В конце концов, Эйнштейну удалось устроиться клерком в Федеральное бюро патентования изобретений в швейцарском Берне, куда его, по доброте душевной, рекомендовал отец его друга и одноклассника Марселя Гроссмана. Работа была скучной, но в спокойные дни предоставляла достаточно свободного времени для размышлений над теориями в области физики.

Жизнь складывалась не слишком удачно. Весной 1901 г. у Милевы случилась незапланированная беременность, и в январе 1902 г. родилась их с Альбертом дочь Лизерль, дальнейшая судьба которой неизвестна. Биографы Эйнштейна даже не знали о Лизерль до 1986 г. Возможно, она была умственно отсталой и, вероятно, умерла от скарлатины осенью 1903 г., через год после кончины отца Альберта Германа (хотя существует версия, что Лизерль была удочерена подругой Милевы и дожила до 1990-х гг.). Как бы то ни было, создается впечатление, что Эйнштейн ни разу не видел дочери.

Альберт и Милева поженились в Берне в январе 1903 г.; их первый сын Ганс Альберт родился в мае 1904 г. Эйнштейн не уделял особого внимания ни воспитанию ребенка, ни домашнему хозяйству. В те времена считалось, что это обязанность женщины, и Милеве пришлось пожертвовать физикой. Альберт тем временем вступил на путь, ведущий к открытию тайн орбиты Меркурия и постоянства скорости света.

Это был двухэтапный процесс. В 1905 г. появилась специальная теория относительности (СТО). На основе работы своего бывшего преподавателя профессора Германа Минковского, разработавшего понятие четырехмерного пространственно-временного континуума, Эйнштейн показал, что и пространство, и время являются относительными понятиями. Каково расстояние между двумя точками? Это зависит от того, кому вы задаете этот вопрос. То же самое относится к времени, когда происходят события. Два наблюдателя, движущиеся относительно друг друга, дадут разные ответы. И оба будут правы. Прощай, Ньютон, абсолютного пространства и абсолютного времени не существует.

СТО не проста. Чтобы полностью понимать ее потенциальные следствия, нужно научиться решать сложные уравнения – так называемые уравнения преобразования. Но суть уловить нетрудно. Если вы станете двигаться со скоростью, составляющей существенную часть скорости света, сторонним наблюдателям покажется, что ваш космический корабль уменьшается – укорачивается в направлении перемещения. Этот эффект называется Лоренцевым сокращением. Более того, если двигаться достаточно быстро, оставшиеся дома люди заметят, что ваши часы стали идти медленнее. Это замедление времени. В повседневной жизни мы не замечаем такие эффекты по единственной причине – скорость света слишком велика. Даже гонщик «Формулы-1» движется недостаточно быстро, чтобы воздействие на него Лоренцева сокращения или замедления времени можно было обнаружить.

Одно из основных предположений СТО заключается в том, что сама скорость света одинакова для любого наблюдателя, независимо от его собственного движения или скорости. Это установили Майкельсон и Морли, и Эйнштейн счел их результат достоверным. Из уравнений Эйнштейна следует, что ничто не может двигаться сколько-нибудь быстрее света[21] – это непреодолимый и фундаментальный предел скорости, поставленный природой.

Во второй статье, опубликованной в 1905 г., Эйнштейн вывел уравнение E = mc^2 – без сомнения, самое знаменитое уравнение в истории. Оно гласит, что энергия (Е) может быть преобразована в массу (m) и наоборот. Это неизбежное следствие относительности в рамках специальной теории, тесно связанное также со скоростью света (с). Кстати, мы живем благодаря истинности этого уравнения. В главе 5 будет показано, что Солнце светит, поскольку масса превращается в энергию – о чем Эйнштейн в то время не знал, – а никакая жизнь на Земле, включая нашу, не была бы возможна без энергии Солнца.

Две другие статьи 1905 г. посвящены иным темам: одна – движению молекул, вторая – существованию фотонов, или частиц света. Эта статья принесла Эйнштейну Нобелевскую премию по физике за 1921 г. В общем, 1905 г. стал для Эйнштейна «годом чудес» – он также получил степень доктора философии в Цюрихском университете. Ему было всего 26 лет.

Вторым этапом стала разработка ОТО. Под словом «общая» Эйнштейн понимал то, что она должна работать в любых условиях, а не только в особом случае равномерного прямолинейного движения. ОТО описывает движение с ускорением – в случае, если какая-либо сила (например, гравитация или реактивная сила струи из двигателя ракеты) вызывает изменение скорости или направления. Эйнштейн трудился над этой теорией 10 лет, в течение которых переехал из Берлина в Цюрих, из Цюриха в Прагу, из Праги вернулся в Цюрих, а оттуда снова в Берлин. В эти годы родился его второй сын (Эдуард, 1910 г.), а сам он написал душераздирающее любовное письмо первой возлюбленной Мари (пока Милева была беременна Эдуардом) и влюбился в кузину Эльзу. В 1914 г., когда разразилась Первая мировая война, Эйнштейн перебрался в Берлин, а Милева с сыновьями остались в Цюрихе. Альберт обосновался в Берлине с Эльзой и двумя ее дочерьми Илзе и Марго.

Эйнштейн уже был признанным физиком. В 1911 г., впервые приехав в Лейден, он наконец познакомился с Хендриком Лоренцем. Ему была предложена должность в Утрехтском университете, однако он предпочел Прагу, где в 1912 г. познакомился и подружился с физиком австрийского происхождения Паулем Эренфестом. Примерно тогда Эйнштейн начал пользоваться самопишущим пером Ватермана, которое мне довелось подержать в руках в запасниках Музея Бургаве. В Берлине он стал профессором теоретической физики Университета Гумбольдта, главой только что созданного кайзером Вильгельмом Института теоретической физики и (в 1916 г.) президентом Германского физического общества.

_________

ОТО – новая теория гравитации. Это кажется странным, но лишь на первый взгляд. Все сводится к так называемому принципу эквивалентности Эйнштейна, впервые сформулированному в 1907 г., согласно которому в действительности нет никакой разницы между гравитацией и движением с ускорением.

Представьте, что вы вошли в помещение без окон. Гравитация Земли тут же притягивает вас к полу. Ваш друг входит в такое же помещение без окон в космическом корабле, разгоняющемся в безвоздушном пространстве. Рядом нет планеты, которая могла бы воздействовать на него своей гравитацией, но и его прижимает к полу. Это происходит потому, что все помещение с ускорением движется вперед, будучи частью корабля.

Принцип эквивалентности Эйнштейна гласит, что между этими двумя ситуациями нет принципиальной разницы. Иными словами, какие бы эксперименты ни поставили вы и ваш друг-астронавт, результаты будут одинаковыми. Следовательно, если время замедляется в ускоряющемся корабле, оно должно замедляться и в среде с сильной гравитацией. Как объяснил Эйнштейн Лоренцу во время визита 1911 г., часы идут чуть быстрее на втором этаже здания, чем в цокольном, поскольку на втором этаже гравитационное поле Земли чуть слабее.

В последующие несколько лет Эйнштейн много трудился над этой темой и в конце концов поручил своему другу и бывшему соученику по Цюриху Марселю Гроссману разработать сложный математический аппарат, без которого невозможно было двигаться дальше. Осенью 1915 г. он погрузился в размышления, почти не покидая мансарду в доме Эльзы по Хаберландштрассе, 5, обстановку которой составляли старомодный телефон (и самопишущее перо!) на письменном столе, вытертый ковер на полу и портрет Исаака Ньютона на стене. Думаю, он даже на время перестал обращать внимание на свою кузину.

В течение ноября Эйнштейн завершил четыре основополагающие статьи о разных аспектах ОТО. Это геометрия четырехмерного пространства; масса, энергия и искривление пространственно-временного континуума; знаменитое уравнение поля, ныне украшающее стену Музея Бургаве в Лейдене; наконец, верное предсказание избыточной прецессии перигелия орбиты Меркурия. Ее можно полностью объяснить искривлением пространственно-временного континуума вблизи массивного Солнца.

Задача была решена.

Эйнштейн представил свои статьи на четырех последующих собраниях Прусской академии наук, проводившихся по четвергам, – 4, 11, 18 и 25 ноября 1915 г. Третья статья, по проблеме Меркурия, была обнародована в день 34-летия его любимой сестры Майи – двойное торжество. Читая доклад, он то и дело прерывался, чтобы записать формулы на доске. Все ли физики старшего поколения, присутствовавшие в аудитории, были способны сразу понять его работу? Едва ли. Сознавали ли они, что ОТО совершит переворот в физике? По крайней мере некоторые. Оценили ли они гений молодого коллеги? Почти наверняка.

Альберту Эйнштейну было 36 лет.

_________

Прошло еще четыре года, прежде чем Эйнштейн стал культовой фигурой (в главе 3 я расскажу, как это произошло). К тому времени он развелся с Милевой (14 февраля 1919 г.) и, не прошло и 16 недель, женился на Эльзе. В 1920 г. он становится приглашенным профессором в Лейденском университете и в течение многих лет проводит по меньшей мере один месяц ежегодно в обществе Эренфеста, сменившего Лоренца в 1912 г. Эйнштейн стал иностранным членом Голландской академии наук и Королевского общества. Он получил Нобелевскую премию по физике, посетил Нью-Йорк, совершил путешествие по Азии и подружился с Чарли Чаплином.

В начале 1933 г., по окончании третьей поездки в Соединенные Штаты, Альберт и Эльза решили не возвращаться в Германию, где пришел к власти Адольф Гитлер. У Эйнштейна были еврейские корни, он был включен в список врагов германского рейха. Написанные им книги были сожжены, его летний коттедж в Капуте, недалеко от Берлина, захвачен и впоследствии превращен в лагерь гитлерюгенда. После девятимесячного пребывания в Бельгии супруги уехали в Англию, откуда вернулись в США. Осенью 1933 г. Эйнштейн получил должность в недавно созданном Институте перспективных исследований в Принстоне. Через несколько недель его близкий друг Пауль Эренфест в состоянии глубокой депрессии покончил с собой.

Жизнь Альберта Эйнштейна оборвалась 18 апреля 1955 г. Он умер от аневризмы брюшной аорты в принстонской больнице в возрасте 76 лет. Одно из его последних писем было адресовано семье его друга Микеле Бессо, скончавшегося в марте того же года. «Люди, подобные нам, которые верят в физику, знают, что различие между прошлым, настоящим и будущим – всего лишь навязчивая иллюзия», – писал он. В конце концов, время относительно[22].

Собственноручно написанное Эйнштейном послание и сейчас можно прочесть в доме Эренфеста по улице Витте Розенстраат, 57, в Лейдене. Коллегам со всего мира, приезжающим в гости, предлагалось расписаться на стене в коридоре второго этажа перед гостевой комнатой. Эти подписи можно читать как биографический словарь по физике: Нильс Бор, Поль Дирак, Вольфганг Паули, Эрвин Шрёдингер, Альберт Эйнштейн.

Недалеко от дома Эренфеста, на стене дома по Грёнховенстраат, 18, начертано стихотворение аргентинского писателя Хорхе Луиса Борхеса. Вот его последние строки:

Tu materia es el tiempo, el incesante

Tiempo. Eres cada solitario instante.

(Ты состоишь из времени, бесконечного времени.

Ты есть каждый отдельный момент.)

3

Теория Эйнштейна проходит проверку

Можно ли израсходовать $750 млн на доказательство того, что все и так считают истинным? В такую сумму НАСА обошлась космическая миссия Gravity Probe B, в 2005 г. подтвердившая ряд предсказаний Эйнштейна путем измерения слабых релятивистских эффектов, известных как геодезическая прецессия и увлечение инерциальных систем отсчета.

В 1963 г., когда проект стартовал, высказывалось мнение, что незачем тратить огромные суммы только ради подтверждения, казалось бы, самоочевидных вещей, ведь в космосе еще множество тайн.

Фрэнсис Эверитт, главный исследователь проекта Gravity Probe B, постоянно слышал этот аргумент. В своем кабинете в Стэнфордском университете он рассказывает о сложном пути проекта, в том числе о зависти некоторых коллег[23]. В науке получить деньги означает гарантированно нажить врагов.

Восьмидесятидвухлетний Эверитт умеет относиться к деньгам как к стратегическому ресурсу. Путь проекта Gravity Probe B от замысла до официального обсуждения научных результатов занял почти полвека, что чрезвычайно долго даже для программы исследований космоса[24]. Однако, если разложить его полную стоимость на весь срок, получим ежегодные затраты в $14 млн. Это менее 0,001 % бюджета НАСА на 2016 г. Более того, количественные тесты идей Эйнштейна были немногочисленны и редки. Эверитт убежден, что каждый вложенный в Gravity Probe B пенс окупился.

Тем не менее вопрос о том, зачем вообще тестировать идеи Эйнштейна, остается открытым. Он величайший физик всех времен и народов. Разве кто-то сомневается, что его теория относительности верна?

На самом деле сомневается.

Вернее, ученые никогда не бывают уверены ни в чем. Завтра могут появиться новые экспериментальные данные, противоречащие излюбленной теории. Это произошло, когда измерения орбиты Меркурия не полностью совпали с предсказаниями теории всеобщего тяготения Ньютона. Вспомните, как работают ученые. Наблюдения объясняются теорией. На основе теории делаются предсказания. Эксперименты проверяют справедливость предсказаний. Если они подтверждаются, уверенность в истинности теории возрастает; если не подтверждаются, значит, в ней какая-то ошибка. Корректируем теорию или выдвигаем другую. Снова ставим эксперименты. Так выглядит научный метод.

Итак, проверка предсказаний – это норма для науки. Фрэнсису Эверитту нравятся слова Леонарда Шиффа, физика из Стэнфорда, предложившего идею проекта Gravity Probe B: «Какой смысл в теории без экспериментов?»

_________

В конце этой главы я подробнее расскажу о Gravity Probe B, геодезической прецессии и увлечении инерциальных систем отсчета, но прежде вернемся примерно на 100 лет назад. Альберт Эйнштейн только что сформулировал ОТО. Она прекрасно объясняет все, что мы наблюдаем в окружающем мире: падение яблок с веток, орбитальное движение планет и даже слишком сильную прецессию перигелия Меркурия. Прекрасно! Но является ли это пределом наших знаний о гравитации и пространственно-временном континууме? Прав ли Эйнштейн?

Сам ученый предложил три пути проверки своей теории. Один из них связан с наблюдением, заставившим Эйнштейна приступить к ее разработке, – странным поведением Меркурия, тем фактом, что его вытянутая орбита смещается гораздо быстрее, чем предполагает теория Ньютона. Действительно, его теория полностью объясняет прецессию Меркурия.

Два других способа проверки опираются на специфические предсказания ОТО: отклонение света звезд и гравитационное красное смещение. По сути, Эйнштейн заявил: «Испытайте меня. Если я прав, свет звезд должен отклоняться массивными телами, а длина волны света изменяться в сильном гравитационном поле. Если ничего подобного не наблюдается, значит, я ошибаюсь и нам нужно начинать сначала».

В первую очередь разберемся с отклонением света. Представьте себе Солнце, каким оно наблюдается с Земли. Фоном Солнцу служат звезды. Вы их, разумеется, не видите, поскольку Солнце слишком яркое, но они там есть. Каждый день года мы точно знаем, в какой части неба находится Солнце.

Теперь представьте себе свет звезды, расположенной в наблюдаемом участке неба вблизи края солнечного диска. Свет звезды движется во Вселенной по прямой десятки или сотни лет, может, и больше, точно в направлении нашего телескопа. Но вот свет проходит рядом с Солнцем. Поскольку Солнце является массивным телом, оно вызывает местное искривление пространственно-временного континуума, как было описано в главе 1. В результате траектория света отклоняется. Свет начнет двигаться немного в другом направлении и не попадет в наш телескоп.

Но если свет не попадает в телескоп, видим ли мы вообще эту звезду? Разумеется, видим. Есть и другие лучи той же звезды, исходящие в пространство в несколько различающихся направлениях и также двигающиеся по прямым. В других условиях они миновали бы наш телескоп. Но при прохождении рядом с Солнцем их траектории также отклоняются искривлением пространственно-временного континуума, вследствие чего они попадают в объектив.

Таково предсказание ОТО Эйнштейна: мы можем наблюдать лучи света звезды, отклонившиеся под воздействием искривления пространственно-временного континуума. Не будь искривления, свет, проходящий очень близко от края солнечного диска, дал бы изображение звезды вплотную с Солнцем. Но, поскольку свет, проходящий рядом с Солнцем, отклоняется на несколько иную траекторию движения, мы видим эту звезду чуть дальше от края солнечного диска, чем она находится на самом деле, – то есть видим ее в «неправильном» положении.

В каком-то смысле Солнце действует как линза. Оно словно увеличивает звездное поле в своей непосредственной близости. На бóльших видимых расстояниях от Солнца эффект становится слишком слабым, чтобы его можно было заметить. Но рядом с краем Солнца все звезды кажутся чуть оттесненными в стороны. Вот оно, искомое отклонение света звезд искривлением пространственно-временного континуума.

Тут есть любопытный момент. Не многим известно, что теория всемирного тяготения Ньютона тоже предсказывает отклонение света звезд. Это звучит дико – в конце концов, свет не имеет массы, не так ли? Разве нечто, не имеющее массы, может притягиваться и сбиваться с пути массивным телом, например Солнцем? Давайте представим два объекта, движущихся вокруг Солнца в одинаковом направлении: Землю и яблоко. Земля намного массивнее яблока. Вследствие этого сила притяжения, действующая на яблоко, намного меньше действующей на Землю. Но в случае менее массивного тела меньшей силы достаточно для сообщения аналогичного ускорения. Фактически именно это продемонстрировали Симон Стевин и Ян Корнелиус де Гроот, роняя шары разной массы с башни Новой церкви в Делфте. Что справедливо для шаров разной массы, справедливо и для Земли и яблока. Они оба ускоряются в одинаковой мере и в результате движутся по одной траектории вокруг Солнца.

Таким образом, в теории Ньютона гравитационное ускорение не зависит от массы. Яблоки ускоряются так же, как планеты. Даже элементарная частица чрезвычайно малой массы, например электрон, испытывает такое же гравитационное ускорение. Масса планеты, яблока или электрона вообще не присутствует в итоговой формуле. Поэтому, даже если масса равна нулю, как в случае света, теория Ньютона предсказывает гравитационное ускорение. (Разумеется, расчетное отклонение очень мало в силу огромной скорости света.)

В 1911 г. Эйнштейн сделал первое предсказание об отклонении света звезд Солнцем. К сожалению, его расчетная величина совпала с ньютоновской – чуть меньше одной угловой секунды. Если обе теории прогнозируют одну и ту же величину, то никакой эксперимент не сможет подтвердить преимущество одной из них. Однако в 1916 г. Эйнштейн понял, что ошибся в математических расчетах и что отклонение света, согласно ОТО, должно быть почти в два раза больше, чем по теории Ньютона, – целых 1,75″.

В повседневной жизни отклонение 1,75″ – это совсем немного. Представьте, что друг светит фонариком в вашу сторону с расстояния 120 м. Вы с точностью определяете направление, откуда приходит свет. Затем ваш друг передвигает фонарик всего на 1 мм. Это даст угол 1,75″. Поверьте, измерить его будет сложно.

Есть другая проблема: эффект имеет место только вблизи наблюдаемого края Солнца. Вы когда-нибудь пытались увидеть звезды при ярком дневном свете, тем более измерить их положение? Это все равно что пытаться изучать светлячков, порхающих далеко позади мощного прожектора, освещающего двор. Хотелось бы выключить прожектор или хотя бы убавить яркость.

Сходным образом была решена проблема измерения отклонения света звезд. Солнце то и дело временно «выключается», когда перед ним проходит диск Луны. В течение полного солнечного затмения яркая поверхность Солнца полностью заслоняется, или затемняется, Луной, и звезды на его фоне становятся видны.

Возник план: во время полного солнечного затмения сфотографировать звезды в непосредственной близости от Солнца. Пронаблюдать то же самое звездное поле на несколько месяцев позже или раньше, когда свет звезд не отклоняется под воздействием искривления пространственно-временного континуума находящимся на их пути Солнцем. Сравнить положение звезд на двух фотографиях и измерить величину отклонения во время затмения.

Английский астроном Артур Стэнли Эддингтон сыграл главную роль в осуществлении этого плана. Новость о появлении ОТО Эйнштейна добралась до Англии только в начале 1916 г., поскольку шла война. Но в Лейдене физики прекрасно знали о новой теории. Виллем да Ситтер, блестящий лейденский астроном и математик, написал о ней в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Эддингтон, будучи секретарем общества, оказался первым английским ученым, познакомившимся с новейшими трудами Эйнштейна, и стал одним из самых преданных его сторонников и пропагандистов.

Предыдущие экспедиции немецких ученых с целью измерения отклонения света звезд во время полного солнечного затмения 21 августа 1914 г. оказались безрезультатными, главным образом из-за войны. Но Эддингтон был уверен, что его ждет успех, и заручился помощью Фрэнка Дайсона, директора Гринвичской обсерватории, расположенной к востоку от Лондона, а также британского Королевского астронома (эту почетную должность впервые занял Джон Флемстид в 1675 г.).

Представляю, как два астронома обсуждали план Эддингтона по проверке теории Эйнштейна (предупреждаю, что целиком и полностью выдумал этот диалог):

– Наилучшая возможность представится во время полного солнечного затмения 29 мая 1919 г., – говорит Дайсон.

– Что в нем особенного? – уточняет Эддингтон.

– На редкость продолжительное. Почти 7 минут. Мы успеем сделать фотографии. Более того, во время затмения Солнце будет в созвездии Тельца, в окружении относительно ярких звезд, например Гиад, знаменитого звездного скопления. Какие возможности для измерения положения звезд!

– Значит, все прекрасно? Никаких препятствий?

– Да как сказать, – мнется Дайсон. – Большая часть зоны полного затмения придется на дождливую амазонскую сельву и африканские джунгли. Легкодоступными будут только два места – город Собрал на северо-востоке Бразилии и остров Принсипи в Гвинейском заливе.

– Чудесно, – отвечает Эддингтон. – Давайте организуем две экспедиции. Если в одном из этих мест во время затмения будет облачность, мы все равно получим результаты. Если при обоих экспериментах будет хорошая погода и результаты окажутся одинаковыми, это будет еще убедительнее.

Конечно, проще сказать, чем сделать. Эра повсеместных коммерческих авиаперевозок еще не началась, и людей, телескопы и фотокамеры пришлось несколько недель везти морем. В Бразилии основной телескоп отказал из-за жары, и в распоряжении астрономов Гринвичской обсерватории Чарльза Дэвидсона и Эндрю Кроммелина остался слабый прибор. Тем временем на Принсипи проклятием Эддингтона и часовщика Эдвина Коттингема стали облака. Из привезенных ими на родину фотопластин пригодились лишь несколько, которые удалось отснять в последнюю минуту затмения[25].

Скорее всего, вы никогда не видели полного солнечного затмения. Большинству людей случалось наблюдать разве что частичные, когда часть поверхности Солнца затеняется Луной, но частичные и полные солнечные затмения – события несопоставимые. Стоит увидеть полное затмение, и вы, бесспорно, согласитесь со мной. Небо становится серо-голубым. Животные затихают. Надвигается темнота, становятся видны планеты и звезды, и серебристо-белая корона Солнца, словно бесценный дар природы, скрывается за темным силуэтом Луны. Потрясающе!

Я видел около десятка полных солнечных затмений (это зрелище вызывает зависимость с первого раза – увидели одно, обязательно захочется еще) и знаю, что должны были испытывать Эддингтон и Коттингем. На Карибском острове Ауруба в феврале 1998 г. небо было затянуто тучами почти весь день, практически до начала явления. Все собравшиеся переживали – вдруг облака не разойдутся в нужный момент? (К счастью, они разошлись.) Через полтора года, в августе 1999 г., я повез семью наблюдать затмение в Турцию, где вероятность ясной погоды была намного выше, чем во Франции и Германии, и все равно сильно нервничал весь день накануне, стоило маленькому облачку появиться над горизонтом. А ведь передо мной не стояла задача доказать правоту Эйнштейна!

Как бы то ни было, во время затмения 1919 г. были сделаны фотографии, измерены положения звезд, и в четверг, 6 ноября того же года, на общем собрании Королевского астрономического общества и Лондонского королевского общества Эддингтон сообщил о результатах. Изображения всех звезд скопления Гиад действительно оказались отодвинутыми от края диска затмеваемого Солнца, и величина отклонения находилась в хорошем соответствии с предсказаниями Эйнштейна. (Илзе Шнайдер, студентка, обучавшаяся в магистратуре под его научным руководством, впоследствии спросила его, что бы он чувствовал, если бы эксперимент 1919 г. не подтвердил его прогноз. «Я посочувствовал бы Господу, – без колебаний ответил Эйнштейн. – Теория в любом случае верна».)

На следующий день в London Times вышла статья о результатах эксперимента под заголовком «Революция в науке: новая теория Вселенной». Еще через два дня, 9 ноября, The New York Times поместила передовицу, предварив ее четырьмя самыми запоминающимися, на мой взгляд, заголовками.

ЛУЧИ ИЗГИБАЮТСЯ В НЕБЕСАХ

ДЕЯТЕЛИ НАУКИ В РАЗНОЙ СТЕПЕНИ ВЗБУДОРАЖЕНЫ РЕЗУЛЬТАТАМИ НАБЛЮДЕНИЙ ЗАТМЕНИЯ

ТЕОРИЯ ЭЙНШТЕЙНА ТРИУМФАЛЬНО ПОДТВЕРЖДАЕТСЯ

ЗВЕЗДЫ НАХОДЯТСЯ НЕ ТАМ, ГДЕ ДОЛЖНЫ НАХОДИТЬСЯ ПО РАСЧЕТАМ, НО ТРЕВОЖИТЬСЯ НЕ О ЧЕМ

(Мне особенно нравится это «тревожиться не о чем»: да, во Вселенной царит неразбериха, но, пожалуйста, не переживайте по этому поводу!)

Через четыре года после того, как Альберт Эйнштейн сформулировал ОТО, о ней наконец услышал весь мир. Людям она понравилась. После ужасов Первой мировой войны, завершившейся всего год назад, все жаждали хороших новостей. Что может быть лучше, чем узнать о триумфе человечества в раскрытии загадок Вселенной? И разве не прекрасно, что теперь, когда Германия и Англия уже не находятся в состоянии войны, теория германского ученого подтверждена английскими астрономами? Эйнштейн и Эддингтон были убежденными пацифистами, и многие разделяли их надежду, что международное научное сотрудничество окажется противоядием от войны. Эйнштейн прославился на весь мир.

Значительно позже некоторые ученые подвергли сомнению точность результатов Эддингтона и даже, возможно, его научную честность. В конце концов, он был с самого начала истово убежден в истинности ОТО и отчаянно желал доказать правоту Эйнштейна. Что, если он желал этого чуточку слишком сильно? Не мог ли он пренебречь данными, не согласующимися с предсказаниями Эйнштейна? Недооценить погрешность измерений? Получить результат, который хотел получить?

Я так не думаю. В 1919 г. фотографические пластины были низкого качества. Погрешности позиционирования – весьма значительны, порядка 1/5 угловой секунды. Современным астрономам потребовались бы результаты с большей статистической значимостью, чтобы убедиться в чем бы то ни было. Однако проведенный в 1979 г. повторный анализ фотографий, сделанных в Собрале и на Принсипи, дал те же результаты, что были получены Эддингтоном в 1919 г.: данные согласовывались с теорией Эйнштейна.

Последующие наблюдения солнечных затмений приводили к тем же выводам со все большей степенью достоверности. Более того, благодаря чрезвычайно чувствительным космическим лабораториям мы больше не нуждаемся в солнечных затмениях для измерения отклонения света звезд. Орбитальный телескоп Европейского космического агентства (ЕКА) Gaia[26], запущенный в декабре 2013 г., измеряет положение звезд с точностью до 1/40 000″[27]. Такое изменение направления вы наблюдали бы, если бы ваш друг передвинул фонарик на 1 мм, находясь от вас на расстоянии почти 8500 км, а не 120 м. Gaia настолько чувствителен, что измеряет отклонение траектории света под воздействием Солнца по всему небу. Он замечает даже намного более слабое влияние гигантских планет, таких как Юпитер и Сатурн.

Астрономы постоянно наблюдают эффекты гравитационного линзирования больших галактик и скоплений галактик. Как и Солнце, они искривляют пространственно-временной континуум и отклоняют свет фоновых источников – в данном случае чрезвычайно дальних галактик. Эйнштейн был прав – по крайней мере в этом отношении.

_________

Вторым предсказанием ОТО, доступным для проверки опытным путем, стало гравитационное красное смещение. Помните, как Эйнштейн рассказывал Лоренцу, что его часы идут чуть быстрее на втором этаже здания, чем на цокольном? Это объясняется тем, что, согласно ОТО, часы должны замедляться в сильных гравитационных полях. Представьте, что находитесь на уровне земли в Нижнем Манхэттене, а ваша сестра – на верху Башни Свободы, на 540 м выше вас. Вы включаете лазерную указку. Она дает свет определенной длины волны – у зеленых лазерных указок обычно 532 нм (нанометр равен одной миллиардной метра, таким образом, 532 нм равны 0,000532 мм). Вы направляете свет в сторону сестры. (Напоминаю, это мысленный эксперимент – на практике нельзя направлять свет лазерной указки в лицо кому бы то ни было, чтобы не повредить глаза.) Свет какой длины волны она увидит? Не 532 нм, а чуть более длинные волны, соответствующие чуть более красному цвету. Дело в том, что для вашей сестры время течет быстрее, чем для вас.

Объясню почему. Длина волны связана с частотой, как было показано в главе 2. На уровне земли ваша лазерная указка излучает свет, длина волны которого составляет 532 нм. Это соответствует частоте 563,5 трлн Гц – столько гребней волны проходит за каждую секунду. (Хотите сделать расчеты самостоятельно? Это легко: разделите скорость света на длину волны и получите соответствующую частоту.)

Наверху Башни Свободы свет лазера имеет прежнюю скорость – ведь скорость света, согласно Эйнштейну, есть величина постоянная. Но гравитация на высоте слегка слабеет по сравнению с уровнем земли, и время идет чуть быстрее. Прежде чем 563,5 трлн гребней волн успеют пройти, одна секунда истечет. Иначе говоря, ваша сестра видит свет чуть меньшей частоты, соответствующей чуть большей длине волны, чуть меньшей энергии и слегка красноватому оттенку. Это и есть гравитационное красное смещение.

Очевидно, что эффект чрезвычайно слаб. Мир под вашими ногами не краснеет от того, что вы смотрите на него с высокой башни. Оцените ничтожность эффекта: у подножия Эвереста время течет быстрее примерно на 1/30 000 с в год, чем на уровне моря. Вашей сестре понадобится чрезвычайно точный измерительный инструмент, чтобы обнаружить крайне слабое наблюдаемое увеличение длины волны лазерной указки – менее 0,00000000001 %.

Роберт Паунд и Глен Ребка из Гарвардского университета создали такой измерительный прибор. В 1959 г., через четыре года после смерти Эйнштейна, они поставили первый контролируемый эксперимент по измерению гравитационного красного смещения. На тот момент самым высоким зданием в мире был небоскреб Эмпайр-стейт-билдинг, но Паунду и Ребке незачем было проводить эксперимент в Нью-Йорке. Их прибор был настолько чутким, что высоты Лаборатории Джефферсона в Гарварде – всего 22,5 м – оказалось достаточно, чтобы обнаружить эффект порядка одной четырехсоттриллионной.

Я не собираюсь сейчас подробно описывать эксперимент Паунда – Ребки. Он был достаточно сложен, с использованием радиоактивного железа, наполненных гелием пакетов из полиэфирной пленки, конусов громкоговорителей, поглотителей гамма-излучения, сцинтилляционных детекторов и многого другого. Главное, эксперимент завершился успешно, и результаты идеально согласовывались с общей теорией относительности Эйнштейна.

Таким образом, Паунд и Ребка подтвердили предсказание Эйнштейна, что с ростом гравитации время замедляется. Принцип относительности не оставляет во Вселенной ничего абсолютного, будь то даже течение времени. Дело не в том, что зубчатым колесам часов приходится дольше совершать оборот из-за воздействия гравитации на механизм. Замедляется само время. Буквально каждый физический процесс протекает дольше в сильном гравитационном поле.

Будучи подростком, я никак не мог этого осознать. Я представлял, как стрелки моих наручных часов замедляются по какой-то причине, но отказывался верить, что биение моего сердца также замедлится, что клетки моего тела будут стареть медленнее и что я фактически дольше проживу. Это казалось волшебством или выдумкой, а не наукой. Тем не менее это правда.

В то же время в каком-то смысле мои сомнения оказались обоснованными. Если само время замедляется в сильном гравитационном поле (например, вблизи ЧД), каждая секунда длится дольше, чем в норме. Некто в открытом космосе, имеющий иную систему отсчета, действительно заметит, что мое сердце бьется медленнее и я живу дольше. Но я никаких изменений не замечу. У меня просто не будет возможности почувствовать удлинение секунд. Мое сердце по-прежнему будет биться в здоровом ритме 80 ударов в минуту. Ожидаемая продолжительность жизни по-прежнему составит около 80 лет. Замедление времени не принесет мне никаких преимуществ. Даже быстродействие моего мозга снизится, и я не смогу использовать дополнительное время, чтобы больше читать или учить китайский язык.

Как бы то ни было, в 15-летнем возрасте мне было сложно осмыслить эту идею, думаю, как и большинству людей. Поэтому меня впечатлило описание замечательного эксперимента, поставленного осенью 1971 г., в ходе которого физик Джозеф Хафеле и астроном Ричард Китинг облетели всю планету на коммерческих авиарейсах с нетипичным багажом – атомными часами, желая измерить эффект замедления времени. Они потратили в общей сложности около $8000, включая оплату билетов, еды и напитков во время эксперимента. Таким образом, он оказался не только захватывающим, но и дешевым.

Сначала Хафеле и Китинг отправились с атомными часами (числившимися по летным документам пассажиром по имени мистер Часы) в кругосветный полет в восточном направлении, по вращению Земли, а затем в западном, против вращения планеты. Есть известная фотография: двое ученых с оборудованием занимают целый ряд сидений, а молодая стюардесса проверяет свои наручные часы, словно подозревая, что они стали врать. Хафеле и Китинг уже скончались, но стюардесса, возможно, еще жива, и ей есть что рассказать. Жаль, что мне не удалось ее разыскать.

Высоко в воздухе, где гравитация чуть слабее, чем на земле, атомные часы предположительно должны идти чуть быстрее. Это гравитационное замедление времени уже было убедительно продемонстрировано Паундом и Ребкой в форме гравитационного красного смещения. Но имеется также кинематическое замедление времени – эффект, предсказанный СТО, которую Эйнштейн сформулировал в 1905 г.

Гравитационное замедление времени при полете на восток и на запад должно быть сопоставимым. В конце концов, оба полета совершаются с практически равными скоростями, значит, эффект гравитации будет одинаковым. Но кинематическое замедление времени должно отличаться. Скорость полета в восточном и западном направлениях практически одинакова только по отношению к земной поверхности. Нам же нужно рассматривать скорости относительно центра Земли. Представьте себе трехмерную систему координат, нулевая точка которой совпадает с центром Земли. Земная поверхность имеет определенную скорость вращения на любой широте. Если вы летите на восток, в одном направлении с вращением Земли, ваша скорость относительно системы координат оказывается выше, если на запад – ниже. Из разницы скоростей проистекает разный ход часов.

Приземлившись в Вашингтоне (округ Колумбия), Хафеле и Китинг сравнили показания своих атомных часов и часов Вашингтонской морской обсерватории. Как и следовало ожидать, их часы уходили вперед и назад на десятки наносекунд в течение высокоскоростных перелетов в полном соответствии с предсказаниями Эйнштейна.

В основе работы атомных часов лежат фундаментальные процессы на уровне атомов и электронов. Эксперимент Хафеле – Китинга стал изящным подтверждением факта, что каждый, без исключения, природный физический процесс протекает медленнее вследствие замедления времени. Пусть физики пока не раскрыли истинную природу времени, но они знают, что оно замедляется для наблюдателей, движущихся с высокими скоростями или находящихся в сильных гравитационных полях.

Это хорошая новость для астронавтов. Международная космическая станция обращается вокруг Земли на высоте несколько сот километров. Гравитация на такой высоте слабеет, и в силу гравитационного замедления времени часы астронавта идут быстрее. Но космическая станция летит со скоростью около 8 км/с, и благодаря высокой скорости кинематическое замедление времени притормаживает ход часов. Для орбитального корабля первый эффект выражен сильнее второго. В результате получается, что на борту корабля вы стареете не так быстро, как на земной поверхности. Астронавт, проведший шесть месяцев на космической станции, выигрывает 7 мс.

Почему это важно? Ведь речь идет о милли- и наносекундах, триллионных долях, процентах угловой секунды – как эти крохи могут влиять на нашу жизнь? Разве это не более чем абстрактное упражнение для умников и фриков, помешанных на многомерных пространствах, ЧД и громадных числах?

В каком-то смысле значимость ОТО Эйнштейна превосходит все, что можно извлечь из повседневного существования, поскольку описывает фундаментальные свойства мира, в котором мы живем. Жажда знания, понимания – важная особенность, делающая нас людьми.

Однако измеряемые воздействия на обыденную жизнь существуют. Их немного, но они есть. Например, GPS-навигатор вашего автомобиля работал бы неправильно, если бы инженеры не учли эффекты ОТО, – и вместо ресторана, где у вас заказан столик, вы угодили бы в канаву или в реку. (Это впечатляющее исключение я имел в виду, говоря в главе 1, что можно прекрасно прожить жизнь, ничего не зная об ОТО.)

Ваша навигационная система знает, где вы находитесь. Именно поэтому она может указать путь от Нью-Йорка до Сан-Франциско или провести через лабиринт улиц незнакомого города. Чтобы вычислить ваше местоположение, устройство ловит сигналы нескольких спутников, входящих в Систему глобального позиционирования (Global Positioning System – GPS). Около 30 спутников мчатся по земной орбите на высоте порядка 20 000 км. На каждом установлены атомные часы. Сравнивая сигналы часов трех или более GPS-спутников, ваша навигационная система выясняет расстояние до каждого из них. Затем тригонометрические вычисления позволяют определить ваши координаты: долготу, широту и высоту над уровнем моря.

Поскольку спутники движутся высоко над Землей, часы системы GPS испытывают эффекты замедления времени, как гравитационные, так и кинематические. Если бы бортовая система их не корректировала, ваше расчетное местоположение отклонялось бы от реального на многие метры в течение часа. Итак, вот ситуация из повседневной жизни, когда наносекундные сдвиги времени, по Эйнштейну, имеют очевидное практическое значение. Вспомните об этом в следующий раз, включая навигационную систему.

_________

Эксперименты Паунда – Ребки и Хафеле – Китинга являются одними из самых известных проверок теории относительности. Было проведено множество других – Ивеса – Стилвелла, Кеннеди – Торндайка, Росси – Холла, Фриша – Смита и т. д. (Большинство названы в честь двух мужчин-экспериментаторов. Но есть исключения, например, эксперименту Эт – Ваш дали название не физики Эт и Ваш, а барон Лоранд Этвёш де Вашарошнамень и Вашингтонский университет.) Я не стану описывать каждый опыт, главное, что все результаты, с чем бы они ни были связаны – от быстродвижущихся мюонов до орбитального ускорения Луны, – снова и снова с все большей точностью подтверждали верность как специальной, так и общей теории относительности.

Целесообразность расходования $750 млн на очередную проверку могла казаться спорной. Особенно в сравнении с суммой в $8000, за которую Джозеф Хафеле и Ричард Китинг вместе с атомными часами слетали на реактивных самолетах вокруг света.

Напомню, однако, что Gravity Probe B был задуман и сконструирован для экспериментального подтверждения того, что до сих пор ни разу не подвергалось проверке, – не замедления времени, не гравитационного красного смещения, не отклонения света звезд, а геодезической прецессии и увлечения инерциальных систем отсчета. (Если вас заинтересовала буква «B» в названии эксперимента: был и Gravity Probe A, поставленный в 1976 г. для измерения гравитационного красного смещения с гораздо большей точностью, чем у Паунда и Ребки.)

Геодезическая прецессия иногда называется прецессией де Ситтера – в честь лейденского математика Виллема де Ситтера, первым описавшего ее еще в 1916 г. (Возможно, вы помните, что именно статья де Ситтера познакомила Англию с ОТО Эйнштейна.) По сути, это прямое следствие искривления пространственно-временного континуума вблизи массивного тела.

Представим изолированную сферу, вращающуюся в безвоздушном пространстве. В отсутствии внешних сил ее ось вращения всегда будет направлена в одну точку. Теперь поместим эту сферу на земную орбиту. Ньютон полагал бы, что ось вращения сохранит прежнее направление: если она указывала на далекую звезду, то так и будет на нее указывать на каждом орбитальном витке. Эйнштейн предсказывает иное. Из-за присутствия Земли пространственно-временной континуум вблизи планеты искривляется. Ось вращения сферы действительно сохраняет фиксированное положение в искривленном пространственно-временном континууме. Но при наблюдении со стороны, оттуда, где пространственно-временной континуум остается неискривленным, вы заметите очень медленное смещение. Какое-то время ось будет указывать на отдаленную звезду, но в процессе множества витков точное соответствие утратится. Это и есть геодезическая прецессия.

Увлечение инерциальных систем отсчета тоже легко представить. Возможно, вам встречались иллюстрации, где искривление пространственно-временного континуума показано с помощью шара для боулинга, лежащего на батуте. Плоская поверхность батута изображает пространственно-временной континуум, а шар – массивное тело, такое как Солнце или ЧД. Точно так же, как шар для боулинга деформирует поверхность батута, массивные тела вызывают местное искривление пространственно-временного континуума.

Сравнение с батутом несовершенно, как и любое другое. Однако оно полезно для понимания эффекта увлечения инерциальных систем отсчета. Представьте, что вы стоите возле батута. Давление шара идеально симметрично. Теперь положите ладонь на верхнюю часть шара и закрутите его. Поверхность батута начнет вращаться следом. Она, однако, не сможет продолжать вращение вместе с шаром, и давление перестанет быть симметричным – все координатные прямые изогнутся по спирали. Это и есть увлечение инерциальных систем отсчета.

Под «системой отсчета» в данном случае подразумевается так называемая покоящаяся система координат, или система координат пространственно-временного континуума, с которой мы имеем дело (аналог – поверхность батута). Поместите планету (шар для боулинга) в свою систему координат, и пространственно-временной континуум будет искривлен. Искривление вызывает вышеописанную геодезическую прецессию. Заставьте планету вращаться вокруг своей оси (закрутите шар), и искривленный пространственно-временной континуум увлечется следом, хотя и совсем слабо. Это вызовет дополнительную – намного меньшую – прецессию оси вращения движущегося по орбите тела. (Данную разновидность увлечения инерциальных систем отсчета – так называемое ротационное увлечение – первыми предсказали австрийский математик Йозеф Лензе и физик Ханс Тирринг в 1918 г., отсюда другое название – эффект Лензе – Тирринга.)

Физики Стэнфордского университета Леонард Шифф и Уильям Фейрбэнк с 1960 г. мечтали измерить эти два эффекта. Фрэнсис Эверитт присоединился к ним в 1962 г. в 28-летнем возрасте. В Лондоне Эверитт получил профессию геолога, но, посвятив пять лет изучению палеомагнетизма, счел физику более интересным занятием и проучился еще два года в Пенсильванском университете, специализируясь в физике низких температур.

Когда он поступил на работу в Стэнфорд, все сошлось воедино. В эксперименте, задуманном Шиффом и Фейрбэнком, должны были использоваться сверхточные гироскопы – правильные сферы размером с мяч для настольного тенниса. Намагниченные и охлажденные почти до абсолютного нуля, они обеспечили бы максимально возможную точность измерений.

На то, чтобы запустить проект, понадобилась уйма времени. Сначала не хватало финансирования – Эверитт до сих пор недоумевает, как Шифф и Фейрбэнк умудрялись платить ему зарплату. Столь же ничтожным был и прогресс. Затем подключилось НАСА, что было одновременно хорошо и плохо: дело сдвинулось с мертвой точки, но космическое агентство несколько раз едва не погубило проект. В конце 1970-х гг. стартовала программа космических шаттлов, и НАСА решило запустить Gravity Probe B на шаттле – дорогостоящая программа пилотируемых полетов опиралась на любые подвернувшиеся научные обоснования своего существования. Однако в 1986 г. взорвался «Челленджер», унеся жизни семи астронавтов, и в НАСА не осталось желающих тратить средства на потенциально рискованный физический эксперимент. Даже запланированная полетная демонстрация на борту шаттла была отменена.

В последующие несколько лет неоднократно менялось руководство НАСА, то увеличивался, то сокращался бюджет агентства, и множились слушания на Капитолийском холме. В начале 1990-х гг. миссия была одобрена, главным образом благодаря руководителю проекта Брэду Паркинсону. Эверитт до сих пор убежден, что включение Паркинсона в команду в середине 1980-х гг. стало самым важным событием на тернистом пути миссии Gravity Probe B. Не ученый, а полковник ВВС, изобретатель и инженер, Паркинсон способствовал реализации GPS и знал, за какие ниточки дергать. Более того, команда из Стэнфорда получила жизненно важную поддержку Дэниэла Голдина, руководившего НАСА в 1992–2001 гг.

Gravity Probe B был запущен с базы ВВС Вандерберг в Калифорнии 20 апреля 2004 г. Ни Шифф, ни Фейрбэнкс не дожили до этого момента, а Эверитт успел отметить 70-летие. Но он считает, что ожидание того стоило.

Около года четыре гироскопа Gravity Probe B двигались по орбите вокруг Земли в состоянии почти идеального свободного падения, экранированные от солнечной радиации, микрометеоритов и перепадов температур герметичным корпусом космического аппарата. Более 2400 литров сверхтекучего жидкого гелия поддерживали температуру чувствительной научной аппаратуры лишь на 1,8° выше абсолютного нуля.

Благодаря идеальной сферической форме роторы гироскопов сохраняли ориентацию относительно собственной системы отсчета – слегка искривленного пространственно-временного континуума вблизи Земли. Между тем установленный в фиксированном положении телескоп Gravity Probe B был направлен на звезду в созвездии Пегаса. Геодезическая прецессия и увлечение инерциальных систем отсчета должны были вызвать очень медленное смещение ориентации гироскопов относительно спутника. Чувствительные сверхпроводящие квантовые интерферометры были способны измерить расхождение осей намагниченных роторов гироскопов и главного телескопа менее 0,0005″.

Это, конечно, очень отличается от плавания на остров Принсипи и фотографирования солнечного затмения. Это намного сложнее, чем посылать гамма-лучи из цоколя на верхний этаж Лаборатории Джефферсона в Гарварде, измеряя крохотное изменение длины волны, и несопоставимо дороже кругосветного полета атомных часов коммерческими рейсами, но эксперимент являлся уникальной возможностью проверить ОТО Эйнштейна. Малейшие несовпадения с ней имели бы колоссальные последствия.

Анализ данных Gravity Probe B занял долгие годы. Релятивистские эффекты были чрезвычайно слабы, а помехи в измерениях значительны. Наконец весной 2011 г. были оглашены результаты, хорошо согласующиеся с предсказаниями Эйнштейна. В противном случае проект, безусловно, оказался бы на передовицах газет. «Эйнштейн ошибался!» – убойный заголовок. Однако Эйнштейн вновь оказался прав. Геодезическая прецессия: 6,6″ в год. Увлечение инерциальных систем отсчета: 0,037″ в год. Чрезвычайно слабые эффекты, но почти точно совпавшие с предсказанными значениями. Никогда еще ОТО не проверялась и не подтверждалась со столь высокой точностью. Не вздумайте заявить Фрэнсису Эверитту, что вложенные в проект $750 млн не окупились.

Мы наконец покончили с попытками подтвердить или опровергнуть теории Эйнштейна?

Ни в коем случае[28].

ОТО в нынешней форме может оказаться не последним словом о природе пространства, времени и гравитации. Дело в том, что она не совместима с квантовой механикой, другим краеугольным камнем физики XX в. (я вернусь к этой проблеме в главе 12). Рано или поздно физики неизбежно столкнутся с результатами экспериментов, не вполне подтверждающими предсказания одной из двух теорий, аналогично тому, как странное поведение орбиты Меркурия не согласовывалось с теорией Ньютона. Для физиков это будет сродни маленькому облачку на горизонте – на первый взгляд безобидное, оно может обернуться чудовищной грозой. В результате будут получены зацепки, указывающие путь к новым и более совершенным теориям.

Неудивительно, что первая прямая регистрация гравитационных волн в сентябре 2015 г. была воспринята как один из важнейших научных прорывов за многие десятилетия. До сих пор это предсказание Эйнштейна, сделанное 100 лет назад, никогда не находило прямых подтверждений. Был также создан новаторский метод изучения самых таинственных объектов во Вселенной – ЧД.

Возможно, новый инструмент подарит нам ключ к тайнам пространственно-временного континуума?

4

А есть ли волны: дискуссия с переходом в потасовку

Филипу Моррисону не на что было надеяться, кроме трости.

В понедельник 10 июня 1974 г. десятки физиков собрались в Массачусетском технологическом институте (MIT) на Пятую Кембриджскую конференцию по релятивизму. Приглашенные лекторы, обсуждения, стендовые доклады, вопросы и ответы – ничего особенного. Обычное собрание ученых.

Все изменилось, когда речь зашла о гравитационных волнах. Два видных участника конференции – Джо Вебер и Дик Гарвин начали дискуссию, переросшую сначала в спор, затем в выкрики и оскорбления. Наконец они вскочили и с яростью кинулись друг на друга у всех на виду, скрипя зубами и сжимая кулаки. Что стряслось?

Моррисон, профессор физики MIT, был ведущим заседания. Его призывы: «Джентльмены, джентльмены!» – пропали втуне. В любой момент могла начаться потасовка, как между завсегдатаями бара. Что оставалось делать пострадавшему от полиомиелита Моррисону? Словно волшебник, воздевающий магический посох, он вскинул трость и разделил вояк. Кровь не пролилась.

Произошло следующее. Джо Вебер заявил, что обнаружил гравитационные волны. Дик Гарвин ему не поверил, и по веским причинам. Фактически едва ли хоть кто-нибудь поверил Веберу. В те времена физики сомневались в самом существовании гравитационных волн. Неудивительно, что страсти накалились.

_________

Сомнения по поводу гравитационных волн впервые высказал в 1916 г. сам Альберт Эйнштейн. Не каждое предсказание в ОТО столь однозначно и убедительно, как хотелось бы. Бесспорно, перигелий Меркурия должен смещаться быстрее, чем предполагает теория Ньютона. Свет звезд должен отклоняться искривлением пространственно-временного континуума. Время должно замедляться в сильных гравитационных полях. Сделать эти предсказания нетрудно. Другие менее очевидны, и существование гравитационных волн – одно из них. По крайней мере так считал Эйнштейн.

В математическом выражении уравнения поля ОТО аналогичны уравнениям электродинамики Максвелла. В 1860-х гг. шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл впервые предположил, что электричество и магнетизм – две стороны одной медали и что свет – это электромагнитная волна. Полтора века спустя его уравнения остаются достаточно популярными, чтобы печататься на футболках (хотя носят их, вероятно, только студенты-физики). Это относится и к эйнштейновским уравнениям поля.

Что значит «аналогичны»?

Теория электродинамики Максвелла доступна для понимания. Возьмите электрический заряд, придайте ему ускорение, и он создаст электромагнитную волну. Следствия мы наблюдаем повсеместно в форме света, радиоволн и т. д. Могут возникнуть наивные ожидания – найти нечто подобное в ОТО: возьмем «гравитационный заряд» (массивный объект), придадим ему ускорение, и он породит гравитационную волну. Звучит логично. Безусловно, что-то подобное виделось Эйнштейну в конце 1915 г., когда он вывел окончательную версию уравнений поля.

Однако между электромагнетизмом и гравитацией существует большая разница. И электрические, и магнитные заряды могут быть как положительными, так и отрицательными. Они могут притягиваться или отталкиваться. Напротив, масса всегда положительна. Отрицательной массы не существует, гравитация – всегда притяжение, она не может быть силой отталкивания.

В 1916 г. это заставило Эйнштейна сделать вывод, что «не существует гравитационных волн, аналогичных световым волнам», как он написал немецкому математику Карлу Шварцшильду. В его сложной аргументации присутствовали скаляры, тензорные плотности, диполи и унимодулярные системы координат (вам необязательно знать, что все это значит; я упомянул термины только для того, чтобы подчеркнуть, что ОТО – сложная вещь).

Позднее в том же году Эйнштейн изменил мнение после предложения лейденского ученого Виллема де Ситтера использовать для расчетов другую систему координат. Разница оказалась огромной. Да, заключил Эйнштейн, гравитационные волны существуют. И распространяются со скоростью света – так же, как электромагнитные волны Максвелла. В июне Эйнштейн представил новые результаты в Прусской академии наук в Берлине. «Приближенное интегрирование уравнений гравитационного поля» – возможно, звучит скучно, но это эпохальная статья – первая в истории публикация, посвященная гравитационным волнам.

И она ошибочна.

Осенью 1917 г. финский физик Гуннар Нордстрём указал на важную ошибку в работе Эйнштейна (если вам интересно, она связана с производной псевдотензора). Из-за нее Эйнштейн промахнулся, выводя формулы гравитационных волн в 1916 г. Знаковой следует считать его статью от января 1918 г. с простым названием «О гравитационных волнах». «Мне пришлось вернуться к этой теме, – писал Эйнштейн в первом абзаце, – поскольку мое первое представление недостаточно ясно и, более того, запятнано прискорбной ошибкой в расчетах». Всегда полезно признавать свои заблуждения, особенно в науке.

Нельзя сказать, что статья 1918 г. убедила всех и каждого. Особенно активным критиком идеи гравитационных волн был Артур Стэнли Эддингтон – один из самых горячих сторонников Эйнштейна и первых популяризаторов ОТО, сам видный астрофизик.

Эддингтон считал гравитационные волны математическим вывертом теории, не имеющим никакого физического смысла. Он не согласился и с выводом Эйнштейна, что такие волны должны иметь скорость света, и в 1922 г. произнес знаменитые слова, что «гравитационные волны распространяются со скоростью мысли» – остроумный намек, что они не более чем игра воображения.

В 1920–1930-х гг. идея гравитационных волн практически никого не интересовала. Даже если они существуют, то слишком слабы, чтобы их можно было обнаружить. Казалось невозможным когда-либо подтвердить или опровергнуть это предсказание. Большинство ученых о нем забыли.

Эйнштейн вернулся к этой теме только в 1936 г. Он уже жил в США и занимал должность в принстонском Институте перспективных исследований. Великое место, великие люди, великие умы. Ему особенно нравилось работать с Натаном Розеном, по возрасту годившимся Эйнштейну в сыновья. Вместе они размышляли над идеями ОТО, квантовой механики, ЧД – и гравитационных волн. И пришли к поразительному выводу, что последние все-таки не существуют. Очевидно, Эддингтон был прав. Вскоре они подали в ведущий на тот момент профессиональный физический журнал Physical Review статью «Существуют ли гравитационные волны?», где отвечали на заданный в заголовке вопрос отрицательно, объясняя причины такого вывода.

Конечно, Эйнштейн и Розен заблуждались, – спросите тысячи ученых из международных научных сообществ LIGO и Virgo, заявивших о первой в истории регистрации гравитационных волн в феврале 2016 г. Хорошо, что статья так и не была опубликована. Джон Тейт, редактор Physical Review, отослал рукопись рецензенту, высказавшемуся против публикации и написавшему: «Насколько я могу судить… возражения Эйнштейна и Розена [против гравитационных волн] не существуют».

Оценка научных статей анонимными рецензентами-коллегами – обычная современная практика, особенно в физике. Но в те времена это было новинкой даже для Physical Review, о которой Эйнштейн не подозревал. Европейские журналы просто печатали присылаемые статьи. Он пришел в ярость, получив отказ, и никогда больше не публиковался в Physical Review. Статью он предложил в филадельфийский Journal of the Franklin Institute, имевший гораздо меньший тираж и не прибегавший к практике рецензирования, где ее охотно приняли.

Все изменилось осенью 1936 г. Натан Розен принял предложение работать в Советском Союзе, и ассистентом Эйнштейна стал польский физик Леопольд Инфельд. Космолог Говард Робертсон объяснил Инфельду заблуждение Эйнштейна и Розена. (Робертсон, кстати, и был рецензентом статьи в Physical Review.) К тому моменту, когда Инфельд сообщил своему руководителю о проблеме, Эйнштейн и сам обнаружил ошибку. Даже Натан Розен в далеком Киеве заметил эту проблему, имевшую сложный для непосвященных математический характер.

Статья в конце концов вышла в январе 1937 г. в Journal of the Franklin Institute в значительной переработке. Эйнштейн изменил и название. Как и публикация 1918 г. (тоже исправленный вариант более ранней статьи), она стала называться «О гравитационных волнах». Вот ее смысл: мы не можем доказать, что эти неуловимые волны не существуют, но и в их существовании мы не уверены.

К тому моменту ОТО было почти 25 лет. Но ученые продолжали оспаривать существование предсказанного теорией феномена. Это положение сохранялось следующие 20 лет. Когда Эйнштейн умер в 1955 г., физическая реальность гравитационных волн по-прежнему вызывала серьезную полемику, а их свойства оставались практически неизвестными. Например, менее чем через три месяца после смерти Эйнштейна Розен заявил, что гравитационные волны не могут переносить энергию – завуалированный способ сказать, что они не имеют реального физического существования. Но через полтора года мнения начали меняться, особенно после того, как физики-теоретики Феликс Пирани и Ричард Фейнман и космолог Герман Бонди доказали, что они все-таки могут переносить энергию. Гравитационные волны стали считаться реальным физическим феноменом. Оставалась лишь одна проблема – как их обнаружить.

_________

Прежде чем продолжить, важно создать отчетливое представление о гравитационных волнах. Уверен, вы слышали фразу «рябь пространства-времени». Возможно, вы также видели компьютерную анимацию слияния ЧД, когда двухмерная плоскость покрывается спиральными складками. Я попытаюсь по-другому описать таинственные волны Эйнштейна. («Волны Эйнштейна» не научный термин. Но мне нравится это выражение, и я позволяю себе использовать его в качестве синонима понятия «гравитационные волны».)

Первое и самое важное: ничто не идет «волнами» или «рябью» сквозь пространство, как в случае водяных, звуковых и даже световых волн. Нет, речь здесь о пространственно-временном континууме как таковом. Чтобы мысленно увидеть это, давайте сначала рассмотрим одномерное «пространство» – прямую линию. Представьте туго натянутую скакалку. Можно пустить волну по ней, равномерно поднимая и опуская один из концов, но для понимания волн Эйнштейна этот образ совершенно не подходит. Помните, что речь идет о волнах самого пространства (и в самом пространстве). В случае одномерного пространства мы должны представить волны в пределах этого единственного измерения.

Резиновая скакалка обладает определенной эластичностью. Ее можно немного растянуть в одном месте и немного сжать в другом, так что общая длина не изменится. Она остается одномерной прямой линией, но в ней распространяются продольные волны. Мысленно нанесите на скакалку деления с шагом в один миллиметр. При распространении в скакалке продольной волны вы увидите, что деления сначала отдаляются друг от друга, а затем сближаются. Это правильная визуализация одномерной гравитационной волны: пространство попеременно растягивается и сжимается.

Теперь перейдем к двухмерному пространству, например к листу бумаги или миллиметровки. Принцип тот же. Гравитационную волну в двухмерном пространстве следует изображать не выгибанием листа складками, как это часто делается. Нет, попытаемся представить распространение волн в двухмерной плоскости. При этом квадратики миллиметровки растягиваются в одних местах и сжимаются в других. (Точнее, в один момент времени данный квадрат увеличивается в определенном направлении, в другой момент уменьшается.) Перпендикулярно направлению волны пространство попеременно растягивается и сжимается, как если бы в плоскости распространялись области повышенной и пониженной «плотности пространства».

А волны Эйнштейна в трехмерном пространстве? Незачем напрягать воображение, представляя возмущение гипотетического четвертого измерения. Это всего лишь волнообразное изменение «плотности пространства». Мысленно рисуем трехмерную миллиметровку, состоящую из кубиков, и наблюдаем, как их стороны удлиняются и укорачиваются перпендикулярно направлению волны по мере ее прохождения.

Волны в трехмерном пространстве являются, разумеется, трехмерными. Популярные схемы и фильмы, изображающие их в двух измерениях, создают ложное впечатление, что две вращающиеся по орбите ЧД испускают гравитационные волны только в горизонтальной плоскости. В действительности волны распространяются во всех направлениях. В одном направлении они могут быть сильнее, чем в другом, но избегайте видеть их только в плоскости орбиты.

Итак, вот правильная визуализация волн Эйнштейна. В сущности, картина почти не отличается от волн плотности, распространяющихся по сосуду с желе, если его встряхнуть, где желе представляет безвоздушное пространство.

В зависимости от источника гравитационные волны могут сильно различаться частотами и амплитудами. (Если вы забыли, что такое частота, длина, амплитуда и скорость волны, вернитесь к главе 2.) Представьте две ЧД, взаимно обращающиеся очень близко друг к другу. Допустим, они совершают 100 оборотов в секунду (эта величина близка к реальности). Из теории Эйнштейна следует, что они излучают гравитационные волны с частотой 200 Гц – мимо наблюдателя, находящегося на некотором расстоянии, за каждую секунду проходит 200 «гребней волны». Поскольку гравитационные волны движутся со скоростью света (300 000 км/с), соответствующая длина волны составляет 1500 км.

Что касается амплитуды, то в случае гравитационной волны это мера интенсивности, показывающая, насколько растягивается и сжимается пространственно-временной континуум. В этом отношении важно понять две вещи. Во-первых, амплитуда уменьшается с расстоянием. Вблизи орбиты ЧД возмущение пространственно-временного континуума сильнее, чем вдали от нее. Фактически амплитуда обратно пропорциональна расстоянию. Проще говоря, волны, уйдя в 5 раз дальше, становятся в 5 раз слабее.

(Это может показаться странным. Ведь сила гравитации или яркость источника света уменьшается пропорционально квадрату расстояния. Если разнести две планеты в 5 раз дальше, их взаимное притяжение уменьшится в 25 раз. Увеличьте расстояние до звезды в 10 раз, и она станет в 100 раз бледнее. Однако в этих случаях мы рассматриваем энергию гравитационного поля или световой волны. В отношении волн Эйнштейна речь идет об амплитуде, действительно обратно пропорциональной расстоянию.)

Кроме того, нужно понять, что амплитуда гравитационных волн непостижимо мала. Я сравнил безвоздушное пространство с сосудом с желе. Но лучше было бы сравнить его с бетонным блоком. Если слегка качнуть банку с желе, все оно начнет колыхаться. Даже ударив по бетонному блоку кувалдой, вы едва ли заметите распространяющуюся в массиве бетона волну. Дело в том, что бетон гораздо плотнее желе. Пространственно-временной континуум обладает исключительной жесткостью. Его трудно деформировать, изогнуть, растянуть или сжать. Нужно очень много энергии, чтобы вызвать даже самое слабое возмущение.

Итак, вот характеристики сигнала гравитационной волны двух взаимно обращающихся ЧД. Скорость равна скорости света, частота 200 Гц, соответствующая длина волны 1500 км, амплитуда обратно пропорциональна расстоянию между наблюдателем и парой ЧД, но в любом случае чрезвычайно мала.

Что изменится в случае намного более массивных ЧД? Если бы они также совершали по орбите 100 оборотов в секунду, то частота (и, конечно, длина) волны была бы точно такой же, но амплитуда увеличилась бы благодаря большим массам.

Однако амплитуда зависит еще и от ускорения движения ЧД по орбите. Если сильнее их сблизить, так, что они начнут вращаться быстрее, амплитуда еще больше возрастет. Увеличится и частота: при меньшем расстоянии между ними ЧД будут иметь меньший период обращения. Таким образом, если ЧД сближаются по спирали, как амплитуда, так и частота сигнала гравитационной волны нарастают. Именно это обнаружили детекторы LIGO в сентябре 2015 г., когда впервые зарегистрировали волны Эйнштейна.

Я мог бы еще о многом рассказать, но приберегу это для следующих глав. Пора вернуться к более увлекательным историям – в данном случае о том, как двое ученых едва не подрались в полном конференц-зале.

_________

Джозеф Вебер знал о драках все. Во Вторую мировую войну он был капитан-лейтенантом ВМС США и в мае 1942 г. чудом не утонул на «Лексингтоне», превращенном японцами в месиво горящей стали. Джо готовился праздновать 33-летие – он родился за 12 дней до момента, когда Артур Эддингтон вглядывался в облака над островом Принсипи.

После войны Вебер работал инженером-электриком в Мэрилендском университете в Колледж-Парке к северо-востоку от Вашингтона, получил степень доктора философии в области микроволновой спектроскопии и разработал фундаментальные основы лазеров и квантовых генераторов СВЧ-диапазона. Это были первые шаги к открытиям, которые принесут другим ученым Нобелевскую премию по физике за 1964 г.

Вебер заинтересовался релятивизмом и гравитацией в середине 1950-х гг., проведя годовой творческий отпуск в общении с гуру физики Джоном Арчибальдом Уилером в Принстоне и Лейдене. Искривленный пространственно-временной континуум, ЧД, замедление времени, гравитационные волны – интересно! Он поставил себе целью узнать об этом все, что сможет, и в 1961 г. опубликовал маленькую книгу «Общая теория относительности и гравитационные волны» (General Relativity and Gravitational Waves).

К тому времени, однако, он успел обнародовать идею, сделавшую его знаменитым – по мнению некоторых, печально знаменитым. Джо Вебер решил начать охоту за волнами Эйнштейна. Их теория обсуждалась долгие годы. Пора засучить рукава, создать инструменты и попытаться обнаружить волны экспериментально.

План был прост: мерить ежеминутное, периодическое изменение размера какого-либо объекта на Земле. Рано или поздно проходящая гравитационная волна растянет и сожмет пространство и все, что в нем находится. Бетонный блок действительно испытает крохотное увеличение и уменьшение в ответ на прохождение гравитационных волн. Изменение размера будет исчезающе малым, следовательно, его будет чрезвычайно трудно измерить. Более того, воспользоваться линейкой не удастся, поскольку и линейка увеличится и уменьшится.

Вебер нашел решение – собственные частоты.

Большинство предметов имеют определенную собственную частоту, при которой колебания резонируют и усиливаются. Пожилые обитатели Такомы – города в штате Вашингтон к югу от Сиэтла, помнят, как в ноябре 1940 г. рухнул огромный, только что построенный подвесной мост, соединивший город с полуостровом Китсап. Очевидно, частота собственных колебаний моста совпала с преобладающими частотами сильных порывов ветра в проливе Такома-Нэрроуз. Конструкция начала резонировать, раскачиваться и изгибаться, пока не развалилась. Посмотрите на YouTube киносъемку обрушения моста – это впечатляет.

Итак, вот план Вебера. Берем в качестве детектора большой алюминиевый цилиндр. Подвергаем его точной механической обработке, чтобы он имел нужную нам собственную частоту. Подвешиваем на стальной проволоке, чтобы изолировать от колебаний окружающего пространства. С той же целью помещаем конструкцию в вакуумный сосуд. Подключаем к цилиндру пьезоэлектрические датчики. Ждем.

Если гравитационные волны существуют, то имеют широкий диапазон частот. Взрывы сверхновых, столкновения звезд, совершающие орбитальное движение ЧД – у каждого астрофизического события своя характерная частота. Достигнув Земли, они вызовут очень слабые колебания алюминиевого цилиндра. Остается надеяться, что частота некоторых волн Эйнштейна совпадет с собственной частотой цилиндра, вызвав в нем резонанс. Тогда его колебания станут более сильными, возможно даже измеряемыми. Более того, спустя секунды после прохождения волны цилиндр будет продолжать вибрировать, как камертон после удара. Пьезоэлектрические датчики зарегистрируют быстрое растягивание и сжатие образца, превращая малейшие изменения его длины в электрический сигнал.

В начале 1960-х гг. Вебер и его ученик Боб Форвард создали и испытали устройства, которые назвали «резонансными детекторами гравитационных волн» или «резонансными антеннами» и даже просто «антеннами Вебера». Как и следовало ожидать, они то и дело регистрировали слабые сигналы – нечто, выделяющееся из неизбежного фонового шума. Сверхновая в отдаленной галактике? Сталкивающиеся нейтронные звезды в нашей области космического пространства? Неизвестный энергетический процесс в центре Млечного Пути? Что это было, неведомо.

(Впервые услышав о сотрудничестве Вебера с Робертом Л. Форвардом, я подумал: «Забавно, он тезка автора «Драконьего яйца» (научно-фантастического романа 1980 г. о жизни на поверхности нейтронной звезды)». Оказалось, это один и тот же человек. Он ушел из Мэрилендского университета в 1962 г.)

Эксперименты Вебера стали привлекать серьезное внимание в 1968 г., когда он использовал два одинаковых детектора – один в кампусе Университета Мэриленда в Колледж-Парке, второй почти в 1000 км на восток, в Аргоннской национальной лаборатории возле Чикаго. Он стремился исключить ложноположительные результаты. Грузовик, проехавший по Балтимор-авеню, мог вызвать вибрацию антенны в Колледж-Парке, но не в Чикаго. Гравитационные волны от взрыва сверхновой или столкновения звезд должны были регистрироваться в обоих местах одновременно – по крайней мере с интервалом в долю секунды, с учетом скорости волн и в зависимости от направления, в котором находится их источник.

Каждая из двух алюминиевых антенн имела длину 1,5 м, диаметр около 65 см и вес 1400 кг. Их собственная частота составляла 1660 Гц – разумный выбор, если пытаться обнаружить волны Эйнштейна, вызванные столкновением нейтронных звезд. (Мы поговорим о нейтронных звездах в главе 5.) Оставалось дождаться одновременной регистрации двух сигналов – так называемого совпадения.

Веберу не пришлось долго ждать. С 30 декабря 1968 г. по 21 марта 1969 г. было зафиксировано не менее 17 совпадений. Очевидно, это не могло быть случайностью. В начале июня он впервые сообщил о результатах на конференции по релятивизму в Цинциннати (штат Огайо) и удостоился оваций. Вскоре после этого, 16 июня, в Physical Review Letters была опубликована его статья «Доказательство открытия гравитационного излучения» («гравитационное излучение» – ныне вышедший из употребления синоним понятия гравитационных волн).

Вскоре восторг сменился сомнениями. Во-первых, астрофизиков смущало количество событий. С учетом чувствительности антенн Вебера волны, вызванные столкновением нейтронных звезд, должны были возникать в пределах нескольких сотен св. лет от Земли. В такой маленькой области пространства 17 столкновений за три месяца были совершенно невозможны. Если же волны пришли от гораздо более дальнего источника, например какого-то неизвестного энергетического процесса в центре Млечного Пути, то задействованные энергии оказывались невероятно большими.

Экспериментаторы также прониклись скепсисом. Чтобы результаты эксперимента были признаны научным сообществом, они должны быть воспроизводимыми. Но Владимир Брагинский из МГУ не смог получить результаты Вебера. Энтони Тайсон из Bell Telephone Laboratories в Холмделе, штат Нью-Джерси, ничего не обнаружил. Результат Дэвида Дугласа в Рочестерском университете оказался отрицательным. Рон Древер из Глазго трудился впустую. Вебер же продолжал сообщать о новых удачах своей «гравитационно-волновой лаборатории» в Мэриленде.

Тони Тайсон до сих пор помнит споры с Элом Клогстоном, возглавлявшим лабораторию физических исследований в лабораториях Bell. Когда Тайсон рассказал ему о планах поставить эксперимент для проверки результатов Вебера, Клогстон энтузиазма не выказал главным образом потому, что не увидел никакой выгоды для Тайсона и лаборатории[29]. Если окажется, что Вебер ошибается, это им ничего не даст, если же Вебер окажется прав, то именно он, а не Тайсон получит «нобелевку». Так ради чего стараться? Тем не менее Тайсон начал, без особой огласки, строить очень чувствительные резонансные детекторы. Он объединился с Дэйвом Дугласом, и в 1971 г. они даже начали сотрудничать с Вебером, сравнивая показания приборов в Холмделе и в Рочестере, обмениваясь данными с Мэрилендом, повышая чувствительность оборудования и разрабатывая более совершенное программное обеспечение для анализа результатов.

Скоро Тайсон утвердился во мнении, что Вебер видит то, чего нет. Вебер был блестящим мыслителем и умным инженером, но небрежно подходил к анализу данных и статистике. Он никогда не публиковал алгоритмы, по которым определял и идентифицировал совпадения показаний разных антенн. Если постоянно менять используемые критерии, то обязательно найдешь столько «совпадений», сколько захочешь.

Вебер совершал и глупые ошибки. Он заявил, что получил сигналы из центра Млечного Пути, поскольку они обнаруживались преимущественно, когда центр нашей галактики стоял высоко в небе, а волны Эйнштейна давали бы более сильные сигналы в антеннах при движении в вертикальном, чем в горизонтальном направлении. Это верно, но Тайсону пришлось напомнить ему, что Земля проницаема для гравитационных волн. Вследствие этого сигналы должны иметь такую же силу, когда Млечный Путь достигает предельного положения ниже горизонта, но Вебер о таких сигналах не сообщал.

Затем Вебер утверждал, что обнаружил совпадения собственных измерений с данными из Холмдела и Рочестера – сигналы, правда, едва выделяющиеся из шума, но возникавшие точно в одно и то же время. Но Тайсон и Дуглас впоследствии обнаружили, что Вебер использовал восточное летнее время, тогда как они работали по общемировому, отличающемуся на 4 часа. Какой конфуз!

Для Джо Вебера это был сложный период. Он целыми днями в одиночестве работал в лаборатории и постоянно сталкивался с критикой своих трудов. Летом 1971 г. умерла от сердечного приступа его жена. Но Вебер был упрям и сдаваться не собирался. В марте 1972 г. 52-летний ученый женился на 28-летней Вирджинии Тримбл, астрономе из Калифорнии, и начал брать уроки танцев.

Споры вокруг антенн не утихали. К 1974 г. многие эксперименты Вебера с антеннами проводились по всему миру. Тайсон и Дуглас перешли на четырехтонные инструменты с низкотемпературной электроникой в борьбе с неустранимым шумом измерений, но ничего не нашли. Хайнц Биллинг, Альбрехт Рюдигер и Рональд Шиллинг из Института астрофизики им. Макса Планка в немецком Мюнхене, а также Гвидо Пиццелла и Карл Майшбергер в итальянском Фраскати построили большие антенные детекторы. Никаких результатов. Маленький инструмент, созданный Ричардом Гарвином в Исследовательском центре IBM им. Томаса Дж. Уотсона в Йорктаун-Хайтс (штат Нью-Йорк) весил всего 120 кг и мог обнаруживать только самые мощные гравитационные волны, но и он не зарегистрировал никаких сигналов.

Дик Гарвин[30] был не из тех, кто позволит себя дурачить. В 1952 г., 24-летним, он работал под руководством Эдварда Теллера над водородной бомбой. Блестящий физик и уважаемый правительственный консультант по вопросам национальной безопасности, провел два срока в научно-консультационном комитете при президенте США. К тому же он лучше Вебера умел обращаться с данными.

Тони Тайсон уже спорил с Джо Вебером из-за гравитационных волн на большой конференции в Нью-Йорке в декабре 1972 г. (На 6-м Техасском симпозиуме по релятивистской астрофизике; разумеется, Нью-Йорк находится не в Техасе, но первая конференция этого цикла встреч состоялась именно там, и название прижилось.) Это, однако, был более-менее вежливый научный спор. Несмотря на несогласие по поводу данных, Тайсон и Вебер уважали друг друга. Много лет спустя они даже, можно сказать, подружились.

Конфликт с Гарвином на Кембриджской конференции в июне 1974 г. развивался совершенно иначе, возможно, потому, что Вебер устал защищаться или в глубине души понимал, что что-то не так. Мы об этом уже не узнаем. Как бы то ни было, он воспринял критику Гарвина как личные нападки и был готов ударить в ответ, если бы не вмешательство Фила Моррисона.

Вспоминая об этом случае более 40 лет спустя, Вирджиния Тримбл до сих пор жалеет своего покойного мужа. «Они изгнали его с острова, – сказала она в разговоре со мной, прибегнув к аллюзии на популярное реалити-шоу «Последний герой». – Вы не знаете значения слова «конфликтный», если не прожили 28 лет в браке с Джо Вебером. Это [сообщество физиков] была стая. Гарвин оказался самым непримиримым. Для Джо он стал воплощением зла».

Тримбл, ставшая знаменитым астрофизиком и историком астрономии, никогда не вступала в дебаты по поводу обнаружения гравитационных волн антенными детекторами, и ее карьера не пострадала из-за отношений с Вебером. После смерти мужа она продала их дом в Чеви-Чейз и на вырученные средства учредила премию за астрономический инструментарий имени Джозефа Вебера от Американского астрономического общества. С 2002 г. она вручается людям с такими же, как у Вебера, устремлениями: создать самый лучший прибор, который только можешь представить, и пользоваться им, пока не поймешь, что ты видишь.

После стычки в Кембридже споры Вебера и Гарвина продолжились – не на конференциях, а в разделе «Письма читателей» журнала Physics Today. В июне 1975 г. физик из Принстона Фриман Дайсон написал Веберу письмо, предлагая сдаться. «Великий человек не боится публично признать, что ошибался и передумал, – писал Дайсон. – Вы достаточно сильны, чтобы признать свою ошибку. Если вы это сделаете, ваши враги возрадуются, но друзья возрадуются еще больше». Вебер отказался уступить.

К тому времени большинство ученых были убеждены, что заявления Вебера беспочвенны – не из-за какой-то ошибки в технологии антенного детектирования как таковой, а потому, что гравитационные волны, очевидно, слишком слабы, чтобы измерить их таким способом. До середины 1970-х гг. во многих местах были построены и использовались многочисленные резонансные детекторы разных размеров, форм и массы и из разных материалов. Самые лучшие были чрезвычайно чувствительными, великолепно изолированными от вибрационного шума (например, шума проезжающих грузовиков), криогенными (охлажденными почти до абсолютного нуля, составляющего –273 °С) и имели сверхпроводящие квантовые интерферометры, способные измерить даже самый слабый сигнал. Хотя иногда казалось, что тот или другой что-то обнаружил, данные никогда не казались критикам достаточно убедительными и большинство детекторов постепенно были выведены из эксплуатации. Сам Вебер в конце 1980-х гг. лишился финансирования Национальной научной ассоциации. Частично на собственные средства он поддерживал работу своих антенн вплоть до смерти в сентябре 2000 г. Часть его оборудования до сих пор пылится в маленьких, будто гаражи, зданиях кампуса Мэрилендского университета.

_________

Печальная история! Джо Веберу нельзя не посочувствовать. Такова судьба многих первопроходцев. Нет ничего сложнее, чем открыть новую область научного исследования. Если то, к чему вы стремитесь, легко достижимо, все бы уже это делали. Идя впереди всех, рискуешь потерпеть поражение по той или иной причине[31].

Один астроном, впоследствии разделивший Нобелевскую премию за работы, связанные с волнами Эйнштейна, не присутствовал на 5-й Кембриджской конференции по релятивизму в июне 1974 г. и даже не знал о полемике вокруг антенн Вебера. Двадцатитрехлетний Рассел Халс наблюдал пульсары в радиообсерватории Аресибо в Пуэрто-Рико, работая над докторской диссертацией. Тем летом он сделал открытие, повлекшее за собой первое (косвенное) доказательство существования гравитационных волн.

Прежде чем мы перейдем к этой истории, вы должны узнать, что такое нейтронные звезды. Прослушайте ускоренный курс астрофизики.

5

Как живут звезды

Вы знаете, кто такой Карл Саган – ученый-планетолог, популяризатор астрономии и ведущий сериала «Космос: персональное путешествие», выходившего на канале PBS в 1980 г.? Если вас тогда еще на свете не было, поищите в Google – этот сериал стоит посмотреть[32].

Девятая серия начинается с замедленной съемки крупным планом приготовления яблочного пирога в сопровождении классической музыки. Официант во фраке несет пирог на серебряном блюде через столовую Кембриджского университета и подает Сагану, сидящему за красиво накрытым столом. Когда пирог ставят перед ним, Саган смотрит в камеру и говорит: «Если вы хотите приготовить яблочный пирог с самого начала, придется прежде всего изобрести Вселенную».

Совершенно справедливо! Не будь Большого взрыва, не было бы галактик, звезд и планет, не говоря уже об яблочных пирогах. Все вокруг нас имеет свою историю. Стулья, кошки или ключи от машины – чтобы действительно изучить их, нужно узнать, откуда они взялись.

Это относится и к нейтронным звездам. Перефразируя замечание Сагана, если вы хотите знать, что такое нейтронная звезда, сначала нужно познакомиться с эволюцией звезд. Ведь нейтронная звезда, в сущности, труп звезды. Мы должны хорошо понимать особенности нейтронных звезд, чтобы продолжить разговор о гравитационных волнах, поэтому я собираюсь прочесть вам вводный курс о жизни звезд. К яблочному пирогу Сагана мы еще вернемся.

Звезды – важные объекты хотя бы потому, что дают энергию живым организмам. Например, жизнь на Земле всецело зависит от энергии Солнца. Без солнечной энергии Земля была бы темным обледенелым каменным шаром. Ничто не смогло бы выжить на ней.

Если мы настолько зависим от Солнца, полезно разобраться, как оно функционирует и из чего состоит. Откуда берется его энергия? Насколько ее хватит? Что произойдет, если Солнце погибнет? Астрономы узнали ответы на эти вопросы менее 100 лет назад, ведь невозможно изучить Солнце в лаборатории или рассмотреть образец солнечной материи под микроскопом.

Неудивительно, что в начале промышленной революции возникла идея, будто Солнце состоит из угля – нового чудесного источника энергии. Если как следует нагреть это черное вещество, оно начнет светиться. Ученые XIX в. придерживались несколько более реалистичных взглядов, полагая, что Солнце, возможно, медленно сжимается или его постоянно бомбардируют метеориты. При обоих процессах выделялась бы энергия.

Они ошибались. Солнце не сжимается. Наоборот, оно увеличивается в размерах, хотя и чрезвычайно медленно. Метеориты и даже кометы то и дело врезаются в Солнце, но скорость соударений слишком мала, чтобы обеспечить столько тепла и света. Что касается угля, если бы Солнце было своего рода угольной электростанцией, то его едва хватило бы на 6000 лет. Несмотря на соответствие представлениям некоторых креационистов о мироустройстве, это значительно меньше 2 млн лет существования земной жизни.

Сесилия Пэйн заинтересовалась астрономией в 19 лет, узнав об экспедиции Артура Эддингтона (которая наблюдала солнечное затмение и подтвердила ОТО Эйнштейна, о чем вы читали в главе 3). Четыре года спустя она уехала из Англии, получив первую степень доктора философии в области астрономии в Рэдклиффском колледже и место стипендиата-исследователя Гарвардской обсерватории. В диссертации, защищенной в 1925 г., она доказала, что Солнце состоит преимущественно из водорода, самого простого элемента в природе. Поскольку то же самое должно относиться и к другим звездам, Пэйн фактически открыла состав Вселенной. Поразительно, что большинству людей не знакомо ее имя.

Теперь мы знаем, что Солнце на 71 % состоит из водорода, на 27 % – из гелия (второго по простоте элемента) и лишь на 2 % – из более тяжелых элементов. Фактически Солнце – огромный шар горячего газа. Возможно, огромный – сказано слишком слабо, здесь уместнее слово чудовищный: 1,4 млн км в поперечнике – сто с лишним диаметров Земли. Если бы Солнце было размером с большой надувной мяч, то Земля, соответственно, ужалась бы до шарика, которым играют в рулетку; будь оно пустым, как надувной мяч, то вместило бы больше 1,3 млн голубых шариков величиной с Землю. Впечатляюще!

Как же чудовищный шар водорода и гелия вырабатывает постоянный поток энергии? Очень просто, в процессе термоядерного синтеза. Ладно, не так уж это и просто, – чтобы выяснить все в деталях, американский физик Ханс Бете трудился до конца 1930-х гг. Но, если отрешиться от подробностей, картина ясна. В ядре Солнца газ сильно сжат весом верхних слоев; плотность там в 13 раз выше плотности свинца. В этих экстремальных условиях атомные ядра начинают сливаться – это и есть ядерный синтез. Если вы видели киносъемку первого испытания американской водородной бомбы, взорванной в начале 1950-х гг., то знаете, что при термоядерном синтезе выделяется энергия. Огромная энергия.

Поставим мысленный эксперимент. Представим, что можем запустить реакции термоядерного синтеза в ядре Солнца всего на одну секунду, а затем остановить их. Что произойдет в эту самую секунду? (Готовьтесь удивиться: последующее трудно вообразить, однако это правда.)

Всего за одну секунду 570 млн тонн газообразного водорода вступает в реакции термоядерного синтеза. Его масса примерно равна массе бетонного куба с длиной стороны более 600 м. Специально для настоящих любителей больших чисел: это порядка 3,4 × 10^38 атомов водорода. За одну-единственную секунду! Легкие ядра водорода (по сути, единичные протоны) сливаются в более массивные ядра атомов гелия. Ядро атома гелия примерно в 4 раза тяжелее протона, таким образом, из каждых четырех ядер водорода, поступающих в «черный ящик» термоядерного синтеза, получается одно ядро гелия. (Это тоже очень много, в чем вы убедитесь, разделив 3,4 × 10^38 на 4, – результат составит 8,5 × 10^37.)

Кстати, я только что воспользовался принятым в науке способом представления больших чисел. Для тех, кто с ним не знаком, поясняю, что он связан со сдвигом запятой, отделяющей десятичную дробь от целой части: запись «3,4 × 10^38» означает, что нужно взять число 3,4 и сдвинуть запятую на 38 позиций вправо, всякий раз добавляя нуль. Получится 340000000000000000000000000000000000000. Аналогично 3,4 × 10–20 означает, что нужно сдвинуть запятую на 20 позиций влево, что в результате даст 0,000000000000000000034. Астрономия – наука больших чисел, и если бы в книгах по астрономии не использовалась сокращенная запись, то на них уходило бы слишком много деревьев.

Итак, каждую секунду огромное количество протонов (ядер водорода) сливаются в ядра гелия. Теперь начинается интересное. Я только что сказал, что масса ядра гелия почти в 4 раза больше массы протона. В действительности разница на ничтожную величину меньше. Входит 570 млн тонн водорода, выходит «почти» 566 млн тонн гелия – на 0,7 % меньше. Куда делись еще 4 млн тонн? Возможно, вы догадались: они преобразовались в энергию. E = mc^2 – снова Эйнштейн.

Таким образом, во время нашего мысленного эксперимента продолжительностью в одну секунду Солнце потеряло 4 млн тонн массы. Вот что я называю эффективной потерей веса! Если вы удивляетесь, как от него что-то еще остается при таких темпах, сделайте расчеты. Если потеря массы остается постоянной в течение жизни Солнца, составляющей 4,6 млрд лет (145 квадриллионов секунд), то Солнце сегодня на 6×10^23 тонн легче, чем было в момент рождения. Но это всего лишь 0,03 % его общей массы в 2×10^27 тонн – ничего особенного. Я беру назад слова о том, что это эффективная потеря веса: для человека в 100 кг сброшенные 0,03 % веса составляют каких-то 30 г.

Не вся теряемая масса превращается в энергию. При слиянии 4 ядер водорода в одно ядро гелия также образуются два позитрона и два нейтрино. Но в совокупности два позитрона весят меньше 0,1 % ядра водорода, а нейтрино фактически не имеет массы. Пока мы можем пренебречь этими частицами (хотя к нейтрино еще вернемся). В общем, Солнце каждую секунду преобразует 4 млн тонн своей массы в энергию. Это очень большая энергия: 400 квадриллионов ГДж – примерно в 1 млн раз больше ежегодного потребления энергии всем человечеством. В секунду! Если бы мы могли овладеть энергией одной секунды термоядерного синтеза Солнца, то не знали бы, что такое энергетический кризис, до 1 002 000 года.

Наш мысленный «эксперимент одной секунды» завершен, и реакции термоядерного синтеза чудесным образом остановлены. Что происходит с энергией? Она была выделена в форме энергичных гамма-лучей, которые, однако, в значительной мере заперты во внутренней области Солнца. Помните, плотность его ядра очень высока и газ, разогретый до 15 млн °С, практически непрозрачен. Фотоны гамма-лучей не могут продвинуться далеко. Они активно взаимодействуют с частицами газа. В результате энергия, выделившаяся за одну секунду, многократно поглощается, переизлучается и рассеивается в разных направлениях внутри Солнца. Это длительный процесс.

В абсолютном вакууме свет движется со скоростью 300 000 км/с. Казалось бы, излучение из внутренней области Солнца должно добираться до его поверхности всего за две секунды – путь составляет едва ли 700 000 км. В действительности из-за непрозрачности Солнца на это уходит около 100 000 лет. Итак, 400 квадриллионов ГДж атомной энергии, выделившейся всего за одну секунду нашего мысленного эксперимента, достигнет поверхности Солнца только через 100 000 лет. После этого свету понадобится лишь 8 минут 20 секунд, чтобы преодолеть почти абсолютный вакуум межпланетного пространства и дойти до Земли.

Очевидно, это означает, что энергия, которую мы получаем от Солнца сегодня, появилась почти 100 000 лет назад. В каком-то смысле мы купаемся в солнечной энергии, являющейся современницей примитивного Homo sapiens. Если по какой-то причине реакции термоядерного синтеза внутри Солнца вдруг остановятся, еще около 5000 поколений землян от этого не пострадают.

Итак, мы знаем, из чего состоит Солнце и как оно производит энергию. То же самое относится ко всем звездам ночного неба. Они являются атомными электростанциями из водорода и гелия, выделяющими колоссальную энергию каждую секунду. Однако, чтобы познакомиться с нейтронными звездами, нужно также узнать, как звезды рождаются и умирают.

_________

Звезды существовали не всегда и не будут существовать вечно. Они рождаются, проживают жизнь и умирают. (Звезда, конечно, не живое существо, но сравнение так наглядно, что им невозможно не воспользоваться. Даже профессиональные астрономы говорят о рождении и смерти звезд.) Наше Солнце является звездой среднего возраста. Оно родилось около 4,6 млрд лет назад, и оставшаяся продолжительность его жизни составляет 5 млрд лет.

В далеком прошлом, когда Солнце рождалось, некому было оставить воспоминания об этом событии. Нет у нас и надежной машины времени, чтобы стать свидетелями гибели Солнца в отдаленном будущем. Откуда же мы знаем, как началась и как закончится его жизнь? Процесс старения Солнца протекает слишком медленно, чтобы его наблюдать. Все, чем мы располагаем, – это фактически один моментальный снимок.

Кроме того, Солнце не единственная наблюдаемая звезда. Представьте, что вы инопланетянин и ваша задача – изучить жизненный цикл человека. К сожалению, ваша летающая тарелка отправится в обратный путь всего через день после прибытия на Землю. За этот единственный день вы не заметите, как стареет отдельный человек, но, посмотрев вокруг, увидите этапы жизненного цикла: новорожденного, появляющегося на свет в больнице, детей, играющих в школьном дворе, влюбленную молодую парочку, взрослых людей средних лет, борющихся с морщинами и возрастным жиром, престарелых в инвалидных креслах, похороны. Вместе эти образы рисуют выразительную картину жизни человека.

Так же и со звездами. Мы не замечаем медленной эволюции отдельной звезды. Но можем исследовать Млечный Путь и найти звезды на разных стадиях жизненного цикла. Таким образом астрономы составили из фрагментов ход звездной эволюции.

Привожу рецепт изготовления звезды. Взять много газа. Поместить его в достаточно малый объем. Подождать. Вот и все, о прочем позаботится природа.

Пространство между звездами не является пустым. Оно заполнено газом. Во многих местах это горячий и чрезвычайно разреженный газ – менее одного атома на кубический сантиметр. Большинство физиков назвали бы такую среду абсолютным вакуумом. Но повсеместно встречаются облака холодного межзвездного газа плотностью до 1 млн атомов или молекул на кубический сантиметр. Этого достаточно, чтобы между частицами возникло некоторое гравитационное тяготение.

Если достаточно большое количество газа находится в достаточно малом пространстве, гравитация возникает автоматически. Облака сжимаются сами собой, поскольку гравитация сближает составляющие их частицы, насколько возможно.

Вы когда-нибудь пытались сблизить, насколько возможно, две пригоршни снежинок? В конечном счете получится снежок. Самая эффективная форма упаковки материи – это сфера. Именно поэтому звезды, в том числе наше Солнце, имеют форму сферы. (Кстати, это относится и к планетам, но не к кирпичам, горам или астероидам – они не обладают достаточным собственным тяготением, чтобы преодолеть прочность своего материала, обеспечиваемую электромагнитными силами.)

Легко понять, как гравитация стягивает разреженное облако межзвездного газа в компактную сферу. Менее очевидно, почему этот гравитационный коллапс в какой-то момент останавливается. Причина в давлении газа в сердцевине новорожденной звезды, создающем направленную изнутри силу, противодействующую гравитационному тяготению снаружи внутрь. Чем выше давление, тем труднее дополнительно сжать газ.

Запуск реакций термоядерного синтеза разогревает газ в ядре звезды и еще больше повышает давление. Давление в ядре Солнца, к примеру, составляет около 250 млрд (!) земных атмосфер. Этого достаточно, чтобы выдерживать вес многих слоев газа – сопротивляться гравитации. В результате звезда находится в состоянии, которое астрофизики называют гидростатическим равновесием. Предположим, что мы смогли заставить звезду сжиматься дальше. В этом случае плотность ее ядра увеличится. Реакции термоядерного синтеза ускорятся, создавая более высокие температуру и давление. В итоге звезда вернется в исходное состояние гидростатического равновесия.

Это также означает, что звезды могут иметь – и имеют – разные размеры. Первоначальный диаметр звезды зависит от массы сжимающегося газового облака. Чем больше масса, тем выше давление в ядре. Чем выше давление, тем активнее реакции термоядерного синтеза. Чем больше термоядерной энергии, тем выше температура и давление. Наконец, достигается гидростатическое равновесие при размере намного большем, чем у Солнца. Природа выпекла массивную, горячую и яркую звезду-гигант.

Напротив, если исходное газовое облако мало, плотность ядра остается низкой. Термоядерный синтез идет медленно, если вообще начинается. Внутренняя область звезды остается относительно холодной, давление не слишком высоко. Гидростатическое равновесие устанавливается, когда звезда сожмется примерно до 10 % размера Солнца – примерно с Юпитер. Результат: маловесная, прохладная и относительно тусклая звезда-карлик.

Если вы считаете, что звезды-карлики – это пустяк, то вы ошибаетесь. Начнем с того, что их намного больше, чем крупных и ярких звезд. В природе малое всегда имеет численное превосходство перед большим. Мышей больше, чем слонов, гальки больше, чем каменных глыб, астероидов больше, чем планет, – это общий принцип. Но карликовые звезды не только более многочисленны, но и живут намного дольше гигантских.

Живут дольше – но почему? Как это возможно? Раз они маленькие, значит, имеют меньше ядерного топлива, чем звезды-гиганты! Верно, у них меньшие, скажем так, «топливные баки». Но звезды-карлики еще и чрезвычайно скупы. Термоядерный синтез идет медленно и может продолжаться десятки миллиардов лет, несмотря на относительно малый запас водорода.

Если звезды-карлики – это медленные экономные микролитражки Вселенной, то звезды-гиганты – неэффективные пожиратели космического топлива. Пусть у них намного больше газа, они активно его тратят. Проходит не так уж много времени, как они выжигают весь запас водорода. Самые массивные звезды во Вселенной могут жить лишь около 1 млн лет.

Наше Солнце – нечто среднее. Не слишком массивное, не слишком маловесное. Как я уже говорил, оно находится примерно на середине ожидаемой продолжительности жизни в 10 млрд лет. Но, как и любая другая звезда, оно не будет жить вечно. Поскольку астрономы наблюдали другие солнцеподобные звезды на более поздних стадиях жизненного цикла, они знают, когда и как Солнце умрет.

В следующие несколько миллиардов лет водород в ядре Солнца истощится, поскольку по большей части превратится в гелий. Дальше от центра в толстой оболочке вокруг нового ядра с высоким содержанием гелия реакция слияния ядер водорода продолжится. Вследствие этого внешние слои будут постепенно расширяться. Наше Солнце медленно превратится в гигантскую звезду. Это печальная новость для всего живого на Земле. Не пройдет и 1 млрд лет, Солнце станет выделять столько энергии, что океаны нашей планеты начнут испаряться.

Тем временем гелиевое ядро становится все больше и массивнее. Ядра гелия упаковываются все плотнее. Постепенно, примерно через 5 млрд лет от нынешнего времени, плотность становится достаточно высокой для запуска следующего цикла ядерных реакций. Обойдемся без подробностей из области квантовой механики: из гелия синтезируются еще более тяжелые элементы – сначала углерод, затем кислород.

При термоядерном синтезе гелия выделяется намного больше энергии, чем при синтезе водорода. Из-за этой добавочной энергии Солнце расширится и станет красным сверхгигантом диаметром намного больше 100 млн км. Бедные Меркурий и Венера! Две ближайшие к светилу планеты Солнечной системы будут поглощены, их минералы и металлы перейдут в состояние перегретого пара, который смешается с внешними слоями Солнца, – величественная картина уничтожения планет.

Что касается Земли, то при некотором везении она избегнет адского пекла. Этому будет способствовать процесс, который я называю звездной лихорадкой, – верный признак близкого конца. Солнце начнет пульсировать, расширяясь и сжимаясь примерно каждые 24 часа. Побочным следствием станет постепенное сдувание в космос наружных слоев водорода. Сопутствующая потеря массы ослабит силу тяготения Солнца, воздействующую на планеты, и их орбиты расширятся. Этот эффект слишком слаб, чтобы спасти Меркурий и Венеру, но Земля может уцелеть, хотя ее каменная мантия покроет всю поверхность океаном раскаленной лавы (выживание – понятие относительное).

В течение 10 000 или 20 000 лет бóльшая часть мантии Солнца будет сдута в окружающее пространство, образовав красочный расширяющийся пузырь. На сегодняшний день астрономы внесли в каталоги тысячи подобных короткоживущих пузырей в Млечном Пути, но их должно быть намного больше. В силу исторической традиции они называются планетарными туманностями. Вильяму Гершелю, который первым описал их в конце XVIII в., они напомнили округлые диски планет, и название закрепилось.

Тем временем взрывной синтез гелия подходит к концу. Прошло (по вселенским меркам) мгновение, а бóльшая часть гелия в Солнце превратилась в углерод и кислород. Когда выделение энергии, противодействующей гравитации, прекращается, ядро звезды сжимается, пока не превратится в диковинный объект – белый карлик. В нем около половины первоначальной массы Солнца упаковано в сферу размерами не намного больше Земли. Его плотность – около 1 кг/мм^3.

Сначала белые карлики чрезвычайно горячи. Температура на их поверхности может достигать 100 000 °С. Но из-за небольшой площади поверхности они не излучают много света. Даже самый близкий – до него менее 10 св. лет – известный нам белый карлик невозможно увидеть невооруженным глазом. Белый карлик медленно остывает, излучая остаточное тепло в ледяной космический вакуум.

Остается темный неактивный ком вырожденной материи – звездный шлак.

Покойся с миром, Солнце!

_________

Причем здесь нейтронная звезда? Возможно, следовало сразу сказать, что Солнце недостаточно массивно, чтобы превратиться в нейтронную звезду. Как ни удивительны белые карлики, нейтронные звезды – еще более поразительные объекты. Чтобы сотворить их, нужно начать со звезды как минимум в 9 раз массивнее Солнца.

Как уже отмечалось, массивные звезды живут быстро и умирают молодыми. Их ожидаемая продолжительность жизни измеряется миллионами, а не миллиардами лет, как если бы эволюцию солнцеподобной звезды ускорили, нажав кнопку быстрой перемотки. Водородный синтез, расширение внешних оболочек, поджиг синтеза гелия, образование углеродно-кислородного ядра, потеря наружной водородной мантии – все происходит намного быстрее.

Дальнейшие события развиваются совершенно иначе. Причина проста. В звезде, имеющей массу, значительно превышающую солнечную, внешние слои сильно давят на ядро. Достигаются гораздо более высокие плотность и температура углеродно-кислородного ядра, чем это будет у Солнца: более 3 кг/мм^3 и около 500 млн °C. Этого хватает для запуска очередного цикла реакций термоядерного синтеза, только теперь атомный двигатель в ядре звезды работает не на водороде, а на углероде.

Если оставить детали в стороне, примерно через 1000 лет (в зависимости от массы звезды) углерод превращается в неон, магний, натрий и кислород – космическая алхимия! Как только углерод заканчивается, ядро звезды снова начинает сжиматься. Его плотность и температура еще сильнее увеличиваются – настолько, что неон переходит в магний.

С этого момента процесс сильно ускоряется. Всего за несколько лет большая часть неона также расходуется. Ядро звезды теперь состоит из кислорода и магния. Оно сжимается, пока не запускается кислородный синтез, при котором кислород преобразуется в кремний и малые количества серы и фосфора. Этот процесс длится всего около года. Ядро звезды выжигает весь кислород, опять сжимается и разогревается примерно до 3 млрд °C. Затем менее чем за день ядра кремния сливаются, образуя всевозможные более тяжелые элементы, в том числе аргон, кальций, титан, хром и даже большое количество железа и никеля. Это уже не тот спокойный и равномерный процесс термоядерного синтеза, который мы наблюдали в ядре Солнца. (Напомню, что медленное превращение большей части солнечного водорода в гелий занимает миллиарды лет.) Это взрыв термоядерной бомбы астрономических размеров – космического оружия массового уничтожения.

Если бы мы могли разрезать эту звездную «бомбу с часовым механизмом», то увидели бы, что внутри она похожа на луковицу. В самом центре находятся железо и никель – конечно, не в виде твердых металлов, поскольку все вещества звезды имеют газообразное состояние, хотя и с невероятно высокой плотностью и температурой. Вокруг железно-никелевого ядра – скорлупа из кремния и серы. Дальше слой, содержащий кислород, неон и магний. Еще дальше идут слои кислорода, углерода, гелия и водорода, хотя к настоящему времени большая часть водорода успела унестись в космос. Относительно низкотемпературные реакции синтеза до сих пор протекают на границах слоев. Звездная луковица переполнена атомной энергией. Часовой механизм тикает.

Катастрофа начинается в ядре. Когда заканчивается кремний, атомный двигатель звезды лишается горючего. Дело в том, что ядра атомов железа и никеля не способны спонтанно сливаться в ядра еще более тяжелых элементов. Термоядерный синтез предпочитает создавать атомные ядра с возможно более высокой энергией связи (то есть более стабильные), но железо и никель обладают максимальной энергией связи. Проще говоря, природа не видит причины трансформировать их в более тяжелые элементы.

Гравитация тут же использует представившуюся возможность. Миллионы лет она пыталась спрессовать звезду до все более компактного размера, сближая, насколько возможно, частицы, из которых состоит звезда, но этой силе всякий раз противодействовало распирающее давление энергии светила. Наконец, упорство гравитации вознаграждается. Атомный двигатель звезды останавливается, и выработка энергии в ядре прекращается.

За секунду или еще быстрее ядро звезды коллапсирует. Невероятно горячий газ в несколько масс Солнца сжимается в сферу диаметром не более 25 км – размером примерно с Лондон или Париж. Этот сверхплотный шар ядерного вещества – почти 100 000 т в каждом кубическом миллиметре – называется нейтронной звездой. Итак, нейтронная звезда – это коллапсировавшее ядро массивной звезды, израсходовавшей ядерное топливо.

Почему эти звезды называются нейтронными? Как вы, наверное, догадались, потому что состоят из нейтронов. До сих пор я о нейтронах не упоминал, но настало время совершить краткую экскурсию по миру субатомных частиц.

Атомы состоят из атомного ядра, окруженного облаком электронов. Электроны – очень легкие частицы, поэтому практически вся атомная масса сосредоточена в его ядре. Но ядро атома не цельная частица. Это комбинация протонов и нейтронов – субатомных частиц практически одинаковой массы.

Количество протонов в ядре атома определяет, что это за элемент. Например, ядро водорода состоит из единственного протона (и не содержит нейтронов). Ядро гелия имеет 2 протона и 2 нейтрона. Ядро углерода больше и массивнее: в нем 6 протонов и 6 нейтронов. В железе тех и других частиц по 26, поэтому одно ядро атома железа в 52 раза массивнее ядра атома водорода. Теперь вы понимаете, что астрономы понимают под «тяжелыми элементами». (У еще более тяжелых элементов количество нейтронов в ядре обычно несколько превышает количество протонов. Например, в ядре цинка 30 протонов и 35 нейтронов.)

В нормальных условиях количество электронов, окружающих ядро атома, равно количеству протонов в ядре: у водорода один электрон, у гелия два, у углерода шесть, у железа 26, у цинка 30 и т. д. Поскольку протоны имеют положительный электрический заряд, а электроны отрицательный, то обычные атомы не имеют заряда. (Нейтроны потому и называются нейтронами, что являются электрически нейтральными.)

В ядре звезды нейтральных атомов нет. Условия настолько экстремальны, что электроны больше не связаны с ядрами атомов. Газ звезды называется плазмой – это смесь заряженных частиц. Положительно заряженные ядра и отрицательно заряженные электроны существуют по отдельности, как родители и дети, потерявшие друг друга в толпе.

Свободно перемещающиеся электроны играют важную роль в процессе термоядерного синтеза. При взаимодействии с электроном протон может превратиться в нейтрон. Отрицательный заряд электрона и положительный протона взаимно нейтрализуются; остается незаряженный нейтрон. Поэтому 4 ядра водорода (4 протона) могут слиться в одно ядро гелия, состоящее из 2 протонов и 2 нейтронов. Как уже было сказано, в ходе этого процесса также возникают позитроны (античастицы электронов, не играющие роли в нашем рассказе) и нейтрино (элементарные частицы-призраки, к которым мы еще вернемся).

Я понимаю, что это объемная информация. Важно уяснить, что коллапсирующее ядро умирающей звезды-гиганта содержит плазму, состоящую из положительно заряженных ядер атомов железа и никеля и отрицательно заряженных электронов. Более того, число электронов равно числу протонов в атомных ядрах.

Что происходит при финальном взрыве, вызванном гравитацией? Плазма сжимается до непостижимой плотности. Отдельные частицы – ядра и электроны – сближаются. Фактически можно сказать, что электроны насильственно втискиваются в ядра, состоящие из протонов и нейтронов практически в равном количестве. Электронам ничего другого не остается, кроме как взаимодействовать с протонами, превращая их в нейтроны. Менее чем за секунду все протоны исчезают. Остается огромный тяжелый шар из незаряженных нейтронов, упакованных вплотную друг к другу, – нейтронная звезда.

До сих пор мы говорили только о ядре звезды. Какая судьба ждет верхние слои этой «луковицы»? Они тоже станут частью нейтронной звезды? Нет, не станут. Наоборот, внешние оболочки звезды – фактически большая часть ее общей массы – извергаются в пространство во время одного из самых драматических событий во Вселенной – взрыва сверхновой.

Как мы видели, сначала вся звезда начинает коллапсировать, поскольку выработка энергии в ядре, противодействующая гравитационному сдавливанию, практически прекратилась. Однако свободнопадающий газ, масса которого может в пять или шесть раз превышать массу Солнца, врезается в поверхность только что образовавшейся нейтронной звезды. Сжать нейтронную звезду еще плотнее невозможно, и газ останавливается. Энергия его движения обращается в тепло, образуя бурлящий огненный шар, который снова устремляется вовне, сметая все со своего пути, словно гигантский бульдозер.

Здесь вступают в игру нейтрино, о которых я упоминал. Как вы помните, нейтрино образуются, когда протоны взаимодействуют с электронами и превращаются в нейтроны. Образование нейтронной звезды порождает колоссальную волну нейтрино – по одному на каждый образующийся нейтрон. Хотя нейтрино практически не взаимодействуют с нормальной материей, они создают дополнительный толчок изнутри наружу. В результате если ядро звезды коллапсирует в компактный шар из нейтронов, то большая часть звезды разносится вдребезги и яростно исторгается в пространство в виде стремительно расширяющейся оболочки.

Образование сверхновой – мощное явление. Катастрофический взрыв может давать больше света, чем все звезды в галактике вместе взятые, в течение нескольких недель. Я никогда не забуду сверхновую 1987А, взорвавшуюся в конце февраля указанного года в южной части неба. Три месяца спустя я впервые приехал в Европейскую южную обсерваторию в Чили. Затухающий свет взрыва звезды до сих пор был хорошо виден невооруженным глазом – впечатляюще, если учесть, что это произошло на расстоянии 167 000 св. лет.

Думаю, вы бы не захотели, чтобы поблизости взорвалась сверхновая – ее высокоэнергетическое излучение сдуло бы земную атмосферу и убило все живое на планете. К счастью, это относительно редкое событие. Последнее, наблюдавшееся в нашей Галактике, имело место в 1604 г. и произошло на безопасном расстоянии порядка 20 000 св. лет.

Итак, нейтронные звезды, которые будут очень важны в нашем рассказе о гравитационных волнах, – это причудливые останки погибших звезд-гигантов. (Что касается причудливости, мы пока лишь пробежались по верхам. Далее вы узнаете намного больше.) Образование нейтронной звезды сопровождается одним из самых колоссальных взрывных событий во Вселенной – сверхновой. В главе 6 я расскажу, как наблюдения за нейтронными звездами в 1970-х гг. подтвердили существование волн Эйнштейна задолго до того, как мельчайшее волнение пространственно-временного континуума было непосредственно зарегистрировано.

_________

Я совсем забыл о яблочном пироге Карла Сагана! Прошу прощения, увлекся захватывающей эволюцией звезд. Конечно, слова Сагана из сериала «Космос» – «Если вы хотите приготовить яблочный пирог с самого начала, то должны прежде всего изобрести Вселенную» – относятся к эволюции космоса. Если бы не образование галактик, рождение звезд, планетарные облака и взрывы сверхновых, яблочный пирог так и не удалось бы испечь.

Как мы узнаем в главе 9, Вселенная началась с первичного супа из элементарных частиц. Через несколько сотен тысяч лет из них образовались простые атомы водорода и гелия. Если бы не было эволюции звезд и ядерные топки космоса не зажглись, водородом и гелием все бы и ограничилось. Не разгуляешься!

Яблочные пироги – как и стулья, кошки и ключи от автомобилей – в больших количествах содержат более тяжелые элементы. Углерод, кислород и азот. Натрий, кальций и фосфор. Магний, алюминий и железо. И все они были выпечены в недрах звезд за минувшие 13,8 млрд лет эволюции космоса. В совокупности они составляют едва ли 1 % общей атомной массы Вселенной, но эта малость все меняет.

Выброшенные взрывом, эти элементы медленно распространялись в межзвездном пространстве. Малое количество еще более тяжелых атомов, например меди, цинка, золота и урана, возникли в мешанине остатков сверхновых или при катастрофических столкновениях нейтронных звезд. Облака газа обогатились сложными молекулами и частицами пыли. Новые поколения звезд оказались окружены планетами, и на некоторых было достаточно тепло, чтобы вода находилась в жидком состоянии. Во всяком случае, на один из таких каменистых миров пролились дождем молекулы, содержащие углерод, и постепенно были структурированы в первые живые организмы. Через несколько миллиардов лет планета породила пшеницу, сахарный тростник и яблони – обязательные ингредиенты яблочного пирога.

И людей.

То, что верно для яблочных пирогов, справедливо в отношении вас и меня. На мой взгляд, это самое прекрасное, что может поведать наука: тот факт, что углерод у вас в мышцах, кальций в костях, железо в крови и фосфор в ДНК – все это было синтезировано в ходе реакций термоядерного синтеза отдаленных светил. Как пела канадская фолк-исполнительница Джони Митчелл в балладе «Вудсток» 1969 г., «мы звездная пыль – миллиардолетний углерод».

Жизнь звезд непосредственно связана с нашей с вами жизнью.

Мы и космос едины.

6

Точность часовых механизмов

«Пульсар» – американский часовой бренд, компания-производитель которого входит в Seiko Watch Corporation. В 1972 г. она создала первые часы с ЖК-экраном. Электронные. Цифровые. Очень крутые (имейте в виду, это было 45 лет назад).

«Пульсар» – это и модель хэтчбека, выпущенная в 1978 г. японским автомобилестроительным концерном «Ниссан». Так же называются популярный спортивный мотоцикл индийской компании Bajaj Auto Ltd. и британский производитель высокотехнологичного осветительного оборудования, собирающий приборы ночного видения в Литве.

До 1967 г. слова «пульсар» не существовало. Оно было впервые употреблено в английской газете Daily Telegraph весной 1968 г. в статье, посвященной не часам, автомобилям, мотоциклам, лампам или приборам ночного видения, а поразительному открытию астрономов. Через 10 лет это открытие привело к первой непрямой регистрации гравитационных волн.

В главе 5 вы познакомились с нейтронными звездами. Это останки сверхновых – трупы массивных звезд, погибших в самоубийственном взрыве. Очень маленькие и невероятно плотные, нейтронные звезды – одни из самых своеобразных обитателей Вселенной. Их существование было предсказано в 1934 г. Вальтером Бааде и Фрицем Цвики, двумя европейскими астрономами, эмигрировавшими в Соединенные Штаты, как и Эйнштейн[33].

Взрывы сверхновых должны были происходить в нашей Галактике в течение миллиардов лет. Поэтому в 1960-х гг. астрономы прекрасно знали, что в Млечном Пути находятся десятки миллионов нейтронных звезд, но не могли найти ни одной. Это неудивительно. Хотя поверхность новорожденной нейтронной звезды является невероятно горячей, ее площадь – всего несколько сотен квадратных километров. Совокупное высокоэнергетическое излучение относительно слабо. Даже находящуюся рядом нейтронную звезду было бы трудно обнаружить.

Поэтому стало неожиданностью открытие, сделанное 24-летней студенткой-дипломницей Джоселин Белл[34]. Уроженка Северной Ирландии, Белл работала в английском Кембриджском университете под руководством радиоастронома Энтони Хьюиша. В 1960-х гг. радиоастрономия, изучающая длинноволновое излучение изо всех уголков Вселенной, была относительно новой сферой научной деятельности, и открытия совершались постоянно.

Радиотелескоп, в построении которого участвовала Белл, представлял собой конструкцию из деревянных опор, соединенных проводами, – нечто вроде телевизионной антенны старого типа, но намного больше. Недорогая система ловила космические радиоволны и каждый день выдавала около 30 м записей самописца, напоминающих данные сейсмографа.

Стояло лето 1967 г. – «Лето любви». Хиппи курили травку в районе Хейт-Эшбери в Сан-Франциско, «Битлз» записывали альбом «Magical Mystery Tour», а Джоселин Белл корпела над записями радиотелескопа в надежде найти в этих загогулинах что-нибудь неожиданное.

Осенью 1967 г. надежда оправдалась.

Белл обнаружила таинственный пульсирующий радиосигнал из маленького созвездия Лисы – короткий «пик» каждые 1,3 секунды, словно космический метроном.

Возможно, вы слышали эту историю, она правдива: несколько недель Белл Хьюиш и их коллеги допускали, что нашли инопланетян. Какой природный феномен мог выдавать такой частый, чрезвычайно регулярный сигнал? Казалось, он имел искусственное и в то же время, безусловно, внеземное происхождение. Они даже обозначили сигнал аббревиатурой LGM-1, от «маленькие зеленые человечки» (little green men).

Как ни странно, Белл это раздражало, хотя молодому астроному должна была льстить мысль, что она, возможно, нашла свидетельство существования инопланетян. «Я пытаюсь выжать себе диссертацию из нового метода, а идиотские зеленые человечки, видите ли, выбрали мою антенну и частоту, чтобы связаться с нами», – вспоминала она во время застольной речи на конференции в Бостоне в декабре 1976 г.

Вера в маленьких зеленых человечков не затянулась. Через пару месяцев Белл нашла еще три аналогичных источника пульсирующих радиосигналов в совершенно других частях неба. Невероятно, чтобы четыре самостоятельные инопланетные цивилизации пользовались одним и тем же видом связи. Это природный феномен. Статья с сообщением об открытии была опубликована 24 февраля 1968 г. в журнале Nature. Возможное объяснение приводилось уже во вводной части: «Представляется, что излучение исходит от локальных объектов внутри галактики… и может быть связано с колебаниями белых карликов или нейтронных звезд».

Вскоре, давая интервью Daily Telegraph, Хьюиш впервые употребил слово «пульсар» – сокращение от «пульсирующая звезда» (pulsating star).

_________

Почему нейтронная звезда излучает регулярные импульсы в радиодиапазоне частот?

Не из-за колебаний, как предполагалось в статье из Nature. Нейтронные звезды не только имеют немыслимую плотность, но и быстро вращаются вокруг своей оси. Вращение вызвано сохранением углового момента, но давайте назовем его эффектом фигуриста. Видели выступления российского фигуриста Евгения Плющенко? Он завоевал четыре олимпийские медали и выиграл чемпионаты мира 2001, 2003 и 2004 гг. Вероятно, вы заметили: когда он прижимает руки к телу во время вращения, скорость вращения возрастает. Это закон природы: вращающиеся объекты, уменьшающиеся в размерах, вращаются все быстрее. (Даже не умея кататься на коньках, вы можете испытать этот эффект на себе. Сядьте на офисный стул, раскиньте в стороны руки и ноги и попросите кого-нибудь как можно сильнее вас раскрутить. Теперь подожмите конечности, и вы все увидите сами.)

Медленно вращающееся ядро массивной звезды, коллапсирующее из нейтронов в шар менее 25 км в поперечнике, – это астрофизический двойник Евгения Плющенко: скорость вращения резко возрастает. Новорожденные нейтронные звезды могут совершать много оборотов в секунду.

Коллапс ядра звезды имеет еще одно следствие – резкий рост силы его магнитного поля. Нейтронные звезды обладают магнитными полями, по меньшей мере в сотни миллионов раз сильнее земного. Маленький плотный нейтронный шар – это очень сильно намагниченный, быстро вращающийся космический волчок.

Дальше самое интересное. Вращающийся магнит создает электрический ток – владельцы электровелосипедов со старомодными генераторами знают, о чем я говорю. Электрический ток представляет собой поток заряженных частиц, а разогнанные частицы создают свет и другие формы электромагнитных волн, как объяснил Максвелл. Иными словами, намагниченные нейтронные звезды излучают электромагнитные волны в направлении своей магнитной оси. Из северного и южного магнитных полюсов нейтронной звезды устремляются в пространство мощные пучки радиоволн, света и даже рентгеновского излучения. (Обратите внимание: из северного и южного магнитных полюсов. В большинстве случаев они не совпадают с одноименными полюсами вращения. Это касается и Земли.) Итак, возникающие при вращении нейтронной звезды узкие пучки излучения пронизывают пространство подобно направленному лучу прожектора. Если ваш радиотелескоп окажется на пути одного из этих пучков, вы будете фиксировать короткий радиоимпульс с каждым оборотом звезды. Нейтронная звезда проявит себя как пульсар. (У некоторых пульсаров наблюдались также импульсы оптического и/или рентгеновского излучения.)

Благодаря эффекту прожектора пульсары в принципе можно обнаружить, при условии что вы находитесь в нужном месте. Открытие Джоселин Белл стало первым наблюдением нейтронной звезды после предсказания их существования, выдвинутого Бааде и Цвики 30 годами раньше. Частота радиоимпульсов (один импульс каждые 1,3373 секунды) сразу же дала астрономам период обращения нейтронной звезды. Вращается она очень быстро. Представьте объект размером с Лондон или Париж, совершающий три оборота вокруг оси каждые четыре секунды.

Какой материал! Вот первая реакция астронома Джо Тейлора на известие о пульсарах. Он прочел статью в Nature, когда ему было 26 лет. В Гарвардском университете в городе Кембридже (штат Массачусетс) Тейлор только что завершил диссертацию на соискание степени доктора философии, посвященную затенению источников радиосигналов Луной, но пульсары показались ему гораздо более интересным объектом для изучения. Тейлор не собирался, как Белл, лично просматривать бесконечные ленты самописца. Он решил наладить систематический автоматизированный поиск и отправился в Национальную радиоастрономическую обсерваторию в Грин-Бэнке (Западная Вирджиния). В течение года Тейлор с коллегами обнаружили еще шесть пульсаров. Охота началась.

Я убежден, что Альберт Эйнштейн оценил бы пульсары. Часть его ОТО касается влияния сильных гравитационных полей на ход времени. Гравитационное поле на поверхности нейтронной звезды составляет несколько сот миллиардов g – оно в несколько сот миллиардов раз сильнее, чем поле, действующее на падающее земное яблоко. Более того, пульсары – очень точные часы (невообразимо более точные, чем наручные часы, названные их именем). Лучшей лаборатории по изучению эффектов ОТО и желать нельзя. Неудивительно, что астрономам захотелось найти все пульсары, доступные для наблюдения.

Проще сказать, чем сделать. Большинство радиотелескопов имеют чрезвычайно узкое поле зрения. Куда смотреть, заранее не известно. Какой период импульсов искать, тоже не известно. Более того, на более низких радиочастотах импульс приходит позже, чем на более высоких. Радиоволны слегка замедляются небольшим количеством электронов, присутствующих в почти пустом межзвездном пространстве, и чем ниже их частота, тем сильнее эффект. Поэтому при наблюдении в определенном диапазоне частот, как это обычно и происходит, импульсы смазываются – радиоастрономы называют это дисперсией. Импульсы будут выделяться на фоне неустранимого фонового шума, только если нейтрализовать этот эффект, но степень дисперсии зависит от расстояния до пульсара: чем он дальше, тем больше электронов на пути импульса. Поскольку расстояние до не открытого пока пульсара не известно, вы не знаете и степени дисперсии, которую нужно нейтрализовать.

Тем не менее к 1974 г. открытие новых пульсаров стало почти обыденностью – по крайней мере для Рассела Халса, студента-дипломника Массачусетского университета в Амхерсте, куда Тейлор перешел в 1969 г. Задача Халса: обшаривая Млечный Путь, найти как можно больше пульсаров. Его инструмент: 305-метровый радиотелескоп обсерватории Аресибо в Пуэрто-Рико[35], впоследствии прославившийся благодаря таким фильмам, как «Золотой глаз» (1995) и «Контакт» (1997). Его оружие: выносливость.

Халс провел в Аресибо почти весь 1974 г., терпя жару, влажность и кровососущих насекомых, а также нелюбовь к новинке того времени, 32-килобайтному мини-компьютеру. Несколько часов ежедневно, когда Млечный Путь стоял высоко над гигантской тарелкой телескопа, он собирал данные радионаблюдений, затем вносил их в компьютер. Специализированное программное обеспечение искало короткие импульсы, перебирая, ни много ни мало, полмиллиона возможных комбинаций различных периодов следования импульсов и величин дисперсии. То и дело поиск давал результаты. В среднем Халс находил по новому пульсару каждые 10 дней. Думаю, коллеги называли его Рассел Пульс.

Нечто неожиданное произошло летом 1974 г. примерно во время скандала Уотергейт. Халс обнаружил особенно быстрый пульсар на расстоянии порядка 20 000 св. лет. Он совершал оборот за 59 мс, производя 17 чрезвычайно коротких радиоимпульсов в секунду. На тот момент это был второй самый быстрый пульсар, что само по себе делало его весьма интересным. Но недели через две, снова наблюдая пульсар, Халс заметил странность: период следования импульсов изменился, пусть несильно – менее чем на 1/10 000 секунды. Затем изменился снова, теперь в другую сторону. Халса это поразило. Разве пульсары не самые точные часы в природе? Как может массивный, сверхкомпактный нейтронный волчок внезапно ускориться или замедлиться?

Постепенно Халс пришел к выводу, что пульсар должен быть частью двойной звезды. Если он взаимно обращается с другой, невидимой, звездой, то попеременно приближается к ней и удаляется от нее. Когда пульсар движется нам навстречу, его радиоимпульсы достигают Земли чуть более сближенными по времени – частота следования импульсов увеличивается. При движении от нас временные интервалы между импульсами слегка увеличиваются – частота уменьшается. Рассел Халс открыл первый пульсар в системе двойных звезд.

Наблюдаемое Халсом изменение частоты называется эффектом Доплера. То же самое происходит со звуком сирены неотложки, проносящейся мимо. Когда машина нагоняет вас, кажется, что звуки сирены становятся более высокими. Когда машина, обогнав вас, уносится вперед, звуки как будто растягиваются, отчего тон понижается.

Эффект был назван в честь австрийского астронома XIX в. Кристиана Доплера. В 1842 г. он предположил, что этим явлением объясняется поразительное цветовое различие некоторых двойных звезд. Свет приближающейся звезды, имеющий для наблюдателя более высокую частоту, кажется голубым, а удаляющейся – красноватым, соответствующим свету с меньшей частотой. В этом отношении Доплер ошибался: цвет звезд определяется температурой их поверхности, а не движением в пространстве. Звезды должны двигаться со скоростями, очень близкими к скорости света, чтобы изменение их цвета стало наблюдаемым. Действительно, имеющие общую орбиту двойные звезды демонстрируют малое изменение частоты (или длины) волны, но на глаз этого не заметишь, и зарегистрировать этот эффект могут только очень чувствительные измерительные приборы.

Три года спустя, в 1845 г., нидерландский метеоролог Христофор Бёйс-Баллот первым продемонстрировал эффект Доплера для звуковых волн, но вместо кареты скорой помощи в его эксперименте участвовал поезд. Только что была проложена железнодорожная линия между голландскими городами Амстердамом и Утрехтом, и Бёйс-Баллот поставил следующий опыт. Паровоз ездил туда-сюда по пути в окрестности станции Маарссен – деревушки всего в 7 км к северо-западу от Утрехта, а участники эксперимента на поезде и на платформе играли на горнах тон одной высоты. Эффект Доплера был очевидным: не нужно было обладать музыкальным слухом, чтобы уловить разницу частот. (Мне очень нравится эта история, потому что я вырос в Маарссене в нескольких сотнях метров от железнодорожной станции.)

Чем так интересен пульсар в системе двойной звезды? Хотя бы тем, что помогает определить массу нейтронной звезды, что принципиально для понимания подлинной природы этих необычных объектов. Более того, зная массу и точную орбиту нейтронной звезды в системе, можно проверить некоторые предсказания ОТО Эйнштейна. Всю эту информацию можно получить, внимательно изучая время регистрации радиосигналов.

Помните о законе сохранения углового момента (иначе – эффекте фигуриста)? Он объясняет, почему Евгений Плющенко вращается быстрее, когда прижимает руки к телу. Он же гарантирует, что массивные, быстро вращающиеся вокруг оси тела сохраняют вращение, пока на них не подействует внешняя сила.

В случае Плющенко главной тормозящей силой является сила трения коньков о лед. Не будь трения (и сопротивления воздуха), вращение никогда бы не прекратилось. У нейтронных звезд нет коньков, и в космическом вакууме отсутствует сопротивление воздуха. Более того, нейтронные звезды намного массивнее среднестатистического фигуриста, и это главная причина, по которой их намного труднее замедлить. Вследствие этого нейтронная звезда фактически вращается вечно с неизменной скоростью. (Для педантов уточняю, что присутствует некоторое магнитное торможение, но чрезвычайно слабое – в течение человеческой жизни его заметить невозможно.)

Если скорость вращения нейтронной звезды не меняется, значит, все странности со временем обнаружения импульсов объясняются каким-то другим физическим эффектом. Остается проводить измерения, анализировать данные, распутывать загадки, делать умозаключения и проверять выводы.

Эффект Доплера, обнаруженный Халсом, – это самая простая составляющая. Халс видел, как частота пульсаций возрастала, а затем убывала за период в 7 часов 45 минут. Если причиной является обращение пульсара по орбите, следовательно, период обращения также составляет 7 часов 45 минут (точнее, 7 часов 45 минут 7 секунд). Это первый параметр орбиты.

Если бы орбита представляла собой правильную окружность, то наблюдаемая частота импульсов менялась бы постепенно и симметрично. Но это не так. В среднем частота равна 16,94 импульса в секунду (что соответствует угловой скорости вращения 59,03 мс). Около 5 часов при каждом орбитальном витке наблюдается меньшая частота, это означает, что пульсар удаляется от нас. В оставшиеся 2 часа 45 минут наблюдается бóльшая частота, следовательно, пульсар приближается. Никакой симметрии. Из этого со всей очевидностью следует, что орбита не круговая, а высокоэксцентрическая. (Для справки: эксцентриситет орбиты составляет 0,617.) Это второй фрагмент информации.

Тейлор и Халс также обнаружили, что орбита пульсара не может быть намного больше 1 млн км в диаметре. Когда пульсар находится на дальней стороне своей орбиты (по отношению к Земле), импульсы приходят примерно на 3 секунды позже, чем с ближней части орбиты. Радиоволны распространяются со скоростью света (300 000 км/с), таким образом, 3 секунды соответствуют почти 1 млн км. (Это, конечно, размер в проекции, измеряемый вдоль направления взгляда. Если орбита наклонена, истинный размер будет больше.)

Измерения временны́х параметров показали, что эксцентриситет самой орбиты прецессирует – кстати, весьма быстро. Помните о прецессии перигелия Меркурия? Урбен Леверье установил, что она превышает расчетную величину, полученную им на основе теории всемирного тяготения Ньютона. Эйнштейн смог объяснить набегающее за 100 лет наблюдаемое превышение в 43″ искривлением пространственно-временного континуума. Но этот релятивистский эффект намного больше в случае орбиты пульсара – свыше 4° в год. Это означает, что орбита пульсара прецессирует за один день на такую же величину, на которую орбита Меркурия – примерно за год. А этот факт может означать лишь одно – очень сильное искривление пространственно-временного континуума, вызываемое очень сильным гравитационным полем.

Это еще не все. Пульсары – идеальные часы природы. Пульсар, совершающий орбитальное движение в двойной звездной системе, можно уподобить атомным часам, движущимся по орбите вокруг Земли. Это астрофизический аналог эксперимента Хафеле – Китинга, описанного в главе 3, только без человека, летящего в компании часов. Разумеется, эффект намного сильнее, чем намерили Хафеле и Китинг, благодаря высокой орбитальной скорости пульсара, колеблющейся от 110 до 450 км/с. Это примерно в 1000 раз быстрее самолета, которым вы обычно летаете, порядка 1/1000 скорости света.

Эффект Доплера, эксцентриситет, прецессия орбиты, замедление времени – каждый эффект приносил новый фрагмент знания. Соберите их воедино – и сможете рассчитать неизвестные вам параметры. Например, наклон орбиты, составляющий около 45°, или истинное пространственное расстояние между двумя вращающимися звездами, варьирующееся в пределах от 746 000 до 3 153 600 км. А главное, массы двух объектов: сам пульсар на 44,1 % массивнее Солнца, что типично для нейтронной звезды, но его пара почти столь же увесиста – на 38,7 % массивнее Солнца. Может ли это быть нормальная звезда? Исключено, поскольку такая звезда была бы и намного больше Солнца – слишком большой, чтобы вписаться в орбиту пульсара.

Маленькая, массивная и невидимая даже в самые большие телескопы – что это? Вероятно, вы догадались: еще одна нейтронная звезда, имеющая такую ориентацию, что ее невозможно наблюдать как пульсар, во всяком случае с Земли. Астрономы с какой-нибудь далекой планеты, быть может, принимают узконаправленные импульсы этого пульсара (если он вообще что-нибудь излучает). Для них наш пульсар невидим.

Нужно также понимать, что большинство инопланетных астрономов вообще не смогли бы наблюдать эту систему, поскольку оказались бы в стороне от линий направления излучения обоих пульсаров. Нам очень повезло. В Млечном Пути должно быть много двойных нейтронных звезд, которые мы не в состоянии видеть. Они могут яростно излучать, но не в нашу сторону.

_________

Это впечатляющий пример расследования. Все, что есть, – «бип-бип-бип» одного пульсара, но для проницательного Шерлока Холмса от астрофизики этого достаточно. Тщательно анализируя малейшие отклонения от совершенной регулярности, вы сможете получить все необходимые сведения об удивительной системе двойных звезд плюс проверить предсказания ОТО Эйнштейна. (Как вы, наверное, догадались, теория блестяще прошла испытание.)

В 1975 г. Халс ушел из Массачусетского университета в Амхерсте, и Тейлор продолжил расследование совместно с Джоэлом Вайсбергом, студентом-дипломником Университета Айовы, научным руководителем которого впоследствии и стал. Вместе они совершили судьбоносное открытие.

Тейлор и Вайсберг понимали, что, если теория Эйнштейна верна, двойной пульсар должен терять энергию. Имеются два массивных компактных объекта, вращающихся вокруг друг друга с головокружительной скоростью. ОТО утверждает, что эти ускоряющиеся массы должны вызывать возмущение пространства-времени – гравитационные волны. Волны будут уносить энергию. Вследствие этого можно ожидать уменьшения орбитальной энергии пары нейтронных звезд. Медленно, но верно они будут сближаться по спирали. Орбита должна сужаться, период обращения по ней – сокращаться.

Массы и орбита двойных нейтронных звезд известны с высокой точностью. Подставляем эти величины в уравнения Эйнштейна и получаем прогноз постепенного снижения орбиты. За год среднее расстояние между двумя нейтронными звездами должно уменьшаться на 3,5 м. Как вы понимаете, его трудно измерить с расстояния 20 000 св. лет. Но соответствующее сокращение периода обращения составляет 76,5 мкс в год, и оно скажется на интервалах поступления импульсов по крайней мере через пару лет.

Так и случилось. В 1978 г. Тейлор, Вайсберг и их коллеги обнаружили, что результаты наблюдений полностью соответствуют предсказаниям ОТО. Эйнштейн был прав! Они объявили об этом на 9-м Техасском симпозиуме в Мюнхене в декабре того же года, через два месяца сообщение об открытии появилось в Nature. Вывод был очевиден: сужение орбиты двойного пульсара явилось доказательством – косвенным, но очень убедительным – существования волн Эйнштейна.

Нобелевский комитет придерживался той же точки зрения. В ноябре 1993 г. Нобелевская премия по физике была присуждена «за открытие нового типа пульсара – открытие, создавшее новые возможности изучения гравитации». Престижную награду разделили Джо Тейлор (в 1981 г. перебравшийся в Принстонский университет) и Рассел Халс[36].

А Джоэл Вайсберг? Почему он не был включен в число лауреатов? В открытии двойного пульсара он не участвовал, к тому времени, когда Тейлор и Вайсберг открыли эффект волн Эйнштейна, Халс работал в области физики плазмы – в совершенно другой сфере. Он не открывал сужения орбиты пульсаров. Более того, Нобелевская премия может вручаться максимум троим. Вайсберг мог стать третьим лауреатом. Почему его обошли?

По какой-то причине Нобелевский комитет демонстрирует неоднозначное отношение к работам, связанным с пульсарами. В 1974 г., в тот год, когда Халс обнаружил двойной пульсар, комитет отдал половину Нобелевской премии по физике Энтони Хьюишу «за судьбоносную роль в открытии пульсаров». Видимо, под «судьбоносной ролью» следует понимать тот факт, что он нанял студентку, ставшую настоящим автором открытия. Новаторский труд Джоселин Белл даже не был упомянут!

Ныне Вайсберг трудится в Карлтонском колледже в Нортфилде (штат Миннесота) и, хотя не удостоился признания Шведской королевской академии наук, счастлив, что открытие было оценено по достоинству[37]. Он до сих пор следит за пульсаром Халса – Тейлора, как его теперь принято называть. С годами измерения стали еще более точными. Отклонений от предсказаний Эйнштейна до сих пор не обнаружено. Вайсберг изучает и другие двойные пульсары. На сегодняшний день их открыты десятки. Для астрофизиков это бесплатные гравитационные лаборатории космического базирования: арендуйте радиотелескоп, подключите устройство учета времени и можете работать.

Одной из самых удивительных двойных систем является PSR J0737–3039. Ее открыла в 2003 г. итальянский радиоастроном Марта Бургей[38] при помощи 64-метрового радиотелескопа австралийской радиообсерватории Паркс. Цифры в названии системы – это своего рода небесный адрес: они представляют местоположение пульсара в небе в южном созвездии Кормы. (Первый пульсар, обнаруженный Джоселин Белл, официально называется PSR B1919+21, пульсар Халса – Тейлора в созвездии Орла – PSR B1913+16. Как свидетельствуют номера, они наблюдаются на небе недалеко друг от друга.)

В чем особенность J0737? Это единственная известная система, состоящая из двух пульсаров. Хотя первым открытым двойным пульсаром была двойная нейтронная звезда, импульсы регистрировались лишь от одного компонента системы. В J0737 обе нейтронные звезды наблюдаются как пульсары. Более того, они имеют очень тесную орбиту, следовательно, высокие скорости и сильные ускорения. Это дает возможности более точных измерений и дополнительных перекрестных проверок результатов.

У J0737 есть еще одна необычная особенность. Орбитальная плоскость, в которой кружатся два пульсара, видна нам практически с ребра. Каждые 1,2 часа (это половина орбитального периода) один оказывается позади другого, и его импульс проходит очень близко от ближнего пульсара для наблюдателя с Земли. Из-за сильного гравитационного поля время испытывает гравитационное замедление, и сигналу требуется больше времени, чтобы достичь наших радиотелескопов, чем в отсутствие этого эффекта. Эта задержка – так называемый эффект Шапиро – измерена с высокой точностью. Она именно такова, как предсказывает ОТО.

Ирвину Шапиро не могло прийти в голову, что метод проверки ОТО, названный его именем, будет применен к двойным пульсарам. В 1964 г., когда астрофизик MIT Шапиро описал этот эффект, пульсары еще не были открыты. Шапиро предложил эксперимент, в ходе которого сигналы радара отражались от поверхности Меркурия и Венеры во время верхнего солнцестояния, когда планета оказывается с дальней стороны от Солнца, с точки зрения земного наблюдателя. Сигналам радара пришлось бы проходить через гравитационное поле Солнца. Точные измерения времени прохождения импульсов показали бы величину задержки сигнала.

Первые эксперименты, поставленные Шапиро с коллегами в 1967 г., были не особенно точными, однако задержку удалось измерить, и результаты согласовывались с предсказаниями Эйнштейна. Впоследствии эффект Шапиро был также измерен (гораздо точнее) на коммуникационных радиосигналах космического зонда НАСА «Кассини», находящегося на орбите Сатурна с 2004 г. Самые свежие наблюдения за PSR J0737–3039 позволили добиться еще большей точности.

Другой поразительный двойной пульсар – PSR J1906+0746 был открыт в 2004 г. с помощью радиотелескопа в Аресибо. Он совершает оборот каждые 144 мс, выдавая почти 7 радиоимпульсов в секунду. Ничего особенного! (Постепенно привыкаешь ко всему, даже к существованию сверхплотных звезд размером с мегаполис, вращающихся со скоростью колеса мчащейся машины.) Но в 2008 г. импульсы начали слабеть и к 2015 г. совершенно пропали. Вот это нечто особенное!

Или нет? Затухание сигнала PSR J1906+0746 объясняется ОТО и вызывается геодезической прецессией, известной также как прецессия де Ситтера. Благодаря сильному искривлению пространственно-временного континуума ориентация оси вращения пульсара медленно меняется. (Тот же эффект был обнаружен Gravity Probe B, я рассказывал об этом в главе 3.) Намагниченный космический волчок вихляет. Вследствие этого узконаправленные пучки радиоволн перестают попадать на Землю. Для нас пульсар исчезает. К счастью, он предположительно должен вновь появиться примерно в 2170 г. Будущие радиоастрономы, сделайте пометку в календаре! (Кстати, и геодезическая прецессия, и эффект Шапиро были также обнаружены у пульсара Халса – Тейлора в 1989-м и 2016 г. соответственно.)

_________

Мы прошли долгий путь с того момента, когда «идиотские зеленые человечки» едва не погубили диссертацию Джоселин Белл. Полвека детективной работы астрономов позволили обнаружить свыше 2000 пульсаров в галактике Млечный Путь, в том числе десятки пульсаров в составе систем двойных звезд. Это замечательный материал для астрономов, желающих понять финальные стадии эволюции массивных звезд. Это ценные данные для специалистов по ядерной физике, изучающих поведение материи при экстремальной плотности. Для последователей Альберта Эйнштейна нет лучшего способа раскрыть секреты пространственно-временного континуума, чем работая с этими космическими гравитационными лабораториями.

В рамках нашей темы, разумеется, самым важным наблюдением является снижение орбиты двойных пульсаров. Тот факт, что орбитальный период пульсара Халса – Тейлора сокращается на 76 мкс в год, служит косвенным доказательством существования гравитационных волн. Напомню, что ускоряющиеся массы вызывают пульсацию пространственно-временного континуума – волны Эйнштейна. Волны уносят энергию. Потеря энергии системой двойных звезд приводит к сужению орбиты. Все просто!

Если вас интересует количество теряемой энергии, она огромна. Каждую секунду пульсар Халса – Тейлора лишается 7,53×10^24 Дж. Это примерно в 1000 раз больше энергии, выделившейся 66 млн лет назад при столкновении с Землей астероида диаметром 10 км, повлекшем за собой вымирание динозавров. За секунду!

Если столько энергии перекачивается в пространственно-временной континуум, то возникающие при этом волны Эйнштейна должны быть гигантскими. По крайней мере так кажется на первый взгляд. Однако они крохотные. Невообразимо крохотные. Помните, я сравнивал встряхивание банки с желе и удар кувалдой по бетонному блоку? Пространственно-временной континуум обладает немыслимой жесткостью. Даже энергии тысячи столкновений с астероидами-убийцами в секунду недостаточно, чтобы вызвать в нем возмущение, которое можно было бы заметить.

Кстати, гравитационные волны пульсара Халса – Тейлора имеют очень низкую частоту. Орбитальный период 7,75 часа предполагает частоту около 73 мкГц. Соответствующая длина волны – гигантские 4,2 млрд км. Таким образом, мы говорим об исключительно длинных, низкочастотных, низкоамплитудных волнах. Есть ли у нас шансы измерить их? Ни единого, тем более с расстояния 20 000 св. лет.

Но в будущем ситуация улучшится. Две нейтронные звезды медленно, но верно сближаются по спирали. Чем ближе они друг к другу, тем меньше орбитальный период. Двойные системы излучают две гравитационные волны при каждом прохождении орбиты, поэтому частота пульсаций пространственно-временного континуума постепенно увеличивается – как и амплитуда волн, поскольку нейтронные звезды вращаются по сужающимся орбитам и испытывают все большие ускорения. Меньше длина волны, выше частота, больше амплитуда. Если мы будет достаточно терпеливы, то сможем напрямую обнаружить волны Эйнштейна, идущие от пульсара Халса – Тейлора. Это хорошие новости.

Есть и плохие. Терпения потребуется много. Волны останутся неизмеряемыми до тех пор, пока две нейтронные звезды не начнут с бешеной скоростью носиться по орбите на расстоянии всего нескольких десятков километров друг от друга. Перед самым их столкновением – и, возможно, превращением в ЧД – частота и амплитуда волн существенно возрастут. Слияние вызовет последний мощный выброс волн Эйнштейна, который смогут зарегистрировать датчики на Земле, – физик из Принстона Фриман Дайсон предсказал это еще в 1963 г.[39] Но с пульсаром Халса – Тейлора это произойдет не раньше, чем через 300 млн лет.

Впрочем, другие двойные звезды ведут себя так же: сужение орбиты, уменьшение периодов и в конце концов столкновение. Например, PSR J0737–3039 (знаменитый двойной пульсар) сольется примерно через 85 млн лет. Системе из двух белых карликов WD 0931+444 осталось жить меньше 9 млн лет. Другая двойная звезда, состоящая из белых карликов, J0651+2844 сольется через каких-то 2,5 млн лет. Возможно, в Млечном Пути есть системы двойных звезд, столкновение которых произойдет через 10 лет или завтра. Помните, множество двойных нейтронных звезд не наблюдаемы для нас, потому что их узконаправленные импульсы ориентированы в других направлениях.

Более того, незачем ограничиваться Млечным Путем. Финальное слияние двух массивных компактных объектов, таких как нейтронные звезды или белые карлики, порождает мощные волны Эйнштейна – настолько мощные, что их можно зарегистрировать на Земле, даже если столкновение произошло в соседней галактике. Постройте чувствительный детектор гравитационных волн и сможете уловить пульсации пространства-времени вследствие слияния нейтронных звезд на расстоянии десятков миллионов световых лет.

Любопытно, что слияния столь далеких нейтронных звезд, возможно, уже наблюдались. То и дело искусственные спутники Земли фиксируют короткие выбросы высокоэнергетического гамма-излучения в глубоком космосе. Эти гамма-всплески (читайте о них в главе 14) бывают двух видов. Длинные, длительностью много секунд или даже минут, вероятно, являются следствием взрыва сверхмассивных звезд. Короткие, в долю секунды, скорее всего, вызваны слияниями нейтронных звезд в далеких галактиках.

Как бы то ни было, открытие пульсаров и обнаружение снижения орбиты компактных систем двойных звезд чрезвычайно вдохновило охотников на гравитационные волны и подхлестнуло поиски. Как писали Джоэл Вайсберг, Джо Тейлор и Ли Фоулер в 1981 г. в статье для журнала Scientific American: «Изучение двойного пульсара станет стимулом для исследователей, работающих над экспериментами с гравитационными волнами. Теперь представляется несомненным, что предмет их поисков действительно существует»[40].

Гравитационные волны действительно существуют.

Нейтронные звезды действительно сталкиваются.

Настал момент для прямой регистрации неуловимых возмущений пространственно-временного континуума!

Если резонансные антенны для этого не годятся, пора применить новый подход и новое оборудование, намного более чувствительное, чем алюминиевые цилиндры Джо Вебера: лазерный интерферометр.

7

Лазерная эпопея

Я посещал LIGO дважды[41].

Впервые – весной 1998 г., когда Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая лаборатория еще строилась и состояла из огромного короба и двух стальных труб диаметром 1,2 м. Начальник строительства Джерри Стэпфер провел меня по площадке, но смотреть было не на что. «Здесь будет пост управления» – большая пустая комната с нераспакованными коробками. «Здесь дирекция» – пустые комнаты поменьше с мебелью, обернутой в полиэтилен. «А здесь LVEA», зона размещения лазерного и вакуумного оборудования, – громадный пустой зал: вилочный погрузчик в дальней части казался игрушечным. Маленький круг на бетонном полу отмечал местоположение сердца LIGO – светоделителя.

Во второй раз я посетил обсерваторию в конце января 2015 г., примерно через 13 лет после того, как LIGO начала поиск гравитационных волн. Совсем иное впечатление! Луч лазера переотражался внутри двух 4-километровых плеч интерферометра. Я почти 10 минут ехал на машине от одного конца L-образного детектора до другого (огромные размеры всего комплекса можно оценить с воздуха или с помощью Google Earth). На посту управления молодые ученые и инженеры прилипли к мониторам: повсюду хипстерские бороды, «хвосты» и ботанские футболки. На гигантских экранах по стенам отображалось состояние инструментов детектора. Зона LVEA была заполнена чуткими приборами, упрятанными в вакуумные резервуары из нержавеющей стали. Готовые декорации для фильма о Джеймсе Бонде!

Совершенно другой вид открывался с крыши главного здания. В 1998 г. передо мной простирались леса и болота под Ливингстоном в Луизиане. В 2015 г. раскинулась пустынная панорама Хэнфордского комплекса на юго-востоке штата Вашингтон. Не спешите удивляться! Напомню, что были построены две одинаковые обсерватории LIGO на расстоянии около 3030 км друг от друга (по той же причине, по которой Джо Вебер работал с двумя далеко разнесенными в пространстве резонансными антенными детекторами, – чтобы исключить ложноположительные результаты). Однако, находясь внутри, вы не заметите разницы между двумя научными комплексами. Ученые из Ливингстона, приезжающие в Хэнфордскую обсерваторию, легко в ней ориентируются (разве что некоторые двери открываются иначе).

Принадлежащий министерству энергетики Хэнфордский комплекс к северу от города Ричланда не пользуется популярностью у туристов. Семьдесят с лишним лет назад здесь работал плутониевый реактор, вырабатывающий топливо для атомной бомбы, которая была взорвана над японским городом Нагасаки в августе 1945 г. К северо-западу от LIGO счетчики Гейгера выдают присутствие огромного подземного хранилища радиоактивных отходов. Трасса № 10, соединяющая шоссе № 240 и дорогу Глейд-Норт, представляет собой длинную прямую полосу асфальта в пустыне. Пыль и перекати-поле проносятся через короткую подъездную дорогу к LIGO.

В Луизиане все иначе. Ливингстон – тихий городок к востоку от Батон-Руж. Автозаправочная станция, хозяйственный магазин и несколько сотен домов – вот, собственно, и все. Поворот за магазином фейерверков выводит на трассу № 63, проложенную на север. Следуя плавным изгибам шоссе, вы недолго едете через лес и оказываетесь на грунтовке, ведущей в северо-западном направлении к обсерватории. Главное здание окружено маленькими прудами и группами деревьев. Обстановка более расслабленная и непринужденная, как и следует ожидать в «Пеликаньем штате».

Здесь ранним утром в понедельник, 14 сентября 2015 г., – если быть точным, в 04:50:45 по летнему времени центральных штатов (Ливингстон) или в 02:50:45 по тихоокеанскому летнему времени (Хэнфорд) – писалась история науки. Через столетие после того, как Альберт Эйнштейн завершил работу над общей теорией относительности, обсерватории-близнецы LIGO осуществили первую прямую регистрацию проходящей гравитационной волны. В течение примерно 1/5 секунды чувствительные детекторы измеряли слабые возмущения пространственно-временного континуума в 10 000 раз меньше диаметра протона – ядра атома водорода. Долгие десятилетия поисков наконец увенчались успехом.

_________

Мы еще вернемся к разговору о GW150914, а в главе 8 я подробнее расскажу о непростой судьбе LIGO. Но сначала познакомимся с техническим решением. Это потрясающе! Одна десятитысячная размера атомного ядра – как можно измерить настолько слабый эффект? И откуда уверенность, что регистрируются действительно волны Эйнштейна, а не что-нибудь более ординарное?

Давайте начнем с основ. Что именно мы пытаемся измерить? Колебания пространственно-временного континуума. Я рассказывал об этом понятии в главе 4 – не стесняйтесь перечитать соответствующие абзацы, если вам нужно освежить память. Напомню самую суть. Нарисуйте на земле большой квадрат. Гравитационная волна, приходящая перпендикулярно из точки прямо над вашей головой (зенита), слегка деформирует квадрат. Сначала он увеличивается в направлении север – юг и уменьшается в направлении восток – запад. Затем сжимается по оси север – юг и растягивается на восток и запад. Квадрат дрожит. Насколько быстро? Это зависит от частоты волны. Насколько сильны деформации? Это зависит от амплитуды волны.

Таким образом, от нас требуется точно фиксировать размеры квадрата, желательно одновременно в двух направлениях. Разумеется, незачем измерять все четыре стороны. Достаточно следить за двумя перпендикулярными сторонами, сходящимися в одном из четырех углов. Возникает L-образная структура. Этим и продиктована форма LIGO.

Что, если гравитационная волна приходит не строго сверху? Два плеча L-образной структуры и в этом случае будут растягиваться и сжиматься, но в меньшей степени, в зависимости от угла падения. Однако LIGO действительно гораздо чувствительнее к волнам Эйнштейна, идущим из зенита, точно сверху – или точно снизу (помните, Тони Тайсону пришлось напомнить Джо Веберу, что Земля прозрачна для гравитационных волн).

Если вы хотите измерить меняющиеся длины двух плеч L, никакая линейка вам не поможет. Дело в том, что растягивается и сжимается сам пространственно-временной континуум, следовательно, все, что находится в нем, будет растягиваться и сжиматься вместе с ним. Если деформируется одно плечо L, то приложенная к нему линейка деформируется точно так же. Поэтому ученые оценивают изменение длины по изменению интервала времени, необходимого свету для того, чтобы дойти от одного края плеча до другого.

Одно из основных предположений ОТО – постоянство скорости света. Не важно, что происходит с пространственно-временным континуумом, свет всегда движется с одной и той же скоростью – 300 000 км/с. Таким образом, если пространственно-временной континуум растягивается в определенном направлении – если между двумя точками становится чуть больше пространства, свету понадобится на ничтожную долю секунды больше времени, чтобы попасть из точки А в точку В. Значит, вместо линейки нужно использовать часы.

Физики и астрономы в совершенстве владеют точным измерением времени. Хороший пример приводился в главе 6. Время прихода импульсов двойного пульсара измерялось с точностью выше одной миллионной секунды. Этого достаточно, чтобы вычислить массы и орбитальные параметры звезд системы. Как мы видели, это позволяет даже зарегистрировать гравитационные волны, хотя и косвенно.

Однако, если посылать световые импульсы из одного конца плеча и измерять время их прихода в другой конец, мы получим недостаточно точные для наших целей результаты. Допустим, мы могли бы измерить время прихода импульса с точностью до одной миллионной секунды (0,1 мкс). Это позволило бы регистрировать изменения расстояния около 30 м (одна десятимиллионная от 300 000 км). Но волны Эйнштейна, приходящие к Земле, не могут иметь настолько большую амплитуду (наши тела не выдержали бы существенного растяжения и сжатия пространственно-временного континуума.) Поэтому световые импульсы нам не помогут.

Если точность в доли микросекунды недостаточна для регистрации гравитационных волн на Земле, как Джо Тейлор и Джоэл Вайсберг сумели доказать их существование путем измерения времени прихода импульсов? Очевидно, потому, что могли годами дожидаться проявления эффекта снижения орбиты пульсара. В случае LIGO этот подход неприменим. Волны нужно зарегистрировать в тот самый момент, когда они проходят через детектор. Единственный выход – резко повысить чувствительность аппаратуры. Нужно научиться измерять изменения времени прохода света с точностью порядка миллиардных долей от миллиардной доли секунды. Настолько точных часов не существует.

Решением является интерферометрический метод. От его названия происходит буква «I» в аббревиатуре LIGO. Явление интерференции можно наблюдать на поверхности пруда. Если бросить в воду камень, возникают волны в виде концентрических кругов. Бросьте второй камень в нескольких метрах от первого, и от него также станут расходиться волны. Две группы волн пересекаются друг с другом. В определенных точках, куда гребни двух волн прибывают одновременно, те объединяются в более высокую волну. В других точках, где гребни волн одной группы встречаются с ложбинами другой, волны нейтрализуют друг друга. Возникает картина интерференционных полос – чередование вдвое более высоких и подавленных водяных волн.

Свет ведет себя так же. Два источника света, находящиеся в фазе, гребни и ложбины волн которых совпадают, взаимно усиливаются. Иными словами, амплитуда удваивается (энергия возрастает). Это так называемая усиливающая интерференция. Если же волны света находятся в противофазе, то есть гребни одной волны приходятся на ложбины другой, то они уничтожают друг друга. Это ослабляющая интерференция.

Предположим, у нас имеются два луча оранжевого света с длиной волны 600 нм (0,6 мкм). Они испускаются в одной фазе, но в разных направлениях. Пройдя некоторый путь, оба луча отражаются от зеркала обратно в точку, откуда пришли. Если два зеркала расположены строго на одинаковом расстоянии от источника света, волны на момент встречи по-прежнему будут в фазе. Вследствие этого общий свет будет ярче каждого отдельного луча.

Теперь допустим, что путь до одного из зеркал совсем немного удлинился – время прохождения светом пути увеличилось на одну фемтосекунду. Фемтосекунда – это одна миллионная миллиардной (10–15) доли секунды. За одну фемтосекунду свет проходит расстояние 300 нм. Тогда по возвращении к источнику одна световая волна будет отставать от другой на половину своей длины. Гребни и ложбины двух световых волн перестанут совпадать. Они окажутся не в фазе (в данном случае в противофазе, когда гребни одной волны точно совпадают с ложбинами другой). В результате волны нейтрализуют друг друга.

Таким образом, с помощью интерферометра можно измерять различия времени прибытия импульсов с точностью до фемтосекунд. Возможно, и этого недостаточно для наших целей, но это уже кое-что.

В данном методе удобнее всего работать со светом определенной длины волны (или цвета). Белый свет состоит из света всех цветов радуги. Поскольку он включает различные длины волн, белый свет не очень подходит для интерферометрии. Свет лазера имеет лишь один строго определенный цвет – конкретной длины волны. Определенно, нам нужен лазер. Отсюда буква L в аббревиатуре LIGO. Здесь используются не лазеры видимого света, а почти инфракрасные, с длинной волной 1064 нм.

Как добиться идеального совпадения двух пучков света лазера по фазе? Это просто: взять один пучок и разделить его на два пучка с помощью светоделителя. Светоделитель – зеркало, отражающее только половину падающего на него света. Другая половина проходит сквозь зеркало. Хорошим примером светоделителя являются ваши солнцезащитные очки. Одна часть падающего на их стекла света проходит насквозь (иначе вы бы ничего в них не видели), другая отражается обратно. Незачем объяснять, что светоделители LIGO намного сложнее обычных солнцезащитных очков.

Лазер, светоделитель, зеркала, детектор. Это основные элементы LIGO и всех гравитационно-волновых интерферометров. (Есть и другие, я вернусь к ним в главе 8.) Лазер дает пучок монохроматического света. Допустим, пучок направлен на восток (на рисунке он движется слева направо). Светоделитель ориентирован относительно него диагонально. Одна половина света лазера проходит сквозь светоделитель в восточное плечо L-образной обсерватории. Другая половина отражается в сторону (на рисунке «вверх») в северное плечо L-схемы, перпендикулярное восточному.

В конце каждого плеча установлено зеркало, отражающее инфракрасный свет обратно на светоделитель. Вновь половина возвращающегося света проходит насквозь и половина отражается. Теперь у нас есть световые волны, движущиеся на запад (левая часть рисунка) обратно к лазеру, и световые волны, движущиеся на юг (нижняя часть рисунка) в направлении фотодетектора – чувствительного измерителя интенсивности света, преобразующего свет в электрический сигнал. Благодаря такой схеме усилению (усиливающей интерференции) подвергаются только световые волны, распространяющиеся в западном направлении. Волны, которые были направлены на юг, к фотодетектору, взаимно нейтрализуются (ослабляющая интерференция).

Важно, что свет не может просто исчезнуть из-за того, что две световые волны разошлись по фазе. Если в одном направлении имеет место ослабляющая интерференция, значит, в другом должна происходить усиливающая. Закон сохранения энергии – один из непреложных законов природы. (В пруду происходит то же самое: водяные волны от двух камней нейтрализуют друг друга в некоторых местах, но это возможно только потому, что во всех остальных местах они суммируются.) Таким образом, при равной длине плеч – в стандартной ситуации – свет лазера выходит из интерферометра там же, откуда пришел, а фотодетектор ничего не видит. Поэтому южную сторону светоделителя называют темным портом.

Что происходит при прохождении гравитационной волны? Длины плеч (и соответствующее время прохождения света) меняются. Сначала северное плечо удлиняется, а восточное укорачивается, затем северное сжимается, а восточное растягивается. Свету, возвращающемуся от одного концевого зеркала, требуется на исчезающе малую долю секунды больше времени, чтобы достичь светоделителя, чем свету, идущему обратно от зеркала в другом плече. Усиливающая интерференция в направлении лазера проявляется уже не на 100 %, как и ослабляющая интерференция в направлении фотодетектора. Даже при невероятно малом различии длин (намного меньшем, чем длина волны лазера) какой-то свет попадает в темный порт. Чувствительный фотодетектор может его уловить. Есть! Мы зарегистрировали гравитационную волну.

Я объяснял, каким образом интерферометрия позволяет регистрировать мельчайшие различия во времени перемещения света двух пучков когерентного лазерного излучения. Очевидно, имеет смысл сделать плечи интерферометра возможно более длинными. Проходящая волна Эйнштейна будет растягивать и сжимать пространственно-временной континуум в определенной степени. Например, расстояние между двумя точками может увеличиваться и уменьшаться не более чем на одну квинтиллионную долю процента (одна доля от 10^20). Для двух близких точек это практически ничто. Возникающие при этом отклонения времени перемещения света настолько малы, что аппаратура не сможет их обнаружить. Но если разнести эти две точки достаточно далеко, то время перемещения света соответственно увеличится. Таким образом, чем длиннее плечи L-образной структуры, тем проще зарегистрировать гравитационные волны определенной амплитуды.

Четыре километра – это достаточно далеко? Не особенно, лучше бы 1200 км. Попробуйте сказать это тем, кто вас финансирует! Однако есть умное решение. Обманем пучок лазерного излучения – пусть считает, что прошел путь по туннелю длиной 1200 км. Для этого установим в каждом плече два зеркала вместо одного: первое – в дальнем конце плеча, второе – в ближнем, возле светоделителя. Заставив свет лазера переотражаться между двумя зеркалами несколько сотен раз, вы фактически создаете плечо в 1200 км. Время перемещения света также возрастает в 300 раз, до нескольких миллисекунд. Ничтожные отклонения порядка одной доли от 10^20 становится проще зарегистрировать.

После нескольких сотен отражений свет, разумеется, должен выйти из своей временной «тюрьмы». Если зеркало в ближнем конце плеча отражает 97 % падающего света, остальные 3 % проходят сквозь зеркало и выходят по другую его сторону. Иначе говоря, каждый фотон света будет отражен в среднем 300 раз, прежде чем выйдет на свободу. (Наша световая тюрьма протяженностью 4 км называется резонатором Фабри – Перо.)

Освободившийся свет должен оставаться когерентным пучком лазерного излучения, иначе он не сможет интерферировать с пучком, выходящим из другого плеча. Для этого свет, пока он переотражается между двумя зеркалами, должен оставаться в фазе с самим собой. Достичь этого можно единственным способом – обеспечить такую длину пути туда и обратно между зеркалами, чтобы в нее укладывалось целое число волн данной длины. Речь идет о точности до пикометра (1 пм равен 10–12 м, или одной миллиардной доле миллиметра). Любое отклонение нарушит итоговую картину интерференционных полос. Как говорят ученые, работающие в LIGO, плечо интерферометра должно быть заперто.

Для этого используется хитроумный механизм обратной связи. Пока путь света в обе стороны между зеркалами остается равным целому числу длин волны, фотодетектор в темном порте интерферометра ничего не регистрирует. Но если длина плеча меняется из-за какой-либо внешней вибрации, некоторое количество света попадает в детектор. Как только это происходит, на контроллер концевого зеркала в плече подается сигнал. Электрический ток течет через катушку, создавая магнитное поле. Маленькие магниты на ободе концевого зеркала подвергаются действию силы притяжения или отталкивания. Кроме магнитов, в LIGO стоят электростатические толкатели, использующие ту же силу, которая притягивает полоски бумаги к расческе с электростатическим зарядом. Благодаря этому зеркало можно немного двигать назад и вперед – достаточно, чтобы восстановить запирание плеча.

Проходящая гравитационная волна также нарушит первоначальную интерференционную структуру в силу возникающих отклонений времени прихода света. Фотодетектор начнет регистрировать свет. Сработает механизм обратной связи, изменив текущий через катушку электрический ток и силу магнитного поля. В результате зеркала сдвинутся так, чтобы восстановить идеальную ослабляющую интерференцию в темном порте.

Если вы будете постоянно считывать изменения электрического тока, проходящего через катушку, то получите отчетливую картину крохотных вынужденных движений зеркала. Большинство этих восстанавливающих запирание плеча движений обусловливаются внешними вибрациями («шумом»), но некоторые могут быть вызваны искомыми волнами Эйнштейна.

Временно задерживая свет лазера в интерферометре при помощи двух зеркал, получаем дополнительное преимущество – накопление энергии в двух плечах. Благодаря этому свет в резонаторе Фабри – Перо представляет собой намного более мощный и равномерный поток фотонов, чем свет, минующий резонатор. Это важно, если требуется измерить чрезвычайно малые изменения выходного сигнала, как в нашем случае.

Чтобы понять, почему чем больше фотонов, тем точнее измерения, представьте, что хотите с точностью определить, насколько сильный ливень идет в Луизиане во время летней грозы. Вы находитесь в хижине с железной крышей, и все, что у вас есть, – это старомодный измеритель интенсивности шума, в котором игла двигается по дуге. Вы решаете использовать звук капель, барабанящих по крыше, в качестве показателя силы дождя. При слабом дожде вы услышите «кап… кап-кап… кап». Будет очень трудно определить, насколько шумным является дождь, и игла шумомера бешено мечется туда-сюда. Этот эффект называется дробовым шумом. Но вот гроза усиливается, дождь становится проливным. Игла движется по шкале и останавливается на определенном значении, которое может быть считано с высокой точностью. Вот почему нам нужно много света – большое количество фотонных «дождевых капель», чтобы знать, насколько именно меняется уровень освещенности при смещении зеркал.

Итак, мы создали практически идеальный интерферометр. Он имеет виртуальные плечи почти в 1200 км длиной, позволяющие регистрировать чрезвычайно малые изменения времени перемещения света. В случае этих изменений темный порт перестает быть совершенно темным. Какое-то количество света попадает на фотодетектор. Накачивая мощность лазера в двух плечах интерферометра, мы в значительной мере устранили дробовой шум. Теперь даже ничтожные изменения количества света из-за прохождения волны Эйнштейна выделяются на фоне остаточного шума.

_________

Разумеется, поиск гравитационных волн осложняют многие другие проблемы.

Среди них с большим отрывом лидируют: захлопнувшаяся дверь или проехавший грузовик, шаги людей поблизости, промышленная деятельность в соседнем городе, крохотные изменения температуры, отдаленная гроза, влияющая на молекулы воздуха, лесозаготовки вблизи обсерватории (в случае LIGO в Ливингстоне), удары тихоокеанских волн о берег на юге штата Вашингтон (в случае LIGO в Хэнфорде), микросейсмическая активность – список можно продолжить. Зеркала требуют максимально возможной изоляции от этого «сейсмического шума», который не позволит выделить крайне слабый эффект проходящей гравитационной волны.

Огромные усилия были затрачены на разработку хитроумных систем подвеса зеркал. Чтобы изолировать зеркала от внешних колебаний, были применены практически все известные приемы. Вибрационные датчики подают входной сигнал на самонастраивающиеся системы демпфирования, противодействующие колебаниям почвы, – примерно так же устроены микрофоны с шумоподавлением. Дальнейшую изоляцию обеспечивают сложные системы свободно свисающих плоских пружин и амортизаторов. Самым эффективным средством защиты является маятниковый механизм.

Демпфирующую способность маятника продемонстрирует очень простой эксперимент. Возьмите тонкую веревку или леску около метра длиной. Привяжите к ручке тяжелой кофейной чашки. Поднимите веревку за свободный конец, чтобы чашка повисла неподвижно. Если медленно повести конец веревки влево или вправо, чашка неохотно последует за движением, если же перемещать конец веревки быстро, чашка вообще едва шелохнется. Система работает еще лучше, если другой веревкой привязать под первой чашкой вторую: быстрые перемещения верхнего конца подвеса не оказывают видимого влияния на нижнюю чашку. Аналогично подвешенное зеркало удается изолировать от высокочастотных вибраций в окружающем пространстве. В LIGO применяется четырехэтапная система подвеса. Достоинство первое: зеркала являются толстыми и тяжелыми – 34 см в диаметре, толщиной 20 см и весом около 40 кг. Достоинство второе: они висят на проволоке минимально возможной толщины (0,4 мм) из плавленого кварца – особого стекла, отличающегося огромной прочностью. Достоинство третье: зеркала имеют чрезвычайно высокий уровень чистоты и простоты – зеркала LIGO представляют собой тщательно отполированные цилиндры из аморфного кварца.

Очевидно, избавиться от всех вибраций невозможно. Всегда будет какой-то неподавленный сейсмический шум, сколь угодно малые остаточные движения зеркал. Для полной уверенности в том, что чрезвычайно слабый сигнал гравитационной волны будет опознан, нужны как минимум два одинаковых детектора, разнесенные на сотни или даже тысячи километров. Фоновый шум в двух обсерваториях будет разным, а любой сигнал пришедшей из космоса гравитационной волны – одинаковым. Возможны мелкие различия в деталях в зависимости от направления источника сигнала и относительной ориентации двух интерферометров. Но обе лаборатории, в Ливингстоне и в Хэнфорде, должны зарегистрировать одну и ту же гравитационную волну в интервале сотой доли секунды. (В действительности с 2002 по 2010 г. проходящая гравитационная волна должна была регистрироваться тремя инструментами. Не многие знают, что в Хэнфорде изначально было два отдельных, совершенно независимых интерферометра: один имел плечи в 4 км, другой в два раза короче, те и другие размещались в общих туннелях.)

Незачем говорить, что лазер, светоделитель и фотодетектор также должны быть максимально изолированы от внешних вибраций. Более того, все чувствительные части интерферометра заключены в гигантские вакуумные резервуары. Даже из 4-километровых плеч – стальных труб, внутри которых переотражаются пучки лазерного излучения, – откачан весь воздух. Недопустимо, чтобы зеркала дрожали вследствие бомбардировки молекулами воздуха. Нельзя также допустить рассеяния лазерного излучения молекулами воздуха и крохотными частицами пыли. Система глубокого вакуума LIGO объемом около 9000 куб. м является одной из крупнейших в мире.

Еще одна потенциальная проблема – это лучевое давление, оказываемое пучками света лазеров на зеркала. Есть также «тепловой шум» – крайне слабые движения молекул в отражающем покрытии зеркал при нормальной температуре окружающей среды. Разумеется, слабо изогнутая поверхность зеркал должна быть отполирована максимально чисто, поскольку малейшие неровности уничтожат когерентность лазерного излучения.

Список потенциальных источников шума далеко не полон, я лишь пробежался по верхам. Все эти эффекты грозят помешать регистрации гравитационных волн, но все и каждую из проблем ученые и инженеры смогли решить или обойти.

Дополнительные подсистемы интерферометра еще больше увеличивают чувствительность. Например, лазерный «чистильщик» (официальное название – фильтр входного сигнала) гарантирует максимально возможную чистоту и стабильность света лазера. Волны, входящие в туннели, должны иметь в точности одинаковую длину и быть идеально когерентными.

Еще один обязательный элемент – зеркало рециркуляции мощности. Полагаю, вы помните, что происходит, когда пучки лазерного излучения, возвращающиеся из двух плеч L-образной конструкции, снова встречаются на светоделителе: они нейтрализуют друг друга в одном направлении (к темному порту) и взаимно усиливаются в другом (в направлении лазера). Таким образом, во время эксплуатации в штатном режиме довольно много лазерного излучения возвращается туда, где возникло. Не использовать эту мощность лазерной установки означало бы транжирить ресурсы. Зеркало рециркуляции мощности отправляет свет обратно в интерферометр. В результате еще больше фотонов носятся взад-вперед по туннелям, а чем выше мощность лазерного излучения, тем выше точность измерений.

Намного меньшее количество света, который время от времени попадает в темный порт инструмента, также идет в дело, отражаясь обратно в плечи интерферометра. Этот достаточно новый процесс называется рециркуляцией сигнала. Ученые даже экспериментируют с так называемым сжатым светом – хитростью из области квантовой оптики, в которой принцип неопределенности Гейзенберга оборачивается нам на пользу. Не волнуйтесь, если вы не вполне его понимаете, этим могут похвастать немногие физики. Важен результат – еще большая точность.

Большая наука, например физика гравитационных волн, дело непростое. Резонансные антенны Джо Вебера были весьма продвинутыми – один из собственных детекторов Вебера ныне выставлен перед входом в обсерваторию LIGO в Хэнфорде, – но создание действующего интерферометра для регистрации волн Эйнштейна представляет собой задачу совершенно другого уровня. Все здесь является выходом на пределы возможностей науки и технологии. Лазеры на алюмоиттриевом гранате с примесью неодима (Nd: YAG), фильтры входного сигнала, светоделители, система сверхглубокого вакуума, сверхгладкие кремниевые зеркала, антивибрационные системы шумоподавления, рециркуляция мощности и сигнала, чувствительные фотодетекторы, невероятно точные измерения – все должно функционировать идеально согласованно и безошибочно.

Так и происходит, о чем свидетельствует регистрация GW150914. Почти через столетие после того, как Альберт Эйнштейн выдвинул предположение о существовании неуловимых возмущений пространственно-временного континуума, физики наконец смогли зарегистрировать их напрямую. Самое время поговорить о настойчивости.

_________

Весной 1998 г. начальник строительства LIGO в Ливингстоне Джерри Стэпфер в разговоре со мной выразил уверенность, что гравитационные волны будут зарегистрированы вскоре после ввода интерферометра в эксплуатацию в 2002 г. «Нужно во что-то верить», – сказал он. Однако и к 2010 г. долгие месяцы наблюдений ничего не дали. По общему мнению, первая версия LIGO была недостаточно чувствительна, чтобы сделать хотя бы одну убедительную регистрацию за 8 лет.

Почти через 17 лет после моего первого посещения, в январе 2015 г., Фредерик Рааб, тогда руководитель LIGO в Хэнфорде, был столь же оптимистичен. «Все очень удивятся, если ничего не найдется», – заявил он[42]. К тому времени в уже имевшихся зданиях и туннелях был собран совершенно новый комплекс из лазеров, зеркал, систем подвеса и детекторов. Ученые, инженеры и техники занимались пусконаладочными работами; только что впервые удалось добиться запирания в одном из плеч интерферометра. Детектор во втором, усовершенствованном воплощении Advanced LIGO (aLIGO) после полной отладки должен был стать в 10 раз чувствительнее первоначального Initial LIGO (iLIGO) и смог бы принимать сигналы от источника в 10 раз более дальнего, наблюдая за пространством, в 1000 раз более обширным. Оптимизм Рааба оказался оправданным.

Тем не менее на обратном пути через пустыню в отель в Ричланде я вспоминал множество предыдущих ошибок и фальстартов в поиске гравитационных волн. Величайшие умы планеты десятилетиями спорили на эту тему. Сам Эйнштейн никогда не был совершенно убежден в их существовании. До сих пор поиск – а попыток было много – ни разу не увенчался успехом. Теперь новое поколение блестящих ученых делает решающую ставку на гигантские дорогостоящие лазерные интерферометры – самое чувствительное измерительное оборудование в истории человечества[43].

Что, если они ошибаются? Что, если окажется, что волн Эйнштейна не существует?

Той ночью я не смог заснуть. Рядом трудятся ученые, и некоторые посвятили разработке этого метода больше 40 лет. Они преодолели технологические ограничения, политические препоны, проблемы финансирования и личные конфликты. Они отдали все, чтобы достичь результата – создания гигантских лазерных установок, которые наконец зарегистрируют волны в самой ткани мироздания. Вдруг все это зря?

Пока я беспокоился, распространяющееся возмущение пространственно-временного континуума, вызванное столкновением двух ЧД в дальней части Вселенной, почти завершило свой путь продолжительностью 1,3 млрд лет к нашей крохотной планете на окраине Млечного Пути. Утратив первоначальную мощь, оно стало не более чем легчайшим шепотом, неразличимым для любых ушей, кроме самых чутких. Первая волна Эйнштейна, которой предстояло быть впервые зарегистрированной на Земле, уже миновала Проксиму Центавра, нашу ближайшую звездную соседку. Она почти неуловимо растянула и сжала ледяные кометы на одной стороне облака Оорта. В двух третях светового года впереди находилось Солнце, вокруг которого вращается крохотная голубая планета.

В нужный момент LIGO будет готова.

8

Путь к совершенству

Моя первая встреча с Рэем Вайссом произошла в лифте Конференц-центра штата Вашингтон в Сиэтле в начале января 2015 г. Я приехал на 225-е собрание Американского астрономического общества. Вайсс собирался делать презентацию по истории физики гравитационных волн. Мы вместе спустились на три этажа, обменялись приветствиями, ничего не обсуждая. «Тихий старичок», – подумал я.

Я ошибался. Вайсс был 82-летним старцем, но определенно не тихим, в чем я убедился в тот же день. После презентации я задал ему пару вопросов, и он говорил не переставая. Имена, даты, события, подсказки для моей книги, технические подробности, профессиональные шутки, истории из жизни – он оказался неисчерпаемым источником информации. Во время интервью летом 2016 г. все повторилось[44]. Я попросил уделить мне 45 минут, но мы проговорили почти полтора часа – точнее, он проговорил.

Рэю Вайссу, как никому другому, есть что рассказать о LIGO. Он считается отцом-основателем проекта, если не изобретателем метода лазерной интерферометрии. Кроме того, он яркая личность. Увлеченный, целеустремленный, отзывчивый – все, кому довелось с ним работать, тепло о нем отзываются (вернее, практически все). По мнению многих, проект LIGO не состоялся бы без его выдающихся способностей и неувядаемого энтузиазма.

Вайсс родился в Берлине осенью 1932 г. за считаные недели до того, как Альберт Эйнштейн навсегда покинул столицу Германии. В раннем детстве Райнер некоторое время жил в Праге, в семилетнем возрасте, перед самым началом Второй мировой войны, переехал с семьей в Нью-Йорк (отец Вайсса был врач-еврей.) Рэй оказался одаренным и любознательным ребенком, на все руки мастером. Он мог починить тостер. Мог разобрать часы и снова собрать. Он обшаривал закоулки в поисках выброшенных радиодеталей – вдруг пригодятся. Подростком он занялся маленьким бизнесом, ремонтируя радиоприемники и фонографы одноклассников.

К концу 1940-х гг. Вайсс стал кем-то вроде аудиоинженера. Его приглашали для создания полупрофессиональных акустических систем. Он не купался в золоте, но зарабатывал очень неплохо. Зачем было идти в колледж? Он вспоминает, что хотел больше узнать о методах шумоподавления. Популярные в те времена грампластинки со скоростью воспроизведения 78 об/мин сильно трещали и шипели, и Вайсс не знал, как решить эту проблему. Он надеялся, что обучение проектированию электрических устройств в прославленном Массачусетском технологическом институте в Кембридже окажется полезным.

Оказалось, напрасно. На занятиях по инженерному делу Вайсс томился от скуки – он не узнал ничего нового. Возможно, физика окажется интереснее? В какой-то степени эти ожидания оправдались. Однако он слишком отвлекался на другие стороны жизни, чтобы преуспеть в учебе, – например, безнадежно влюбился в красивую пианистку. «Я следовал за ней до самого Чикаго, – вспоминает он, – но она, видимо, решила, что я слишком влюблен, чтобы быть полезным. В конце концов я вернулся в MIT»[45].

Примерно в 1960 г. физика наконец покорила его. Точнее, экспериментальная физика. Работая над дипломом под руководством профессора Джерролда Захариаса, Вайсс сумел создать нечто вроде первых атомных часов для коммерческого применения. Они стали предшественниками «мистера Часы» – устройства, которое лет через десять облетит земной шар в эксперименте Джозефа Хафеле и Ричарда Китингом. Сам Захариас планировал взять часы Вайсса на Юнгфрауйох, гору в Швейцарских Альпах высотой 3470 м, и измерить эффект гравитационного красного смещения намного точнее Роберта Паунда и Глена Ребки, только что поставивших аналогичный эксперимент в соседнем Гарварде.

Планы, связанные со Швейцарией, остались неосуществленными, но Вайсс серьезно увлекся всем, связанным с гравитацией и точными измерениями, – наилучшая научная база для будущего инициатора проекта LIGO. Два года он строил гравиметры в качестве постдокторанта под руководством знаменитого физика Роберта Дикке в Принстонском университете. Вернувшись в MIT, организовал исследовательскую группу для изучения космологии и гравитации. (О космологии – науке о Вселенной – вы узнаете подробнее из главы 9.) В 1960-е гг. эта область исследования находилась в процессе становления. Теория Большого взрыва стала еще более популярной. В частности, в 1964 г. было открыто реликтовое излучение, которое часто называют послесвечением творения. Для физика было очевидно, что космология и ОТО – две стороны одной медали.

Неудивительно, что сотрудники физического факультета MIT предложили Вайссу читать курс ОТО. Это было в 1967 г., примерно в то время, когда Джоселин Белл открыла первый пульсар. Но Рэй Вайсс был на все руки мастер, а не теоретик. «Математика была далека от меня, – говорит он. – Я, конечно, не мог признаться, что не владею материалом. Это был ужасный год. Все свободное время я изучал релятивизм. Иногда я опережал своих студентов всего на день. Они были намного смекалистее меня».

Тем временем в нескольких сотнях километров к юго-востоку, в университете Мэриленда, Джо Вебер экспериментировал с резонаторными детекторами (вы читали об этом в главе 4). Узнав об этом, студенты Вайсса заинтересовались и задали ему вопрос о регистрации гравитационных волн. Снова темный лес! Однако он нашел изящный способ объяснить им идею при помощи трех далеко разнесенных в пространстве, не испытывающих ускорения «контрольных грузов» и точных часов – о часах он знал все. «Не думайте об измерении изменений расстояния, – сказал он студентам. – Представьте, что меряете изменение времени перемещения света. Вы уже должны понимать, о чем идет речь».

Вайсс не знал, что идея не нова. Два русских исследователя, Михаил Герценштейн и Владислав Пустовойт, опубликовали сходные мысли на несколько лет раньше. Однако статья вышла в советском журнале, о котором в США, вероятно, и не слышали. В те годы одним из немногих американских физиков, поддерживающих тесный контакт с советскими коллегами, был теоретик Кип Торн из Калифорнийского технологического института в Пасадене. В разгар холодной войны Торн регулярно ездил в МГУ для совместной работы с группой прецизионных измерений под руководством Владимира Брагинского, благодаря чему и узнал о публикациях.

Как бы то ни было, Вайсс сформулировал базовые принципы гравитационно-волнового интерферометра в эпохальной статье, вышедшей в 1972 г. в Quarterly Progress Report в MIT[46]. Почти 45 лет спустя ученые, в том числе Торн, высоко ее ценят. В ней описано большинство основных элементов конструкции, детально рассмотрены многие источники шума, с которыми придется столкнуться экспериментаторам, и, главное, возможные пути решения этих проблем. Эта статья очень помогла ученым, уже работавшим над первыми маленькими прототипами интерферометров.

Почему Вайсс сам не построил прототип детектора по рецепту, написанному им в 1972 г.? В действительности построил, но из-за отсутствия денег работа затянулась. Изначально физический факультет MIT получал основное финансирование от министерства обороны. После Второй мировой войны военные нуждались во всех перспективных блестящих ученых и инженерах, которых только могли привлечь. «Не важно, чем они занимаются, просто обеспечьте поток выпускников» – таков был принцип. В начале 1970-х гг., во время безумной, по словам Вайсса, войны во Вьетнаме, эта ситуация стала неудобной для многих людей с левыми взглядами. Они считали, что военные не должны иметь никакого влияния на развитие науки. Новые законы гарантировали, что в будущем министерство обороны сможет поддерживать только научную деятельность, связанную с вопросами национальной безопасности. Космология и гравитация были не сказать чтобы связаны с национальной безопасностью, поэтому Вайсс лишился финансирования от военных, а у MIT было мало как средств, чтобы компенсировать эту потерю, так и заинтересованности. Вскоре администрация института решила распустить его группу. Работа Вайсса над космической миссией по изучению реликтового излучения по-прежнему оплачивалась НАСА, но на программе исследования гравитационных волн был в одночасье поставлен крест (результатом космической миссии стал спутник COBE – Cosmic Background Explorer)[47]. Вайссу пришлось обратиться за грантом в Национальный научный фонд (NSF).

В те годы NSF продолжал финансировать эксперименты Джо Вебера с резонансными антеннами. И вот новый интерферометрический метод. Действительно ли он является более плодотворным? В 1974 г. NSF разослал заявку Вайсса на грант различным исследовательским группам для независимой оценки. «Мои идеи обошли весь мир, прежде чем я получил хоть какие-то деньги», – говорит Вайсс. Лишь в конце 1970-х гг. NSF наконец профинансировал строительство его собственного маленького интерферометра-прототипа.

Более ранним прототипом, вдохновленным идеями Вайсса, являлся трехметровый интерферометр в немецком Мюнхене. Его построила группа по изучению гравитационных волн под руководством пионера компьютерной техники физика Хайнца Биллинга из Института астрофизики им. Макса Планка. Биллинг уже строил чувствительные детекторы для проверки идей Джо Вебера и, как и все остальные, ничего не обнаружил. Однако из этого, разумеется, еще не следовало, что волн Эйнштейна не существует. Интерферометрический метод, о котором Биллинг узнал, рецензируя заявку Вайсса на грант от NSF, мог оказаться более перспективным путем к их регистрации. Почему бы не попытаться? Еще одним ранним прототипом стал двухметровый настольный экспериментальный прибор исследовательских лабораторий Хьюза в калифорнийском Малибу. Это было творение бывшего постдока Джо Вебера Боба Форварда.

К тому моменту, когда Вайсс сделал и запустил собственный прототип, Кип Торн в Калтехе способствовал открытию экспериментальной группы. Сам Торн был чистым теоретиком – «думателем», а не «делателем». В 1973 г. Торн совместно с Чарльзом Мизнером и своим бывшим наставником Джоном Арчибальдом Уилером написал учебник по гравитации объемом 1300 страниц, незатейливо озаглавленный «Гравитация». Каждый физик, давший мне интервью за последние пару лет, имеет экземпляр этого пухлого черного тома. Это библия ОТО.

Однако опыта постановки экспериментов Торн практически не имел. Вайсс был обескуражен, прочтя в первом издании «Гравитации» бездоказательное утверждение, будто лазерные интерферометры никогда не станут достаточно чувствительными, чтобы зарегистрировать волны Эйнштейна. Автора, очевидно, следовало просветить. Это произошло памятным вечером 1975 г. в гостиничном номере в центре Вашингтона, округ Колумбия.

Ранее в том году НАСА предложило Вайссу возглавить комитет по применению гравитационной физики в космосе. К тому времени космическое агентство уже включилось в эксперимент Gravity Probe B Фрэнсиса Эверитта, о котором вы читали в главе 3. Вайсс пригласил Торна выступить перед комитетом. «Я встретил его в аэропорту, – вспоминает Вайсс. – Прежде мы не пересекались. Он не забронировал номер в отеле. Мы поселились в одном номере. И всю ночь, часов до четырех, проговорили о гравитационных волнах и экспериментах».

Они были очень разными. Вайсс, которому на тот момент было 42 года, выглядел как типичный профессор физики: свитер и простые ботинки или, может быть, дешевый твидовый пиджак и галстук. Тридцатипятилетний Торн, бывший хиппи из Калифорнии, носил длинные волосы и бороду, серьгу в ухе и сандалии. Но они прекрасно поладили. «Той ночью, – рассказывает Вайсс, – он полностью пересмотрел свое мнение о перспективах лазерной интерферометрии. Он был очень умен».

Кип Торн занялся прогнозированием ожидаемого количества регистраций лазерными интерферометрами разной чувствительности. Насколько часто они должны будут что-то «чувствовать»? Самыми многообещающими источниками возмущений пространственно-временного континуума были бы катастрофические слияния нейтронных звезд или ЧД. В Аресибо Рассел Халс только что открыл первую двойную систему пульсаров. Пройдет еще немного времени, и Джо Тейлор и Джоэл Вайсберг подтвердят, что система теряет энергию в форме гравитационных волн. На данный момент волны из этого источника слишком слабы, чтобы их можно было зарегистрировать на Земле, но со временем они будут усиливаться, а когда две нейтронные звезды столкнутся и сольются, то, согласно предсказанию ОТО, произойдет мощный выброс волн Эйнштейна. При слиянии ЧД прогнозируются волны еще большей амплитуды.

Столкновения нейтронных звезд и ЧД – чрезвычайно редкие явления во Вселенной. Если бы такая катастрофа разразилась в нашей Галактике, даже простая антенна Вебера зарегистрировала бы сигнал возникшей при этом гравитационной волны. К сожалению, это происходит недостаточно часто – до ближайшего события может быть много тысяч лет. Однако чувствительный интерферометр мог бы зарегистрировать выброс волн Эйнштейна при слияниях в других галактиках, удаленных на десятки миллионов световых лет. Если построить достаточно чуткий детектор, можно наблюдать несколько событий в год.

Торн хотел убедить Калифорнийский институт профинансировать реальные эксперименты – не просто теоретические разработки, а прикладные исследования, предполагающие создание прототипа и обретение опыта. Он надеялся преуспеть там, где Джо Вебер потерпел неудачу. Бесспорно, наука именно в этом и заключается – в поиске новых возможностей и преодолении колоссальных трудностей. Впрочем, по мнению вдовы Вебера Вирджинии Тримбл, определенную роль могла сыграть и личная неприязнь. «В конце 1960-х гг. у нас с Кипом были отношения, – рассказала Вирджиния. – Когда Джо женился на мне в 1972 г., Кипу могло показаться, что он похитил его бывшую девушку».

Как бы то ни было, группа Калифорнийского технологического института начала работать. Торн был бы рад пригласить в Пасадену своего советского друга Владимира Брагинского, который был хорошим экспериментатором, и Торн работал с ним с 1968 г. Но мечта оказалась несбыточной в политических реалиях холодной войны, поэтому Торн воспользовался рекомендациями Брагинского и Вайсса и обратился к Рону Древеру из Университета Глазго. Располагая небольшими деньгами и будучи хорошим изобретателем, Древер тоже строил антенны-детекторы, а также экспериментировал с лазерной интерферометрией, работая над собственным прототипом прибора. Один из самых креативных людей в своей сфере деятельности, он фонтанировал остроумными идеями. Начиная с 1979 г. Древер делил свое время между Глазго и Пасаденой. В 1984-м он стал преподавателем Калифорнийского технологического института.

Таким образом, в начале 1980-х гг. в центре внимания гравитационно-волновой физики находилась лазерная интерферометрия. В Глазго строился инструмент с длиной плеч 10 м. Лучше было бы сделать их длиннее, но оборудование должно было уместиться в физической лаборатории университета. В Мюнхене Хайнц Биллинг с коллегами сделали чувствительный 30-метровый прототип. Его размер предопределили размеры сада Института астрофизики им. Макса Планка. В северо-восточном углу кампуса Калтеха в здании складского типа разместился 40-метровый прототип интерферометра, ставший любимым детищем Рона Древера. Опять-таки размеры детектора были ограничены доступным пространством.

Тем временем в Кембридже Рэй Вайсс с командой студентов-дипломников и постдокторантов вынуждены были довольствоваться настольным инструментом. Длина его плеч едва достигала 1,5 м – максимум, что позволял скромный грант от NSF. Если Калифорнийский технологический институт инвестировал в начинание около $3 млн, то администрация MIT не проявляла никакого интереса к новой технологии, вспоминает Вайсс. «Они считали, что лазерные интерферометры никогда не смогут зарегистрировать гравитационные волны. Какие-то официальные лица высокого уровня с сомнением относились даже к ОТО и к существованию нейтронных звезд и ЧД. Ситуация значительно изменилась в течение 1990-х гг., но в те времена атмосфера была не особенно интеллектуальной».

Все это не помешало Вайссу рассчитать затраты на масштабный проект 10-километровой гравитационно-волновой антенной системы с длинной базой. Вайсс составил заявку вместе со своими коллегами из MIT Питером Солсоном и Полом Линси, а также Стэном Уиткомбом из Калтеха. Заявка, получившая название «Синяя книга», была призвана убедить Национальный научный фонд профинансировать крупный исследовательский проект[48].

Благодаря энтузиазму Ричарда Исааксона, являвшегося в NSF координатором программ по гравитационно-волновой физике, в 1983 г. «Синяя книга» удостоилась самого пристального внимания и получила положительные отзывы рецензентов. Должным порядком план технической разработки был одобрен Национальным советом по делам науки, консультационным органом по вопросам координации и развития науки при президенте и конгрессе США. Через год начали поступать деньги правительства – первый транш многолетнего гранта на научно-исследовательские и опытно-конструкторские разработки того, что в итоге вылилось в LIGO. Было, однако, одно условие: команды Массачусетского и Калифорнийского технологических институтов должны работать над ним вместе. Точка.

Точнее, многоточие… Рон Древер совершенно не стремился работать в тесном сотрудничестве с Рэем Вайссом. Приятно уехать из дождливой Шотландии в солнечную Калифорнию, но он рассчитывал построить большой прибор самостоятельно. Более того, двое ученых имели абсолютно разные представления о подходе к решению задачи. Конструкция, изначально предложенная Вайссом, вызывала у Древера большие сомнения.

Вспоминая рождение проекта LIGO в середине 1980-х гг., Вайсс удивляется, что новорожденному удалось выжить. Вместе с Торном и Древером он делал все возможное, чтобы справиться с неподъемной задачей. Их стали называть «тройкой» – в кампус Калифорнийского технологического института проникли хотя бы слова из Советского Союза, раз уж сам Брагинский не смог приехать. «После первых регистраций LIGO в 2015 г. мы удостоились огромного признания и славы, – говорит Вайсс, – хотя должны бы стыдиться. Мы были весьма некомпетентны. Никто из нас не имел сколько-нибудь серьезного опыта руководства такой масштабной программой. Это было очень сложное время».

Возникали и проблемы личного характера. Вайсс и Древер не слишком ладили. «Честно говоря, с ним было невозможно работать, – рассказывает Вайсс. – Интуиция могла увлечь его куда угодно. Сегодня у него была одна идея. Завтра он пытался протолкнуть нечто совершенно иное. Некоторые идеи Рона были очень хороши, другие – полнейшая чушь. Он не мог ни на чем остановиться – не мог принять окончательное решение. Это был ребенок в одежде взрослого. Он хотел делать все, так что долгое время мы не добивались ничего».

Пора было защищать проект. Это было предложение Дика Гарвина из IBM, сделанное им в 1985 г. Вы должны помнить Гарвина по «схватке из-за антенн» с Джо Вебером на Пятой Кембриджской конференции по вопросам релятивизма в 1974 г. Он был очень уважаемым научным консультантом при правительстве и скептически относился к перспективам LIGO. По совету Гарвина NSF организовал в ноябре 1986 г. недельный семинар в Кембридже с участием авторитетных ученых. Приехали все, вспоминает Вайсс: лауреаты Нобелевской премии по физике, экспериментаторы, разработчики лазеров, эксперты по производству высокоточных зеркал, метрологи. В конце – вероятно, к удивлению Гарвина – комитет одобрил начинание, решив, что пришло время построить большой лазерный интерферометр для регистрации волн Эйнштейна. Проект LIGO должен был объединить две одинаковые обсерватории, находящиеся на расстоянии нескольких тысяч километров друг от друга. Лишь тогда можно было бы с уверенностью идентифицировать сигнал из космоса среди фонового шума.

Настал момент реформировать структуру управления LIGO. Летом 1987 г. тройку Вайсс – Торн – Древер сменил единоличный директор проекта Рокус «Робби» Фогт из Калифорнийского технологического института. Положительной стороной этого решения было то, что Фогт направил все предприятие в нормальную колею. Решения принимались, сроки выдерживались, проблемы решались. Через два года после назначения Фогт добился своей главной цели – составить итоговую детальную заявку на строительство лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории, которая была бы одобрена NSF[49]. Прекрасно!

Существовала и отрицательная сторона. С Робби Фогтом было очень трудно иметь дело. Он руководил, раздавая приказы, и любого ослушника вышвыривал за дверь. «Судя по тому, что я о нем слышал, это был как раз тот человек, который нужен, чтобы проект состоялся, – вспоминает Вайсс. – Но я не представлял, как с ним будет сложно. Кто-то из Калифорнийского института однажды сказал мне: “Вы уже не будете прежним после работы над проектом, которым руководит Робби”. Он оказался прав».

Важной частью заявки был двухэтапный принцип. Первую версию LIGO (Initial LIGO, или iLIGO) предполагалось завершить в самом начале XXI в. Оборудование имело бы максимальную чувствительность, достигнутую учеными и технологией в течение 1990-х гг., и смогло бы регистрировать волны Эйнштейна, вызванные слиянием нейтронных звезд на расстоянии по меньшей мере 50 млн св. лет. В этом объеме пространства находятся тысячи галактик. При определенном везении iLIGO уловила бы сигнал одного или даже двух слияний нейтронных звезд в течение планового срока эксплуатации – около десятилетия. Во всяком случае таковы были оптимистичные расчеты Кипа Торна.

Кроме того, iLIGO позволила бы проверить концепцию экспериментально. Ее главными задачами были наработка практического опыта применения многочисленных новых технологий, выявление непредвиденных проблем и демонстрация самой возможности работы двух крупных лабораторий в связке. Тем временем продолжалась бы разработка еще более точного оборудования: более мощных сверхчистых лазеров, более качественных зеркал с совершенным отражающим слоем, лучших систем подвеса и более рациональных конфигураций интерферометра. Продвинутую обсерваторию LIGO предполагалось ввести в действие примерно в 2015 г. Это было бы нечто невиданное – по сравнению с предшественницей чувствительность предполагалось постепенно повысить в 10 раз, дальность в 10 раз, а объем пространства в 1000 раз. Ученые задумывались о нескольких десятках регистраций в год.

В декабре 1989 г., когда заявка на LIGO была одобрена Национальным научным фондом, до 2015 г. оставалась четверть века. Это были дерзкие планы. Знаменательно, что вводная часть документа открывалась словами Николо Макиавелли, сказанными в 1513 г.: «Нет дела, коего устройство было бы труднее, ведение опаснее, а успех сомнительнее, нежели замена старых порядков новыми».

Трудно, опасно, сомнительно… и дорого, о чем Макиавелли не упомянул. Тем не менее в 1990 г. Национальный совет по делам науки одобрил заявку, несмотря на бюджет почти в $300 млн. Одна загвоздка: из-за большого объема финансирования – беспрецедентного для NSF – проект должен был также получить одобрение конгресса. Последнее слово (быть или не быть LIGO) оставалось за Капитолийским холмом.

Еще одно препятствие, едва не уничтожившее LIGO, отчасти возникло из-за Тони Тайсона из AT&T Bell Laboratories. Как вы помните, в 1970-х гг. Тайсон был одним из самых непримиримых противников Джо Вебера. Тайсона пригласили выступить в комитете палаты представителей конгресса США по науке, космосу и технике. Его первым заданием было оценить осуществимость проекта LIGO, вторым – опросить астрономов и узнать, насколько популярен этот проект в их среде.

Сегодня, вспоминая об этом случае, Тайсон жалеет, что согласился на второе задание[50]. Его собственное мнение о заявке на строительство LIGO уже вызвало резкую критику круга ученых, занимающихся гравитационными волнами. Он высоко оценивал перспективы проекта, но понимал, что он сырой. Вероятно, конгрессу лучше выдать первый транш на разработку прототипа интерферометра средних размеров, а не сразу на полномасштабную обсерваторию. Это были, в общем, соображения технического порядка. Но в ходе опроса двух сотен видных американских астрономов проявилась выраженная связь вопроса с политикой развития науки. Оказалось, пять из каждых шести астрономов вообще против строительства LIGO. Это слишком сложно, слишком рискованно, слишком сомнительно в плане результативности, а главное, слишком дорого. Почему бы не потратить деньги на новые телескопы и астрономический инструментарий? На вещи, проверенные временем?

В какой-то мере сомнения вызывались физическим обоснованием LIGO. В консультативном докладе Национального совета по научным исследованиям о приоритетах астрономии и астрофизики в 1990-е гг. проект LIGO характеризовался как «интересный физический эксперимент, пока не продемонстрировавший своей полезности для астрономии». И эти физики со своими лазерами осмелились назвать свой инструмент обсерваторией? Они до сих пор ничего не обнаружили. Они даже не могут направить эту штуковину на конкретную точку в небе.

Разумеется, Тайсон был обязан сообщить о результатах своего опроса. В итоге на него обрушился вал ядовитых электронных писем от людей, связанных с LIGO. Тем не менее конгресс одобрил проект благодаря еще двум годам активного лоббирования Робби Фогта – на Капитолийском холме он был новичком, но его яркая личность привлекла внимание законотворцев. Наконец, в 1992 г., через 20 лет после первой публикации эпохальной статьи Рэя Вайсса в журнале MIT Quarterly Progress Report, Национальный научный фонд получил разрешение заключить соглашение о сотрудничестве с Калифорнийским и Массачусетским технологическими институтами. Были выбраны две площадки для строительства – Хэнфорд и Ливингстон. Наконец можно было приступать к сооружению LIGO.

Или нельзя?

Во всяком случае, не сразу. Достигли апогея личные трения между специалистами из Калифорнийского института. Заступив на пост первого директора LIGO, Фогт опирался на технический опыт Рона Древера, выдвигавшего блестящие идеи – например, повысить мощность лазера с помощью резонаторов Фабри – Перо и дополнительно подавить дробовой шум путем рециркуляции мощности, – но с годами Фогту становилось все труднее терпеть вспышки неуправляемой интуиции Древера и его неспособность на чем-нибудь остановиться. Радикальное изменение масштаба проекта требовало порядка, организации и дисциплины – качеств, которые для Древера были пустым звуком.

Дискуссии переросли в споры, споры – в раздоры. Двое ученых вообще перестали разговаривать. Фогт демонстративно покидал помещение, стоило Древеру войти, – не лучший способ выполнения многомиллионного проекта. Другим членам команды также стало трудно работать с Древером, а у многих были проблемы с Фогтом из-за его авторитарного и негибкого стиля руководства. По словам Вайсса, это был полный разлад, сведения о котором просочились в научную прессу. Репортажи о «шторме Фогт – Древер», как стали называть конфликт, появились на страницах Science и Nature. NSF отреагировал очень резко, и ученые Калифорнийского технологического института испугались за судьбу LIGO. В 1992 г. они исключили Рона Древера из проекта и даже сменили замки на двери его кабинета.

Вред, однако, уже был причинен. Группа независимых экспертов даже рекомендовала NSF свернуть проект. Фогт стал еще более подозрительно относиться к вмешательствам извне в любом виде, поскольку хотел руководить LIGO по-своему. Это не понравилось Национальному научному фонду, потребовавшему сделать формат управления значительно более прозрачным и отчитываться за каждый потраченный доллар и каждый предпринятый шаг. Мог ли NSF в полной мере доверять Робби Фогту? Он сумел протолкнуть LIGO в конгрессе, но, решили независимые эксперты, не способен возглавить строительство объекта. В конце 1993 г. руководство NSF совместно с верхушкой администрации MIT и Калтеха пришли к неизбежному выводу: Фогт тоже должен уйти. Проект LIGO слишком важен, чтобы позволить причудам одного человека его уничтожить.

Кто же подходил для завершения работы?

Может быть, специалист по физике элементарных частиц из Калифорнийского технологического института Бэрри Бэриш? Он был легким в общении и невероятно организованным человеком, имел огромный опыт управления крупными научными проектами. До недавнего времени Бэриш являлся одним из руководителей масштабного эксперимента, служащего подготовкой к строительству SSC – сверхпроводящего суперколлайдера – американского гигантского ускорителя элементарных частиц, который должен был стать главным инструментом поиска неуловимого бозона Хиггса. Если название этой лаборатории ничего вам не говорит, причина в том, что она так и не была построена. В октябре 1993 г. многомиллиардный проект ускорителя, финансируемый министерством энергетики, был закрыт конгрессом. Бэриш остался не у дел.

В рождественские каникулы 1993 г. к Бэришу обратился президент Калифорнийского технологического института коллега-физик Томас Эверхарт. Как он смотрит на то, чтобы возглавить LIGO? Они обсудили предложение во время прогулки по пляжу. Бэриш не смог сразу принять решение. Он еще не пришел в себя после краха SSC и, кроме того, пристально следил за проектом LIGO и знал обо всех затруднениях. Осуществим ли он?

В конце концов Бэриш согласился. В феврале 1994 г. он сменил Фогта на должности ответственного исполнителя проекта. Навыки стратегического планирования и управления позволили ему поставить LIGO на ноги. Главную роль сыграло то, что он покончил с прежней структурой управления, влил в проект много свежей крови – ученые из области физики элементарных частиц искали работу – и составил гораздо более реалистичную оценку стоимости проекта. Он сообщил NSF: если фонд действительно намечает разработку и осуществление усовершенствованного aLIGO лет через 15, нужно быть готовым к удорожанию проекта процентов на 40.

Весной 1994 г., когда в Хэнфорде должна была начаться подготовка строительного участка, произошло два знаменательных события. Во-первых, еще одна экспертная группа настоятельно рекомендовала продолжить работы по LIGO. Во-вторых, Бэриша и Кипа Торна, главного теоретика проекта, пригласили выступить на собрании Национального комитета по науке в Вашингтоне. По его воспоминаниям, это было формальное мероприятие продолжительностью около часа. Торн рассказал о научных основах проекта, в том числе озвучив самые оптимистичные оценки количества событий, которые LIGO сможет зарегистрировать. Бэриш поделился новыми идеями реализации проекта.

Вспоминая тот хлопотный год, Бэриш называет чудом то, что летом 1994 г. комитет вновь одобрил заявку на LIGO, несмотря на значительное повышение сметы[51]. «Еще большее чудо, – продолжает он, – что NSF продолжает бесперебойное финансирование больше 20 лет. Потенциальная отдача была высока, но и риски большие. Впрочем, не рискуя, невозможно заниматься наукой на пределе возможностей»[52].

Благодаря тому что NSF дал проекту зеленый свет, лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория наконец стала реальностью. Менее чем через четыре года руководитель строительства в Ливингстоне Джерри Стэпфер водил меня по объекту, пока еще пустому, убежденный, что первая регистрация не за горами: «Нужно во что-то верить!»

_________

Виа Эдоардо Амальди в Сан-Стефано-а-Мачерата всего в 30 минутах езды от Пьяцца-дель-Дуомо в Пизе. В историческом центре города туристы фотографируются на фоне Пизанской башни и, вероятно, гадают, почему гравитация до сих пор не покончила с этим сооружением (прежде всего потому, что оно стабилизировано системой стальных канатов). Некоторые, возможно, слышали апокрифическую историю о том, как Галилей ронял с вершины башни шары разной массы, чтобы опровергнуть Аристотеля. Не многие знают, что самые точные измерения гравитации в Европе проводятся всего в получасе езды на юго-восток.

Впрочем, во время моего визита во второй половине сентября 2015 г. научная работа не ведется, поскольку детектор Virgo находится на реконструкции. «Усовершенствованная LIGO введена в действие несколько дней назад, – говорит Федерико Феррини, директор Европейской гравитационной обсерватории. – Мы тоже устанавливаем новое, более чувствительное оборудование. В конце 2016 г. или начале 2017 г. мы надеемся присоединиться ко второму научному запуску Advanced LIGO»[53]. Предстоит решить еще много проблем и преодолеть препятствий. Большая наука – это движение по пути проб и ошибок. Лозунг на стене кабинета Феррини гласит: «Завтра мы ошибемся умнее».

Полушутя-полусерьезно итальянский физик рассказывает, что несколько недель назад, находясь с женой в Сантуарио-ди-Монтенеро – знаменитом месте паломничества недалеко от Ливорно, – помолился за регистрацию волны Эйнштейна. «Мой срок на посту директора заканчивается в конце 2017 г., – замечает он. – Я уверен, что к тому времени у нас будет несколько событий». Он не сказал, что за 8 дней до моего визита уже произошла регистрация GW150914, вызвавшая огромное воодушевление, поскольку участникам коллаборации LIGO – Virgo было запрещено обнародовать новость. Неудивительно, что Феррини был уверен в успехе.

Virgo во многом похожа на LIGO, только длина ее плеч 3 км вместо четырех. Кроме того, регион к юго-востоку от Пизы населен намного плотнее Хэнфорда в штате Вашингтон или лесистого севера луизианского Ливингстона. Трубы Virgo проложены на поверхности земли, как и в американских обсерваториях. Над ними пришлось возвести несколько низких мостов, чтобы фермеры могли проехать на тракторах. Наружная поверхность труб выкрашена в небесно-голубой цвет, чтобы они не слишком выбивались из пасторального итальянского ландшафта.

Координатор пусконаладочных работ Бас Свинкельс показывает мне объект. Он единственный голландец среди постоянных участников проекта Virgo – изначально французско-итальянского, в дальнейшем к коллаборации присоединились Венгрия, Польша и Нидерланды. Свинкельс ведет меня в зону размещения лазерного и вакуумного оборудования Virgo. Гигантское пространство заполнено громадами вакуумных резервуаров. Новинкой усовершенствованной Virgo являются криогенные ловушки – значимый вклад Nikhef, Национального института субатомной физики Нидерландов в Амстердаме. С помощью жидкого водорода они замораживают любые остаточные загрязнения в системе, обеспечивая еще более качественный вакуум. Свинкельс с гордостью рассказывает о невероятных аттенюаторах Virgo – конструкциях 10-метровой высоты из семи обратных маятников, на которых на проволоке из аморфного кварца будут вывешиваться зеркала.

Трудно поверить, что до второй половины 1980-х гг. Virgo существовала только в виде идеи, особенно если вспомнить, как долго шел к началу реализации проект LIGO. Опять-таки это огромное преимущество европейцев – они не первые. США уже давно ведут масштабные исследовательские работы.

Итальянские физики – опытные охотники на гравитационные волны. В начале 1970-х гг. Эдоардо Амальди и Гвидо Пиццелла построили первый чувствительный антенный детектор, желая проверить заявления Джо Вебера. Их группа в лаборатории Фраскати Национального института атомной физики (INFN) возле Рима сотрудничала с командой Хайнца Биллинга из Института Макса Планка в Мюнхене. Они не получили убедительных результатов, но, возможно, добьются большего с помощью лазерной интерферометрии.

Во всяком случае, так думал специалист по физике элементарных частиц Адальберто Джадзотто, который был экспертом по сейсмоизоляции. В 1980-е гг. он объединил усилия с Аленом Брилле из Национального центра научных исследований Франции (CNRS), который знал все об оптике и лазерах. Вместе они выдвинули идею детектора Virgo – европейского ответа LIGO. Официальное предложение на проект INFN/CNRS было подано французскому и итальянскому правительствам в 1989 г., перед тем как Робби Фогт завершил работу над первоначальной заявкой на LIGO для Национального научного фонда.

Название Virgo не является аббревиатурой. Детектор назван в честь скопления галактик в созвездии Девы. Скопление Девы находится в 50 млн св. лет; Джадзотто и Брилле вознамерились построить детектор, который сможет регистрировать волны Эйнштейна, вызванные слиянием нейтронных звезд даже на таком расстоянии.

Virgo должна была иметь сопоставимую с LIGO чувствительность, несмотря на укороченные плечи интерферометра. Но европейцы хотели построить детектор, восприимчивый к более низким частотам за счет лучшего подвеса зеркал. Масштабную многоуровневую систему подвеса разработал Джадзотто. Рабочий прототип был завершен в 1987 г. в лаборатории INFN в Пизе. Теперь он выставлен в вестибюле главного здания Европейской гравитационной обсерватории.

Virgo была не единственным европейским проектом. В Германии в конце 1980-х гг. имелись планы строительства трехкилометрового интерферометра, в 100 раз превышающего 30-метровый прототип Хайнца Биллинга. Биллинг вышел на пенсию в 1989 г., но его новаторскую работу продолжил Карстен Данцманн. Биллинг, тогда 75-летний, был убежден, что рано или поздно усилия его преемника увенчаются успехом. «Герр Данцманн, – сказал он, – я доживу до того момента, когда вы найдете эти волны»[54].

Немцы объединились с экспериментаторами из Глазго (Шотландия) и теоретиками из Кардиффа (Уэльс). Они назвали будущий интерферометр GEO – German-English Observatory. Сегодня Данцманн признает, что они по незнанию здорово сглупили: Шотландия и Уэльс – части Великобритании, но, разумеется, не стоит называть шотландца и валлийца англичанином. Вскоре GEO стало расшифровываться как «Гравитационная европейская обсерватория», хотя полное название практически никогда не используется.

Летом 1990 г. казалось, что проекту стоимостью €100 млн вот-вот будет дан зеленый свет. Однако в следующие два года GEO тихо зачах из-за падения Берлинской стены и последующего объединения Восточной и Западной Германии. Львиная доля расходов нового правительства на науку была направлена на реорганизацию в бывшей ГДР. На крупные новые инициативы просто не осталось денег. К 1992 г. стало ясно, что у GEO нет будущего, по крайней мере в первоначальном виде.

Новые возможности появились, когда Данцманн переехал из Мюнхена в Ганновер, столицу германской земли Нижняя Саксония. В Ганноверском университете знаменитый физик-лазерщик Герберт Веллинг занимался реорганизацией физического факультета, и эксперименты в области гравитационной физики стояли у него в списке приоритетов. В 1993 г. он пригласил Данцманна для разработки новой программы, частично финансируемой фондом «Фольксваген» – немецкой автомобилестроительной компании со штаб-квартирой в Нижней Саксонии. Довольно скоро проект GEO вернули на рассмотрение, хотя и в гораздо менее масштабном и дорогом варианте.

Проект Virgo был одобрен в 1993 г. и первоначально оценивался в €75 млн. Строительство началось через три года. Проект GEO600 – в новом названии была отражена уменьшенная до 600 м длина плеча – стоимостью €10 млн стартовал в 1994 г., а строительные работы по нему начались в 1995 г. за южной окраиной Ганновера. Европейцы взяли быстрый старт.

GEO600 производит совершенно иное впечатление, чем LIGO или Virgo. Прежде всего, объект довольно трудно найти. К западу от крохотной деревушки Руте сначала расстилаются поля сельскохозяйственного факультета университета. Затем узкая пыльная дорога ведет к россыпи панельных сооружений: администрации, посту управления и столовой обсерватории. 600-метровые гофрированные трубы напоминают детали дешевой канализационной системы. Они прячутся в траншеях, и их легко проглядеть. Но внешность обманчива. Войдя в центральное здание, частично заглубленное в землю, вы оказываетесь в окружении высокотехнологичного лазерного оборудования, стоек электроники и вакуумных резервуаров, где заключена точная оптика.

Во время моего визита[55] в начале февраля 2015 г. GEO600 был единственным действующим лазерным интерферометром в мире – LIGO и Virgo закрылись на реконструкцию. Никто, однако, не надеялся, что маленький немецкий детектор уловит колебания пространственно-временного континуума – он намного менее чувствителен, чем три его старших брата. Главным предназначением этого объекта была разработка и апробация новых технологий. Рециркуляция сигнала впервые была применена здесь. GEO600 продемонстрировал и возможности метода сжатого света, использующего квантовые эффекты для увеличения стабильности выходного сигнала интерферометра.

Сначала европейские проекты, особенно Virgo, воспринимались как конкуренты LIGO. Кое-кто даже опасался, что европейцы обойдут американцев, первыми проведя прямую регистрацию волн Эйнштейна, и этот призрачный риск, возможно, помог LIGO выжить. Но скоро стало ясно, что от сотрудничества выиграют все.

За два года до официальной церемонии открытия LIGO, состоявшейся в ноябре 1999 г., детектор GEO600 присоединился к научной коллаборации LIGO. Первый одновременный пробный запуск обсерваторий в Хэнфорде и Ливингстоне и GEO600 был произведен в 2002 г. Год спустя начала функционировать Virgo. В 2007 г. коллаборации LIGO и Virgo заключили соглашение о совместном анализе данных. С тех пор все технические данные, результаты тестов, измерения в ходе наблюдений и научный анализ четырех детекторов являются общим достоянием тысячи с лишним членов различных групп.

_________

Это был долгий тернистый путь, но все хорошо, что хорошо кончается. После длительного этапа отладки и нескольких лет наблюдений первоначальные версии LIGO и Virgo закрыли на реконструкцию, соответственно в октябре 2010-го и в декабре 2011 г. Гравитационные волны не были зарегистрированы спустя полвека после того, как Джо Вебер впервые задумался о способах измерения крохотных колебаний. Тем не менее все сохраняли оптимизм. Вот-вот начнется создание усовершенствованных версий LIGO и Virgo[56]. В течение пяти лет предполагалось собрать новые детекторы. Постепенно они станут гораздо чувствительнее предшественников. Еще несколько лет подождать, еще немного потерпеть.

17 марта 2014 г. исследователи Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики в Кембридже (штат Массачусетс) объявили, пользуясь их терминологией, о «первом прямом изображении гравитационных волн». Не от столкновения нейтронных звезд или слияния ЧД, а вследствие Большого взрыва. Полученном с помощью не гигантского лазерного интерферометра, а маленького микроволнового телескопа на Южном полюсе.

Неужели Рэя Вайсса, Кипа Торна, Рона Древера и всех остальных обошли – после десятилетий разработки, строительства, тестирования и вложений сотни миллионов долларов?

Это тема главы 10. Но сначала я должен объяснить, как возникла Вселенная.

9

О сотворении мира

«Вначале было ничто, и оно взорвалось».

Эта знаменитая цитата из Терри Пратчетта часто используется (возможно, напрасно) для высмеивания космологии. Логика обычно следующая. Вы называете себя учеными? Утверждаете, будто что-то знаете о Вселенной? Да ладно, вся эта болтовня о Большом взрыве просто смешна – это же полная бессмыслица! Отсюда вытекает, что наука не может быть путем к истине. Возвращаемся к божественному Творцу или кому что больше нравится.

Я никогда не понимал этой аргументации. Наука не умеет лечить рак. Наука практически ничего не знает о сознании человека. Никто не считает это причиной отбросить науку за ненадобностью. Наоборот! Но, когда звучит труднейший, наиглавнейший, глубочайший вопрос – как все началось? – ученых высмеивают за то, что они до сих пор не раскрыли эту тайну. А на что вы рассчитывали?

Если вы не понимаете, откуда взялась Вселенная, то у вас хорошая компания. Даже умнейшие космологи не знают, с чего все началось. Самые светлые умы человечества не имеют представления, что происходило до Большого взрыва и правомерно ли вообще так ставить вопрос. Даже Стивен Хокинг не знал наверняка, действительно ли Вселенная бесконечна и одна ли она. Самые трудные вопросы – те самые, которыми задается любой ребенок, – пока не имеют ответов, но наука далеко ушла от аллегорических мифов древности.

Если вы когда-нибудь задумывались над проблемами космологии, то наверняка испытывали затруднения. Это всем свойственно. Расширение космоса, красное смещение для галактик, искривленное пространство, бесконечность… Космология – сложная штука, но у нас впереди целая глава, и я сделаю все возможное, чтобы провести вас через минное поле научных понятий.

_________

Все слышали о Большом взрыве. Около 13,8 млрд лет назад Вселенная была сжата в одну бесконечно малую точку в пространстве, и Большой взрыв разметал ее вещество во всех возможных направлениях, правильно?

Неправильно.

Это первое – и главное – заблуждение. Большой взрыв произошел не в пространстве. Это был взрыв самого пространства. По крайней мере такая формулировка намного более точна. Большинство людей представляют себе Большой взрыв как гигантский фейерверк: он исходит из определенного места и расшвыривает вещество по пространству во все стороны. Как только заметите, что представляете Большой взрыв в виде фейерверка, выбросьте эту картину из головы. Она ложна.

Чтобы вам стало понятнее, давайте перенесемся назад во времени примерно на столетие. Астрономы открыли спиральные туманности, такие как Андромеда и Водоворот. Никто не знал их подлинной природы. Одни считали их относительно близкими завихренными облаками газа, из которых со временем может образоваться новая звезда. Другие – крупными скоплениями звезд на значительно большем удалении, намного дальше нашей собственной галактики Млечный Путь.

Измерить расстояние до спиральной туманности невозможно – между Землей и Андромедой не растянешь рулетку. Но о спиральных туманностях можно узнать многое другое: положение в небе, видимый размер, яркость и форму. Чем больше вы о них знаете, тем выше шансы понять, что они из себя представляют.

Весто Слайфер догадался, что может установить еще один параметр – скорость сближения туманности с нами или удаления от нас. Как и его младший брат Эрл, Весто был астрономом в обсерватории Лоуэлла в Флагстаффе, штат Аризона. Эрл занимался в основном планетами, а Весто больше интересовали туманности. В 1912 г. он первым измерил скорость спиральной туманности.

Как измерить скорость объекта, не зная расстояния до него? С помощью эффекта Доплера, о котором я рассказал в главе 6. Вспомните пример с проезжающей мимо скорой помощью. Когда она выруливает на вашу улицу и мчится, приближаясь к вам, звук ее сирены кажется более высоким. Когда она удаляется от вас, звук сирены заметно понижается. Изменение тона является мерилом скорости машины скорой помощи.

Аналогично, если звезда приближается к вам, наблюдаемые световые волны «уплотняются» и мы видим свет более высокой частоты, соответствующей чуть более голубому цвету. Если та же звезда удаляется от нас, частота кажется нам более низкой, цвет – красноватым. Из наблюдения крохотного сдвига цвета можно вывести скорость звезды, даже если вы не знаете, на каком она расстоянии.

К началу XX в. астрономы поставили много экспериментов по измерению так называемых лучевых скоростей звезд (скоростей сближения с нами или удаления от нас вдоль линии взгляда). В случае спиральной туманности это гораздо более сложная задача. Туманность не является четко ограниченной крапинкой света, как звезда. Это размытая клякса – причем довольно бледная. Однако Слайфер справился с задачей. Астрономы в других обсерваториях последовали его примеру.

Если бы вы могли измерить скорости всех неотложек в окрестностях, то ожидали бы, что примерно половина из них будет сближаться с вами и другая половина удаляться от вас. В противном случае пришлось бы сделать вывод, что вы находитесь в нестандартной ситуации. Например, на месте крупной аварии большинство машин скорой помощи будут ехать к вам (согласно вашим расчетам). Но в произвольном положении вы должны будете слышать столько же высоко звучащих сирен, сколько и низко звучащих.

Можете представить, как удивились Слайфер и его коллеги, обнаружив, что все спиральные туманности, которые им удалось наблюдать, удаляются (за одним исключением, к которому я еще вернусь). Во всех случаях свет, наблюдаемый с Земли, имел более низкую частоту, соответствующую более красному цвету. Иначе говоря, все туманности имели красное смещение. Это было совершенно невероятно – напрашивался вывод, что Земля занимает какое-то особое положение во Вселенной.

Прежде чем мы двинемся дальше, вам следует понять, что красное смещение – чрезвычайно слабый эффект. Туманность Водоворот не имеет багряного оттенка. Частотный сдвиг и соответствующий сдвиг длины волны (или цвета) слишком малы, чтобы их можно было различить на глаз. Астрономам приходится с высокой точностью измерять определенные характеристики света туманности. Например, горячий водород, как известно, излучает красный свет длиной волны 656 нм (0,000656 мм), а в некой спиральной туманности эта эмиссия может наблюдаться, скажем, на 658 нм. Однако это крохотное смещение свидетельствует о скорости удаления порядка 900 км/с.

Итак, загадка: все спиральные галактики удаляются, причем быстро. Никто не мог найти объяснение вплоть до конца 1920-х гг., когда его предложил американский космолог Эдвин Хаббл. Вам наверняка знакомо это имя – космический телескоп «Хаббл» назван в его честь.

Ранее, в 1924 г., Хаббл доказал, что спиральные туманности не являются частями Млечного Пути. Это «острова Вселенной» – как говорили астрономы в те времена – самостоятельные галактики, вмещающие миллиарды звезд. И вот в 1929 г. Хаббл совершил поразительное открытие. Чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется от Млечного Пути. Соседние галактики улетают от нас со средними скоростями, далекие – с гораздо более высокими.

Разумеется, у Хаббла не было достаточно точных данных о расстояниях до других галактик, но он выдвинул обоснованные предположения. Если звезды (или светящиеся облака газа) кажутся более яркими в галактике А, чем в галактике Б, есть все основания полагать, что галактика Б находится дальше. Тенденция ясна: более дальняя галактика – более высокая скорость удаления, очень далекая галактика – очень высокая скорость удаления.

В 1927 г. бельгийский священник-иезуит и астроном Жорж Леметр первым сделал верный вывод. Занимаем ли мы совершенно особое положение во Вселенной? Нет. Другие галактики загадочным образом разлетаются от Млечного Пути? Нет. Мы действительно измеряем скорости удаления? Нет. В действительности само пространство расширяется в соответствии с одним частным решением релятивистских уравнений Альберта Эйнштейна. Леметр справедливо считается отцом теории Большого взрыва.

Я попробую объяснить происходящее на примере кекса с изюмом. Это хорошо известное и широко используемое сравнение, я даже не смог выяснить, кто его автор. Итак, поставим мысленный эксперимент (вы, конечно, можете провести его на самом деле, но это необязательно, разве что вы большой любитель кексов с изюмом).

Прежде чем поставить кекс в духовку, приготовим его особым образом – так, чтобы все изюминки располагались в тесте строго равномерно, каждая на расстоянии 1 см от ближайших. Это означает, что все изюминки находятся в вершинах воображаемой пространственной решетки, состоящей из кубиков размером 1×1×1 см каждый. Убедитесь, что ясно представляете себе эту картину.

Теперь включаем духовку. Поскольку мы используем супертесто (это же мысленный эксперимент), кекс бурно поднимается. Всего за час выпекания его размер увеличивается в два раза. Таким образом, через час каждая изюминка оказывается в 2 см от соседних.

Представьте, что вы находитесь в одной из изюминок. Сначала до вашей соседки 1 см, но после выпекания расстояние составляет уже 2 см. За один час оно увеличилось с 1 см до 2 см. Иными словами, во время пребывания в духовке вы наблюдаете, как ближайшая изюминка удаляется от вас со скоростью 1 см/ч.

Однако следующая изюминка в ряду первоначально была от вас в 2 см, а оказалась в 4 см. Кажется, что она перемещается на 2 см в течение часа. Аналогично более удаленная изюминка, до которой было 10 см, также окажется в два раза дальше – вы увидите, что она проходит 10 см за час.

Соседняя изюминка: малая скорость удаления. Более дальняя изюминка: более высокая скорость удаления. Очень далекая изюминка: очень высокая скорость удаления. Именно то, что обнаружил Хаббл.

Необходимо понять одну вещь. Совершенно не важно, в какой изюминке вы находитесь. Картина одинакова, из какой точки кекса на нее ни смотри. Никакая изюминка не занимает особого положения. Все и каждая «видят», как остальные улетают от них. Аналогично галактика Млечный Путь не занимает особого положения во Вселенной. В любой другой галактике, будь то Андромеда, Водоворот или NGC 474, инопланетные астрономы наблюдали бы точно такую же картину.

Второй важный для понимания факт заключается в том, что изюминки вообще не двигаются. Во всяком случае, относительно теста. Они в нем просто находятся. Безусловно, расстояния между ними увеличиваются. Но не потому, что они движутся, а потому, что тесто расширяется. Аналогично галактики во Вселенной не летят сквозь пространство с громадными скоростями. Верно, расстояния между ними увеличиваются, но только потому, что расширяется само пространство.

Я призывал вас с подозрением относиться к мысленному представлению о расширяющейся Вселенной как о фейерверке. Когда взрывается шутиха, фрагменты светящегося материала разлетаются в пространстве от места своего возникновения и оказываются намного дальше друг от друга, чем были сначала, потому что действительно двигаются. В расширяющейся Вселенной все иначе. Можно сказать, расстояние между Землей и галактикой NGC 474 (в настоящее время около 100 млн св. лет) увеличивается со скоростью порядка 2000 км/с. Но было бы ошибкой утверждать, что NGC 474 несется сквозь космос с этой скоростью. Расстояние до нее растет, потому что пространство между галактикой и нами расширяется.

Примечательно, что здесь аналогия с кексом дает сбой. Изюм не двигается в тесте. Галактики, напротив, совершают реальное перемещение в пространстве. Например, наш Млечный Путь и соседняя галактика Андромеда сближаются со скоростью около 100 км/с – это исключение, обнаруженное Весто Слайфером в далеком 1912 г. Дело в том, что две галактики испытывают взаимное гравитационное притяжение. Они действительно перемещаются в пространстве, чтобы столкнуться через несколько миллиардов лет. (Не переживайте – к тому времени жизнь на Земле уже будет уничтожена разбуханием Солнца, описанным в главе 5.) Поскольку на данный момент расстояние между ними составляет каких-то 2,5 млн св. лет, между Млечным Путем и Андромедой недостаточно расширяющегося пространства, чтобы компенсировать их взаимное сближение. В то же время движение сквозь пространство очень далекой галактики слишком ничтожно, чтобы «перевесить» увеличение расстояния вследствие расширения всего пространства, находящегося между ней и Млечным Путем.

Сравнение с изюмом в кексе несовершенно по еще одной причине. Кексы с изюмом обычно имеют конечные размеры. Напротив, как я вскоре расскажу, Вселенная вполне может оказаться бесконечной. Но это мелочь. По сути, сравнение с кексом великолепно. Главное, чтобы в следующий раз, когда расширяющаяся Вселенная представится вам в виде фейерверка, вы мысленно услышали сигнал тревоги и решительно напомнили себе: «Кекс с изюмом, кекс с изюмом!»

Что можно сказать о красном смещении у галактик? Разве оно не вызвано тем, что галактика улетает от нас? Бесспорно, движение галактики в пространстве вызывает то, что представляется эффектом Доплера. Если она движется от нас, ее световые волны растягиваются до более низких частот, соответственно, с меньшими длинами волны, что приводит к красному смещению. Если она движется к нам (как Андромеда и буквально горстка других маленьких ближних галактик), то демонстрирует слабое голубое смещение. Однако применительно к расширяющемуся пространству лучше забыть о сравнении с машиной скорой помощи.

Представьте световую волну, испущенную далекой галактикой, с определенной частотой и соответствующей длиной. Миллионы или даже миллиарды лет свет путешествовал сквозь пространство по пути к земному телескопу. Если бы мы жили в статичной Вселенной, свет пришел бы на Землю, имея точно такую же длину волны, которую имел изначально. Но Вселенная не статична. Пространство расширяется. Вследствие этого световая волна, движущаяся сквозь пространство, тоже расширяется. Она постепенно растягивается, и длина волны увеличивается – цвет становится более красным.

Чем дольше свет путешествует через расширяющееся пространство, тем сильнее оказывается растянут. Поэтому свет далеких галактик – проведший в пути больше времени – должен демонстрировать большую степень красного смещения, чем свет ближних галактик. Это и обнаружил Хаббл. Фактически астрономы используют красное смещение у галактик для расчета расстояния до них.

_________

Это уже что-то. У нас есть достоверный образ расширения Вселенной (кекс с изюмом) и понимание причины красного смещения у галактик (растяжение световых волн). Пора затронуть тонкий вопрос о расстояниях в космосе.

Как я говорил, космологи используют красное смещение у галактик в качестве показателя удаленности. Прекрасно! Но что конкретно мы подразумеваем под удаленностью галактики? Предположим, галактика испустила свет очень давно, когда находилась в 5 млрд св. лет от Млечного Пути. К тому времени, когда свет наконец достигает Земли, дистанция могла увеличиться до 10 млрд св. лет, поскольку пространство расширяется постоянно.

Возникает проблема. Красное смещение у галактики не дает нам никакой информации ни о первоначальной, ни о нынешней дистанции. Единственное, что мы можем извлечь из красного смещения, – сколько времени свет шел сквозь расширяющееся пространство. Это не 5 и не 10 млрд лет, а какая-то промежуточная величина, возможно около 7 млрд лет.

Что же можно сказать о расстоянии до галактики? Строго говоря, нечто вроде: «Эта галактика настолько удалена, что ее свету, идущему сквозь расширяющееся пространство, потребовалось 7 млрд лет, чтобы достичь нас». Слишком многословно. Поэтому, исключительно ради простоты, большинство астрономов ограничатся следующим: «Эта галактика находится от нас в 7 млрд св. лет». В конце концов, время нахождения в пути света этой галактики – 7 млрд лет – единственное, что можно измерить.

Разумеется, это не точная формулировка. В следующий раз, когда с вами заговорят о галактике, находящейся на расстоянии 11 млрд св. лет, напомните себе, что на самом деле говорящий имеет в виду следующее: свету галактики потребовалось 11 млрд лет, чтобы достичь нас, – это единственное, что мы можем установить точно, измерив красное смещение для этой галактики. В момент, когда этот свет был излучен (11 млрд лет назад), галактика была к нам гораздо ближе – может быть, всего в нескольких миллиардах световых лет. А в данный момент, когда этот свет наконец дошел до Земли, галактика может находиться более чем в 20 млрд св. лет.

Предвижу ваши возражения. Двадцать миллиардов световых лет? Как галактика может быть так далеко, если Вселенной всего 13,8 млрд лет? Разве Эйнштейн не учит нас, что ничто не может двигаться быстрее света? Как в таком случае нечто могло удалиться на расстояние 20 млрд св. лет за время менее 14 млрд лет?

Напоминаю, что расширяющаяся Вселенная не фейерверк. Галактики не несутся сквозь пространство. Дистанции до них увеличиваются, потому что расширяется само пространство. Очень дальняя галактика никогда не двигалась хоть сколько-нибудь быстрее света, хотя расстояния между нами и ею могло увеличиваться более чем на 300 000 км за каждую секунду. Предел космической скорости Эйнштейна не нарушен.

Возможно, это звучит абсурдно, но это правда. Никакая энергия, материя или информация какого угодно типа не перемещаются в пространстве со скоростью, хоть сколько-нибудь превышающей скорость света. Общий принцип относительности никому поблажек не делает. Тем не менее дистанция, разделяющая две удаленные точки в расширяющемся пространстве, может за секунду увеличиваться более чем на 300 000 км.

Означает ли это, что Вселенная расширяется быстрее скорости света? И да и нет. Все зависит от дистанции, которой вы интересуетесь. Как ни странно, у Вселенной нет единой скорости расширения. Расстояние между двумя относительно близкими точками в пространстве может расти на 10 000 км/с, а между двумя очень сильно удаленными друг от друга точками – на 500 000 км/с. Причем без ущерба для теории Эйнштейна.

Насколько известно астрономам, Вселенная может иметь бесконечные размеры. Это трудно себе представить – наш мозг не приспособлен к оперированию понятием бесконечности. Впрочем, представить конечную Вселенную столь же, а возможно, и более тяжело. Если Вселенная имеет ограниченные размеры, у нее должны быть границы. Как выглядит и ощущается граница Вселенной? И что находится за ней?

Попробую объяснить, как Вселенная в принципе может быть конечной, не имея краев. Если это кажется вам парадоксальным, представьте двумерную модель Вселенной, которой мы пользовались в главе 4, – лист миллиметровки. Будучи трехмерными существами, мы можем изогнуть бумагу в поверхность сферической формы. Двигаясь по этой искривленной поверхности, воображаемые плоскоземельники, обитающие в двумерной Вселенной, никогда не достигнут ее края. Тем не менее их мир имеет конечные размеры – если они решат выкрасить его весь в желтый цвет, им не потребуется бесконечное количество краски.

Аналогично наша трехмерная Вселенная теоретически может быть конечной и не иметь четко определенного края, если некто согнул ее в пространстве большей размерности. Если у вас от этого раскалывается голова, не тревожьтесь – все доступные свидетельства предполагают, что наша Вселенная не имеет крупномасштабной, глобальной кривизны. Следовательно, она по-настоящему бесконечна. (Что, вероятно, обеспечит вам новый приступ головной боли.)

Как бесконечная Вселенная могла вырасти из одной-единственной точки?

Никак.

Это еще одно огромное заблуждение – что на момент Большого взрыва все вещество Вселенной было сконцентрировано в единственной точке. Этого не было, во всяком случае при условии бесконечности размеров Вселенной[57]. Около 2 млрд лет назад расширение пространства еще не достигло сегодняшнего уровня. Все расстояния в космосе были в два раза меньше нынешних. Галактики находились ближе друг к другу. Средняя плотность материи во Вселенной была в 8 раз выше (в два раза меньшее расстояние означает в 8 раз меньший объем: ½ × ½ × ½). Но и тогда Вселенная имела бесконечные размеры. Как вы, возможно, помните из старших классов школы, бесконечность, деленная на два, остается бесконечностью.

В намного более давнем прошлом, примерно в то время, когда галактики только начали образовываться, все расстояния составляли 1/10 от нынешних, а плотность Вселенной была в тысячу раз выше (объем составлял 1/1000 сегодняшнего: 1/10 × 1/10 × 1/10). Но бесконечность, деленная на 10, – все равно бесконечность, то есть и тогда Вселенная была бесконечной.

Почти 13,8 млрд лет назад, всего через несколько сот тысяч лет после Большого взрыва, космические расстояния составляли около 1/1000 (десятую долю процента) своих текущих значений. Галактики и звезды еще не образовались. Вселенная была наполнена горячим нейтральным газом, главным образом водородом и гелием. Ее плотность была в миллиард раз выше, чем сейчас (поскольку объем равнялся одной миллиардной современного: 1/1000 × 1/1000 × 1/1000), температура достигала нескольких тысяч градусов Цельсия. Вся Вселенная светилась горячим ослепительным светом, как поверхность Солнца. Но и тогда она должна была иметь бесконечные размеры.

Забираемся в прошлое еще дальше, и как плотность, так и температура Вселенной увеличиваются до экстремальных. Они настолько высоки, что невозможно существование электрически нейтральных атомов и даже протонов или нейтронов (см. главу 5) – только кипящий бульон элементарных частиц и высокоэнергетических протонов.

Что же такое Большой взрыв?

В каком-то смысле это и был Большой взрыв. Говоря о Большом взрыве, космологи обычно имеют в виду это сверхплотное сверхгорячее первоначальное состояние Вселенной. Они могут рассчитать, как выглядела Вселенная в возрасте 10 лет или года, трех минут или доли секунды. Прекрасно! Но у нулевого момента времени их теории рассыпаются. Подлинный источник Вселенной – тайна. Пока тайна.

Можно представить себе эту картину иначе. Давным-давно плотности и температуры были экстремально высоки везде во Вселенной. Абсолютно каждая точка пространства когда-то находилась в сверхплотном и сверхгорячем первоначальном состоянии Вселенной. Если бы мы перенеслись на машине времени на 13,8 млрд лет назад в ту же самую точку пространства, в которой находимся сейчас, то были бы сожжены первичной плазмой – как и в любой другой точке Вселенной. Вы, наверное, уже догадались, к чему я веду: Большой взрыв произошел везде.

_________

Итак, мы имеем галактики, разнесенные на большие дистанции, как изюминки в тесте, световые волны, растянувшиеся за миллиард лет пути через расширяющееся пространство, Вселенную, возможно всегда имеющую бесконечные размеры, и Большой взрыв, произошедший везде. Мне остается рассказать о послесвечении творения, важном для нашего знакомства с волнами Эйнштейна.

Прежде, однако, я должен объяснить, что такое космический горизонт. Космический горизонт определяет, насколько глубоко во Вселенную мы можем заглянуть.

Было бы наивностью считать, что астрономы могут смотреть на любое желаемое расстояние – дайте им телескоп побольше, и они смогут наблюдать более далекие галактики. Это рассуждение не учитывает ограниченности скорости света – и ограниченного возраста Вселенной.

Какое отношение скорость света (300 000 км/с) имеет к нашей возможности заглядывать в глубины космоса? Определяющее. Дело в том, что смотреть далеко в пространство означает также смотреть далеко в прошлое.

Ясной летней ночью вы можете увидеть яркую звезду Денеб в созвездии Лебедя – огромная сияющая звезда легко различима невооруженным глазом, несмотря на дистанцию около 2600 св. лет. Эта означает, что свету Денеба требуется 2600 лет, чтобы дойти до Земли. Иными словами, свет, который мы видим сегодня, был излучен 2600 лет назад, примерно в то время, когда родился древнегреческий философ Фалес Милетский. Мы видим эту звезду не такой, какова она сейчас, а какой она была больше двух с половиной тысячелетий назад. Мы смотрим в прошлое.

(Если вам интересно – да, это означает, что звезды Денеб, возможно, уже не существует. Если она взорвалась в 400 г., свет взрыва дойдет до нас не раньше, чем через тысячу лет от настоящего момента.)

Теперь обратимся к галактике NGC 474, с которой уже познакомились. Расстояние до нее – порядка 100 млн св. лет. Свет, который мы принимаем сегодня, был излучен, когда по Земле еще бродили динозавры. Наблюдая NGC 474, астрономы заглядывают в прошлое на 100 млн лет. Неудивительно, что телескопы иногда называют машинами времени!

Возможность видеть прошлое имеет то преимущество, что позволяет космологам изучать эволюцию Вселенной. Хотите знать, как Вселенная выглядела около 8 млрд лет назад? Нацельте телескоп на галактики, удаленные на 8 млрд св. лет (или, точнее, на галактики, удаленные настолько, что их свет, двигаясь через расширяющееся пространство, затрачивает 8 млрд лет на путь до нас). 10 млрд лет назад? Загляните еще дальше.

Есть и недостаток – фундаментальный предел нашей способности заглянуть в космос. Если наша Вселенная родилась 13,8 млрд лет назад, то это максимальное время, которое свет мог провести в пути. Мы просто не способны увидеть прошлое, отдаленное от нас хоть сколько-нибудь более чем на 13,8 млрд св. лет. Вселенная может быть бесконечной, но мы имеем возможность наблюдать лишь относительно малую ее часть – сферическую область радиусом 13,8 млрд св. лет с центром в Млечном Пути. Эту область мы называем наблюдаемой Вселенной. Поверхность этой сферы – наш космический горизонт.

В этой связи важно отметить несколько моментов. Во-первых, вы, вероятно, заметили, что я решил придерживаться неточной, с научной точки зрения, традиции превращать время движения света в расстояние. В действительности истинный нынешний радиус нашего космического горизонта составляет порядка 42 млрд св. лет. Но соотносить дистанцию и взгляд в прошлое один к одному очень удобно.

Во-вторых – и это очень важно, – космический горизонт есть фундаментальный предел наших возможностей наблюдения. Никакой телескоп, сколь угодно большой и мощный, не покажет, что находится дальше. Это просто невозможно.

В-третьих, чем старше становится Вселенная, тем больше наблюдаемая Вселенная. Каждый год ее радиус увеличивается на еще один световой год. К сожалению, рост наблюдаемой Вселенной не компенсирует расширения пространства, скорость которого увеличивается (читайте об этом в главе 16).

В-четвертых, любое местоположение во Вселенной имеет собственный космический горизонт. Представьте корабль в океане. У каждого корабля свой горизонт, центром которого он является и за пределы которого моряки этого корабля заглянуть не могут. Аналогично каждый наблюдатель во Вселенной находится в центре маленькой персональной наблюдаемой Вселенной.

В-пятых, космический горизонт не физический объект. Инопланетный наблюдатель, находящийся точно на нашем горизонте, ничего интересного не увидит. Его непосредственное окружение будет выглядеть так же, как наше: стареющие звезды, зрелые галактики. В конце концов, он живет в той же самой Вселенной возрастом 13,8 млрд лет, что и мы. Но и мы будем находиться на его горизонте. Вглядываясь в безбрежное пространство в нашем направлении, наш инопланетный друг будет смотреть на 13,8 млрд лет в прошлое, на эпоху задолго до рождения нашей галактики Млечный Путь, не говоря уже о Солнце и Земле.

Наконец, мы подходим к рассказу о послесвечении творения. Этот термин, предложенный или, по крайней мере, популяризированный британским астрономом и писателем Маркусом Чауном, обозначает то, что наблюдатель видит на самом краю персональной наблюдаемой Вселенной, – бледный отсвет чудовищного Большого взрыва.

Чем глубже вы смотрите в пространстве, тем дальше в прошлое – во времени. На космическом горизонте – на краю наблюдаемой Вселенной – это ретроспективное время составляет 13,8 млрд лет. Любое излучение, принимаемое нами с этого дальнего края, было испущено 13,8 млрд лет назад, сразу же после рождения Вселенной. Оно позволяет нам увидеть, как выглядела Вселенная в то время.

Первые несколько сотен тысяч лет существования Вселенная была заполнена бушующей плазмой, настолько плотной и горячей, что свет не мог сквозь нее проникнуть. Но когда Вселенная достигла возраста 380 000 лет, плотность и температура уменьшились настолько, что смогли образоваться электрически нейтральные атомы. Впервые фотоны (Эйнштейновы «частицы света») смогли беспрепятственно двигаться в пространстве. Вселенная стала прозрачной.

Как я уже говорил, в те времена вся Вселенная была горячей и ослепительно яркой, как поверхность Солнца. Следовательно, посмотрев на тот период прошлого, на космический горизонт, мы должны увидеть свечение Большого взрыва, куда бы ни направили взгляд. И мы его видим! Правда, это первичное излучение находилось в пути 13,8 млрд лет (минус 380 000 лет, которыми можно пренебречь) и стало исчезающе слабым. Более того, излучение двигалось в непрерывно расширяющейся Вселенной. Вследствие этого длина его волны растянулась примерно в 1000 раз и ослепительное сияние в диапазоне видимого света превратилось в почти не воспринимаемый свист радиочастот. Этот свист принято называть космическим микроволновым фоновым излучением или реликтовым излучением. Но в поэтическом настроении я предпочитаю называть его послесвечением творения.

Реликтовое излучение было открыто в 1964 г., более полувека назад. С тех пор его изучают все более подробно, о чем мы узнаем из главы 10. Это неудивительно: реликтовое излучение – самый старый сигнал, который могут наблюдать астрономы. Подобраться ближе к моменту рождения Вселенной мы не в силах.

Некоторым людям трудно осознать, что послесвечение творения можно непрерывно изучать десятилетиями. В сущности, наблюдать его могли бы неандертальцы и даже динозавры, имей они достаточно чувствительные инструменты. Наши отдаленные потомки, возможно, будут исследовать его через миллион лет. Но разве рождение Вселенной не было неуловимо кратким событием? Разве излучение той эпохи уже не должно было просто промчаться мимо? Как нам удается до сих пор наблюдать послесвечение?

Объяснение также связано с конечностью скорости света. Поставим очередной мысленный эксперимент. Представьте, что находитесь на большой городской площади в многотысячной толпе. Площадь буквально запружена народом. Всем приказано синхронизировать часы до секунды и крикнуть «Ха!» ровно в полдень. Одна деталь: городская площадь находится на планете, где скорость звука составляет не привычные нам 330 м/с, а всего 1 м/с.

Что происходит в полдень? Вы во всю мощь легких кричите «Ха!». Созданный вами звук распространяется во все стороны. Через одну секунду вы уже не можете слышать собственный выкрик, но в 12:00:01 слышите дружное «Ха!» окружающих, находящихся от вас на расстоянии 1 м, – звуку, который они произвели в полдень, потребовалась одна секунда, чтобы дойти до вас. В 12:00:02 вы по-прежнему слышите «Ха!» – от людей на дистанции 2 м. Даже через минуту после полудня крик достигает ваших ушей – его издали люди в 60 м от вас.

Самое смешное, что никто уже не кричит. Все, кто был на площади, издали один короткий выкрик ровно в полдень. Но вы продолжаете слышать выкрики, доносящиеся со все большей дистанции. Если площадь по-настоящему велика, вы будете слышать «Ха!» долгие часы – как и любой человек на площади. Некто в 300 м от вас услышит ваше «Ха!» в 12:05. И так далее.

Городская площадь – это Вселенная. Коллективное «Ха!» в полдень – относительно короткий выброс реликтового излучения вскоре после Большого взрыва. Реликтовое излучение, испущенное 13,8 млрд лет назад в нашей точке пространства – прямо там, где вы сейчас находитесь, давным-давно рассеялось во Вселенной. Но мы до сих пор получаем слабые сигналы из все более дальних точек пространства. (Если вы хотите усовершенствовать аналогию, замените мостовую городской площади резиновым полотнищем, которое кто-то растягивает за края, – это и будет расширяющаяся Вселенная!)

_________

Космология – активно развивающаяся область науки, полная тайн и поразительных открытий. Возможно, мы никогда в полной мере не поймем, как все началось, но мы уже оставили далеко позади «В начале было ничто, и оно взорвалось» Терри Пратчетта. Может быть, регистрация первичных гравитационных волн, возникших в момент Большого взрыва, позволит нам увидеть рождение Вселенной в новом свете. Теперь отправимся к географическому Южному полюсу, чтобы узнать, насколько близок долгожданный прорыв[58].

10

Ложная тревога

Мы с Шаулом Ханани встречаемся в Antarctica Hilton.

Нет, это не роскошный отель с фойе, баром и паркингом для снегоходов. Под роскошным названием скрывается по сути сарайчик, в котором можно провести какое-то время, не замерзнув насмерть. Одна дверь, пара окон, две деревянные скамьи – вот и все. Вокруг расстилается безбрежная равнина льда и уплотненного ветром снега. Отопления нет.

С утра я побывал на полигоне для запуска шаров-зондов длительного действия (LDBF) Национального научного фонда недалеко от станции «Мак-Мёрдо» – научно-исследовательской базы США на берегу ледового континента[59]. В огромном ангаре на гигантских лыжах – официально он называется сборочным цехом полезной нагрузки – готовился к пятой и последней миссии телескоп с большой апертурой субмиллиметрового диапазона с базированием на воздушном шаре (Balloon-borne Large-Aperture Submillimeter Telescope, BLAST). Куратором проекта является Марк Девлин из Пенсильванского университета. Как явствует из названия, телескоп изучает Вселенную в радиоволнах длиной в доли миллиметра. С земной поверхности это делать невозможно (микроволновое излучение поглощается молекулами воды в атмосфере), поэтому Девлин и члены его команды на срок до двух недель поднимают инструмент в стратосферу на гигантском воздушном шаре, заполненном гелием.

Во втором зале Ханани следил за ходом собственного эксперимента с использованием воздушных шаров – EBEX («эксперимент Е и В»)[60]. В конце дня руководитель лагеря Скотт Баттайон отвез нас обратно в усиленном грузовике-пикапе, но не на базу Мак-Мёрдо – это отняло бы у него слишком много времени, а до перекрестка с ледовой дорогой к «Полю Пегасов», главному аэродрому станции. В Antarctica Hilton мы ждали прибытия Ivan the Terra Bus – автобуса-монстра на гигантских колесах, курсирующего между аэропортом и базой «Мак-Мёрдо».

Шаул Ханани – физик из университета Миннесоты. Почти часовое совместное ожидание в «Хилтоне» дает мне прекрасную возможность узнать все о EBEX. Однако Ханани все сильнее нервничает. Что, если шаттл не придет? Мы совершенно одни во льдах без средств связи.

Цель EBEX – измерение поляризации реликтового излучения. Сегодняшние предполетные тесты оказались многообещающими, рассказывает Ханани. Запуск ожидается недели через две. За время миссии EBEX может сделать революционное открытие. Ханани с коллегами надеются найти скрытые в картинах распределениях поляризаций излучения Большого взрыва отпечатки первичных гравитационных волн, относящихся к моменту рождения Вселенной.

Ivan the Terra Bus наконец появляется красной точкой на белоснежном горизонте. Водитель – все зовут его Шаттл Боб – задержался, застряв в снежном наносе. Через полчаса мы снова на станции, внешним видом и обстановкой напоминающей военную базу.

Я провел неделю на «Мак-Мёрдо» в декабре 2012 г. в качестве одного из трех лекторов сезона Антарктической журналистской программы Национального научного фонда. Это был потрясающий опыт. Я встречался с геологами, исследователями пингвинов, климатологами, охотниками на метеориты (в том числе астронавтом НАСА Стэном Лавом), гляциологами, астрофизиками и многими другими специалистами. Побывал в хижине, которую построил английский исследователь Роберт Фолкон Скотт в 1911 г., прежде чем выдвинуться со своей группой в роковую экспедицию к Южному полюсу. Поднялся на 230-метровый Обзорный холм, где установлен мемориальный крест в память пропавших без вести полярников. Посетил местную церковь и поговорил с Майклом Смитом, священником «Мак-Мёрдо». Послушал, как подвыпивший астробиолог (не будем называть имен) фальшиво поет под караоке в баре «У Галлахера». Наша маленькая группа слетала на вертолете на мыс Пингвинов и мыс Эванса, посетила полигон проекта ледового бурения Wissard и присоединилась к пешей вылазке через ледяные торосы, которые прекрасно смотрятся на фотографиях. Разумеется, я добрался и до полигона для запуска шаров-зондов длительного действия.

Самым памятным событием той недели стала однодневная поездка 10 декабря на станцию «Амундсен – Скотт» на Южном полюсе. Если «Мак-Мёрдо» находится на побережье Антарктического континента вблизи шельфового ледника Росса, то «Амундсен – Скотт» – на географическом Южном полюсе, в самой южной точке земного шара. Мы три часа летели на военном винтовом самолете Lockheed LC-130, оборудованном лыжами. Для полюса денек выдался славный – слабый ветер и всего –37 °С. Тем не менее даже в экипировке для экстремальных холодов я не надеялся пройти около километра от жилой зоны станции до «Темного сектора», где проводится большая часть астрономических экспериментов, поэтому мы взяли гусеничный снегоход.

Одно из самых впечатляющих сооружений в «Темном секторе» – лаборатория IceCube. Еще более впечатляющим является сам научный эксперимент, который идет в ней незримо для глаз. IceCube – крупнейшая в мире нейтринная обсерватория, но увидеть ее невозможно. Она состоит из более чем 5000 сверхчувствительных детекторов света, вмороженных в кубический километр подповерхностного антарктического льда. В здании лаборатории находятся только мощные компьютерные системы. Фотодетекторы IceCube регистрируют чрезвычайно редкие вспышки света в темной прозрачной массе льда, вызванные прохождением нейтрино из космоса. (Я упоминал о нейтрино в главе 5. Это неуловимые субатомные частицы, во множестве возникшие во время Большого взрыва. Они играют важную роль во взрывах сверхновых.)

Недалеко от лаборатории IceCube находится не менее потрясающая обсерватория им. Мартина А. Померанца, названная в честь родоначальника антарктической астрономии, умершего в 2008 г. В одном конце вытянутого двухэтажного здания помещается 10-метровая тарелка «Южного полярного телескопа»[61], в другом – конусообразный кожух, внутри которого находится инструмент BICEP2 – «Картина поляризации фонового внегалактического излучения» (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization, BICEP)[62]. Оба эксперимента посвящены реликтовому излучению – слабым космическим радиоволнам, возникшим через 380 000 лет после Большого взрыва. Кожух защищает чувствительный телескоп от паразитарного излучения, вызванного деятельностью человека.

BICEP2 с 26-сантиметровыми линзами меньше иных любительских телескопов, но его фокальная плоскость охлаждена до температуры лишь на четверть градуса выше абсолютного нуля и состоит из 512 невероятно чувствительных сверхпроводящих сенсоров, способных зарегистрировать каждый фотон реликтового излучения. Как и эксперимент EBEX Шаула Ханани, BICEP2 исследует поляризацию реликтового излучения. (По крайней мере исследовал в декабре 2012 г. Затем он был заменен еще более мощным инструментом.)

_________

Реликтовое излучение случайно открыли в 1964 г. американские радиоинженеры Арно Пензиас и Роберт Уилсон. Это самый старый «свет» во Вселенной. Астрономы не могут заглянуть в прошлое дальше эпохи реликтового излучения, поскольку первые 380 000 лет существования Вселенная была слишком горячей, плотной и непрозрачной, чтобы электромагнитные волны могли свободно распространяться в пространстве. Это предел, ближе которого мы не можем подобраться к Большому взрыву.

Как я рассказывал в главе 9, первоначальная ослепительная вспышка высокоэнергетического излучения к настоящему времени поблекла и остыла до почти не воспринимаемого свиста в миллиметровом диапазоне, соответствующего температуре всего на 2,7 градуса выше абсолютного нуля. Чтобы понять происхождение Вселенной, нужно тщательно изучать «холодное эхо», как бы это ни было сложно.

Сложно не только потому, что реликтовое излучение очень слабо, но и из-за поглощения приходящего из космоса микроволнового излучения молекулами воды в атмосфере Земли. (Насыщенная водой пища быстро нагревается в микроволновке именно потому, что молекулы воды практически полностью поглощают энергию микроволнового излучения.) Поэтому до сих пор самым подходящим местом для наблюдения фонового космического излучения является космос. Лучшие карты реликтового излучения с полным покрытием неба составлены тремя последовательными космическими миссиями.

Первой – и, возможно, самой новаторской – стала COBE (Cosmic Background Explorer)[63]. Эта миссия выросла из ранней работы Рэя Вайсса в MIT. Запущенный в ноябре 1989 г., спутник COBE впервые обнаружил малые различия температуры реликтового излучения на уровне десятитысячной доли градуса. Крохотные «горячие» и «холодные» точки соответствуют областям чуть более высокой и чуть более низкой плотности в очень молодой Вселенной, из которых впоследствии образовались зародыши будущих галактик и их скоплений. Не будь этих первичных флуктуаций плотности, современная Вселенная была бы темным однообразным океаном водорода и гелия плотностью порядка одного атомного ядра на кубический метр. Не было бы галактик, тем более звезд, планет или людей. Мы обязаны своим существованием этим слабым возмущениям. Главные исследователи проекта COBE Джон Мэтер и Джордж Смут получили Нобелевскую премию по физике за 2006 г. за эти революционные открытия.

Намного более подробные карты реликтового излучения впоследствии составили спутник НАСА WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe – «Зонд для изучения анизотропии реликтового излучения им. Уилкинсона»)[64], запущенный в июне 2001 г., и миссия ЕКА Planck, названная в честь прославленного немецкого физика Макса Планка. Спутник Planck стартовал в мае 2009 г. и поставлял данные до октября 2013 г. Обе миссии принесли очень много информации о ранней Вселенной. В определенном смысле они превратили космологию в точную науку.

Реликтовое излучение можно наблюдать и на Земле – не на уровне моря, конечно, в силу абсорбирующего эффекта земной атмосферы, но из любой достаточно высокой и сухой точки. Установите микроволновой телескоп так, чтобы бóльшая часть атмосферного водяного пара осталась внизу, и приступайте.

Южный полюс – одно из таких уникальных мест. Полярная станция «Амундсен – Скотт» находится на высоте 2835 м над уровнем моря. Более того, холодное небо Антарктиды отличается крайней сухостью (Антарктида классифицируется как пустыня), и водяного пара там мало. В 1999 г. ученые Чикагского университета решили построить здесь DASI (Degree Angular Scale Interferometer – «Интерферометр с градусным угловым разрешением») – впечатляющий инструмент с 13 независимыми детекторами на общей платформе. BICEP1 – маленький предшественник BICEP2 – начал работать в 2006 г. Сооружение 10-метрового «Южного полярного телескопа» было завершено в начале 2007 г.

Другим превосходным местом для наблюдений является Ллано де Чайнантор на севере Чили. На этом высокогорном, более 5000 м над уровнем моря, плато, окруженном вулканами, разместилось 66 тарелок ALMA (Атакамской большой антенной решетки миллиметрового/субмиллиметрового диапазона)[65]. От путешествия сюда в буквальном смысле захватывает дух. В ноябре 2004 г., когда я в третий раз побывал в Чайнанторе, работы на ALMA еще не начались – даже дорога к месту размещения обсерватории только строилась, но аналогичный DASI инструмент для наблюдения космического фонового излучения уже действовал. Три года спустя строительство 6,5-метрового телескопа Atacama Cosmology было почти завешено. Как BICEP2, инструмент окружен огромным конусом для защиты от паразитарных излучений, но если вы подниметесь на соседнюю вершину Сьерро-Токо высотой 5600 м, как сделал я в 2013 г., то перед вами откроется великолепный вид на телескоп[66].

_________

Многие космические и наземные инструменты следят за реликтовым излучением – послесвечением творения или, как его иногда называют, фото Вселенной в младенчестве, – но все последние эксперименты сосредоточены на его поляризации. Это один из святых Граалей космологии – регистрация неуловимых В-мод поляризации реликтового излучения, вызванной первичными гравитационными волнами периода инфляционного состояния очень молодой Вселенной. В этой фразе много профессиональных терминов, но я разъясню их один за другим.

Начнем с поляризации. Свет – это электромагнитно-волновой феномен, как установил Джеймс Кларк Максвелл в конце XIX в. В норме возмущенные электрические и магнитные поля колеблются с одинаковой силой во всех направлениях – горизонтальном, вертикальном, диагональном и всех промежуточных. Но отраженная световая волна становится поляризованной – колебания сильнее выражены в одном направлении, чем во всех остальных.

В поляризованных светозащитных очках остроумно используется этот эффект. Когда солнечный свет отражается от плоской поверхности, например стены, снега или дороги, то приобретает некоторую степень горизонтальной поляризации: колебания отраженных волн становятся заметно сильнее в горизонтальном направлении, чем в вертикальном. Поляризованные солнечные очки блокируют преимущественно колебания по горизонтали, и отраженные волны становятся намного менее яркими. Эффект хорошо заметен, если повернуть очки на 90°, глядя сквозь них одним глазом.

Фотографы хорошо знакомы с поляризацией. Солнечный свет отражается от молекул воздуха и частиц пыли, становясь несколько поляризованным. Если установить перед объективом камеры поворотный поляризующий фильтр, можно сделать небо значительно темнее, что придает изображению особую выразительность.

Конечно, вместо того чтобы фильтровать поляризованный свет, можно изучать его поляризацию для поиска причины этого эффекта. Например, физики, изучающие загрязнение атмосферы, могут измерить силу и направление поляризации солнечного света разных длин волн. Эти данные рассказывают о величине, структуре и составе частиц загрязнителей.

Реликтовое излучение путешествовало по Вселенной 13,8 млрд лет. Поскольку межгалактическое пространство представляет собой практически полный вакуум, реликтовое излучение не должно было сильно поляризоваться. Тем не менее эффект, хотя и крайне слабый, присутствует. Оказывается, реликтовое излучение поляризовано примерно на 1/300 000 долю процента. Это значит, что в любой точке неба реликтовое излучение имеет чрезвычайно слабую тенденцию к колебаниям в определенном направлении.

Столь слабую поляризацию трудно измерить. Представьте, что вы случайным образом рассыпали по полу 60 млн зернышек риса и пытаетесь обнаружить едва выраженное преобладание их ориентации: 29 999 999 зерен ориентированы в пределах 45° по оси восток – запад, а 30 000 001 – по оси север – юг. Примерно такая же чувствительность нужна при измерении поляризации реликтового излучения. Это было впервые сделано DASI в 2002 г.

Откуда взялась эта слабая поляризация? Не вследствие отражения фонового излучения от звезд и планет или его рассеяния межзвездной пылью. Слабая степень поляризации появилась у реликтового излучения в самом начале его путешествия к нам, порядка 13,8 млрд лет назад. Это «отпечаток» неравномерного распределения материи в очень молодой Вселенной. Я уже упоминал о крохотных флуктуациях плотности первичного газа – «зародышах» нынешней крупномасштабной структуры Вселенной. Они привели не только к малым вариациям температуры реликтового излучения («горячие» и «холодные» точки, впервые наблюдаемые COBE), но и к очень слабой степени поляризации в направлениях, различающихся в разных частях неба.

Это все, что нам с вами нужно знать о поляризации реликтового излучения. Перейдем к инфляции, первичным гравитационным волнам и В-моде.

Инфляцией[67] называется то, что происходило со Вселенной в самую первую мельчайшую долю секунды ее существования. Точнее, космологи полагают, что именно так и было. Это не подтвержденная концепция и даже не зрелая теория, а скорее общепринятое обозначение группы гипотетических сценариев, один из которых может быть истинным. Или, как сказали бы большинство космологов, один из них должен быть истинным. Дело в том, что инфляция – единственное доступное нам решение ряда неустранимых проблем первоначальной теории Большого взрыва.

Не стану вдаваться в подробности, главное – это очень краткий период экспоненциального расширения. Прежде чем Вселенной исполнилось 10–32 секунды (или 0,00000000000000000000000000000001 с), пространство раздулось в два раза примерно 200 раз подряд. В результате расстояния между любыми двумя точками пространства стали примерно в 10^60 раз больше начальных значений[68]. По окончании невероятно краткой эпохи инфляции началось более знакомое «линейное» расширение Вселенной, идущее гораздо более спокойными темпами. В определенной мере инфляцию можно сравнить с самыми первыми стадиями роста оплодотворенной человеческой яйцеклетки. Сначала количество клеток растет в следующей последовательности: 1, 2, 4, 8, 16 и т. д. К счастью, вскоре экспоненциальный рост прекращается, темпы роста значительно замедляются (иначе вы бы сейчас были больше наблюдаемой Вселенной).

Квантовая механика дает надежное основание верить во «взрыв Большого взрыва», как прозвали инфляцию Вселенной. Более того (опять-таки без углубления в детали), это единственный мыслимый способ объяснить, почему наблюдаемая Вселенная выглядит такой однородной, а пространственно-временной континуум, судя по всему, не имеет глобальной, повсеместной кривизны. Эту идею предложил в 1980 г. Алан Гут, физик-теоретик, в то время работавший в Принстоне[69]. С тех пор ее расширили и изменили, в особенности советско-американский физик Андрей Линде из Стэнфордского университета[70]. Инфляцию Вселенной трудно себе представить и еще труднее принять на веру, но большинство космологов привыкли к этой модели.

Различные инфляционные сценарии отличаются только деталями: что именно вызвало раздувание Вселенной, когда оно началась, насколько быстрым было экспоненциальное расширение, сколько времени длилось, как закончилось и т. д. Проблема, разумеется, в том, что мы не можем заглянуть в прошлое в эту ничтожную 10–32 долю секунды после рождения Вселенной и увидеть, что в действительности произошло. Реликтовое излучение – самый старый свет из раннего этапа существования Вселенной, который мы имеем возможность изучать, и он был излучен через 380 000 лет после ее возникновения. Как же космологи надеются доказать реальность инфляции, тем более выбрать одну из ее версий?

В этом нам помогут гравитационные волны. Инфляция раздула все в пространстве. Субатомные квантовые флуктуации в новорожденной Вселенной расширились в вариации плотности, оставившие свой отпечаток на реликтовом излучении. Квантовые флуктуации гравитационного поля также должны были раздуться, но не в другие флуктуации плотности, а в первичные волны Эйнштейна, вызвавшие возмущения в самой ткани пространственно-временного континуума[71]. Во всяком случае, в теории. Амплитуда первичных волн зависит от конкретных характеристик инфляции.

Если мы сможем зарегистрировать первичные гравитационные волны, то получим надежное свидетельство того, что инфляция Вселенной имела место. Возможно, мы даже сумеем опровергнуть хотя бы несколько инфляционных сценариев. К сожалению, инфляционные волны никогда не удастся зарегистрировать напрямую. После 13,8 млрд лет расширения пространства они приобрели длины в сотни миллионов световых лет, и у нас нет возможности их измерить. Но они оставили отметину на реликтовом излучении. Получив небольшую поляризацию из-за флуктуаций плотности в молодой Вселенной, оно также приобрело слабую поляризацию в ходе взаимодействия с первичными гравитационными волнами.

Измерение поляризации космического фонового излучения, вызванной инфляционными волнами Эйнштейна, рассказало бы нам, что происходило в самую первую долю секунды после рождения Вселенной. Это уникальный шанс заглянуть за предел 380 000 лет, в самое начало пространства, времени, материи и энергии. Есть лишь одна проблема: поляризация, связанная с первичными гравитационными волнами, в тысячу раз слабее поляризации вследствие флуктуаций плотности, также ничтожной. Как разделить эти два эффекта?

Здесь мы подходим к разговору о В-моде. Представьте, что американский кондитер дал вам много тысяч одинаковых маленьких пирожных, украшенных взбитыми сливками. Вы подозреваете, что среди них может быть несколько европейских пирожных. Но на обоих континентах используется один и тот же рецепт, и пирожные выглядят одинаковыми. Тут вы узнаете (дальнейшее – исключительно моя выдумка), что европейские пекари, выдавливая сливки из кондитерского мешка, всегда поворачивают его по кругу, а американские держат мешок неподвижно. Поэтому американские украшения совершенно симметричны, а европейские слегка закручиваются спиралью в одну или в другую сторону. Теперь их легко различить, хотя сами пирожные одинаковы во всех прочих отношениях.

Нечто подобное свойственно двум типам поляризации. Если вы построите карту, где показана сила и направление поляризации в каждой точке неба, то увидите определенные паттерны. У поляризации, вызванной флуктуациями плотности, эти паттерны симметричны – не имеют определенной «направленности». Они называются Е-модами. У гораздо более слабой поляризации, вызванной первичными гравитационными волнами, наблюдающиеся паттерны имеют слабую дополнительную закрученность вправо либо влево. Это так называемые В-моды. (Использование этих букв восходит к Максвеллу, который обозначал буквой Е электрические поля, а буквой В – магнитные.)

Имеется еще одно затруднение: слабые В-моды могут также формироваться, когда поляризованное реликтовое излучение проходит вблизи массивного скопления галактик. Эффект гравитационного линзирования скопления, сравнимый с релятивистским отклонением луча света Солнцем, придает симметричным в отсутствие этого воздействия Е-модам завихренность, не имеющую ничего общего с инфляцией Вселенной или первичными гравитационными волнами. К счастью, В-моды, образованные гравитационным линзированием, являются мелкомасштабными, с угловыми размерами менее 1°. Они были впервые обнаружены «Южным полярным телескопом» в 2013 г. Таким образом, если вы хотите подтвердить инфляцию и найти свидетельство существования волн Эйнштейна с момента рождения Вселенной, ищите в небе значительно более крупные В-моды с угловыми размерами по крайней мере 1°.

Теперь вы знаете, почему эксперимент Шаула Ханани с воздушными шарами назвали ЕВЕХ. Его целью было различить Е- и В-моды в поляризации реликтового излучения. Открытие крупномасштабных В-мод предполагало бы существование первичных гравитационных волн, таким образом подтверждая теорию космической инфляции. Относительная «сила» В-мод дала бы некоторую информацию о конкретной причине и времени инфляции.

Миссия ЕВЕХ с базированием на воздушном шаре стартовала 29 декабря 2012 г. и длилась около двух недель. Было собрано много интересных данных, но обнаружить В-моды не удалось. Однако во время моего пребывания в Антарктиде телескоп BICEP2, спрятанный в конический воротник, активно собирал результаты измерения поляризации в большой полосе неба Южного полушария. С каждым месяцем данных скапливалось все больше, и паттерны поляризации реликтового излучения становились все более очевидными. В течение 2013 г. командой BICEP2 постепенно овладевала эйфория – сначала осторожная, постепенно все более обоснованная. Казалось, они наконец нашли неуловимые крупномасштабные паттерны поляризационных В-мод – долгожданное доказательство инфляции и, что более важно для нашего с вами разговора, первый четкий отпечаток гравитационных волн, восходящий к первой доле секунды космической истории.

_________

В среду 12 марта 2014 г. Гарвард-Смитсоновский центр астрофизики (CfA) в Кембридже (штат Массачусетс) распространил краткое сообщение: в понедельник, 17 марта, в полдень пройдет пресс-конференция, где будет «сообщено о важном открытии», – и больше ничего[72]. Тесная аудитория Филипса в CfA могла вместить ограниченное количество репортеров, но руководители по связям с общественностью Дэвид Агилар и Кристин Пуллиам организовали прямую видеотрансляцию. По данным их IT-команды, серверы Гарварда легко могли поддержать тысячу одновременных просмотров, так что, казалось, все пройдет прекрасно.

Агилар и Пуллиам не учли, что слухи об объявлении, начавшие распространяться в СМИ («Большой взрыв! Инфляция! Гравитационные волны!»), вызвали ажиотаж, и из-за огромного количества запросов сайт рухнул, едва началась пресс-конференция. Возможность удаленного просмотра, хотя и не сразу, удалось восстановить, но пропускная способность канала оставалась недостаточной.

Джон Ковач из CfA, главный исследователь проекта BICEP2, вспоминает, что никогда ничего подобного не испытывал[73]. Полагаю, никогда прежде он не был и главным участником столь важной пресс-конференции. Иначе начал бы сразу с сути сообщения, вместо того чтобы читать мини-лекцию по истории наблюдений реликтового излучения. Позади него высвечивался титульный слайд с туманной фразой «Регистрация поляризационной В-моды в градусных шкалах при помощи BICEP2». Понять, что это значит, могли только зрители интернет-трансляции, прекрасно разбирающиеся в космологии.

Остальные трое руководителей проекта лишь ухудшили дело. Чао-Линь Куо из Стэнфордского университета попытался растолковать, что такое инфляция и как она могла породить первичные гравитационные волны и паттерны В-моды в поляризации реликтового излучения. «Объяснить эту теорию довольно сложно», – сказал он (с чем я полностью согласен). Джейми Бок из Калифорнийского технологического института и Лаборатории реактивных двигателей НАСА (ЛРД) в Пасадене выдал столь же заумный монолог о методе регистрации. Клем Прайк, один из коллег Шаула Ханани в Университете Миннесоты, рассказал об анализе данных. В общем, все это не производило впечатления, что мир стоит на пороге революции в космологии.

Затем атмосфера изменилась. Агилар и Пуллиам пригласили физика-теоретика Марка Камионковски из Университета Джонса Хопкинса в Балтиморе, штат Мэриленд, прокомментировать представленные результаты. Камионковски был единственным человеком за столом, не надевшим черную футболку с надписью BICEP2, чтобы подчеркнуть свою неангажированность. Первое предложение его подготовленного заявления на следующий день оказалось во многих газетах.

«Не каждый день, – сказал он, – проснувшись, мы узнаем нечто совершенно новое о том, что произошло в одну триллионную триллионной от триллионной доли секунды после Большого взрыва». Камионковски назвал открытие BICEP2 «настоящей крутизной» и «утраченным звеном космологии» и продолжил: «Это не просто удача, это сокрушительная победа. Это неопровержимое доказательство инфляции… и первая регистрация гравитационных волн… Если результаты подтвердятся, значит, инфляция отбила нам телеграмму, закодированную в гравитационных волнах и записанную на микроволновое фоновое излучение».

Все оживились. Алан Гут и Андрей Линде – два главных родоначальника теории инфляции – присутствовали в аудитории и с энтузиазмом поделились потрясающим фактом: почти любой инфляционный сценарий предполагает существование параллельных вселенных. Линде сказал репортерам: «Свидетельства в пользу инфляции заставят нас серьезно отнестись к теории множественности вселенных».

«Колебания пространства выдают убойное свидетельство в пользу Большого взрыва» – появилось в тот же день на сайте The New York Times. Заголовок National Geographic гласил: «Открытие Большого взрыва открывает двери в “Мультивселенную”». В новостях ВВС приводились слова Гута, что эксперимент заслуживает Нобелевской премии. В английском еженедельнике New Scientist теоретик из Гарварда Ави Лоеб назвал результаты «самым важным прорывом в космологии за последние 15 лет». Кристин Пуллиам собрала около 3500 вырезок с новостью о заявлении ученых. Сайт BICEP2, где были выложены научные публикации команды, набрал свыше 5 млн просмотров за два дня.

Короткое видео на YouTube, в котором Чао-Линь Куо сообщает новости своему наставнику из Стэнфорда Андрею Линде (записанное задолго до пресс-конференции), разошлось по всей сети[74]. Видно, что Линде и его жена Рената Каллош (также физик-теоретик) взволнованы сообщением Куо. Когда они открывают дверь своего дома, Куо говорит всего лишь: «Итак, у меня для вас сюрприз. Пять сигма, это 0,2» – имея в виду неожиданно сильный сигнал с высоким уровнем статистической значимости. Каллош обнимает его; вскоре откупоривается бутылка шампанского.

Однако у шумихи и эйфории есть крупный недостаток. Многочисленные осторожные оговорки, сопровождавшие сообщение команды BICEP2, зачастую оставлялись без внимания, особенно неспециалистами. Это, безусловно, не была вина ученых. Все исследователи, присутствовавшие на собрании, и все эксперты, давшие интервью журналистам, единодушно подчеркивали: «Если это правда», «если результаты подтвердятся», «если это будет подтверждено другими экспериментами», «требуется дальнейшее тщательное изучение». Но многие пропускали предупреждения мимо ушей и слышали только «Большой взрыв», «прорыв», «множественные вселенные» и «Нобелевская премия».

И конечно, «гравитационные волны». Камионковски со всей определенностью заявил, что это было бы важное достижение, совершенное всего за год до столетнего юбилея ОТО Альберта Эйнштейна. Это не прямая регистрация волн, но косвенные свидетельства их существования были бы почти столь же убедительны, что и в случае знаменитого пульсара Халса – Тейлора и других двойных систем нейтронных звезд. В 1970-х гг. ученые вывели существование гравитационных волн, как вывели бы существование вора из факта исчезновения вещей и открытой двери дома. Теперь же были обнаружены, образно говоря, следы взломщика на клумбе.

Если все подтвердится.

Сразу после пресс-конференции другие физики-теоретики высказали свои сомнения. Сигнал В-моды, о котором сообщали экспериментаторы, был намного сильнее, чем все ожидали. Выводы не вполне согласовывались с предварительными результатами других экспериментов. Могла ли команда BICEP2 быть уверена, что ее наблюдения имеют лишь одно возможное объяснение?

Это были обоснованные сомнения, о чем Джон Ковач и его коллеги прекрасно знали. BICEP2 изучал область неба, значительно удаленную от плоскости Млечного Пути, чтобы свести к минимуму риск загрязнения сигнала активным излучением. Дело в том, что частицы пыли в Млечном Пути также излучают в микроволновом диапазоне, и в присутствии магнитных полей эти волны могут проявлять слабую поляризацию с В-модой и всем прочим. Если бы измерения проводились на нескольких различных длинах волны, было бы проще устранить эту потенциальную проблему. К сожалению, детекторы BICEP2 были восприимчивы лишь к волнам определенной длины – 2 мм с соответствующей частотой 150 ГГц.

Стремясь убедиться, что они не заблуждаются, члены команды воспользовались самой качественной доступной информацией о распределении пыли в Млечном Пути. Кроме того, они хотели сравнить свои результаты со свежими данными чувствительного спутника Planck EKA, который изучал космическую пыль. Ковач предложил команде Planck провести совместный анализ двух баз данных, но получил вежливое предложение подождать, пока та опубликует собственные наблюдения, – то есть, вероятно, еще год или два.

Между тем телескоп BICEP2 демонтировали в 2013 г. Эксперимент был завершен, анализ данных почти закончен. Отложить обнародование результатов на два года, рискуя быть обойденными другими? Или рассказать коллегам, что удалось обнаружить?

Ответ стал очевиден в апреле 2013 г. на конференции в Европейском центре космических исследований и технологий в Нордвейке (Нидерланды). Конференция называлась «Вселенная, какой ее увидел Planck» и представляла собой углубленный разбор первых научных результатов миссии. На второй день конференции команда проекта Planck показала предварительные карты распределения галактической пыли и ее поляризованного излучения.

Карты – визуальное представление количественных научных данных, а не конкретные цифры. Результаты были предварительными, и переснятый на смартфон слайд из презентации в PowerPoint не лучший материал для работы, но лучше это, чем ничего. Команда BICEP2 решила действовать. Ученые подготовили статью для Physical Review Letters, и в начале января 2014 г. Ковач обратился в отдел связей с общественностью своего института. Возможно, новости заслуживают пресс-конференции?

Обычно университет или исследовательский институт не выносит на публику научные результаты, прежде чем посвященная им статья будет принята к публикации. Исключение делается, только если один или два анонимных рецензента имели возможность внимательно прочитать ее и прокомментировать. (Вероятно, вы помните, что Альберта Эйнштейна шокировал этот процесс коллегиальной экспертизы в давние 1930-е гг.) Однако отдел связей с общественностью Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики не захотел так долго ждать. Его сотрудники были убеждены, что новости все равно просочатся, и провели короткий научный симпозиум по проекту BICEP2 утром 17 марта 2014 г. в аудитории Филипса. К этому собранию и была приурочена пресс-конференция[75].

Увы, результаты не выдержали проверки временем, как и предрекали первые критики. Внимательно изучив данные – они были опубликованы на сайте проекта в день пресс-конференции, другие ученые нашли серьезные недостатки в подходе команды Ковача к решению проблемы загрязнения галактической пылью. Скоро стало ясно, что смелые заявления участников BICEP2 следует приправить крупицами скепсиса (или, скорее, пыли). В том же году наконец начался совместный анализ с командой проекта Planck, и первоначальный вариант статьи о BICEP2 пришлось переписывать. Анализ дал значительно более низкую оценку относительной выраженности крупномасштабных паттернов В-моды. С учетом сомнений в измерениях невозможно исключить вероятность того, что они вообще не выявляются. Итак, нет убедительного свидетельства существования первичных гравитационных волн. Нет доказательства инфляции Вселенной. Нет революции в науке.

Во всяком случае, пока нет.

_________

Оглядываясь в прошлое, Джон Ковач не слишком сожалеет о том, как все обернулось. Наука – это бесконечный процесс получения данных и корректировки выводов, замечает он. Более того, сами ученые никогда не скрывали все неопределенности и вероятные ловушки, и их профессиональная репутация не пострадала. «Мы узнали нечто важное о научной коммуникации в эпоху интернета, – добавляет Ковач. – Необходимо предельно четко осознавать все, что вы делаете или говорите. Нужно также проследить, чтобы все потенциальные проблемы были полностью освещены». (Я бы добавил, ваш интернет-канал должен иметь достаточную пропускную способность.)

Я пишу эти строки почти через три года после обнародования результатов эксперимента BICEP2. Между тем Keck Array – инструмент из пяти телескопов, аналогичных использовавшимся в BICEP2, собранных на одной платформе, – в течение нескольких лет сканирует небо на двух частотах. Он уже работал во время моей поездки в Антарктиду в декабре 2012 г. В мае 2016 г. к поиску присоединился более крупный и эффективный инструмент BICEP3, разместившийся в самой южной точке земного шара. BICEP3 имеет апертуру 68 см и содержит 2560 микроволновых детекторов.

Намного больший «Южный полярный телескоп», а также Атакамский телескоп на Ллано де Чайнантор на севере Чили теперь оборудованы поляризационно-чувствительной камерой. Действует еще много не столь крупных инструментов и проектов с забавными названиями, например: «Кихот» (QUIJOTE), «Белый медведь» (POLARBEAR), «Амеба» (AMiBA) и CLASS. Китайские астрономы строят в Тибете новый телескоп для изучения микроволновой поляризации. Продолжаются эксперименты с воздушными шарами, наследники EBEX Шаула Ханани, в частности Spider и PIPER. В любой момент один из этих проектов может увенчаться заявлением о первой регистрации крупномасштабных паттернов В-моды, а значит, и гравитационных волн, возникших в момент рождения Вселенной.

Гонка стала конкурентной как никогда, говорит Ковач. В то же время достигнут небывалый уровень кооперации. Многие ученые участвуют более чем в одном эксперименте. Разные команды совместно анализируют данные. Научное сообщество строит планы на будущее. Возможно, года через два пора будет задуматься о новой космической миссии.

Случай с BICEP2 стал поучительным для участвовавших в нем ученых. Команды LIGO и Virgo тоже многое из него усвоили. С самого начала экспериментов по поиску гравитационных волн в 1960-х гг. были и сомнения, и ложные сенсации, и опровержения, приводившие к большим конфузам. Шумиха, сопровождавшая преждевременное оглашение результатов BICEP2, не укрепила и без того шаткую репутацию этой области исследования. Команды LIGO и Virgo решили не объявлять о регистрации космических гравитационных волн, пока не будут абсолютно уверены в своих выводах и результаты не пройдут проверку коллегами-рецензентами. И даже тогда коммуникация со СМИ и общественностью должна осуществляться профессионально и должным образом контролироваться.

Усовершенствованная LIGO была почти готова к работе. Детекторы в Хэнфорде и Ливингстоне получили «полное запирание», что в случае интерферометра аналогично получению первого изображения на новом оптическом телескопе. Состоялся первичный ввод в эксплуатацию. Ученые, инженеры и техники проводили последние тесты и проверки. Два детектора были включены в режиме инженерной проработки. В пятницу, 18 сентября 2015 г., должен был состояться официальный старт научного запуска № 1.

Попутно ученые, занятые в проекте LIGO, совершенствовали протоколы: что делать в случае регистрации, как проверять ее подлинность, когда информировать прессу, почему важно ничего никому не говорить, пока не будет абсолютной уверенности в каждом заявлении. Для всего имелись правила и рекомендации. С учетом повышенной чувствительности усовершенствованных детекторов можно было рассчитывать на первую регистрацию волн Эйнштейна в течение нескольких недель или месяцев.

Можно было…

Если повезет.

11

Попалась!

Колебания ткани пространства-времени несутся сквозь Вселенную. Ничтожное возмущение четырех измерений едва уловимо меняет местное искривление. За минувшие 1,3 млрд лет оно чрезвычайно ослабло, но не исчезло – тихое вибрирующее эхо драматического события, словно отзвук грома, медленно затухающий вдали, когда вспышка молнии давно погасла.

Гравитационная волна не одинока. Множество одинаковых волн распространяются во Вселенной – во всех направлениях и в широком спектре частот и амплитуд – миллиарды лет. Почти незаметно, но постоянно пространственно-временной континуум колеблется, будто барабанная перепонка. Однако эта волна особенная. Ей суждено стать первой в истории Вселенной гравитационной волной, зарегистрированной людьми.

Мчащаяся сквозь пространство со скоростью 300 000 км/с волна вошла в нашу Галактику около 100 000 лет назад. Она вызывала легчайшую дрожь звезд и планет, двигаясь по Млечному Пути в нашем направлении. В 1915 г., когда Альберт Эйнштейн сформулировал ОТО, ей оставалось преодолеть всего 100 св. лет, чтобы встретиться с маленькой планетой, населенной любознательными существами.

Она приходит с юга. Дата: понедельник, 14 сентября 2015 г. Время: 09:50:45 по Гринвичу. На крохотную часть секунды Земля растягивается и сжимается на 1/10 квинтиллионной доли процента – 1/10^21. Все на планете расширяется и сокращается вместе с ней, в том числе лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория в Ливингстоне, штат Луизиана, а через 7 мс аналогичный детектор LIGO в Хэнфорде, штат Вашингтон.

Очень скоро все успокаивается. Гравитационная волна продолжает путешествие в дальние пределы глубокого космоса. Через 1,3 с она пересекает орбиту Луны и через несколько часов покидает Солнечную систему, продолжая слегка деформировать все, что оказывается на ее пути.

_________

Понедельник, 14 сентября 2015 г., – самый обычный день. В Лондоне родители певицы и композитора Эми Уайнхаус, наверное, оплакивают свою талантливую дочь, которая сегодня праздновала бы 32-летие, если бы не покончила с собой чуть больше 4 лет назад. Специалисты по космонавтике, любящие историю, поминают советский космический зонд «Луна-1» – первый рукотворный объект на другом небесном теле, – разбившийся о лунную поверхность ровно 56 лет назад. Но для большинства людей это ничем не примечательный день.

В то утро исследователь-постдокторант Марко Драго в одиночестве сидит в своем кабинете в Институте Альберта Эйнштейна в Ганновере. Он изучает физику в итальянской Падуе, родном городе Галилео Галилея, одним из первых изучавшего гравитацию, в свободное время играет на пианино Моцарта и Бетховена и пишет фэнтези – уже опубликовал два романа о драконах и мальчике по имени Марко (drago по-итальянски – «дракон»)[76].

Примерно в 11:54 по местному времени в ящик электронной почты Драго падает письмо. Это автоматическое оповещение линии передачи данных LIGO: множество таинственных цифр и автоматически сгенерированных гиперссылок. Очевидно, программа обнаружила какую-то аномалию около трех минут назад. Интересно.

Драго переходит по одной из гиперссылок. На экране раскрываются графики выходного сигнала детектора. Он знает, как они должны выглядеть: волнистые линии, соответствующие невообразимо слабым движениям зеркал из аморфного кварца, подвешенных в концах плеч интерферометра. Конечно, сейсмический шум. Даже в LIGO невозможно добиться абсолютной неподвижности зеркал с точностью до одной десятитысячной размера атомного ядра.

На сей раз все иначе. Шум присутствует, но на него накладывается гораздо более сильный сигнал: синусоидальная волна, попеременно вздымающаяся и опускающаяся. Она колеблется все более размашисто и часто, быстро слабеет и исчезает, оставив только фоновый шум. Все происходит примерно за десятую долю секунды и наблюдается не только в Ливингстоне. В Хэнфорде то же самое – несколькими миллисекундами позже. Не просто интересно – очень интересно!

Драго идет в кабинет своего коллеги Эндрю Лундгрена – в соседнюю дверь наискосок по коридору. Лундгрен проработал здесь дольше, он более опытен. Вместе они смотрят на графики. Извилистые линии выглядят точно как на симуляциях, прекрасно им известных. Увеличение частоты и амплитуды – характерный чирп сигнала гравитационной волны. Неужели?.. Да ну, не может быть. Сигнал неожиданно силен. Он отчетливо виден; его легко выделить из шума без специального программного обеспечения. Наверное, есть другое объяснение. Это просто невозможно… Или возможно?

«Позвоним на пост управления», – предлагает Лундгрен. Два детектора работают в инженерном режиме. Официальный старт первого научного запуска назначен на пятницу. Еще проводятся всевозможные тесты. Вероятно, это преднамеренное «аппаратное внедрение» для измерения отклика системы. Да, наверняка. Не будем нервничать.

В Хэнфорде 3:30 ночи. На телефонный звонок никто не отвечает. Дежурный оператор Нуцини Кийбунтю только что пришел и пропустил звонок. В Ливингстоне (5:30 утра) оператор Уильям Паркер говорит, что ничего не знает об аппаратных внедрениях. За последние две недели ученые проекта LIGO Анамария Эффлер и Роберт Скофилд провели множество диагностических тестов, но вчера был последний день их работы. Они сильно задержались и ушли не раньше 4:30.

Что дальше?

Могло ли иметь место аппаратное внедрение, о котором никто не знал? Слепое внедрение, осуществленное тайной командой, которой LIGO Laboratory поручила держать коллектив в тонусе и постоянно следить за всем происходящим в обсерваториях? Похожие проверки проводились раньше на первоначальном оборудовании. Зачем устраивать их сейчас, прямо перед первым научным запуском? Более того, Лундгрен говорит Драго, что сложная последовательность событий, необходимая для правильного слепого внедрения, еще находится в стадии подготовки.

В 12:54 дня, через час после получения оповещения по электронной почте, Драго пишет всевозможным группам научной коллаборации LIGO, отвечающим за анализ импульсов, программное обеспечение для анализа данных, изучение тесных двойных систем космических объектов, калибровку оборудования, обеспечение характеристик детектора, пусконаладочные работы и научные запуски, а также в центр популяризации науки LIGO и даже на электронный адрес lsc-all@ligo.org.

Привет всем,

cWB за последний час внес в gracedb очень интересное событие.

https://gracedb.ligo.org/events/view/G184098

Понять эту абракадабру может только участник проекта LIGO. cWB – это канал регистрации когерентной (coherent) ударной волны (Wave Burst). Grace DB – база данных событий-кандидатов, которые могли бы оказаться гравитационной волной. (Кстати, не тратьте время, набирая указанный адрес в своем браузере, – без логина LIGO доступ невозможен.) Следующие несколько строк – другие гиперссылки. Марко завершает письмо запросом дополнительной информации:

Оно не обозначено в качестве аппаратного внедрения, как нам представляется после короткого расследования. Кто-нибудь может подтвердить, что это не аппаратное внедрение?

Марко

В США еще ночь или очень раннее утро, и пройдет несколько часов, прежде чем большинство американских членов коллаборации LIGO прочтут сообщение. Исключение – Стэн Уиткомб из Калифорнийского технологического института. Ему почему-то не спится. Примерно в 4:00 утра он встает и включает компьютер, чтобы проверить почту. Письмо Драго пришло несколько минут назад. «О, черт, – бормочет Уиткомб, – я буду очень занят следующие несколько месяцев».

Уиткомб работает в институте с 1980 г. Он один из авторов знаменитой «Синей книги» 1983 г. – первой оценки стоимости строительства интерферометра типа LIGO. Он тесно сотрудничал с Роном Древером при создании 40-метрового институтского прототипа и, 6 лет проработав в промышленности, в 1991 г. вернулся в проект LIGO в качестве сопредседателя комитета по оценке объекта и в дальнейшем главного исследователя проекта.

Стэн Уиткомб недавно объявил, что уволится из Калифорнийского технологического института во вторник, 15 сентября. Он не собирается совершенно бросать исследования и пообещал пресс-секретарю LIGO Габриэле Гонсалес оставаться сопредседателем оценочного комитета до тех пор, пока Afvanced LIGO не найдет что-нибудь интересное. Вроде бы спокойная работа – пара собраний и телеконференции и немного бумаг. Но сначала – заслуженное свободное время. Он планирует в среду съездить в Колорадо навестить мать[77].

И вдруг это. Настоящий чирп, не симуляция. И какой! Малая продолжительность, относительно низкая частота в конечной точке – это может быть только столкновение двух весьма массивных ЧД. Нейтронные звезды с меньшими массами сливались бы дольше. Более того, они имели бы более высокую орбитальную частоту в результате слияния, поскольку их размеры гораздо меньше. Уиткомб убежден, что это настоящий результат. LIGO сделала первую регистрацию. Есть!

Конечно, Уиткомб не может снова лечь спать. Позднее тем утром, выгуливая собаку вместе с женой, он говорит: «Я знаю, что обещал проводить больше времени дома после выхода в отставку. Но, боюсь, я буду очень занят». Он не отменяет поездку в Колорадо, но в доме матери проводит у компьютера по два часа ежедневно.

Габриэла Гонсалес расстроена. Уроженка Аргентины, она работает физиком в Университете штата Луизиана в г. Батон-Руж и с 2011 г. является пресс-секретарем научной коллаборации LIGO, заняв эту должность после Рэя Вайсса из MIT, Питера Солсона из Сиракузского университета и Дэвида Райтце из Университета Флориды. Последние месяцы и недели она не покладая рук составляла и совершенствовала протоколы и процедуры. Очевидно, этот постдокторант из Ганновера не удостаивает их вниманием: Марко Драго разослал свое письмо всем и каждому, даже абонентам из адресного списка «lsc-all». К счастью, список проходит модерацию, а модератор как раз Гонсалес, так что эта рассылка не проходит. Но она не может помешать письму Драго дойти до всех остальных команд, которым он его отправил. Сейчас, наверное, все обсуждают случившееся.

Конечно, Гонсалес тоже воодушевлена[78]. Сначала она считает мощный сигнал результатом теста, но быстро выясняет, что никаких тестов в это время не проводилось. От Майка Лэндри, руководящего регистрациями в хэнфордской обсерватории, приходит текстовое сообщение: «Габи, ты давала разрешение на слепое внедрение?» Джо Джайме, глава обсерватории в Ливингстоне, задает тот же вопрос. Нет, не давала. Такое разрешение действительно исходило бы от нее и только после консультаций с руководством проекта. Простые проверки доказали, что внедрения не было, по крайне мере по обычной процедуре. Следовательно, это самая настоящая гравитационная волна – если только не сбой программы, аномалия инструмента или злонамеренный взлом, что должен выяснить комитет по регистрации. Все описано в процедурах.

Процедуру автоматизированного оповещения остальных наблюдателей внедрить не успели. Около 20 наземных и космических обсерваторий заключили особое соглашение с научной коллаборацией LIGO. Как только гравитационная волна будет зарегистрирована, они направят свои телескопы и инструменты на ее предполагаемый источник (читайте об этом в главе 14), чтобы узнать, видно ли что-нибудь в рентгеновском, оптическом или радиодиапазоне частот. Любой электромагнитный сигнал – например, высокоэнергетическое излучение вследствие события взрывного характера – будет перемещаться с той же скоростью, что и волна Эйнштейна (со скоростью света), следовательно, придет на Землю одновременно с ней. Но вполне вероятно, что он будет регистрироваться дольше гравитационной волны.

Неизвестно, является ли сегодняшний сигнал подлинным. В любом случае невозможно с точностью определить, откуда он поступил. Но Гонсалес и Фульвио Риччи, пресс-секретарь Европейской коллаборации Virgo, решают отправить другим командам проекта сообщение с координатами огромной вытянутой области в небе Южного полушария, где гравитационная волна – если это действительно она – могла возникнуть. Возможно, в небе можно что-то наблюдать, но вскоре эффект исчезнет, и нужно безотлагательно начать поиск, даже если целеуказание очень неточно.

Больше всего Гонсалес волнует вопрос секретности. Никто, кроме членов коллаборации, не должен узнать о сигнале. Еще не время. Основной посыл протокола действий при регистрации – «соблюдать конфиденциальность». После Джо Вебера и BICEP2 никто не хочет делать заявление, которое будет опровергнуто на следующем этапе. Это тяжелый удар по репутации.

В среду, 16 сентября, Гонсалес встречается с пресс-секретарем Риччи и директором коллаборации Virgo Федерико Феррини, а также с исполнительным директором LIGO Дэвидом Райтце и его заместителем Альбертом Лаццарини. Вместе они пишут электронное письмо тысяче с лишним членам коллаборации LIGO – Virgo, или LVC:

Дорогие адресаты!

Многие из вас уже слышали об интересном кратковременном кандидате в события, обнаруженном в потоке данных ER8 в минувшие выходные… Мы поделились данными с партнерами-астрономами, которые могут проверить это инициирующее событие…

Мы хотим напомнить всем о необходимости соблюдать строгую конфиденциальность в отношении данного кандидата и в целом в отношении всех кандидатов и результатов. Обсуждения и сообщения по результатам деятельности коллаборации с людьми, не являющимися членами LVC, «недопустимы», пока результаты не будут обнародованы. Утечки и слухи лишь усложнят наши изыскания.

К некоторым из вас могут обратиться друзья и коллеги с вопросами об этом кандидате в события и возможных будущих кандидатах в 01… Пожалуйста, сообщайте обо всех специфических запросах людей, не входящих в LVC, пресс-секретарям LSC и Virgo.

Спасибо!

Габи, Фульвио, Дейв, Альберт, Федерико

Однако трудно молчать, когда твоя команда только что сделала открытие века. Марко Драго делится новостью с родителями в Италии, Стэн Уиткомб – с женой, другие сотрудники – с партнерами и подругами. В Кембридже, штат Массачусетс, кто-то делает ошибку в адресной строке и случайно отсылает письмо об открытии сотрудникам финансового отдела MIT. К счастью, те не знают физики. Очевидно, известие так или иначе просочится наружу.

Действительно, кто-то проговаривается Лоуренсу Крауссу, физику-теоретику из Университета штата Аризона в Темпе, автору нескольких научно-популярных книг. Краусс не раскрывает имя источника[79]. Этот человек не член коллаборации, но выдающийся, отмеченный премиями физик-экспериментатор – вот и все, что он соглашается сказать. В пятницу, 25 сентября, он размещает новость в Twitter:

Ходят слухи о регистрации гравитационной волны детектором LIGO. Потрясающе, если это правда. Если подтвердится, выложу подробности.

Твит Краусса вызывает ажиотаж в СМИ. Габриэлу Гонсалес охватывает отчаяние. Ей начинают звонить журналисты. LIGO действительно что-то зарегистрировала? Когда? Как? Зачем такая секретность? Событие было единственным? Будет ли официальное сообщение? В тот же день она пишет второе письмо членам коллаборации LIGO и Virgo.

…Пожалуйста, *воздержитесь* от любых комментариев или откликов на эти твиты и, разумеется, не разглашайте никакую информацию о событии… Повторяю, пожалуйста, не участвуйте в обсуждениях этой темы в социальных СМИ.

Габи

P. S. Я очень разочарована, что эти важные новости так быстро попали в СМИ – в KSc много членов, но я искренне считала, что мы можем рассчитывать друг на друга в плане сохранения возможности заниматься наукой, ни на что не отвлекаясь.

Она решает не вступать в контакт с Крауссом. С ним никто не будет общаться. Игнорировать слухи – лучшая стратегия на данный момент. Официальный ответ на запросы СМИ предлагает журналистам набраться терпения: «Потребуются месяцы, чтобы проанализировать наши данные и выделить активный и фоновый сигналы, поэтому сейчас мы ничего не можем сказать».

Конечно, журналисты, пишущие о науке, расспрашивают Гонсалес и о слепых внедрениях. Некоторые вспоминают события 2009 г. и 2011 г., когда действовали первоначальные версии LIGO и Virgo. Каждый участник обеих команд знал о возможности слепых внедрений[80]. Два или три человека, занимавших в коллаборации высокую должность, имели право создать в потоке данных интерферометра ложный сигнал, чтобы протестировать эффективность программного обеспечения для анализа данных, проверить, смогут ли теоретики сделать правильные выводы из характеристик сигнала, приобрести опыт написания профессиональных публикаций и выявить необходимость изменения процедур.

При регистрации любого сигнала гравитационной волны и его передаче на дальнейший анализ эта рабочая группа сотрудников должна была запечатать в конверт сообщение, был ли сигнал слепым внедрением. Только по окончании работы с сигналом конверт следовало вскрыть и узнать ответ.

Безусловно, это держало сотрудников в тонусе. Осенью 2007 г. и в течение почти всего 2008 г. ученые LIGO трудились над детальным анализом сигнала, зарегистрированного 22 сентября 2007 г. и, соответственно, названного Событием равноденствия. Все три детектора – LIGO в Хэнфорде, LIGO в Ливингстоне и Virgo – зарегистрировали слабый чирп среди шума. Он выглядел именно так, как и должен был предположительно выглядеть результат сближения по спирали, столкновения и слияния нейтронных звезд двойной системы.

Однако последующий анализ показал, что Событие равноденствия недостаточно убедительно, чтобы объявить о регистрации волн Эйнштейна. Вероятность того, что «сигнал» представляет собой статистическую погрешность, была слишком высока. Поэтому осенью 2008 г. ученые согласились не считать Событие равноденствия кандидатом на регистрацию гравитационной волны.

Только в марте 2009 г., когда анализ был полностью завершен, стало известно, что сигнал являлся слепым внедрением. Также было сообщено о более раннем слепом внедрении всего за 9 дней до События равноденствия – оставшемся совершенно незамеченным программным обеспечением детектора. Это был очень поучительный опыт.

Второе знаменитое слепое внедрение 16 сентября 2010 г. получило название «Событие Большого Пса». Этот сигнал был гораздо более заметным, и его также зарегистрировали все три детектора. Он выглядел как чирп, который можно ожидать вследствие столкновения нейтронной звезды и ЧД. Крохотные различия во времени прибытия сигнала в три обсерватории свидетельствовали, что столкновение произошло где-то в созвездии Большого Пса, отсюда название.

На сей раз все выглядело очень убедительно. Долгие месяцы ученые выполняли анализ и готовили статью об открытии для Physical Review Letters, прекрасно зная, что Событие Большого Пса может оказаться ложным сигналом. Только 14 марта 2011 г. (в 132-ю годовщину со дня рождения Альберта Эйнштейна), когда команда согласовала окончательный вариант статьи, на собрании в Аркадии (Калифорния) открылась правда. Джей Маркс из Калифорнийского технологического института, тогдашний директор LIGO, открыл «конверт» (в действительности представлявший собой флешку с презентацией в PowerPoint), и около 350 присутствовавших членов коллаборации узнали, что гонялись за миражом. Шампанское за проделанную работу все-таки выпили, но статью в Physical Review Letters, конечно, не подали. Выяснилось также, что и в этом случае было второе слепое внедрение во время того же научного запуска, оставшееся незамеченным.

Событие равноденствия и Событие Большого Пса были внедрены в сентябре. Неудивительно, что в сентябре 2015 г. многие ученые подозревают, что им снова морочат голову. Но Габриэла Гонсалес знает, что это не фейк. Это невозможно. Конечно, она не сообщает эту информацию назойливым журналистам. Им говорят только, что ложные сигналы в прошлом действительно использовались. Однако с членами коллаборации она откровенна, и все понимают, что сигнал, зарегистрированный 14 сентября, может быть подлинным.

Может быть, и их ждет тяжелая работа. Если сигнал не является слепым внедрением, это не означает, что он вызван настоящей гравитационной волной из космоса. Есть десятки других причин, например программный сбой. За регистрацию крайне слабой вибрации зеркал Хэнфорда и Ливингстона отвечают тысячи строк компьютерного кода. Не бывает программ без багов, это знает любой программист. Этот вопрос нужно детально прояснить.

Возможно, сигнал был вызван землетрясением на другой стороне планеты. Кто-то должен проконсультироваться в Геологической службе США. Как насчет ударной волны в атмосфере из-за крупного метеорита или даже его падения где-то в безлюдной местности? Другой сотрудник сверится с записями регистраторов инфразвука. Причиной мог стать редкий феномен в магнитном поле Земли. Следует обратиться за записями со спутников к специалистам по физике плазмы. Иногда сильные грозы даже создают волны в ионосфере – слое заряженных частиц высоко в атмосфере Земли. Чуткие инструменты могли среагировать на множество природных явлений. Все необходимо проверить и перепроверить.

Это задача регистрационной комиссии, председателями которой являются Стэн Уиткомб из LIGO и Фредерик Марион из коллаборации Virgo. Они точно знают, что делать. Протоколы готовы. Каждый из членов комиссии – как в США, так и в Европе – решает собственные задачи. Каждый занимается лишь некоторыми потенциальными источниками сигнала. Выполняются списки заданий, заполняются отчетные таблицы. Медленно, но верно возможные альтернативы отбрасываются одна за другой. Например, согласно международной метеорологической базе данных об ударах молний, примерно во время регистрации сигнала произошел чрезвычайно мощный разряд молнии в Буркина-Фасо в Западной Африке. Последующий детальный анализ, однако, показывает, что он не мог повлиять на зеркала LIGO.

Нужно проверить еще многое. Бесспорно, модулированный сигнал увидели оба детектора LIGO практически в одно и то же время. Возможность совершать такие одномоментные регистрации была главной причиной строительства двух интерферометров. Тем не менее необходимо исключить любой источник местного шума. Проще говоря, одновременно в двух местах захлопнувшиеся двери или проехавшие грузовики – это невероятно, но не невозможно. Вот еще одна важная задача регистрационной комиссии. Был ли кто-нибудь в туннелях интерферометров во время события? Чтобы выяснить это, проверяются все наличествующие журналы, камеры и микрофоны. Не происходило ли чего-нибудь необычного в непосредственной близости от детекторов? Необходимую информацию можно получить от датчиков состояния окружающей среды всех типов. Не наблюдалось ли магнитных аномалий или других аппаратурных эффектов, могущих потревожить систему подвеса зеркал, лазер или фотодетектор? Все отслеживается и записывается, и достаточно просмотреть все данные, чтобы исключить эти варианты.

Стэна Уиткомба преследует ужасное видение: кучка студентов-дипломников в баре Ливингстона, перебрав пива, обдумывает способы «по приколу» взломать систему. В коллаборации много исключительно ярких личностей. Что, если кому-нибудь пришел в голову оригинальный способ получения доступа к потоку данных или замены электронной платы в одной из компьютерных стоек? Допустив это, нельзя исключить и вредительства мстительного бывшего сотрудника. Однако и эти сомнительные варианты в конце концов удается отбросить.

Уиткомб признает, что абсолютная убежденность – редкость в науке. ЦРУ или тайная полиция Северной Кореи, возможно, сумели бы обвести вокруг пальца его регистрационную комиссию. Или Том Круз в очередном фильме «Миссия невыполнима». Но не шутник в команде или одиночка со стороны. По словам одного из членов комиссии, если бы кто-нибудь сумел провернуть такое дело, то сам заслуживал бы Нобелевской премии.

В течение октября и ноября проводятся все мыслимые перекрестные проверки. Сбои в работе ближайших ЛЭП, низко летящие самолеты, механический износ вакуумного насоса, мобильный телефон, забытый техником в зоне детектора, – ничто не объясняет сигнал 14 сентября. Регистрационная комиссия проверяет даже деятельность других команд и рабочих групп коллаборации, чтобы убедиться в их добросовестности. Процесс продолжается в декабре.

К этому времени все уверены в успехе. Это она – первая гравитационная волна из глубокого космоса. Кстати, не последняя. В понедельник, 12 октября, регистрируется еще один вероятный кандидат, хотя и гораздо менее отчетливый, чем первый. Третий, с очень высоким доверительным уровнем, обнаруживается в субботу, 26 декабря. Через три недели, 19 января, первый научный запуск (О1) усовершенствованного LIGO завершается. Наконец сыграла и последняя буква в аббревиатуре LIGO. То, что долгое время было только чудом техники, превратилось в инструмент астрономических открытий – настоящую обсерваторию. Пульсации пространственно-временного континуума впервые в истории были восприняты на Земле. Через столетие после рождения теории Альберта Эйнштейна его неуловимые волны удалось поймать. Вселенная делится секретами; ликующие ученые начинают расшифровывать сообщение.

Модулированный сигнал, впервые появившийся на экране компьютера Марко Драго утром 14 сентября 2015 г., получает полноценное имя. Никто больше не сомневается, что это настоящая гравитационная волна – GW150914[81].

_________

В октябре 2015 г. команда LIGO по образованию и работе с общественностью задумывается, как сообщить новость миру. Не сию минуту – точно не раньше, чем статью об открытии примут к публикации после непредвзятой независимой оценки результатов, поскольку никто не хочет повторения истории BICEP2, – но в ближайшие четыре месяца.

Пресс-конференцию нужно тщательно подготовить и умело провести, исключив риск быть неправильно понятыми. Планируется организовать две одновременные пресс-конференции: одну проведет Национальный научный фонд (NSF) в Вашингтоне (округ Колумбия), другую – Virgo в Европейской гравитационной обсерватории в Италии. Их нужно согласовать со многими заинтересованными лицами. Возможно, имеет смысл пригласить стороннего эксперта, имеющего большой опыт коммуникаций на темы космоса и астрономии.

Фиона Харрисон, специалист по физике высоких энергий, выдвигает предложение. Она является профессором кафедры физики, математики и астрономии Калифорнийского технологического института, а также главным исследователем миссии НАСА «Космический телескоп жесткого рентгеновского диапазона» (Nuclear Spectroscopic Telescope Array, NuSTAR). В этом качестве она имела опыт работы с ответственной по связям с общественностью Уитни Клэвин из ЛРД, что в нескольких километрах к северо-западу от Калтеха, и знает, что Уитни – настоящий профи[82].

JPL – это научно-производственный центр НАСА, занимающийся миссиями в области планетологии и наблюдения Земли. Им руководит Калтех, и два учреждения связаны множеством уз. Клэвин, разумеется, очень рада узнать об открытии. Еще больше ее воодушевляет предложение о сотрудничестве с Калтехом, MIT и NSF в качестве координатора медиакампании.

В JPL Клэвин обычно сотрудничает с двумя художниками-графиками. За годы работы Роберт Хёрт и Тим Пайл создали сотни образцов инфографики, видеоанимации и прекрасных художественных работ по множеству тем – от экзопланет до инфракрасной астрономии. Хёрт по образованию специалист по инфракрасной астрономии и, услышав от Клэвин, что они с Пайлом будут делать все графики и рисунки, посвященные первой регистрации гравитационной волны обсерваторией LIGO, сначала не может сдержать радостный возглас. Потом эмоции берут над ним верх. Пайл, профессиональный художник-график, не имеющий научной степени, спрашивает: «Что такое гравитационные волны? И кстати, почему Роберт плачет?»

Как все члены коллаборации LIGO, они должны хранить секрет. Клэвин не имеет права объяснить никому в JPL, куда отлучается. Телеконференции проходят за закрытыми дверями. Секретничать трудно – приходится координировать работу с очень многими людьми. И ничто, никакую мелочь нельзя пустить на самотек.

Необходимо подготовить ученых, которые будут выступать на пресс-конференции в Соединенных Штатах, – директора LIGO Дэвида Райтце, пресс-секретаря коллаборации Габи Гонсалес и отцов-основателей Рэя Вайсса и Кипа Торна. Еще больше электронных писем, телефонных звонков и телеконференций. Не распыляйтесь. Будьте кратки. Говорите просто и ясно. Избегайте научного жаргона. Пользуйтесь выразительными сравнениями. Клэвин натаскивает каждого: три репетиции по телефону, две – при личной встрече. Райтце это нравится; Вайсс и Торн не в восторге, ведь отработанное выступление – это скучно, но все остаются довольны результатами.

Рон Древер, третий инициатор LIGO, не сможет присутствовать. Ему 84 года, он страдает деменцией и живет в доме престарелых в Глазго. Зато Франс Кордова, директор NSF, будет обязательно. Пресс-конференция пройдет в Национальном пресс-клубе недалеко от Белого дома. Клэвин обращает особое внимание на то, чтобы интернет-канал имел достаточную пропускную способность – будет вестись прямая трансляция на YouTube.

Назначить дату оказывается трудно. Она должна быть удобной для всех участников, очень занятых людей. Статья об открытии должна быть принята к публикации журналом Physical Review Letters, две дополняющие статьи – другим изданием. В начале января выбор сделан: великая новость будет оглашена в четверг, 11 февраля 2016 г. Остается лишь расставить все точки над i и, разумеется, проследить, чтобы в последние дни не было утечек.

Это проще сказать, чем сделать. 11 января физик Университета штата Аризона Лоуренс Краусс пишет второй твит:

Мое предыдущее сообщение о LIGO подтверждено независимыми источниками. Следите за новостями! Гравитационные волны, возможно, были открыты! Восхитительно.

Твит разлетается по интернету. Ученые LIGO в бешенстве. Краусса обвиняют в безответственности и перетягивании одеяла на себя. Сам он убежден, что задача СМИ – обеспечивать прямую связь широкой общественности и научного процесса. Кроме того, его «кинотрейлер», как он его называет, подогревает медийный интерес к новости. 22 января Краусс в своем университете руководит дискуссией «Наследие Эйнштейна: 100-летний юбилей ОТО». Кип Торн из LIGO – один из участников. Два физика-теоретика общаются, мягко говоря, натянуто.

За восемь дней до пресс-конференции происходит другая, гораздо более конкретная утечка. Электронное письмо физика Клиффа Берджесса, изучающего элементарные частицы в Университете Макмастер в Гамильтоне (Онтарио, Канада), попадает в Twitter в качестве прикрепленного изображения. Оно гласит:

Привет всем, слухи о LIGO, похоже, правда и, видимо, будут обнародованы 11 февраля (безусловно, с пресс-релизом), так что следите за новостями.

Шпионы, видевшие статью, говорят, что наблюдали гравитационную волну от слияния двойной системы ЧД. Они утверждают, что ее регистрация двумя детекторами соответствует ее движению со скоростью с и расстоянию между ними, и сообщают о регистрации с достоверностью на уровне 5.1 sigma. Массы ЧД были 36 и 29 солнечных масс сначала и 62 в итоге. Очевидно, сигнал шикарный, и они даже видят затухание до Керра в конце.

Класс! (Надеюсь.)

8 февраля LIGO объявляет о пресс-конференции. Кроме обычных каналов информирования СМИ анонс транслируется через Twitter:

Объявление о пресс-конференции LIGO 11 февр. В 10:30 по Вост. времени! См. http://bit.ly1TLlihq, чтобы узнать о #AdvancedLIGO и #гравитационных волнах!

В тот же день американский популяризатор науки Джошуа Сокол выкладывает на сайте New Scientist подробный отчет о своем ознакомлении с онлайновыми журналами наблюдений Европейской Южной обсерватории в Чили[83]. Он обнаруживает, что последовавшие за регистрацией LIGO наблюдения начались 17 сентября в большом регионе южного неба. Другая серия дополняющих наблюдений велась с 28 декабря в созвездиях Овна и Гидры. «LIGO могла сопутствовать невероятная удача», – пишет Сокол.

К этому времени повсюду идут разговоры о первом сигнале 14 сентября 2015 г., втором, зарегистрированном в конце декабря, и возможном третьем, октябрьском. За день до пресс-конференции я ввожу в поисковую строку Google запрос «GW150914», поскольку в 2010 г. событие Большого Пса получило название «GW100916». Поиск выдает одно совпадение – случайная интернет-страница проекта LIGO, которая не должна была бы оказаться в публичном доступе. Кроме GW150914, упомянуты GW151012 и GW151226. Только три даты и никаких подробностей. Через несколько часов страница уже не открывается.

Наконец наступает 11 февраля. Директор NSF Франс Кордова делает краткое вступление. Кордова получила степень доктора философии по физике в Калтехе в 1978 г. Кип Торн тогда входил в диссертационный совет, а LIGO был, по ее словам, лишь «смутным видением». Теперь все иначе. «Новый метод наблюдения позволит увидеть нашу Вселенную и некоторые самые мощные ее проявления совершенно иначе», – говорит она слушателям и добавляет, что первоначальные вложения в проект LIGO в 1992 г. были крупнейшей инвестицией в истории NSF.

Демонстрируется короткое вводное видео с бодрым музыкальным сопровождением, представляющее пятерых участников пресс-конференции, включая Кордову[84]. «Вот в чем суть научного открытия, – говорит она. – Вы не ищете простых путей»[85]. За этой репликой следуют несколько чисел: 2 детектора, 1000 ученых, 16 стран, 25 лет. В завершении видео Кип Торн делится своими переживаниями: «Я взглянул и подумал: “Боже мой!” Похоже, это она».

К трибуне выходит Дэвид Райтце. На экране возникает художественное изображение двух сливающихся ЧД. Райтце обводит взглядом аудиторию, широко улыбается и говорит: «Леди и джентльмены. Мы зарегистрировали гравитационные волны! Мы это сделали!» Зал взрывается аплодисментами.

Райтце сравнивает это открытие с созданием Галилео Галилеем нового направления науки – наблюдательной астрономии. Столкновение ЧД он называет «умопомрачительным». Точность LIGO при измерении расстояния до ближайшей звезды сравнивает с толщиной человеческого волоса. «LIGO является научным прорывом сродни полету на Луну, – говорит он. – И мы это совершили. Мы высадились на Луну».

Габриэла Гонсалес описывает регистрацию. «Это первая из множества будущих регистраций, – заверяет она присутствующих и подчеркивает, что это была работа многих людей. – Это общее дело». Рэй Вайсс рассказывает о гравитационных волнах. Он иллюстрирует сжатие и растяжение пространственно-временного континуума, растягивая в разные стороны пластиковую сетку, а также объясняет, как работает LIGO. «Если бы эта технология была доступна Эйнштейну, он изобрел бы LIGO, – шутит Вайсс. – Он был весьма головастым и неплохо знал физику».

Наконец, Кип Торн рассказывает о своем любимом предмете – черных дырах. Слияние двух ЧД, объясняет он, вызвало «яростный шторм в ткани пространства-времени», которая до сих пор всегда представала перед нами спокойной, как океан в штиль. «Короткий, но исключительно сильный шторм мгновенно высвободил в 50 раз больше энергии, чем излучают все звезды Вселенной».

Интернет-трансляция собирает почти 100 000 зрителей. Через несколько дней полмиллиона людей смотрят запись. К концу пресс-конференции 11 февраля, в 11:15 дня, новость разносится по всему интернету. Идет только 2016 г., но люди уже называют случившееся научным открытием века.

На следующее утро The New York Times выходит с фотографией на первой странице, напоминающей кадр из научно-фантастического фильма: техник в белой экипировке в одной из труб LIGO. Заголовки гласят:

СЛАБЫЙ СИГНАЛ ПОЗВОЛЯЕТ УЧЕНЫМ ДОКАЗАТЬ ПРАВОТУ ЭЙНШТЕЙНА

ВОЛНА В ПРОСТРАНСТВЕ-ВРЕМЕНИ

ЭХО СТОЛКНОВЕНИЯ ЧД ЗА МИЛЛИАРД СВЕТОВЫХ ЛЕТ ОТ НАС

Возможно, звучит не столь захватывающе, как заголовки почти столетней давности, когда астрономы подтвердили предсказание Эйнштейна об отклонении света звезды гравитацией Солнца, однако «Эйнштейн был бы счастлив», замечает Франс Кордова. В эти выходные по интернету ходит фотография гигантской статуи Альберта Эйнштейна в кампусе Технологического института Джорджии в Атланте. На шее статуи – надпись от руки: «Я же вам говорил!»

В далекой Германии основоположник изучения гравитационных волн Хайнц Биллинг уже встретил 101-й день рождения. Он выполнил обещание, данное в 1989 г. Карстену Данцманну, – дожил до регистрации волн, но почти полностью оглох и ослеп и страдает серьезными провалами в памяти. Как и Древер, он живет в доме престарелых. В один из кратких моментов просветления более молодые коллеги рассказывают ему об открытии LIGO. «Да-да, гравитационные волны, – отвечает он по-немецки. – Я так много забыл». Биллинг скончался 4 января 2017 г. в возрасте 102 лет.

Рону Древеру новость сообщают родственники. Неясно, вполне ли он понимает, о чем идет речь, и рад ли он. Но у него блестят глаза, когда он видит модулированный сигнал и смотрит пресс-конференцию. В течение четырех месяцев Древер разделит с Рэем Вайссом и Кипом Торном четыре главные награды в научном мире: премию по фундаментальной физике в категории «Передовая линия физики», премию Грубера в области космологии, премию Шао в области астрономии и премию Кавли в области астрофизики. (Премии по фундаментальной физике и от фонда Грубера были разделены между всеми членами коллаборации LIGO – Virgo.) Отцы-основатели Virgo Адальберто Джадзотто и Гвидо Пиццелла удостоились в 2016 г. медали Амальди – европейской награды, которая присуждается раз в два года Итальянским обществом по изучению релятивизма и гравитации[86].

Рон Древер умер 7 марта 2017 г. Едва ли кто-то сомневается, что двое оставшихся основателей LIGO однажды получат самую желанную награду в своей сфере деятельности – Нобелевскую премию.

12

Черная магия

Никто не видел ЧД. До недавнего времени астрономы и физики спорили об их существовании. Теперь утверждают, что обнаружили две сливающиеся ЧД на расстоянии 1,3 млрд св. лет. Косвенные доказательства – слабые возмущения пространственно-временного континуума амплитудой не более одной тысячной диаметра протона, продолжительностью на более двух десятых секунды. Что это, как не слепая вера?

Ясно одно – астрономия совершенно изменилась. В прошлом ученые смотрели на небо и открывали кометы и сверхновые, как голландский астроном Тихо Браге в конце XVI в. В дальнейшем ночь у телескопа приводила к открытию двойных звезд, темных пятен на Марсе и спиральной структуры в бледной туманности. Вы получали то, что видели.

Эти времена прошли. Открытия – или заявления об открытиях – часто основываются на неубедительных на первый взгляд измерениях и глубокой обработке данных. Несколько фотонов, неприметная спектральная характеристика – все сводится к статистическим наблюдениям и анализу вероятностей. Неизменная цель – извлечь из доступных данных всю возможную информацию.

Гравитационно-волновая астрономия не исключение. Извилистые линии на экране компьютера Марко Драго (так называемый чирп волны GW150914) – это единственное свидетельство ее существования, которым мы располагаем. Быстрый подъем частоты и амплитуды – и снова ничего. Что могло вызвать эти ничтожные колебания? Запустите компьютерный анализ данных и получите ответ – соединение двух ЧД в дальней части Вселенной, которого в действительности никто не видел. Похоже на магию.

Тем не менее теоретики, например Кип Торн, совершенно уверены в своих заявлениях. Поскольку сигнал был зарегистрирован только двумя детекторами, трудно с точностью определить место, откуда он поступил. Не известно и точное расстояние – оно может быть любым в интервале от 0,8 до 1,8 млрд св. лет. Но обстоятельства слияния гораздо менее туманны.

В какой-то далекой галактике две ЧД вращались на общей орбите. Одна была в 36 раз массивнее нашего Солнца, другая имела массу в 29 солнечных – значительно больше, чем предполагали астрономы. (Я вернусь к этому моменту в конце главы.) У ЧД такого размера так называемый горизонт событий – сферическая «поверхность» невозврата – имеет диаметр несколько сот километров.

Много миллионов лет две ЧД очень медленно сближались по спирали, поскольку излучение слабых гравитационных волн уносило энергию системы, как в случае пульсара Халса – Тейлора. По мере сближения взаимное обращение ЧД ускорялось. Чем выше ускорение, тем больше амплитуда гравитационных волн. Чем короче орбитальный период, тем, соответственно, выше частота гравитационных волн.

Постепенно две ЧД сблизились на расстояние около 350 км, мчась по общей орбите со скоростью более половины скорости света. Затем в течение доли секунды они слились в намного более массивную ЧД – порядка 62 солнечных масс. Любой ученик начальной школы знает, что 36 + 29 = 65. Что случилось с тремя солнечными массами? Они были превращены в энергию (E = mc^2) и излучены в форме мощного выброса волн Эйнштейна.

Как я уже говорил, пространственно-временной континуум имеет невероятную жесткость, но, если в какой-то точке происходит внезапный выброс энергетического эквивалента трех солнечных масс, даже пространственно-временной континуум не может не завибрировать. Сразу за горизонтом событий гравитационные волны, возникшие в результате слияния черных дыр на расстоянии около 1000 км, на кратчайший миг растягивают и сжимают размеры любого объекта на величину до 1 %. На первый взгляд немного, но достаточно, чтобы разрушить хрупкие химические связи большинства молекул. Вы бы этого не пережили. Всеобщий принцип относительности убил бы вас.

С безопасного расстояния соединение двух ЧД, должно быть, представляет собой великолепное зрелище[87]. На пресс-конференции 11 февраля 2016 г. Торн показал компьютерную анимацию на основе того же научного алгоритма, что использовался в фильме «Интерстеллар». Две ЧД представлены в виде круглых дисков, чернильно-черными силуэтами выделяющихся на фоне звезд. При их орбитальном движении свет фоновых звезд отклоняется то в одну, то в другую сторону сильной гравитацией вблизи горизонта событий каждой ЧД. Эффект гравитационного линзирования создает фантастическую картину сдвигающихся и мерцающих звезд. Две ЧД сближаются по спирали, сливаются, и возникает одна ЧД, вибрирующая, словно гонг, но намного быстрее. Постепенно колебания затухают, все успокаивается. Через миллиард с лишним лет возмущения пространственно-временного континуума, вызванные этой катастрофой, достигают Земли, хотя и с почти неуловимой амплитудой.

Почему ученые настолько уверены, что все произошло именно так? Видео выглядит убедительно, но это всего лишь анимация на основе уравнений ОТО. Откуда Торн и его коллеги знают массы двух слившихся ЧД и массу дыры, возникшей в результате слияния? Откуда они знают, что произошло именно слияние ЧД, а не другое событие? Как можно что-то утверждать, исходя лишь из двух коротких чирпов, зарегистрированных LIGO?

В какой-то мере это продукт здравого смысла и дедукции. Согласно теории Эйнштейна, компактный двойной объект порождает гравитационные волны с частотой, в два раза превышающей орбитальную частоту. Поскольку непосредственно перед слиянием наблюдаемая частота волны составляла порядка 200 Гц, два движущихся по общей орбите объекта совершали около 100 оборотов в секунду. Одно это указывает на то, что массы и плотности объектов были огромны. Продолжительность события также информативна. Сближение по спирали менее массивных объектов заняло бы больше времени. Объекты меньшего диаметра слились бы при большей орбитальной частоте. Наконец, частота волны Эйнштейна во время фазы затухания определяется массой образовавшейся ЧД.

Разумеется, уточнение масс требует значительно более тщательного анализа. Но есть одна проблема: практически невозможно, исходя из наблюдаемого рисунка волны (и чирпа), реконструировать характеристики процесса слияния. Теоретикам приходится сравнивать наблюдения со многими десятками тысяч рассчитанных характеристик волны и искать максимальное совпадение.

В качестве аналогии можно привести отпечатки пальцев. Каждый отпечаток уникален, и отпечаток, найденный детективом, идентифицирует единственного человека. Но невозможно установить, кто этот человек, имея только отпечаток его пальца. Нужна база данных из миллионов отпечатков, в которой ищется совпадение.

Поэтому теоретики посвятили много сил расчету предполагаемых характеристик волн для самых разных событий – в действительности для каждого возможного слияния. Какие волны Эйнштейна ожидаются при слиянии двух нейтронных звезд в 1,4 солнечной массы (как у двух компонентов двойной системы Халса – Тейлора)? В случае более массивных нейтронных звезд? Если одна звезда на 50 % массивнее другой? А если на 40 % или на 60 %? При слиянии нейтронной звезды и ЧД? Или двух ЧД? В случае приливных деформаций? Эксцентрических орбит?

Разные объекты, разные массы и соотношения масс, разный угол зрения, скорость вращения – для любого возможного сочетания можно рассчитать, какая получится волна. За годы теоретики создали библиотеку из нескольких сотен тысяч форм волн. Характерный чирп GW150914 наиболее соответствует прогнозу для волны, вызванной слиянием двух ЧД массами в 36 и 29 раз больше массы Солнца. Таким образом, эти «отпечатки» указали «детективам» LIGO на «подозреваемого». То, что кажется черной магией, является серьезной наукой[88].

Это непростые вычисления. Математическая составляющая ОТО очень сложна, поэтому Эйнштейну потребовалось так много времени, чтобы сформулировать свои идеи. Например, ЧД вызывает деформацию окружающего пространственно-временного континуума. Искривление пространственно-временного континуума – это определенное количество энергии. Согласно Эйнштейну, энергия эквивалентна массе. Таким образом, энергия искривления вызывает некоторое добавочное искривление. Так называемые нелинейные характеристики ОТО делают любое вычисление очень сложным и длительным.

Другую сложность представляет система координат. В теории всемирного тяготения Исаака Ньютона каждое событие можно было описать по отношению к абсолютному пространству и абсолютному времени. Пространство и время задавали инвариантную координатную систему. В ОТО Эйнштейна нет ничего абсолютного. Координатная система (пространственно-временной континуум) испытывает воздействие события, которое вы пытаетесь описать. В случае ЧД пространственно-временной континуум очень сильно искривляется, засасывается и поглощается ее мощной гравитацией. Можете представить, как трудно вычислить местонахождение объекта, если координатная система разорвана в клочья.

Рассчитать ожидаемые формы волны в случае слияния компактных двойных систем – сложная задача. Даже в простейших случаях такие расчеты не проведешь на карманном калькуляторе, тем более на обороте конверта. Только в 1970-х гг. ученые, занимающиеся математической физикой, достигли первых успехов. Сегодня большая часть сложностей в вычислениях преодолена. Однако нужен суперкомпьютер огромной производительности, чтобы проделать расчеты за обозримое время. Создание библиотеки из нескольких сотен тысяч форм волн – колоссальный труд.

Разумеется, библиотека волн Эйнштейна содержит формы волн, возникающих не только вследствие слияния компактных двойных систем. Асимметричный взрыв сверхновой образовал бы волну совершенно иного характера, как и быстро вращающаяся вокруг своей оси нейтронная звезда с крохотной неровностью поверхности. В силу огромной плотности нейтронные звезды считаются самыми совершенными сферами в природе, но «гора» высотой всего в миллиметр может создать доступные для наблюдения гравитационные волны. Во всех случаях детали могут сильно различаться в зависимости от конкретных обстоятельств.

В любом случае с учетом близкого соответствия характеристик волны теоретическим предсказаниям, никто не сомневается, что GW150914 была образована слиянием двух ЧД в 36 и 29 раз массивнее Солнца. Поскольку ОТО дает первоначальную амплитуду возникающих волн Эйнштейна, достаточно простой обратный расчет, отталкивающийся от наблюдаемой амплитуды, позволяет оценить расстояние до места столкновения.

Форма волны второй регистрации (GW151226) совпала с прогнозом для слияния двух ЧД в 14,2 и 7,5 солнечных масс. Они слились на несколько большем расстоянии – 1,4 млрд св. лет. По очевидным причинам анализ этого события не начинался до 11 февраля 2016 г. – ученые LIGO и Virgo были слишком заняты подготовкой к важной первой пресс-конференции. Габриэла Гонсалес, Фульвио Риччи и Дэвид Райтце представили результаты по GW151226 в среду 15 июня на пресс-конференции в рамках 228-го собрания Американского астрономического общества в калифорнийском Сан-Диего[89].

Из-за меньшей массы объектов-участников второго события фаза сближения по спирали происходила медленнее. Наблюдаемый чирп длился дольше целой секунды, тогда как у GW150914 – только 0,2 с. Соответственно, наблюдалось больше фаз волны: 54 фазы (соответствующие 27 виткам орбиты) в отличие от всего 10 фаз (5 витков) первого события. Возникшая в итоге ЧД опять-таки весила меньше суммы двух изначальных – 20,8 солнечных масс. В этом случае энергетический эквивалент 0,9 солнечной массы превратился в гравитационную волну.

Что касается третьего сигнала, зарегистрированного 12 октября 2015 г., то его возможным источником команда считает слияние двух ЧД в 23 и 13 солнечных масс на расстоянии более 3 млрд св. лет. Однако статистическая значимость в этом случае была значительно ниже, чем в двух предыдущих. С учетом типичных флуктуаций фонового шума детекторов вероятность того, что событие не было настоящей гравитационной волной, оценивается в 1 %. Только поэтому оно не получило официального наименования с аббревиатурой GW и называется LVT151012 (LIGO – Virgo Trigger – событие-инициатор LIGO – Virgo). Тем не менее большинство членов коллаборации считают его истинной регистрацией, хотя и менее убедительной – с уровнем доверительной вероятности «всего» 99 %.

Итак, формы волны первых регистраций LIGO указывали на слияние ЧД. По мнению некоторых ученых, наблюдения гравитационных волн представляют собой первое прямое доказательство существования ЧД. Действительно, поскольку, по определению, ЧД не излучает свет (как и любое другое электромагнитное излучение), она недоступна для непосредственного наблюдения – если только вы не «почувствуете» слабейшие вибрации, вызванные ею в ткани пространственно-временного континуума. Единственный способ прямой коммуникации ЧД с окружающим миром – посредством гравитации, единственный доступный им язык – язык гравитационных волн. Другие имеющиеся свидетельства их существования являются частными и косвенными[90].

_________

Идея ЧД намного старше ОТО Эйнштейна. Ее выдвинул английский священник и геолог Джон Мичелл еще в 1783 г., всего через полвека после смерти Исаака Ньютона. Теория всемирного тяготения была хорошо известна и считалась серьезно обоснованной. Мичелл знал, что каждое небесное тело имеет так называемую скорость убегания – скорость, с которой нужно двигаться, чтобы преодолеть гравитационный захват тела. Например, скорость убегания для Земли составляет 11,2 км/с, для Солнца – 617,5 км/с.

«Что, если бы Солнце было еще массивнее?» – задумался Мичелл. Очевидно, его скорость убегания была бы еще выше. В случае достаточно большой и массивной звезды скорость убегания может достигать 300 000 км/с – скорости света. Но что произойдет, если свет не сможет убежать от звезды?

В статье, опубликованной в Philosophical Transactions of the Royal Society of London, Мичелл предложил ответ: «Если бы в природе существовали некие тела, имеющие плотность не меньше солнечной и диаметр, более чем в 500 раз превышающий диаметр Солнца, то, поскольку их свет не смог бы дойти до нас… о существовании [этих] тел… мы не смогли бы получить визуальной информации». Иными словами, если свет не способен преодолеть их силу тяготения, они будут для нас невидимыми. Мичелл, однако, назвал такие тела не черными дырами, а черными звездами.

Разумеется, черные звезды Мичелла никак не связаны с искривленным пространственно-временным континуумом – в 1783 г. этой концепции не существовало. Ученые XVIII в. не знали, что скорость света является самой большой возможной скоростью в природе. Поэтому гипотетические черные звезды Мичелла не считались объектами, которые, как ЧД, ничто никогда не сможет покинуть. Пускай свет не может отойти от черной звезды, космический корабль, вероятно, сумеет, если его двигатели проработают достаточно долго (разумеется, за вычетом того, что в 1783 г. космических кораблей не существовало).

Современное понятие черной дыры возникло в начале 1916 г. Всего за несколько месяцев до этого Альберт Эйнштейн обнародовал ОТО. Возможно, вы помните его уравнения поля (одно из которых увековечено на восточной стене Музея Бургаве в Лейдене). Оказалось, они допускают существование в пространстве областей с гравитацией, достаточно сильной, чтобы искривленный пространственно-временной континуум замкнулся сам на себя. Эти решения уравнений поля независимо получили двое блестящих ученых: 42-летний немецкий физик и астроном Карл Шварцшильд и голландский специалист в области математической физики Йоханнес Дрост, 29-летний студент-дипломник Хендрика Лоренца.

В начале Первой мировой войны, в 1914 г., Шварцшильд вступил в германскую армию и зимой 1915/16 г. одновременно сражался с русскими солдатами на Восточном фронте и с редкой кожной болезнью, пузырчаткой, вероятно приведшей к его смерти в мае 1916 г. Однако в этот период он нашел время и силы написать три научные статьи, в том числе об объектах, которые мы теперь называем черными дырами. Кроме того, Шварцшильд переписывался с жившим в Берлине Эйнштейном по поводу полученных им результатов. Решение Дроста, также высоко оцененное Эйнштейном, было более изящным, но опубликовано только в 1917 г.

Как бы то ни было, стало ясно, что достаточно сильное точечное гравитационное поле должно проявлять ряд необычных свойств. Во-первых, вплоть до некоторого расстояния от него (названного радиусом Шварцшильда) пространственно-временной континуум испытывает настолько сильное искривление, что любое возможное движение в любом направлении завершается ближе к центру, чем началось. Иначе говоря, ничто не может покинуть область внутри радиуса Шварцвальда, будь то элементарная частица, космический корабль или свет. Во-вторых, гравитационное красное смещение в радиусе Шварцвальда насколько велико, что время не только существенно замедляется, но и полностью останавливается – по крайней мере с точки зрения внешнего наблюдателя. В-третьих, любая материя, пересекшая радиус Шварцвальда (иначе – горизонт событий), в итоге оказывается в самом центре с бесконечной плотностью, в математической точке нулевых размерностей. Во всяком случае, это следует из уравнений – что, возможно, свидетельствует о чрезвычайной неполноте нашего представления о процессах, происходящих в ЧД.

Неудивительно, что большинство физиков, включая самого Эйнштейна, сочли «метрику Шварцшильда» не более чем занятным математическим вывертом ОТО. Подобные курьезы не могут быть частью нашей физической реальности, не так ли? В конце концов, «допускается общей теорией относительности» далеко не равнозначно «существует в природе».

В 1934 г. Вальтер Бааде и Фриц Цвики предсказали существование нейтронных звезд (см. главу 6). Нейтронная звезда – это коллапсировавшее ядро массивной звезды, жизнь которой завершилась катастрофическим взрывом сверхновой. Как вы помните, она состоит из плотно упакованных нейтронов (незаряженных ядерных частиц). Фактически нейтронную звезду можно охарактеризовать как атомное ядро размером с мегаполис, и она, бесспорно, имеет ту же невероятную плотность, что и ядро атома.

Через пять лет после предсказания Бааде и Цвики физик-теоретик Роберт Оппенгеймер – впоследствии отец атомной бомбы – заявил, что слишком массивные нейтронные звезды не смогут противостоять гравитации. Нейтронная звезда массой около трех солнечных должна коллапсировать еще глубже – просто потому, что никакой известный закон физики этому не воспрепятствует. Фактически, по мнению теоретика, гравитационный коллапс никогда бы не прекратился. Согласно расчетам Оппенгеймера и его коллеги Харлана Снайдера, материя спрессовывалась все плотнее, в конечном счете образовав в пространстве область настолько мощной гравитации, что ее ничто не могло бы преодолеть.

Именно это и описывали Шварцшильд и Дрост в 1916 г.: бесконечные плотности, экстремальное искривление пространственно-временного континуума, попавший в ловушку свет и «поверхность» невозврата, где время для наблюдателя останавливается. Оппенгеймер и Снайдер назвали такие объекты «застывшие звезды». Термин «черная дыра» не использовался до 1960-х гг. Он впервые появился в репортаже американской журналистки Энн Эвинг в 1964 г. и был вновь введен в обиход Джоном Арчибальдом Уилером в 1967 г., через полстолетия после публикаций Шварцшильда и Дроста.

К этому времени астрофизики уже не могли игнорировать идею ЧД. Если ядро массивной звезды коллапсирует в нейтронную звезду (после прохождения стадии сверхновой), то ядро очень массивной звезды должно коллапсировать в ЧД. Тем не менее многие считали фантастикой существование этих таинственных объектов. Кроме того, если свет не может покинуть ЧД, значит, ее присутствие невозможно доказать путем наблюдений.

Прошло еще полвека, и все изменилось. За минувшие десятилетия астрономы обнаружили множество косвенных свидетельств существования ЧД. Сама ЧД невидима по определению. Но есть нечто, что мы можем наблюдать, – это влияние ЧД на ее окружение. Нельзя увидеть человека-невидимку, но он оставляет следы во дворе, а если сядет на вашу кровать, то сомнет простыни.

Вот как ЧД может выдать свое присутствие. Представьте двойную систему массивных звезд. Более тяжелая звезда эволюционирует быстрее, как объяснялось в главе 5. Она становится сверхновой; ее ядро коллапсирует в ЧД. На следующей стадии вторая звезда начинает раздуваться, превращаясь в гигант. ЧД, вращающаяся вместе с ней, засасывает внешние слои газа расширяющейся звезды. Прежде чем кануть в ЧД, газ собирается в тонкий вращающийся диск вокруг ЧД – так называемый аккреционный диск. Чрезвычайно горячий, он излучает рентгеновские лучи.

Именно это ученые обнаружили в 1971 г. Мощный источник рентгеновского излучения в созвездии Лебедя – Лебедь Х-1 – совпадал со звездой-сверхгигантом. Измерения доплеровского сдвига частоты показали, что звезда обращается с периодом 5,6 дня вокруг объекта более чем в 10 раз массивнее Солнца. Такой тяжелый второй объект двойной системы не может быть нормальной звездой, поскольку тогда он был бы виден в телескоп. Это не могла быть и нейтронная звезда, так как нейтронные звезды не могут быть массивнее Солнца более чем в три (примерно) раза. Наблюдаемое рентгеновское излучение свидетельствует, что массивный объект каким-то образом разогревает газ до температур во многие миллионы градусов. Единственное возможное объяснение – ЧД, окруженная раскаленным аккреционным диском.

Многие двойные системы, излучающие в рентгеновском диапазоне, в настоящее время считаются содержащими ЧД. Поскольку это остатки взорвавшихся звезд, они называются черными дырами звездной массы. Кроме того, астрономы открыли намного более крупные ЧД в ядрах галактик. Сверхмассивные ЧД могут иметь от нескольких миллионов до многих миллиардов солнечных масс. В большинстве случаев они выдают свое присутствие интенсивным высокоэнергетическим излучением, а также выбрасывают в пространство мощные джеты[91] заряженных частиц. Такие активные ядра галактик называются квазарами. Источником излучения высоких энергий служит аккреционный диск ЧД. Джеты, по всей видимости, образуются мощными магнитными полями, хотя их происхождение пока остается туманным.

Сверхмассивные ЧД выдают себя еще и тем, что влияют на движение звезд вблизи ядра галактики. Распределение скоростей звезд в самой внутренней области галактики может свидетельствовать о наличии в центре очень массивного, очень компактного объекта. В 1984 г. измерения скоростей в ядре М32 (маленькой спутницы ближайшей к нам галактики Андромеды) привело к первому в истории открытию сверхмассивной ЧД. В нашей галактике Млечный Путь астрономы даже наблюдали, как отдельные звезды вращаются вокруг невидимого объекта массой около 4 млн солнечных. Это может быть только сверхмассивная ЧД – разумная альтернатива этому объяснению отсутствует.

Благодаря растущему комплексу косвенных свидетельств ЧД постепенно покинули темные закоулки спекуляций и научной фантастики и обосновались в чертогах общепринятой астрофизической реальности. Тем не менее регистрация гравитационных волн, образованных столкновением двух ЧД, была воспринята как долгожданное подтверждение их существования. Впервые было получено ясное сообщение природы, что черные дыры – они же черные звезды, метрики Шварцшильда, застывшие звезды, как ни называй, – являются неотъемлемой частью нашей Вселенной.

Это было весомое послание. При слиянии, породившем GW150914, энергия, эквивалентная не менее чем трем солнечным массам, высвободилась в форме волн Эйнштейна за крохотную долю секунды. Фактически столкновение ЧД стало одним из самых высокоэнергетических событий во Вселенной.

Прежде чем потрясти вас очередной серией астрономических больших чисел, отвечу на вопрос, возможно уже беспокоящий вас. Если ЧД являются областями пространственно-временного континуума, откуда ничто не способно вырваться, как они могут терять массу? Изначально две ЧД были в 36 и в 29 раз массивнее Солнца, но после слияния осталась ЧД массой в 62 солнечных. Как три массы Солнца могли освободиться от гравитационного захвата двух ЧД?

Самоочевидный ответ – они и не могли. Сливающиеся ЧД не исторгали материю, как по волшебству. В действительности не вполне правомерно говорить, что они вообще содержат материю. Независимо от способа формирования ЧД материя, попадающая в нее, изымается из сущего в центральной бесконечно малой точке с бесконечной большой плотностью – в терминологии физиков «сингулярности» ЧД. Физически сохраняется только сильное искривление пространственно-временного континуума. Говоря о массе ЧД, астрономы имеют в виду не определенное количество материи, а определенную степень искривления пространственно-временного континуума – одно из немногих доступных для наблюдения свойств любой ЧД.

Итак, это произошло 1,3 млрд лет назад в безымянной далекой галактике. Два «завихрения» пространственно-временного континуума, каждый со своей кривизной, угодили в жестокий пространственно-временной «шторм», в котором слились в один более крупный «торнадо». Большая часть совокупного наличествующего искривления (почти 95 %) пошла на формирование возникшей в итоге единой ЧД. Чуть меньше 5 % (эквивалент трех масс Солнца) было преобразовано в гравитационные волны.

Подставив три солнечные массы (6×10^30 кг) и квадрат скорости света (9 × 10^16 м^2/с^2) в знаменитую формулу Эйнштейна Е = mc^2, получаем энергию 5,4 × 10^47 Дж. Это в 16 квадриллионов раз больше всей выделенной энергии Солнца за день. Поскольку эта немыслимо большая энергия была высвобождена примерно за 15 мс, пиковая выходная мощность достигала невероятных 3,6×10^49 Вт – в десятки раз больше совокупной мощности излучения всех звезд и галактик в наблюдаемой Вселенной.

Когда Брюс Аллен, управляющий директор Института Альберта Эйнштейна в Ганновере, поделился восторгом по поводу регистрации GW150914 со своими сыновьями Мартином и Дэниэлом 12 и 15 лет, новость не произвела на них особого впечатления. Тогда Аллен на скорую руку сделал кое-какие расчеты и сравнил энергетический выход события с разрушительной силой «Звезды смерти» – «абсолютного оружия» Галактической империи из «Звездных войн». «По сравнению с этим столкновением черных дыр “Звезда смерти” – детская игрушка, – сказал он мальчикам. – Энергии, высвободившейся при слиянии, с избытком хватило бы на то, чтобы полностью испарить каждую планету в системе каждой звезды в ста галактиках размером с Млечный Путь». Это их проняло.

Еще один важный момент, который следует уяснить о столкновении и слиянии двух ЧД, – экстремальная гравитация. В главе 3 мы увидели, как физики ставят всевозможные эксперименты, чтобы проверить предсказания ОТО Альберта Эйнштейна. Но релятивистские эффекты становятся значимыми только в очень сильных гравитационных полях (или при скоростях, близких к скорости света). Конечно, можно получить наглядные результаты, если отправить атомные часы в кругосветный полет и измерить уход гироскопа на орбите Земли или установить задержку радиосигнала космического зонда, исчезающего позади Солнца, но все это – эксперименты в условиях низкой гравитации. Даже двойная система нейтронных звезд – «слабопольная среда», во всяком случае если речь идет об ОТО.

Совсем иное дело – наблюдение за происходящим на горизонте событий ЧД, которое дает возможность протестировать теорию Эйнштейна в условиях сильного поля. Именно там физики предполагают найти возможные отклонения от предсказаний ОТО. В том числе поэтому их так окрыляют перспективы гравитационно-волновой астрономии. Возмущения пространственно-временного континуума вследствие столкновения ЧД дают возможность тщательного изучения одной из самых экстремальных сред во Вселенной. Это как раз те условия, в которых хочется ставить эксперименты, испытывая теорию Эйнштейна на прочность.

Как уже было сказано, физики считают невероятным, чтобы ОТО была последним словом в изучении гравитации. Теория несовместима с квантовой механикой – другим могучим опорным столпом физики XX в. Чтобы описание гравитации увязывалось с невероятно успешным описанием других сил природы – и всех известных нам частиц, по крайней мере одну из этих двух теорий необходимо адаптировать. Верный путь к долгожданной универсальной теории взаимодействий неизвестен, но, возможно, на самом краю ЧД найдется дорожный указатель. Изучение волн Эйнштейна, появившихся при столкновении ЧД, может подать нам знак и помочь физикам лучше понять самые фундаментальные свойства природы.

Есть и другая возможность проверки ОТО в непосредственной близости от ЧД. Радиоастрономы, в том числе Хейно Фальке из Университета Радбауд из голландского города Неймегене и Шеп Долеман из MIT, объединяют гигантские радиотелескопы миллиметрового диапазона разных континентов. Они хотят создать Телескоп горизонта событий, самый зоркий инструмент за всю историю астрономических наблюдений, и направить его на сверхмассивную ЧД в ядре галактики Млечный Путь. Несмотря на дистанцию 27 000 св. лет, можно будет увидеть горизонт событий ЧД, выделяющийся черным силуэтом на ярком фоне из звезд и светящихся облаков газа. Это будет нечто вроде чернильно-черных дисков из фильма, который Кип Торн демонстрировал на пресс-конференции LIGO. Реальный облик ЧД на изображении можно будет сравнить с предсказаниями ОТО. Отклонения, возможно, укажут путь к новой физике.

_________

Новая физика пока остается мечтой, но первая регистрация гравитационных волн уже подарила ученым новую астрофизику. Одна из статей о GW150914, опубликованная 11 февраля 2016 г., была полностью посвящена следствиям открытия для астрофизики. Удивительно, что самое первое событие принесло новые важные сведения об эволюции массивных звезд.

До начала работы усовершенствованного LIGO (aLIGO) многие члены коллаборации предполагали, что интерферометр сможет обнаруживать главным образом столкновения нейтронных звезд. Предел расстояния, на котором возможна регистрация слияния нейтронных звезд, даже стал стандартным количественным параметром чувствительности интерферометра. У iLIGO и первоначальной версии Virgo, например, этот «охват» составлял 50–65 млн св. лет; во время первого научного запуска aLIGO – на одной трети чувствительности – достиг 200 млн св. лет.

Разумеется, астрофизики ожидали и столкновений ЧД. Если пара вращающихся по общей орбите нейтронных звезд сближается по спирали, то и пара ЧД должна вести себя так же. Столкновения ЧД могут быть зарегистрированы на значительно бóльших дистанциях: поскольку объекты массивнее, амплитуда возникающих волн Эйнштейна также гораздо выше, поэтому GW150914 удалось зарегистрировать на Земле, несмотря на удаленность в 1,3 млрд св. лет.

Никто, однако, не знал, сколько существует двойных ЧД – до сих пор не было обнаружено ни одной. Соответственно, неизвестно было, сколько ожидать столкновений и слияний. Прогнозные разнились на многие порядки. Напротив, двойные нейтронные звезды были открыты в галактике Млечный Путь; первой стала система Халса – Тейлора. Сочетая статистику с научными предположениями, несложно дать грубую оценку количества столкновений, которые сможет зарегистрировать такой интерферометр, как LIGO. В случае iLIGO это примерно одна регистрация в десятилетие, для aLIGO – несколько в год. (Напомню, что увеличение чувствительности в три раза приводит к троекратному росту охвата – от 65 до 200 млн св. лет. Поскольку это соответствует в 27 раз большему объему пространства, ожидаемый уровень регистраций также возрастает в 27 раз.)

Таким образом, ученые имели представление о количестве возможных регистраций слияний нейтронных звезд. Вероятно, поэтому они считали, что именно эти события в первую очередь будут обнаруживать усовершенствованные детекторы. Для физиков, не имеющих солидной астрономической подготовки, стало неожиданностью, что событием, зарегистрированным в 2015 г., оказалось столкновение ЧД. Другие, например Стэн Уиткомд из Калтеха, были с самого начала уверены, что в регистрациях LIGO будут преобладать слияния ЧД. Они могут быть сколь угодно более редкими, утверждает Уиткомб, зато их можно «увидеть» с гораздо большего расстояния. Кип Торн в книге 1994 г. «Черные дыры и складки времени» даже описывает сценарий «будущего», сверхъестественно близкий реальным событиям сентября 2015 г.:

Из деталей формы волны компьютер выводит не только историю спирального сближения, слияния и затухания возмущений, но и массы, и угловые вращения исходных дыр и результирующей дыры. Исходные дыры весили каждая в 25 раз больше Солнца и медленно вращались вокруг своих осей. Получившаяся дыра имеет массу в 46 солнечных и вращается со скоростью 97 % от предельно допустимой. Энергия, эквивалентная четырем массам Солнца (2 × 25–46 = 4), была преобразована в пульсации кривизны и унесена волнами.

Весьма похоже!

Кстати, в случае GW150914 об угловой скорости каждой из пары ЧД можно было узнать немногое. Данные, однако, показали, что возникшая в результате их слияния ЧД в 62 солнечные массы вращалась со скоростью в 67 % предельно допустимой. По GW151226 было установлено, что по крайней мере одна из двух сливавшихся ЧД имела угловую скорость более 20 % максимальной, а итоговая ЧД оказалась в 21 раз массивнее Солнца и ее угловая скорость составляла 74 % предельно допустимой. (Поскольку у ЧД нет поверхности, бессмысленно выражать угловую скорость в количестве оборотов в секунду или вести речь о скорости вращения, выраженной в километрах в секунду. Предельно допустимая угловая скорость ЧД – точнее, ее предельно допустимый угловой момент – это скорость любого падающего на дыру объекта в непосредственной близости от горизонта событий, ограниченная отношением скорости света к гравитационному радиусу.)

С учетом этого «пророчества» Торн едва ли был удивлен открытием ЧД массами в 36 и 29 солнечных, но многие астрономы удивились. Сливающиеся ЧД – это одно; столь массивные ЧД – совсем другое. Бесспорно, ЧД в ядрах галактик несопоставимо массивнее, но они образовались совершенно иначе (читайте об этом в главе 13). ЧД в двойных системах, как уже отмечалось, являются так называемыми черными дырами звездной массы: это конечный результат эволюции массивных звезд. Лишь немногие астрофизики представляли себе возможные пути возникновения настолько массивных объектов.

Казалось бы, если взять чрезвычайно массивную звезду, то автоматически получишь достаточно «увесистую» ЧД. Но возникает несколько препятствий. Прежде всего, невозможно создать сколь угодно массивную звезду. Огромное облако газа, сжимающееся под собственным весом, разогреется и начнет излучать, мешая дальнейшему падению газа на формирующуюся звезду. Присутствие в облаке газа небольшого количества тяжелых элементов лишь усилит этот эффект. Вследствие этого звезды обычно не могут набрать массу, намного превышающую примерно 100 солнечных.

Хватит ли этого, чтобы получить ЧД в 36 масс Солнца? Нет, не хватит. За короткую жизнь чрезвычайно массивные звезды теряют большую часть внешних слоев, уносимых в пространство мощным звездным ветром. Этот ветер оказывается еще сильнее, если звезда содержит малое количество элементов тяжелее водорода и гелия. К самому концу своего краткого существования звезда в 100 солнечных масс лишится более чем половины веса. Значительная часть остатка будет выброшена во время финального взрыва сверхновой. Ядро звезды, коллапсирующее в ЧД, предположительно, будет иметь не более 10–15 солнечных масс.

Теперь вы понимаете, почему первая регистрация LIGO привела астрономов в восторг. Это было первое прямое доказательство существования ЧД. Кроме того, стало ясно, что двойные системы ЧД существуют – как вы помните, никто прежде не обнаруживал такую систему. Наконец, оказалось, что природа способна создавать ЧД звездной массы намного превосходящие ранее рассчитанный рубеж около 10 масс Солнца.

Гейс Нелеманс из Университета Радбауд был одним из двух редакторов-координаторов статьи о GW150914 в Astrophysical Journal Letters. (Нелеманс – внук Антона Паннекука, современника Альберта Эйнштейна, отца-основателя голландской астрофизики, имя которого носит Астрономический институт Амстердамского университета.) По мнению Нелеманса, GW150914 – щедрый дар природы. Это была не только первая волна Эйнштейна, зарегистрированная человечеством, но и источник новой важной информации о рождении и эволюции массивных звезд[92].

Нелеманс и его соавторы убеждены, что прародители слившихся ЧД должны были содержать очень мало тяжелых элементов. Это уменьшило потерю ими массы со звездным ветром. Если они возникли из относительно «чистого» облака межзвездного газа, с пренебрежимо малым количеством элементов тяжелее водорода и гелия, то могли начать жизнь как настоящие звездные сверхгиганты. Слегка подкорректировав общепринятые в современной астрофизике взгляды, можно объяснить формирование ЧД в десятки раз массивнее Солнца.

Многие вопросы пока остаются без ответа, в том числе о процессе формирования двойной системы ЧД. Все началось с двух чрезвычайно массивных звезд? Или ЧД соединились в пару через большой промежуток времени после своего возникновения? По некоторым теориям, ЧД массой в несколько десятков солнечных могут восходить к самому началу существования Вселенной. Независимо от того, какой сценарий является истинным, дальнейшие открытия сливающихся ЧД звездной массы обязательно прольют свет на процессы рождения, эволюции и смерти самых массивных звезд во Вселенной. Кроме того, астрономы надеются больше узнать о свойствах самих ЧД[93].

Что можно сказать о сверхмассивных ЧД в ядрах дальних галактик? Что могут поведать нам гравитационные волны об этих «космических чудовищах»? Оказывается, довольно многое, но не с помощью лазерных интерферометров, таких как LIGO и Virgo. Детектором нам послужит сам космос. Пора вернуться к теме пульсаров.

13

Нанонаука

Паркс – маленький город в пасторальном Новом Южном Уэльсе примерно в пяти часах езды от Сиднея. Он был основан в 1853 г. и назван в честь Генри Паркса, одного из отцов-основателей Австралийской Федерации. От непримечательного центра всего 20 минут на машине до «Тарелки». Выезжаете из города на север по шоссе Ньюэлл, сворачиваете направо на Телескоп-роуд и через несколько минут оказываетесь у гигантского радиотелескопа[94].

Строительство «Тарелки» – таково неформальное название 64-метрового радиотелескопа в Парксе – было окончено в 1961 г., когда радиоастрономия делала первые шаги. Кроме изучения космических радиоволн, инструмент участвовал в сопровождении космических аппаратов. В 1960-е гг. он принимал сигналы межпланетных зондов НАСА «Маринер-2» и «Маринер-4», в июле 1969 г. трансляцию телевизионного сигнала исторического прилунения «Аполлона-11». (Имейте в виду, однако, что фильм 2000 г. «Тарелка» австралийского режиссера Роба Ситча – комедия с вымышленным сюжетом, а не документальное кино.)

Среди астрономов обсерватория Паркс известна главным образом исследованиями пульсаров. Почти половина известных пульсаров в Млечном Пути была открыта с помощью этого телескопа. Пусть по сегодняшним стандартам это устаревший инструмент, пульсары до сих пор наблюдаются почти ежедневно. Одна из целей ученых – регистрация гравитационных волн посредством измерения временны́х характеристик пульсаров.

Как вы узнали из главы 6, пульсар – это быстро вращающаяся вокруг своей оси нейтронная звезда, удачно (с нашей точки зрения) сориентированная в пространстве. При каждом обороте один из узконаправленных пучков ее излучения устремляется к Земле. Некоторые пульсары точнее атомных часов.

Благодаря потрясающей регулярности импульсов, измерение их параметров становится источником всевозможной информации о движении пульсара. Именно так Джо Тейлор и Джоэл Вайсберг открыли медленное снижение орбиты первого двойного пульсара PSR В1913+16. Как вы помните, это стало первым убедительным косвенным подтверждением существования гравитационных волн.

Однако пульсар может дать непосредственное свидетельство о существовании неуловимых возмущений пространственно-временного континуума. Представим себе гравитационную волну, движущуюся сквозь Вселенную, попеременно сжимая и растягивая само пространство. При достаточно большой длине волны – означающей, что сжатие и растяжение происходят очень медленно, – можно будет зарегистрировать этот эффект, фиксируя время прибытия импульсов далекого пульсара. Когда пространство между Землей и пульсаром немного расширяется, импульсам требуется чуть больше времени, чтобы достичь радиотелескопа. Когда оно слегка сокращается, импульсы приходят немного быстрее.

Во время такого короткого события, как GW150914, этот эффект наблюдать невозможно, поскольку он едва ли успеет сказаться даже на одном импульсе, но медленные многократные колебания пространственно-временного континуума – волны частотой не в сотни герц, а в несколько наногерц, примерно в 100 млрд раз более медленные, – могут быть доступными для наблюдения. Предполагается, что волны Эйнштейна чрезвычайно низкой частоты существуют. Их должны излучать двойные системы сверхмассивных ЧД в ядрах далеких галактик. Волны, частота которых измеряется наногерцами, невозможно зарегистрировать методом лазерной интерферометрии. Нужно использовать в качестве детектора собственную галактику. Потребуется много терпения, что подтвердят радиоастрономы обсерватории Паркс и их коллеги по всему миру.

Советский астрофизик Михаил Сажин из Института астрономии им. Штернберга в Москве первым предложил использовать пульсары для прямой регистрации гравитационных волн наногерцового диапазона еще в 1978 г. Через год в Astrophysical Journal астроном Йельского университета Стивен Детвейлер также описал метод поиска гравитационных волн путем измерения времени прибытия излучения пульсаров, но пришел к выводу, что понадобится значительно повысить точность измерений, чтобы метод работал.

Очевидно, чтобы найти низкочастотные волны Эйнштейна, наблюдая за слабыми изменениями времени прибытия импульсов, нужен исключительно стабильный пульсар. Более того, в идеале импульсы должны быть чрезвычайно короткими, что обеспечивало бы максимально точный тайминг. Такие пульсары, как PSR В191+21 – первый, открытый Джоселин Белл в 1967 г., – в этом отношении бесполезны. Импульсы пульсара Белл имеют длительность около 40 мс. (Кроме того, у них неправильная форма, прекрасно известная поклонникам британской постпанк-группы Joy Division – знаменитая обложка их дебютного альбома 1979 г. «Unknown Pleasures» оформлена записью его пульсаций на ленте самописца.)

По счастью, в 1982 г. был случайно открыт новый, идеальный для этого метода тип пульсара. Дон Бейкер и Шринивас Кулкарни из Калифорнийского университета в Беркли изучали таинственный источник радиоволн в Млечном Пути – 4С21.53. Астрономы никогда не замечали, чтобы этот радиоисточник пульсировал. Но что, если он дает настолько короткие импульсы, что они прежде просто не регистрировались? Бейкер и Кулкарни решили проверить. К их удивлению, 4С21.53 действительно оказался пульсаром с невероятно коротким периодом обращения в 1,5577 мс. Огромный шар из нейтронов примерно на 50 % массивнее Солнца и размером с мегаполис вращался вокруг оси со скоростью около 642 оборотов в секунду.

Бейкер и Кулкарни открыли первый миллисекундный пульсар[95]. По координатам в небе его назвали PSR B1937+21. Он находится не слишком далеко от места, где Джоселин Белл 15 годами ранее обнаружила «пульсар Joy Division», но намного дальше от Земли.

Скоро радиоастрономы нашли другие миллисекундные пульсары. Большинство входят в двойные системы. Очевидно, происходила аккреция – падение газа второй звезды системы на компактную нейтронную звезду. Приток газа подхлестывал вращение нейтронной звезды подобно тому, как вертушка на палочке крутится все быстрее, если на нее дуть. Благодаря чрезвычайно быстрому вращению миллисекундных пульсаров их радиоимпульсы длятся крохотную долю секунды. Более того, они оказались невероятно стабильными.

Один из самых знаменитых миллисекундных пульсаров – PSR В1257+12, расположен в созвездии Девы на расстоянии порядка 2300 св. лет. Его открыл в 1990 г. польский радиоастроном Александр Вольщан при помощи 305-метрового радиотелескопа Аресибо – инструмента, позволившего обнаружить пульсар Халса – Тейлора в 1974 г. Частота импульсов 161 Гц соответствует периоду обращения 6,22 мс – для миллисекундного пульсара это довольно много. Внимание Вольщана привлекло нечто другое – неидеально точная периодичность пульсаций[96].

В 1992 г. Вольщан вместе с американским коллегой Дейлом Фрейлом предложил ошеломляющее объяснение: два маленьких объекта обращаются вокруг пульсара с периодом 66,54 и 98,21 дня, вследствие чего пульсар периодически рыскает. Благодаря эффекту Доплера эти крошечные смещения сказываются на времени прибытия импульсов. По результатам измерения времени Вольщан и Фрейл рассчитали массы спутников пульсара, оказавшихся в 4,3 и в 3,9 раза тяжелее Земли. Впервые в истории астрономы открыли планеты, вращающиеся не вокруг Солнца.

Через два года анализ данных позволил обнаружить третью планету массой в два раза больше, чем у Луны, и с орбитальным периодом 25,26 дня. В декабре 2015 г. Международный астрономический союз присвоил трем планетам имена фантастических существ: Драугр, Полтергейст и Фобетор. Выбор продиктован тем, что три маленьких небесных тела обращаются вокруг бренных останков звезды, ставшей сверхновой. Планеты, возможно, сформировались из остаточного вещества сверхновой, образовавшей пульсар. (Первая планета на орбите звезды, более-менее похожей на Солнце, была открыта только в 1995 г.)

Важно, что эти планеты не удалось бы обнаружить, если бы PSR В1257+12 не был миллисекундным пульсаром. Быстрое вращение вокруг своей оси, точность хронометра и чрезвычайно короткие импульсы обеспечили идеальный тайминг, без которого невозможно выявлять и изучать тонкие различия частоты импульсов.

За последние десятилетия в Млечном Пути было открыто почти 150 миллисекундных пульсаров. Многие входят в шаровые звездные скопления – гигантские сферические объединения сотен тысяч звезд. Это неслучайно: в плотно заполненных ядрах шаровых скоплений у пульсаров выше вероятность оказаться в составе двойной системы и получить ускорение от второй звезды. Например, в большом шаровом скоплении 47 Тукана находится по меньшей мере 22 миллисекундных пульсара. Другое скопление, Terzan 5, содержит не менее 33 быстровращающихся «звездных зомби».

Один миллисекундный пульсар в скоплении Terzan 5 называется PSR J1748–2446ad. Он был открыт в 2005 г. канадским астрономом голландского происхождения Джейсоном Хесселем. Период обращения 1,396 мс делает его самым быстрым из известных на сегодняшний день. Он совершает 716 оборотов в секунду – больше, чем ваш кухонный блендер. Угловая скорость экватора пульсара составляет почти 25 % скорости света.

К концу 1980-х гг. стало очевидно, что миллисекундные пульсары – идеальные галактические зонды для обнаружения чрезвычайно низкочастотных волн Эйнштейна. Это было задолго до начала строительства LIGO. Некоторые астрономы, изучавшие пульсары, считали, что смогут добиться прямой регистрации гравитационных волн раньше специалистов по лазерной интерферометрии.

Радиоастрономы из Беркли Дон Бейкер и Роджер Фостер описали метод в статье «Организация решетки для изучения временной динамики пульсаров», опубликованной в 1990 г. в Astrophysical Journal. Они предложили следить за массивом миллисекундных пульсаров в разных частях неба – это и будет решетка. Наблюдая только один пульсар, нельзя быть уверенным, что временны́е изменения вызваны именно гравитационными волнами. Если же точно измерять время прибытия импульсов множества миллисекундных пульсаров в течение долгого времени, можно получить достаточно данных, чтобы выделить слабые изменения, появившиеся в результате прохождения низкочастотных гравитационных волн. Чем дольше измерять, тем выше шансы на успех.

Для эксперимента Бейкер и Фостер выбрали 43-метровый радиотелескоп Национальной радиоастрономической обсерватории в Грин-Бэнке (Западная Вирджиния). Около двух лет они собирали данные наблюдений за тремя миллисекундными пульсарами: PSR В1937+21 – самым первым, открытым Бейкером и Кулкарни в 1982 г., PSR B1821–24 из шарового скопления М28 и PSR В1620–26 из шарового скопления М4. (Параметры третьего объекта впоследствии позволили установить, что и у него есть планета.)

Трех пульсаров и собранных за два года наблюдений оказалось недостаточно для регистрации гравитационных волн. Но это был первый шаг. Если снимать точные временны́е измерения с десятков пульсаров по всему небу в течение хотя бы десятилетия, наногерцовые волны, возможно, проявятся. Пора браться за дело всерьез.

_________

Прежде чем продолжить, вам следует больше узнать о наногерцовых волнах и их источниках. Это очень необычные волны. Как вы помните, период любой волны обратно пропорционален ее частоте. Если волна имеет частоту 100 Гц, это значит, что 100 гребней (и ложбин) волны проходят мимо вас каждую секунду. Таким образом, период волны (время между прохождением двух соседних гребней) составляет 1/100 секунды. Волны частотой 1 Гц (один цикл в секунду), очевидно, имеют период 1 с.

Итак, любой волновой феномен частотой 1 нГц (одна миллиардная герца) имеет период 1 млрд с. Это больше 30 лет! Если проходящая гравитационная волна имеет период 1 нГц, пространство медленно расширяется на неприметную величину в течение примерно 15 лет, затем вновь сокращается в следующие 15 лет. Мера растяжения и сжатия – амплитуда волны – может быть очень маленькой, порядка одной десятитриллионной процента. Таким образом, мы пытаемся зарегистрировать крохотные изменения, протекающие с черепашьей скоростью.

Еще один факт, который следует помнить о наногерцовых волнах, состоит в том, что они, как и прочие, распространяются со скоростью света. При периоде 30 лет длина волны равна 30 св. лет. Говоря о «медленных» волнах, я имею в виду не фактическую скорость их движения (представляющую собой предел скорости, установленный природой), а длительное время, необходимое, чтобы их присутствие проявилось.

Какие космические события могут вызывать настолько низкочастотные пульсации пространственно-временного континуума? Как мы видели, гравитационные волны излучаются орбитальными телами, например двойными системами нейтронных звезд и ЧД. Возможно, вы помните, что за время прохождения орбиты излучаются два волновых цикла. Если две ЧД совершают по общей орбите 100 оборотов в секунду (как в случае GW150914 непосредственно перед их столкновением и слиянием), то излучаемые ими волны Эйнштейна имеют частоту 200 Гц. Иначе говоря, период волны равен половине орбитального периода.

Гравитационная волна частотой 1 нГц имеет период около 30 лет, как мы только что убедились. Следовательно, эти волны могут порождаться небесными телами, совершающими один оборот за 60 лет. Однако две нейтронные звезды или ЧД звездной массы на орбите периодом 60 лет не излучают регистрируемых гравитационных волн – массы и ускорения слишком малы. Напомню, что GW150914 стала доступной для наблюдения LIGO только с резким увеличением амплитуды волн перед самым столкновением и слиянием ЧД.

Чтобы два объекта на бинарной орбите с 60-летним периодом излучали гравитационные волны регистрируемого уровня, они должны быть чрезвычайно массивными. Представьте себе сверхмассивные ЧД в ядрах дальних галактик: два ненасытных чудовища, каждое в миллионы раз тяжелее Солнца, в медленном хороводе совершающие оборот по общей орбите каждые шесть десятилетий. Фактически это танец смерти: как и маловесные сородичи, они сближаются по спирали и в отдаленном будущем столкнутся и сольются.

Если двойные системы сверхмассивных ЧД действительно существует где-то во Вселенной, они могут иметь разнообразные орбитальные периоды – от месяцев до тысячелетий. Излучаемые ими волны Эйнштейна, соответственно, будут демонстрировать широкий спектр частот от десятой доли миллигерца до 10 пикогерц. Очевидно, наблюдать гравитационные волны, имеющие период в столетия, затруднительно. Их эффекты недостаточно проявятся на протяжении человеческой жизни, и вероятность их регистрации мала. Более того, при таких больших орбитальных периодах ЧД должны иметь чудовищную массу, чтобы произвести волны достаточной амплитуды. Решетки для наблюдения за временной динамикой пульсаров могли бы улавливать волны с частотами, скажем, от 1 до 10 нГц.

Существуют ли двойные системы сверхмассивных ЧД? Да, существуют. Из главы 12 вы узнаете, что в ядре большинства галактик находится сверхмассивная ЧД. Вероятно, они сформировались много миллиардов лет назад одновременно с самими галактиками. Подробности их формирования пока не вполне ясны, но астрономы зарегистрировали квазары на расстояниях намного больше 12 млрд св. лет. Квазары (сокращение от «квазизвездный объект») – это ослепительные высокоэнергетические ядра галактик, «источником питания» которых служат экстремально массивные ЧД. Судя по тому, что они наблюдаются на огромных расстояниях, они уже существовали, когда Вселенная была еще молодой. Возможно, рождение каждой галактики сопровождалось формированием сверхмассивной ЧД.

Если существуют одиночные сверхмассивные ЧД, то должны быть и их двойные системы. Дело в том, что галактики сталкиваются и сливаются друг с другом. Даже в расширяющейся Вселенной соседние галактики – например, в больших скоплениях галактик – испытывают взаимное притяжение. Постепенно они сближаются, пока не соединятся в одну более крупную галактику. Если в центре каждой была сверхмассивная ЧД, две ЧД также будут притягиваться друг к другу и в итоге образуют двойную сверхмассивную ЧД в ядре объединенной галактики.

Астрономы повсеместно наблюдают свидетельства слияния галактик. Эти процессы протекают слишком медленно, чтобы мы могли следить за ними в реальном времени. Мы видим только отдельные сцены наподобие фотографий ДТП, сделанных с короткой выдержкой. Нарушенные формы спиралей, вытянутые приливными силами хвосты из газа и звезд, возобновленный процесс образования звезд – во Вселенной вокруг нас можно найти любую стадию столкновения галактик. Соединив наблюдения с подробными компьютерными симуляциями, получаем довольно точную картину процесса.

Наша собственная галактика Млечный Путь находится на пути к столкновению со своей ближайшей соседкой – галактикой Туманность Андромеды. Их все еще разделяет 2,5 млн св. лет, но они сближаются со скоростью около 100 км/с. Через несколько миллиардов световых лет две великолепные спиральные галактики столкнутся и сольются в гигантскую эллиптическую галактику. Поскольку в центре каждой из них находится сверхмассивная ЧД, возникшая в результате галактика – так называемая Млекомеда – получит ядро, представляющее собой двойную систему сверхмассивных ЧД.

Двойные сверхмассивные ЧД даже наблюдались, хотя и косвенно, через периодические изменения яркости и доплерометрию далеких (на расстоянии порядка 3,5 млрд св. лет) квазароподобных объектов. Детальные наблюдения и компьютерное моделирование оставляют возможность только для одного объяснения: две очень массивные ЧД на общей орбите. В настоящее время они разнесены на триллионы километров (существенную часть светового года). Предположительно, они сольются через несколько десятков тысяч лет.

_________

Итак, можно ожидать, что во Вселенной имеется множество гравитационных волн чрезвычайно низкой частоты. Они приходят с любого мыслимого направления, имеют широкий спектр частот (наногерцового диапазона), а также значительно отличаются амплитудами в зависимости от массы породивших их ЧД и, разумеется, пройденного расстояния. Вместе они постоянно растягивают и сжимают пространственно-временной континуум – совсем чуть-чуть и очень медленно, астрономы называют это гравитационно-волновым фоном.

Приведу наглядное сравнение. Представьте, что вы находитесь в крохотной лодочке посреди спокойного океана. На его поверхности отчетливо видна слабая рябь. Если кто-то бросит большой камень в воду поблизости от вашей лодки, вы почувствуете, что она начала слегка покачиваться. Намного труднее, однако, заметить очень медленные непрерывные колебания поверхности воды – волны, возможно, гораздо большей амплитуды, но значительно меньшей частоты. Как измерить этот «волновой фон»?

На самом деле это просто: ваш «детектор» не в лодке, а вокруг вас. Другие лодки, плывущие в океане, будут, как и ваша, слегка подниматься и опускаться на мелких частых волнах, но, если наблюдать за ними долгое время, эти движения можно исключить путем усреднения. Низкочастотные волны заставят другие лодки «нырять» очень медленно. Измерив растянутые во времени перемещения некоторого числа этих лодок, вы узнаете о существовании медленных колебаний поверхности океана. Если вы знаете расстояния до каждой из лодок и накопили достаточно замеров, то сможете даже обнаружить несколько отдельных источников низкочастотных волн.

Именно так действует решетка наблюдения за временнóй динамикой пульсаров. Поверхность океана – это пространственно-временной континуум. Окружающие лодки – миллисекундные пульсары в Млечном Пути. Пульсары не подпрыгивают вверх-вниз на волнах (как я уже говорил, идеальной аналогии не существует). Вместо этого попеременно растягивается и сжимается при прохождении низкочастотной гравитационной волны пространство между Землей и определенным пульсаром – в действительности это пространство увеличивается и вновь сокращается, очень медленно и в очень малой степени. Но, если следить за временем прибытия импульсов много лет, эффект постепенно проявится. Очень просто!

Конечно, не очень просто. Если бы Земля и пульсар оставались неподвижными в пространстве и пульсар был действительно идеальным часовым механизмом, то все колебания времени прибытия импульсов объяснялись бы волнами Эйнштейна. Но ситуация намного сложнее. Прежде всего, пульсары несовершенны – ничто в природе не совершенно. Их вращение замедляется, хотя и очень медленно. У них наблюдаются «глитчи» – неожиданные крохотные изменения периода вращения. Глитчи могут вызываться «звездотрясениями» поверхности или взаимодействием коры нейтронной звезды со сверхтекучей внутренней областью. Если не измерять эти эффекты и не делать поправки на них, вы не сможете заметить гравитационную волну.

Более того, миллисекундные пульсары часто входят в двойные системы. Необходимо учитывать их орбитальное движение, также влияющее на время прибытия импульсов. Нужно корректировать и движение вашего радиотелескопа в пространстве. Собственное вращение Земли, ее движение по орбите вокруг Солнца, мелкие гравитационные возмущения со стороны других планет Солнечной системы, приливно-отливные явления, движение Солнца по Млечному Пути, даже континентальный дрейф – необходимо учитывать все. Для этого нужно точно смоделировать все возможные влияния и очистить от них измерения. Все оставшиеся отклонения от равномерного потока импульсов могут быть вызваны гравитационными волнами.

В принципе, этот эксперимент можно поставить с единичным миллисекундным пульсаром. Но тогда нельзя быть уверенным, что действительно измеряешь гравитационные волны, а не что-нибудь еще. Пульсаров должно быть больше – и чем больше, тем лучше. Желательно случайным образом распределенных по всему небу. Нужно очень внимательно наблюдать за ними годами, а лучше десятилетиями. Чем дольше ведутся наблюдения, тем точнее эксперимент. Знание расстояний до пульсаров значительно облегчает анализ результатов наблюдений. Возможно, вы найдете пару источников наногерцовых гравитационных волн, выделяющихся из хаотичных фоновых сигналов, – относительно близко расположенные двойные системы сверхмассивных ЧД.

Большим преимуществом решеток наблюдения за пульсарами является то, что это бесплатный «инструмент». В галактике Млечный Путь множество сверхточных часов. Не нужно конструировать и строить сложные и дорогие лазерные интерферометры. Все, что нужно, – достаточно большой радиотелескоп (подойдет уже существующий) и электроника, чтобы выделять из данных наблюдений сигналы пульсаров и точно измерять время прибытия импульсов. Это весьма сложная задача, но не обязательно требующая затрат сотен миллионов долларов. Можно сказать, изучение временной динамики пульсаров – метод поиска гравитационных волн «для бедных».

Поиск потребует настойчивости и терпения. Это наука неторопливых. Начав проект сегодня, не надейтесь получить результаты раньше чем через 10–15 лет. Во всяком случае, об этом свидетельствует австралийский проект «Решетка для наблюдения за временной динамикой пульсаров в Парксе» (Parks Pulsar Timing Array, PPTA)[97]. Официально он стартовал в 2004 г., но до сих пор не зарегистрировал ничего существенного. Команда в 30 с лишним человек и их руководитель Джордж Хоббс из Австралийского национального комплекса телескопов терпеливо продолжают сбор данных, пытаясь повысить точность эксперимента.

В проекте РРТА используется только один инструмент – 64-метровая «Тарелка» в Парксе (слово «решетка» относится к массиву пульсаров, а не телескопов). В промежутках между другими программами наблюдения огромный радиотелескоп направляют на два десятка миллисекундных пульсаров и по каждому проводят временны́е измерения продолжительностью в несколько минут. При частоте импульсов, скажем, 200 Гц пять минут – это 60 000 импульсов. Каждый радиоимпульс может длиться около десятой доли миллисекунды и отличаться от других. Но в среднем, имея более 60 000 импульсов, можно определить период пульсаций с точностью порядка 100 нс, или 1/10 000 миллисекунды.

Аналогичные наблюдения ведутся в Европе. В проекте «Европейская решетка для наблюдения за временной динамикой пульсаров» (European Pulsar Timing Array, ЕРТА)[98], начавшемся в 2006 г., участвуют пять радиообсерваторий. Один из инструментов – прославленный 76-метровый телескоп им. Б. Ловелла британской Обсерватории Джодрелл-Бэнк – начал наблюдение за пульсарами в 1969 г., вскоре после эпохального открытия Джоселин Белл. Еще более крупным инструментом является 100-метровая тарелка в германском Эффельсберге. Вестерборкская система апертурного синтеза в Нидерландах – линейка из 14 25-метровых чаш-антенн – работает с пульсарами с 1999 г. Четвертым участником ЕРТА стал гигантский дециметровый радиотелескоп в Нансе в центральной Франции. Наконец, в 2014 г. к коллаборации присоединился недавно построенный 64-метровый радиотелескоп в итальянской Сардинии.

Наблюдение за одними и теми же пульсарами с помощью трех и более телескопов имеет большое преимущество. Если у вас только один телескоп, технический сбой может исказить данные, и вы об этом даже не узнаете. При наличии двух телескопов вы по крайней мере заметите непорядок, поскольку два инструмента дадут разные результаты, но не будете знать, с каким из них возникла проблема. С тремя вы застрахованы от неприятностей. Пять европейских телескопов сильно отличаются конструктивно, и объединить их базы данных непросто. Но к настоящему моменту европейские исследователи пульсаров стандартизировали хронометрическое оборудование и усовершенствовали процесс измерений.

С 2007 г. два больших американских радиотелескопа – гигантская тарелка Аресибо в Пуэрто-Рико и 100-метровый телескоп Грин-Бэнк в Западной Вирджинии – официально работают вместе, наблюдая за временны́ми параметрами решетки пульсаров. Североамериканская наногерцовая гравитационно-волновая обсерватория (NANOGrav), как был назван этот проект, объединяет несколько десятков радиоастрономов из 15 университетов и институтов. Три группы (РРТА, ЕРТА и NANOGrav) действуют в тесном сотрудничестве в рамках коллаборации International Pulsar Timing Array, IPTA[99].

Несколько лет назад радиоастрономы еще питали тайную надежду найти прямые доказательства существования волн Эйнштейна раньше физиков LIGO и Virgo. В 2010 г. и 2011 г. два лазерных интерферометра закрылись на масштабную реконструкцию. На тот момент они не обнаружили гравитационных волн, и усовершенствованные детекторы должны были вернуться в строй не ранее 2015 г. и 2016 г., тогда как наблюдения за пульсарами не прерывались. В 2013 г. главный исследователь NANOGrav Ксавье Сименс и его коллеги даже опубликовали в Classical and Quantum Gravity оптимистичную статью, начинавшуюся утверждением, что «регистрация возможна в течение десятилетия и может произойти уже в 2016 г.».

Очевидно, этого не произошло. Коллаборации LIGO и Virgo поразили мир первой серией открытий. 12 февраля 2016 г., всего через день после пресс-конференции, посвященной GW150914, на сайте IPTA появилось сообщение:

International Pulsar Timing Array (IPTA) поздравляет коллег из LIGO и Virgo с эпохальным открытием. Первая прямая регистрация гравитационных волн – действительно грандиозное научное и технологическое достижение, заслуживающее широкого признания… IPTA постоянно повышает свои возможности регистрации гравитационных волн наногерцового диапазона, прежде всего образованных сближением по спирали двойных сверхмассивных черных дыр. Мы с нетерпением ждем момента, когда тоже будем иметь честь объявить о регистрации гравитационной волны, но сегодня поднимаем бокалы за потрясающий успех LIGO!

Оптимизм не утрачен. В марте 2016 г. Стивен Тейлор из ЛРД вместе с коллегами представил новый анализ, оценивающий вероятность регистрации наногерцовых гравитационных волн в течение десятилетия в 80 %.

Следует иметь в виду, что все расчеты строятся на теоретических моделях. Сила гравитационно-волнового фона зависит от большого числа допущений. Модели и допущения могут быть ошибочными. В галактиках действительно имеются сверхмассивные ЧД, галактики действительно сталкиваются и сливаются, но дьявол скрывается в деталях. Каково распределение масс сверхмассивных ЧД – иначе говоря, сколько их приходится на определенный диапазон масс? Как развиваются галактики и сверхмассивные ЧД? Насколько часто галактики сталкиваются? Если слияния происходили чаще в отдаленном прошлом (что очень вероятно), как именно снижается частота слияний со временем?

Другие неопределенности связаны с событиями, происходящими после столкновения. Сколько времени нужно, чтобы две сверхмассивные ЧД под действием гравитации «просочились» в центр возникшей в результате слияния галактики? Окажутся ли они достаточно близко друг к другу, чтобы излучить доступные для регистрации гравитационные волны? Все это зависит от того, как именно ЧД взаимодействуют с отдельными звездами и облаками газа в центральной области галактики, но мы об этом практически ничего не знаем.

Надежды на регистрацию гравитационно-волнового фона могут оказаться беспочвенными по многим причинам. Возможно, в молодой Вселенной возникло меньше сверхмассивных ЧД, чем мы думаем, или галактики сливаются реже, чем принято считать. А может быть, сверхмассивным ЧД нужны миллиарды лет, чтобы оказаться достаточно близко друг от друга. Миллионы слияний могут «забуксовать». Финальная фаза сближения может быть гораздо скоротечнее, чем в теории. Возможно сочетание нескольких факторов.

В то же время временны́е измерения решетки пульсаров – пусть пока с нулевым результатом – дают ценные фрагменты общей картины. Сила гравитационно-волнового фона снабжает астрономов важной информацией об эволюции галактик и сверхмассивных ЧД. Благодаря программам продолжительностью в несколько десятилетий теоретики сегодня располагают экспериментальными данными для проверки своих гипотез. Некоторые теоретические модели эволюции галактик путем слияния уже опровергнуты, поскольку предсказывали существование настолько сильных наногерцовых волн, что их уже должны были зарегистрировать. Если наногерцовые волны будут обнаружены в ближайшем будущем, их характеристики многое расскажут о процессах в дальних областях Вселенной и в ядрах сливающихся галактик.

На сегодняшний день астрономы, изучающие пульсары, продолжают кропотливый труд. Примерно каждые две недели они обследуют десятки миллисекундных пульсаров, пополняя базу данных. Медленно, но верно, год за годом, повышается чувствительность инструментов. Никто не сомневается, что когда-нибудь поиск увенчается успехом. Это, однако, будет не революционная регистрация, как у LIGO, а следствие постепенно растущей уверенности.

Перенесемся в 2030 г. Инструменты прошлого выведены из эксплуатации. Аресибо, Паркс, Грин-Бэнк – все эти обсерватории 10 лет назад столкнулись с финансовыми проблемами, поскольку государственные финансовые институты решили направить средства на другие цели. Гигантские радиотелескопы превратились в музеи под открытым небом, памятники культурного, промышленного и научного наследия. Их посты управления стали популярными центрами научного просвещения, куда зачастили группы школьников. Огромные тарелки поддерживают в рабочем состоянии волонтеры из местных астрономических клубов и организаций любительской радиосвязи.

В Европе наблюдается похожая ситуация, хотя некоторые радиотелескопы, участвовавшие в первоначальном проекте EPTA, еще используются профессиональными астрономами. На северо-востоке Нидерландов Вестерборкская система апертурного синтеза только что отметила 60-летие. Маленькая выставка на ее территории рассказывает о самых важных астрономических открытиях обсерватории, в том числе о получении еще в 1970-х гг. первого убедительного свидетельства существования темной материи в галактиках. Последний стенд посвящен регистрации наногерцовых волн Эйнштейна в начале 2020-х гг., состоявшейся благодаря объединению пяти обсерваторий ЕРТА в один «виртуальный» телескоп диаметром почти 200 м. Проект «Большая европейская решетка для изучения пульсаров» (Large European Array for Pulsars, LEAP), стартовавший за несколько лет до этого, наконец добился скачкообразного роста точности, необходимого для достоверного измерения гравитационно-волнового фона[100].

Изучение пульсаров стало процветающей ветвью астрономии. В Млечном Пути открыто порядка 20 000 пульсаров – около 10 % имеющихся. Среди них более тысячи миллисекундных; у самого быстрого фантастическая угловая скорость – 1130 оборотов в секунду. Число известных планет на орбитах пульсаров увеличилось до 34, они относятся к 14 системам. Двойных пульсаров множество. Одна из двойных систем, открытая в 2027 г., приковала всеобщее внимание своей близостью, чрезвычайно коротким периодом обращения и стремительным сокращением орбиты. Лазерно-интерферометрическая космическая антенна, которая скоро будет запущена в космос, должна поймать слабый сигнал гравитационной волны средней частоты, излученной этими двумя небесными телами на общей орбите.

В Международном центре изучения пульсаров им. Джоселин Белл наногерцовые гравитационные волны также постоянно исследуются. Программа IPTA на сегодняшний день следит примерно за 500 миллисекундными пульсарами. Точность измерений возросла до порядка 10 наносекунд. Помимо фона с выраженными характеристиками, было открыто и локализовано пять самостоятельных источников волн чрезвычайно низкой частоты – двойных систем сверхмассивных ЧД в галактиках, находящихся в центральных областях близлежащих скоплений.

Если этот воображаемый сценарий хотя бы отчасти сбудется, то во многом благодаря новой радиообсерватории, обещающей затмить всех предшественниц. Ее инструментом станет не единичная тарелка, как в Парксе, Аресибо или Китае, где недавно завершилось строительство 500-метрового телескопа FAST, и не классический интерферометр, подобный нидерландскому Вестерборку или Очень большой решетке в Нью-Мексико. Так называемая Решетка в квадратный километр (Square Kilometre Array, SKA)[101] – это планомерное объединение многих сотен радиотелескопов-тарелок и десятков тысяч простых дипольных антенн. Со временем ее полная площадь перехвата составит 1 км^2, отсюда и название. Тарелки и антенны, соединенные оптоволоконными кабелями, будут действовать синхронно, выдавая на мощный центральный суперкомпьютер сотни терабайт первичных данных в секунду. Это будет самый крупный научный полигон в истории человечества.

Если Паркс в Новом Южном Уэльсе кажется вам маленьким городком с неказистым центром, добро пожаловать в Мерчисон в Западной Австралии на другой стороне континента. Это просто горстка хаотично расположенных домов с единственным магазином, он же бар и автозаправка. Несколько десятков человек живут здесь на бывшей территории племени аборигенов ватярри яматджи. Еще несколько человек фермерствуют дальше в буше. Весь Мерчисоншир занимает площадь примерно со штат Мэриленд, а население составляет 110 человек. Это рай для радиоастрономов.

Возле гигантского ранчо Буларди-Стейшн австралийские астрономы установили в пустыне на огромном пространстве 36 12-метровых тарелок. Это Австралийский целеуказатель Решетки в квадратный километр, сокращенно ASKAP[102]. Строительство радиотелескопов было завершено в 2012 г. Монтаж чувствительных фидеров фазированной антенной решетки занял еще около двух лет. Первые научные наблюдения (с участием только 11 тарелок) астрономы провели весной 2016 г.

Недалеко от ASKAP находится еще один телескоп-целеуказатель SKA – «Мерчисонский массив широкого поля» (Murchison Widefield Array, MWA)[103]. Он вообще не похож на радиообсерваторию. MWA состоит из многих десятков антенных полей, или ячеек. Каждая ячейка включает 16 похожих на паука дипольных антенн высотой не более 50 см. Впервые эта система была применена в телескопе «Низкочастотная антенная решетка» (Low-Frequency Array, LOFAR) в Нидерландах. ASKAP и MWA дополняют друг друга: ASKAP – один из самых быстрых радиотелескопов в мире, способный обследовать обширные области Вселенной, а MWA ориентирован на поиск низкочастотных космических радиоволн, излученных всего через несколько сот миллионов лет после Большого взрыва.

Этот далекий пустынный регион был выбран за исключительную радиотишину. Здесь строго запрещается пользоваться сотовыми телефонами. Пост управления ASKAP имеет металлический кожух, не выпускающий наружу радиоволны, создаваемые компьютерами и электроникой внутри здания. Одним из главных источников радиопомех являются самолеты, поэтому радиоастрономы стараются добиться переноса некоторых воздушных коридоров. Земля здесь плоская, горячая и сухая – безбрежная равнина красного песка и кустарников, населенная комарами, хищными птицами и кенгуру.

Через несколько лет Мерчисонская радиообсерватория станет ядром австралийской части Решетки в квадратный километр. Опираясь на опыт работы с MWA, астрономы построят десятки тысяч более крупных дипольных антенн, напоминающих рождественскую ель в рост человека. Они будут сгруппированы в круглые станции, распределенные по многим сотням километров красной австралийской пустыни. Соединенные оптоволокном и подключенные к гигантскому суперкомпьютеру в Перте, антенны станут самым чутким низкочастотным «ухом» в истории.

Тем временем в Грейт Кару – полупустынной области в Южной Африке к северо-западу от городка Карнарвон – уже действуют два целеуказателя SKA. «Решетка для изучения эпохи вторичной ионизации водорода», или «Гера» (Hydrogen Epoch of Reionization Array, HERA), состоит из 19 простых 14-метровых тарелок из проволочной сетки[104]. Массив расширяется и к концу 2018 г. будет включать около 350 тарелок. MeerKAT – это массив из 64 13,5-метровых радиотелескопов. Проект войдет в первый этап строительства среднечастотной части SKA.

В свое время здесь будут синхронно работать многие сотни радиоантенн, изучая радиогалактики и квазары, происхождение и эволюцию галактик, остатки сверхновых и добиотические молекулы в космосе, а также, конечно, пульсары. Решетка в квадратный километр (особенно ее южноафриканская часть) благодаря невероятной чувствительности откроет новую эпоху в измерении временны́х характеристик массива пульсаров.

SKA, предположительно, сыграет ведущую роль еще в одной сфере гравитационно-волновых исследований – идентификации источников волн. Слабейшие возмущения пространственно-временного континуума, которые «почувствовали» радиотелескопы, очень многое могут рассказать о таких космических катастрофах, как взрывы звезд и слияния нейтронных звезд. Но ученые всегда хотят большего. И это естественно! Если у вас под ногами задрожит земля, вы обязательно оглядитесь в поисках причины и чем больше зацепок найдете, тем лучше. Поэтому астрономы охотятся за так называемыми электромагнитными проявлениями источников гравитационных волн, сочетая возможно больше наблюдений. Они надеются, что радиообсерватории и оптические инструменты с быстрым откликом сумеют «увидеть» события, ставшие первопричиной волн Эйнштейна.

Здравствуй, многоканальная астрономия!

14

Быстрая реакция

Обсерватория Роке-де-лос-Мучачос на острове Ла-Пальма Канарского архипелага – одно из самых очаровательных мест, в которых я побывал. Ла-Пальма – это гора-вулкан, вздымающаяся на 2423 м над водами Атлантического океана в области марокканского побережья[105]. Обсерватория примостилась на северном склоне огромной кальдеры. От портового города Санта-Крус-де-ла-Пальма опасный серпантин с десятками крутых виражей ведет к усеянной камнями вершине, где нередко оказываешься выше облаков. Кажется, что стоишь на вершине мира прямо под звездами.

Поздно вечером в пятницу 28 февраля 1997 г. один из куполов обсерватории неожиданно пришел в движение. Телескоп Уильяма Гершеля диаметром 4,2 м должен был наблюдать за частью неба в созвездии Змеи, но стал смещаться дальше на запад, нацеливаясь на область очень низко над горизонтом. Штатный астроном Джон Телтинг сделал несколько снимков маленькой зоны в северо-западной части созвездия Орион. Той же ночью цифровые изображения были отправлены по интернету в Амстердамский университет. Вскоре студенты-дипломники Пауль Гроот и Титус Галама совершили прорыв в перспективной сфере астрономии – в изучении гамма-всплесков.

Эта книга посвящена гравитационным волнам, а не гамма-всплескам, но, как вы скоро узнаете из этой главы, две темы очень тесно связаны. Эта история важна еще и тем, что показывает, зачем астрономам быстрые дополняющие наблюдения краткосрочных феноменов. Итак, я очень коротко расскажу о гамма-всплесках[106].

В конце 1960-х гг. в данных американских разведывательных спутников Vela были обнаружены необъяснимые выбросы высокоэнергетического рентгеновского излучения. Только через 10 лет астрономы убедились в космическом происхождении этих коротких вспышек. Прошло еще около десятилетия, и в апреле 1991 г. НАСА вывело на орбиту гамма-обсерваторию Комптон. Одной из ее задач было собрать как можно больше данных о загадочных космических импульсах и узнать, что они из себя представляют. (Космическое высокоэнергетическое рентгеновское излучение невозможно наблюдать на Земле, поскольку, к счастью, эта смертельная радиация поглощается атмосферой нашей планеты.)

Раскрыть тайну гамма-всплесков оказалось гораздо труднее, чем предполагалось. Как и следовало ожидать, детектор обсерватории Комптон «Инструмент для исследования вспышечных и транзиентных событий» (Burst and Transient Source Experiment, BATSE) за несколько лет зарегистрировал много сотен всплесков, но определить их положение в небе с высокой точностью, не говоря уже о дистанции до них, оказалось невозможно. Кроме того, короткие вспышки – некоторые продолжительностью в малую долю секунды – происходили где угодно, без какой-либо системы. По их распределению нельзя было судить, что это – относительно слабые источники недалеко от нас (столкновения астероидов или взрывы на поверхности ближних звезд) или исключительно мощные события в далеких галактиках.

Все изменилось с запуском итало-голландского спутника BeppoSAX в апреле 1996 г. Кроме измерителя гамма-излучения, маленький спутник был оборудован рентгеновскими телескопами. Замысел ученых состоял в следующем: любой взрыв в космосе сопровождается чрезвычайно кратким выбросом высокоэнергетического гамма-излучения, но рентгеновские лучи более низких энергий, возможно, излучаются дольше. Более того, рентгеновский телескоп может гораздо точнее нацелиться на точку в небе, где происходит всплеск. Если информацию о нем достаточно быстро передать астрономам на Земле, то, вероятно, удастся найти его «послесвечение» в радиодиапазоне или даже оптическое проявление.

Поэтому, узнав, что BeppoSAX зарегистрировал всплеск, Пауль Гроот и Титус Галама должны были действовать максимально быстро. Официально они не имели права использовать информацию ни для чего, кроме радионаблюдений. Более того, британско-голландский телескоп Уильяма Гершеля, оптический инструмент, той ночью должен был выполнять другие наблюдения. Гроот и Галама не смогли связаться со своим научным руководителем Яном ван Парадейсом, и Гроот в конце концов решил нарушить правила. Он позвонил Джону Телтингу на Ла-Пальму и попросил сфотографировать область в северо-западной части Ориона, указанную BeppoSAX.

Вскоре оптическое проявление было обнаружено. Стало очевидно, что гамма-всплеск произошел в очень далекой галактике, в миллиардах световых лет. Это означало, что выделенная энергия взрыва колоссальна – гамма-всплески являются одними из самых высокоэнергетических событий, наблюдаемых во Вселенной. Следствием революционного открытия стало появление нового научного направления – астрофизики высоких энергий. Особое значение в нем приобрело безотлагательное дополняющее наблюдение эпизодических и краткосрочных космических феноменов.

Быстрый отклик уже стал в астрономии обыденностью, и во многих случаях он полностью автоматизирован. Через считаные минуты после того, как гамма- или рентгеновский спутник наблюдает интересное явление, похожее на всплеск, маленькие наземные роботы-телескопы начинают фотографировать подозрительную область неба в поисках видимого проявления. Более крупные телескопы обычно не способны отреагировать настолько оперативно, но и они иногда прерывают текущие программы наблюдения, чтобы помочь найти «виновника».

Сигналы гравитационных волн не исключение. 17 сентября 2015 г. VST – Обзорный телескоп комплекса европейского «Очень большого телескопа» на Сьерро-Паранал в северной части Чили – начал обшаривать южное небо в поисках оптического проявления гравитационно-волнового сигнала, зарегистрированного LIGO тремя днями ранее. Как описывалось в главе 11, автоматическая система оповещения еще не действовала, но пресс-секретари LIGO и Virgo Габриэла Гонсалес и Фульвио Риччи сообщили астрономам, куда смотреть, подобно тому как Пауль Гроот и Титус Галама указали своему коллеге на Ла-Пальме, где искать возможное оптическое проявление гамма-всплеска[107].

Наряду с островом Ла-Пальма из группы Канарских островов север Чили – одно из лучших мест в мире для оптической астрономии. Сьерро-Паранал – это отдаленная бесплодная гора в составе чилийской Береговой Кордильеры примерно в 130 км к югу от портового города Антофагаста. Когда я впервые побывал в этой обсерватории в 1998 г., добраться туда можно было только по разбитой гравийной дороге, протянувшейся на 80 км через потусторонний марсианский ландшафт. С тех пор дорогу замостили камнем, но пейзаж остался прежним[108]. Там снимались финальные сцены фильма 2008 г. о Джеймсе Бонде «Квант милосердия».

В Паранале находится одна из самых продуктивных наземных оптических обсерваторий в мире – «Очень большой телескоп» (Very Large Telescope, VLT). Построенный Европейской южной обсерваторией в 1990-е гг., он состоит из четырех одинаковых 8,2-метровых телескопов. Все они оснащены большим количеством чувствительных камер и спектрографов. Рядом с четырьмя гигантами установлен 2,6-метровый телескоп, обслуживающий программу наблюдения VLT. Этот Обзорный телескоп VLT, завершенный в 2011 г., имеет намного большее поле зрения. Его огромная (268 Мп) камера за несколько минут находит очень бледные звезды в больших полосах обзора. Это прекрасный инструмент для поиска возможного оптического проявления GW150914.

К сожалению, поиск оказался безрезультатным, как и попытки других обсерваторий по всему миру. Может быть, смотреть действительно было не на что. В конце концов, какого оптического сигнала можно ждать от столкновения двух ЧД? В то же время неудача может объясняться совершенно иной причиной. Никто точно не знал, с какой стороны пришли волны Эйнштейна. Иными словами, зона поиска охватывала слишком большую часть неба. Тем не менее все считают дополняющие наблюдения очень важными для обнаружения электромагнитных проявлений в оптическом, инфракрасном, ультрафиолетовом, миллиметровом, рентгеновском, гамма- или радиодиапазонах. Любое электромагнитное излучение, вызванное событием-прародителем гравитационных волн, может принести ценную дополнительную информацию.

Почему необходим поиск электромагнитного проявления? Поясню на аналогии. Представьте, что вы врач-отоларинголог и пришли на футбольный стадион. Во время затишья в матче вы слышите, как кто-то чихает. Звук очень необычный, и поскольку вы настоящий профессионал, то хотите во всем разобраться. Вы уловили, что чихали где-то справа от вас, но определить, кто именно, только по слуху невозможно. Исходя из громкости звука, можно сделать лишь самый общий вывод о расстоянии, на котором находился его источник. У вас нет шанса обнаружить чихавшего – это мог быть кто угодно.

Однако, если вы очень быстро, едва раздастся чихание, повернете голову, то, вероятно, заметите, что один зритель не успел выпрямиться и, прикрывая лицо, нашаривает носовой платок. Вы обнаружили чихавшего и теперь точно знаете, на каком расстоянии раздался звук, следовательно, можете оценить его реальную силу. Можно также исследовать этого человека с расчетом больше узнать о странном симптоме.

Здесь важны два обстоятельства. Первое: если вы наблюдаете какое-то явление неким определенным образом, всегда полезно пронаблюдать за ним еще и совершенно иным способом. Когда вы слышите что-то, то хотите еще и увидеть это. Если вы поймали гамма-излучение взрыва в космосе, то захотите воспользоваться радиотелескопами или оптическими инструментами. Если ваши инструменты зарегистрируют слабые возмущения пространственно-временного континуума, попытаетесь найти и электромагнитные проявления. Второе: если наблюдаемый феномен является краткосрочным, необходимо действовать быстро.

_________

Много столетий астрономия была наукой неторопливых. Планеты медленно меняли местоположение на небе, созвездия всегда выглядели одинаково, падающая звезда или редкая комета вызывали некоторое оживление, но в общем астрономам незачем было спешить. То, что они имели возможность изучать сегодня, прекрасно можно было исследовать и на следующий день или в следующем году.

Эти времена прошли. За минувшие десятилетия мы раздвинули свой горизонт до миллиардов световых лет, расширили границы восприятия, включив в него все составляющие электромагнитного спектра, невероятно повысили точность наблюдений. В результате мы узнали, что кажущаяся неизменность неба обманчива. Эпизодические явления – норма. Фактически единственное, что никогда не меняется, – это всеобщая изменчивость.

Звезды пульсируют и меняют яркость. Красные гиганты гибнут во взрыве сверхновой. Звезды-карлики выбрасывают мощные вспышки. Если на поверхность белого карлика падает слишком много материи другой звезды двойной системы, гарантирован мощнейший термоядерный взрыв (новая звезда). Астероиды разбивают друг друга вдребезги. Кометы врезаются в планеты. Быстро вращающиеся вокруг своей оси нейтронные звезды излучают импульсы в радио- или рентгеновском диапазоне. Черные дыры испускают в космос джеты из частиц и излучения. Квазары мигают. Нейтронные звезды сталкиваются и сливаются. Наше слово «космос» происходит от греческого «порядок», но Вселенная находится в постоянном движении и хаосе. Многие эпизодические события все еще не имеют объяснений из-за недостатка данных.

Кстати, не всегда в этом виноват космос. Яркая вспышка в небе, напоминающая взрыв звезды, может оказаться солнечным бликом, отразившимся от антенны спутника связи. Некоторые всплески гамма-излучения, зарегистрированные космическим телескопом НАСА «Ферми», родились не в далеких галактиках, а на Земле во время грозы. Недавно ученых австралийской обсерватории Паркс ввела в заблуждение их собственная микроволновка. Тарелка зарегистрировала таинственные радиосигналы продолжительностью около четверти секунды. Астрономы назвали их перитонами в честь фантастического животного. Оказалось, однако, что перитоны возникают, если дверцу микроволновки открывают раньше времени. Нет очередной космической тайны, есть нетерпеливые астрономы и техники, которым кажется, что обед уже разогрелся. (Это еще одно напоминание о важности абсолютной радиотишины в радиообсерватории.)

Разумеется, настоящие транзиентные события в космосе представляют гораздо больше интереса для астрономов. Некоторые до сих пор остаются необъясненными – например, быстрые радиовсплески (Fast Radio Bursts, FRB). Как и перитоны, это радиоимпульсы продолжительностью не более малой доли секунды, также впервые обнаруженные 64-метровым радиотелескопом обсерватории Паркс. Они действительно приходят из космоса и почти наверняка возникли в далеких галактиках, как и гамма-всплески, но их природа до сих пор неясна. Пока никому не удалось достаточно быстро среагировать на регистрацию нового FRB, чтобы пронаблюдать его в других волновых диапазонах. Как я уже говорил, скорость решает все.

Сегодняшнюю ситуацию с быстрыми радиовсплесками можно сравнить с началом изучения гамма-всплесков. Чаще всего расстояние до них невозможно определить с такой точностью, чтобы судить о реальном выходе энергии. Поскольку наблюдения электромагнитных проявлений в других частотах невозможны, очень сложно воспользоваться методом дополняющих наблюдений. Неудивительно, что голландский астроном, участвовавший в разработке шкалы расстояний для гамма-всплесков, мечтает раскрыть и тайну FRB. С 2006 г. до начала 2017-го Пауль Гроот возглавлял кафедру астрофизики Университета Радбаунд в Неймегене. Как и его коллеги из Южной Африки и Великобритании, он надеется, что совместный проект MeerLICHT станет прорывным[109].

MeerLICHT фактически сводит к нулю время отклика при поиске электромагнитных проявлений. MeerLICHT – это относительно небольшой, 65-сантиметровый, автоматический телескоп, установленный в южноафриканской обсерватории Сазерленд. Он запрограммирован всегда смотреть точно в том же направлении, что и MeerKAT – одна из южноафриканских обсерваторий-целеуказателей в составе SKA примерно в 250 км дальше на севере. Если радиотелескопу удастся наблюдать радиовсплеск (или другой транзиентный источник) с достаточно ярким оптическим проявлением, чтобы быть видимым, робот-телескоп автоматически сделает снимок. Когда важна скорость, самое лучшее – действовать одновременно.

Казалось бы, это многообещающая стратегия обнаружения оптических проявлений гравитационных волн. Однако трудно добиться, чтобы оптический телескоп всегда смотрел в одном направлении с такими детекторами волн Эйнштейна, как LIGO и Virgo. Дело в том, что LIGO и Virgo имеют неизбирательную чувствительность – они зарегистрируют достаточно сильные гравитационные волны независимо от того, с какой стороны они пришли на Землю. И разумеется, чувствительные оптические телескопы не могут постоянно осматривать все небо. Поле зрения телескопа обычно намного меньше видимого размера полной Луны, поэтому астрономам приходится мириться с невозможностью одновременно смотреть во все стороны.

Очевидное решение – система оповещения, разработанная для LIGO и Virgo. Как только зарегистрирована вероятная гравитационная волна, астрономам сообщают, в каком направлении искать ее источник, чтобы они могли задействовать телескопы и космические обсерватории. В принципе, все это можно автоматизировать. Потоки данных лазерного интерферометра постоянно проверяются алгоритмами регистрации. Если сигнал настолько сильный, что требует дальнейшего анализа, – как в случае GW150914 и GW151226, – примерное местоположение его источника в небе можно вычислить. Результаты рассылаются по интернету всем наблюдателям, заключившим официальное соглашение с коллаборацией LIGO – Virgo. Если они используют робот-телескоп, то первые изображения возможного электромагнитного проявления можно получить в течение нескольких минут после регистрации волны Эйнштейна.

_________

Астрономы много размышляли о том, какими именно электромагнитными проявлениями может сопровождаться гравитационная волна и сколько времени они могут быть видимыми. Чтобы ответить на этот вопрос, сначала нужно узнать, какие космические события порождают наблюдаемые гравитационные волны.

Существующие лазерные интерферометры восприимчивы к гравитационным волнам частотой примерно от 10 до 1000 Гц. Такие волны излучаются главным образом при столкновениях и слияниях нейтронных звезд и ЧД. Эти события «видимы» для LIGO и Virgo на больших расстояниях. Со временем, когда усовершенствованные детекторы достигнут полной проектной чувствительности, они смогут наблюдать слияния нейтронных звезд на расстоянии до нескольких сотен миллионов световых лет. В случае столкновения нейтронной звезды и ЧД это расстояние намного превышает миллиард световых лет, поскольку ЧД более массивна. Слияние двух достаточно массивных ЧД можно наблюдать с дистанции до нескольких миллиардов световых лет.

Что можно надеяться увидеть в оптический телескоп или наблюдать в инфракрасном, рентгеновском и радиодиапазоне? Это зависит от обстоятельств. При «чистом» слиянии ЧД не будет никакого электромагнитного излучения. Это событие – «шторм в ткани пространства-времени», говоря словами Кипа Торна. Нет никакого вещества: атомов, молекул – ничего, что могло бы испускать какое бы то ни было излучение. Слияние ЧД может сообщить о себе Вселенной только в форме гравитационных волн.

Поэтому охотники за электромагнитными проявлениями были немного разочарованы тем, что источником GW150914 стали две соединившиеся ЧД. В области столкновения этих космических объектов могло присутствовать некоторое количество материи в форме межзвездного газа и пыли, но немного, с учетом колоссального притяжения двух ЧД. В отсутствие материи, которая могла бы нагреться или стать средой для ударных волн, событие едва ли сопровождалось доступным для регистрации электромагнитным излучением (но астрономы все равно искали электромагнитные проявления).

Слияние нейтронных звезд или столкновение нейтронной звезды и ЧД – другое дело. Нейтронная звезда содержит обыкновенные ядерные частицы в количестве, по меньшей мере 1,4 массы Солнца. Результатом столкновения двух нейтронных звезд, скорее всего, станет ЧД, если же нейтронная звезда врежется в ЧД, то бóльшая часть ее массы просто исчезнет. Но в обоих случаях значительное количество материи может быть нагрето до экстремально высоких температур и выброшено в пространство со скоростью, составляющей существенную часть скорости света. Когда эта взрывная волна войдет в окружающее межзвездное вещество, каким бы оно ни было разреженным, мощные ударные волны создадут электромагнитное излучение в широком диапазоне частот. Считается, что столкновения с участием хотя бы одной нейтронной звезды сопровождаются впечатляющим космическим фейерверком.

Этим и обусловлена связь гравитационных волн и гамма-всплесков. Еще в начале 1990-х гг. некоторые астрофизики утверждали, что гамма-всплески могут вызываться слияниями нейтронных звезд в далеких галактиках. Это было задолго до составления шкалы расстояний для событий взрывного характера. Сегодня почти никто не сомневается, что слияния нейтронных звезд являются прародителями по крайней мере значительной части наблюдаемых гамма-всплесков.

Гамма-всплески можно разделить на две группы, представляющие разные категории космических феноменов. Короткие гамма-всплески длятся долю секунды, длинные – от нескольких секунд до двух минут. Длинные всплески – это, вероятно, невероятно мощные взрывы сверхновых, иначе называемые сверхъяркими сверхновыми. Они могут возникать, когда короткая жизнь очень массивных быстро вращающихся звезд оканчивается катастрофическим коллапсом и превращением в ЧД. Для объяснения коротких всплесков были предложены разные сценарии, среди которых с большим отрывом лидирует модель слияния с участием нейтронной звезды.

Сосредоточимся на коротких гамма-всплесках. При некоторых из них было зарегистрировано слабое рентгеновское и оптическое послесвечение. Оно длится намного дольше самого всплеска гамма-излучения – целый день и более. Казалось бы, это означает, что мы точно знаем, какие электромагнитные проявления гравитационных волн нужно искать. Ведь речь, возможно, идет об одном и том же физическом явлении – слиянии нейтронных звезд. Если выброс гравитационных волн тоже порождается слиянием с участием нейтронной звезды, разве не должна практически одновременно с ним происходить вспышка высокоэнергетического гамма-излучения, иногда сопровождающаяся слабым послесвечением?

К сожалению, все не так просто, поскольку гамма-всплески являются чрезвычайно «сфокусированными». Огромная мгновенная энергия практически целиком излучается в двух противоположных направлениях. В случае сверхъярких сверхновых (длинные всплески) импульсы излучаются по оси вращения коллапсирующей звезды. При столкновениях нейтронных звезд (короткие всплески) излучение может быть направлено перпендикулярно орбитальной плоскости сливающихся звезд. Очевидно, в этом направлении из системы выбрасывается большая часть материи с невообразимыми скоростями, очень близкими к скорости света.

Если ситуация такова, что линия нашего взгляда направлена навстречу одному из этих двух пучков (или джетов), то мы наблюдаем колоссальный взрыв в форме гамма-всплеска. Если же мы смотрим на них со стороны, то вообще не видим гамма-всплеска и почти не видим послесвечения. Иными словами, многие слияния с участием нейтронных звезд не наблюдаются в форме гамма-всплесков, и в действительности во Вселенной гораздо больше таких слияний, чем коротких гамма-всплесков, регистрируемых астрономами.

Напротив, гравитационные волны излучаются во всех направлениях (хотя необязательно с одинаковой силой). Даже если слияние нейтронной звезды не наблюдается в виде короткого гамма-всплеска из-за ее ориентации в пространстве, оно тем не менее может быть наблюдаемым в качестве источника волн Эйнштейна. Есть одна проблема: эти волны слабы и их сложно зарегистрировать. Поэтому остается надеяться на регистрацию волн, вызванных слиянием нейтронных звезд в пределах порядка нескольких сотен миллионов световых лет.

Таким образом, между источником гравитационных волн и коротких гамма-всплесков может быть связь, но она сложна. Она чем-то напоминает связь между нейтронными звездами и пульсарами. Как мы узнали из главы 6, быстро вращающиеся вокруг своей оси, сильно намагниченные нейтронные звезды создают узконаправленные пучки радиоволн вращающегося «маяка». При благоприятной ориентации мы можем зарегистрировать эти нейтронные звезды как пульсары, даже если до них десятки тысяч световых лет. Реальное число нейтронных звезд, конечно, намного превышает количество наблюдаемых нами пульсаров. Но изотропное излучение нейтронных звезд – излучение во всех направлениях – очень слабо. Поэтому нейтронную звезду, не наблюдаемую в качестве пульсара, можно увидеть, только если она близко – в нескольких сотнях световых лет.

Итак, LIGO и Virgo смогут зарегистрировать гравитационные волны пары сливающихся нейтронных звезд, только если катастрофа происходит не далее нескольких сотен миллионов световых лет. Если при столкновении излучаются очень узконаправленные волны, возможны два варианта: или один из пучков направлен на нас (вероятность чего мала), или оба проходят мимо Земли (что гораздо более вероятно). В первом случае мы рассчитываем увидеть невероятно яркий короткий гамма-всплеск и выраженное послесвечение на многих длинах волны. Подобное событие, безусловно, будет зарегистрировано орбитальными гамма-обсерваториями. Во втором случае важно знать, какое именно изотропное излучение должно испускаться при этом событии.

Теоретики считают, что могут ответить на этот вопрос. Сразу после столкновения звезд материя, выброшенная в пространство, является чрезвычайно горячей. Более того, она не имеет той немыслимой плотности, как в бытность нейтронной звездой. Внезапно возникают условия для возобновления ядерных реакций, что и происходит. Разрушающиеся скопления плотно упакованных нейтронов разлетаются во все стороны. Отдельные нейтроны распадаются с образованием протонов – положительно заряженных частиц. Протоны и нейтроны образуют массивные фрагменты радиоактивной материи, в которой мгновенно начинается распад на более мелкие и стабильные атомные ядра. Радиоактивные элементы быстро расходуются, испуская мощное излучение, главным образом в красном и инфракрасном диапазонах. Остается расширяющееся, медленно остывающее облако атомов тяжелых элементов, в том числе драгоценных металлов – золота и платины.

По расчетам Эдо Бергера из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики в Кембридже (Массачусетс), при столкновении двух нейтронных звезд может образоваться чистое золото общей массой не менее десяти масс Луны. Практически весь имеющийся в космосе запас этого драгоценного металла – включая золото в вашем обручальном кольце, браслете или часах – образовался, вероятно, при столкновениях нейтронных звезд.

По оценкам, в ядерном котле после столкновения выделяется меньше энергии, чем при обычном взрыве сверхновой. Но ее примерно в тысячу раз больше, чем при вспышке нормальной новой звезды (термоядерного взрыва на поверхности белого карлика). Поэтому это событие часто называют килоновой звездой. По очевидным причинам другое популярное название – «блестящая новая» (bling nova).

Летом 2013 г. Ниал Танвир и его коллеги из Лейчестерского университета в Великобритании впервые наблюдали предсказанное моделью излучение килоновой вследствие короткого гамма-всплеска[110]. Всплеск был зарегистрирован 3 июня в галактике, удаленной почти на 4 млрд св. лет. С помощью космического телескопа «Хаббл» команда Танвира наблюдала угасание свечения шара 12 июня. Это открытие принято считать надежным свидетельством того, что короткие гамма-всплески являются результатом слияния нейтронных звезд. Поскольку излучение килоновой распространяется во всех направлениях, это электромагнитное проявление можно ожидать при слиянии с участием нейтронной звезды, не наблюдаемом в форме гамма-всплеска.

Итак, мы знаем, какой отголосок события искать при регистрации гравитационной волны. Если возмущения пространственно-временного континуума вызваны слиянием ЧД, скорее всего, не будет вообще никаких электромагнитных последствий. Если же хотя бы одним из сливающихся объектов является нейтронная звезда, можно рассчитывать на короткую высокоэнергетическую вспышку голубого света в самом начале с последующим медленно затухающим свечением в красном и инфракрасном диапазонах. На поздней стадии расширяющаяся материя может также излучать радиоволны. Разумеется, это не более чем современное теоретическое представление. Вселенная, возможно, приготовила для нас еще много сюрпризов.

Важная дополнительная информация, которую принесет открытие электромагнитных последствий, – это расстояние до источника гравитационных волн. На сегодняшний день существует большая неопределенность в оценке этих дистанций для обеих регистраций, GW150914 и GW151226. Она целиком основывается на наблюдаемой амплитуде волн и на теоретических моделях. Если же обнаружится электромагнитное последствие в далекой галактике, легко будет определить расстояние до нее. Все, что потребуется, – измерить красное смещение, как объяснялось в главе 9. Зная расстояние, мы сумеем вычислить энергетику столкновения, в том числе энергетику гравитационных волн. Это позволит протестировать и усовершенствовать существующие модели.

В общем, поиск электромагнитных последствий и дополняющие наблюдения представляются обоснованными. Представители многих направлений астрономических исследований проявляют большую заинтересованность. Десятки команд, заключивших соглашение о сотрудничестве с LIGO и Virgo, будут получать уведомление сразу же после регистрации следующего сигнала гравитационной волны. В совокупности эти исследования охватывают весь спектр электромагнитного излучения – от самых длинных радиоволн до самого короткого гамма-излучения. Используются разнообразные инструменты (от маленьких автоматизированных камер до самых больших оптических и радиотелескопов), а также искусственные спутники Земли. Едва зеркала интерферометров придут в движение, к наблюдениям подключится весь мир.

_________

Теперь вы знаете, почему важны срочные дополняющие наблюдения сигналов гравитационных волн и какого рода электромагнитными проявлениями последние могут сопровождаться. Серьезная проблема – область поиска слишком велика. Во всяком случае так было при первом научном запуске Advanced LIGO. Рассчитать направление, с которого пришла гравитационная волна, можно единственным способом – точно измеряя время ее прибытия несколькими детекторами. Если у вас всего два детектора, найти ответ обычно невозможно.

Между двумя детекторами LIGO (в Ливингстоне и в Хэнфорде) около 3000 км. Мысленно проведите через две обсерватории прямую линию и продлите ее в пространство в обоих направлениях. Допустим, космическое столкновение, при котором были излучены гравитационные волны, произошло точно на этой линии. Тогда волнам потребуется 0,01 с на путь от первого детектора до второго (напомню, что гравитационные волны распространяются со скоростью света – 300 000 км/с). Таким образом, если Хэнфорд видит сигнал на 0,01 с раньше Ливингстона, вы знаете, что событие произошло на соединяющей их линии со стороны Хэнфорда. Если же регистрация в Хэнфорде запаздывает на 0,01 с, значит, волны пришли с противоположной стороны.

Разумеется, вероятность идеального совпадения минимальна. В большинстве случаев временной интервал будет меньше 0,01 с, поскольку волны придут под определенным углом к линии, соединяющей две обсерватории. (Если их направление окажется перпендикулярным соединительной линии, разницы во времени вообще не будет – два детектора зарегистрируют сигнал одновременно.) Тогда вы не будете знать, с какой стороны пришли волны. Единственное, что вам останется, – очертить в небе окружность и сказать, что столкновение произошло где-то внутри нее. Чем меньше временной разрыв, тем больше окружность.

Некоторые характеристики зарегистрированного сигнала укажут область круга, являющуюся наиболее вероятным местоположением его источника. Тем не менее поиск приходится вести в гигантском, в форме банана, сегменте неба. Чтобы быстро обнаружить электромагнитные последствия события, необходимо сразу же охватить поиском огромную часть небесной сферы. В такой обширной области, скорее всего, содержится много десятков подозрительных объектов – пятнышек света, которые отсутствовали месяц назад и через несколько дней снова угаснут. Каждый нужно проверить и убедиться, что это не новый тип транзиентного события наподобие далекой сверхновой, звездной вспышки и т. д. Вероятнее всего, вы так и не сможете с уверенностью утверждать, что обнаружили источник наблюдаемых волн Эйнштейна.

Разумеется, с официальным открытием 20 февраля 2017 г. Advanced Virgo ситуация значительно улучшилась. Если три детектора наблюдают один и тот же сигнал гравитационной волны, то складываются три пары: Ливингстон – Хэнфорд, Ливингстон – Virgo и Хэнфорд – Virgo. Три пары детекторов – это три разных способа проведения одного и того же анализа, в результате чего вы выделяете в небе три круга (или сегмента в форме банана). Они будут пересекаться в одной относительно небольшой области, в которой и нужно искать электромагнитные проявления. Не удивлюсь, если окажется, что первые проявления волны Эйнштейна уже были обнаружены и изучались на тот момент, когда эта книга поступила в продажу, хотя во время ее написания Advanced Virgo еще решала проблемы с тягами из аморфного кварца в системе подвеса зеркал. (Advanced LIGO 30 ноября 2016 г. начала второй научный пуск, и на апрель 2017 г. было зарегистрировано шесть событий-кандидатов.)

Через несколько лет в Японии будет введен в действие четвертый лазерный интерферометр. В дальнейшем в Индии появится пятая обсерватория (подробнее об этом – в главе 16). Как вы понимаете, чем больше детекторов, тем точнее локализация события. Добавление сразу трех гарантирует скорое превращение дополняющих исследований источников гравитационных волн в зрелое и продуктивное направление астрофизики.

Инструменты поиска электромагнитных проявлений не должны ограничиваться наземными оптическими и радиотелескопами. Весьма вероятно, что первого успеха достигнет космическая обсерватория. Самое высокоэнергетическое электромагнитное излучение – гамма и рентгеновское – в принципе невозможно наблюдать с Земли. Несколько групп специалистов по гамма- и рентгеновской астрономии также заключили соглашение с коллаборацией LIGO – Virgo. Они готовы направить космические телескопы в любом направлении, которое укажут лазерные интерферометры.

Например, спутник НАСА Swift, запущенный в ноябре 2004 г., уже некоторое время участвует в поиске[111]. Swift предназначен для регистрации и изучения гамма-всплесков. Он оборудован детектором гамма-излучения, рентгеновским телескопом и телескопом ультрафиолетового/оптического диапазонов. Самостоятельно он может регистрировать гамма-всплески, определять их положение в небе и искать оптические проявления. Главный исследователь проекта Нил Герелс из Центра управления космическими полетами им. Годдарда в Гринбелте (Мэриленд) рассказал, что эта успешная миссия может также заниматься быстрым поиском рентгеновских, ультрафиолетовых или оптических проявлений источников гравитационных волн. В прошлом Swift выполнял дополняющие наблюдения для ряда инициирующих событий LIGO/Virgo и даже посвятил несколько дней событию Большого Пса – печально знаменитому слепому внедрению в сентябре 2010 г., описанному в главе 11.

Герелс не сомневался, что решающую роль мог бы сыграть еще один инструмент НАСА, космический гамма-телескоп Fermi[112], запущенный в июне 2008 г. Его детекторы гамма-излучения с широким углом обзора охватывают почти полнеба. Если сигнал гравитационной волны сопровождается выбросом высокоэнергетического гамма-излучения, существует примерно 50 %-ная вероятность, что Fermi его заметит. Тогда Swift может провести последующее за регистрацией Fermi исследование, чтобы точнее определить местоположение события. В считаные минуты наземные оптические телескопы начнут поиск в намного меньшей области пространства, чем могли бы указать им только LIGO и Virgo. (Очень жаль, что Нил Герелс уже не увидит результатов – он скончался в начале 2017 г. в возрасте 64 лет.)

На что способны наземные инструменты? Некоторые большие телескопы оборудованы широкоугольными камерами для многократного картирования неба. Вы уже познакомились с телескопом в Паранале, имеющим камеру 268 Мп. Есть еще камера «Темная энергия» разрешением 520 Мп на четырехметровом телескопе им. Виктора Бланко в межамериканской обсерватории Сьерро-Тололо в Чили, а также две камеры Pan-STARRS с матрицами в 1,4 гигапикселя, установленные на 1,8-метровые телескопы обсерватории Халеакала на гавайском острове Мауи. Однако эти большие инструменты разрабатывались не для моментальных дополняющих исследований транзиентных объектов. Менее крупные приборы для этого гораздо удобнее. Один из таких небольших инструментов работает на знаменитой площадке в Южной Калифорнии – в Паломарской обсерватории[113].

На горе Паломар к северо-востоку от Сан-Диего легко проглядеть относительно небольшой телескоп Самуэля Ошина. Туристы, заехав на гору, дивятся на огромный купол 5,1-метрового телескопа Хейла, с галереи для посетителей бросают взгляд на гигантский рефлектор, покупают сувенир в магазинчике и возвращаются к своим машинам. Это закономерно, поскольку телескоп Хейла (названный в честь астрофизика Джорджа Эллери Хейла) – действительно потрясающий инструмент. Он был введен в эксплуатацию в 1948 г. и оставался самым большим в мире телескопом более 25 лет. В начале 1970-х гг., когда я, подросток, делал первые шаги в качестве астронома-любителя, телескоп Хейла был тем же, чем для более молодого поколения стал космический телескоп «Хаббл». Когда рассматриваешь этот великолепный инструмент, чувствуешь благоговейный трепет.

От большого купола до намного меньшего телескопа Самуэля Ошина – короткая поездка на машине. Диаметр его главного зеркала всего 1,2 м. Называемый также «Паломарский Шмидт» (за оптическую конструкцию), он имеет громадное поле зрения, более чем в 12 раз превышающее поперечник полной Луны. В 1950-х гг. телескоп использовался в знаменитом исследовании звездного неба Паломарской обсерватории – составлении громадного атласа фотографий неба Северного полушария.

Сегодня такие астрономы Паломарской обсерватории, как Эдвин Хаббл (в честь которого был назван космический телескоп) не узнали бы инструмент. Наверху телескопа установлен гигантский, размером в теннисный стол, затвор. Трубу телескопа вскрыли, чтобы разместить большую ПЗС-камеру, охлаждаемую до сверхнизких температур, и дополнительное оптическое оборудование. Повсюду кабели и электроника. Более того, инструмент стал полностью автоматическим – никто не дежурит ночами, пока телескоп обследует небо. Познакомьтесь с проектом Zwicky Transient Facility, ZTF – одним из самых быстрых построителей карты звездного неба в мире![114]

По словам научного сотрудника программы Эрика Беллма из Калифорнийского технологического университета в Пасадене, этот инструмент может делать снимки с 30-секундной выдержкой примерно каждые полторы минуты[115]. Благодаря чувствительной электронике на каждом снимке отображается практически столько же звезд, сколько на стеклянных фотопластинах 1950-х гг., требовавших почти часовой выдержки. В принципе, ZTF мог бы сфотографировать все видимое небо за одну-единственную ночь, создав фантастический поток данных порядка 100 Мбит/с.

Название ZTF дано в честь астронома из Калтеха Фрица Цвикки, осуществившего одно из первых обзорных исследований в астрономии в поисках взрывов сверхновых в других галактиках. ZTF также занят поиском далеких сверхновых и других краткосрочных феноменов. Инструмент может реагировать и на уведомления о регистрации гравитационных волн. В течение минуты после получения уведомления телескоп и его купол будут сориентированы в нужную сторону и начнут охоту за оптическим проявлением волны Эйнштейна.

В Южном полушарии одним из конкурентов ZTF станет проект BlackGEM в Чили[116]. Он стартует в 2018 г. маленькой группой из трех автоматизированных 65-сантиметровых телескопов. Если удастся привлечь больше финансирования, линейку можно будет расширить до пяти или даже до 15 одинаковых телескопов, оборудованных чувствительными ПЗС-камерами. Главным исследователем проекта BlackGEM является голландский астроном Пауль Гроот, первооткрыватель оптического проявления гамма-всплеска. Описанный ранее телескоп Гроота MeerLICHT стал прототипом инструментов BlackGEM.

У BlackGEM имеется несколько преимуществ перед другими проектами поиска электромагнитных проявлений. Во-первых, он разработан специально для дополняющего исследования регистраций гравитационных волн – это его главная научная задача. (ZTF может сопровождать, самое большее, несколько событий-триггеров в месяц в силу загруженности другими проектами.) Во-вторых, благодаря решетке из нескольких телескопов BlackGEM очень гибок. Если область поиска, указанная LIGO и Virgo, окажется сильно вытянутой, как в случаях GW150914 и GW151226, каждый телескоп сможет сфокусироваться на собственной части «банана». При малой зоне поиска или при регистрации электромагнитного проявления телескопы поведут наблюдения сообща, что значительно повышает точность.

В качестве местоположения BlackGEM была выбрана гора Сьерро-ла-Силла в Чили к северо-востоку от портового города Ла-Серена. Атмосфера над Ла-Силла намного спокойнее, чем над горой Паломар, и условия для наблюдения значительно лучше – это третье преимущество. В 1960-е гг. здесь были установлены некоторые первые телескопы ESO. На сегодняшний день ESO перенесла основную часть своей деятельности значительно севернее, на Сьерро-Паранал, но и на Ла-Силла ведется много работы. Оседлавшая горный хребет обсерватория окружена мягкими склонами холмов, протянувшихся вдаль к горизонту. Это удивительно спокойное место, куда часто наведываются дикие ослы и лисы из пустыни Атакама. В ясный день (которые здесь бывают часто) легко увидеть купола обсерватории Лас-Кампанас Научно-исследовательского института им. Карнеги, до которой около 25 км.

_________

Так много далеких горных вершин, обсерваторий, чувствительных инструментов и увлеченных астрономов, мечтающих раскрыть тайны Вселенной! Кто первым обнаружит оптическое проявление гравитационной волны, ZTF на горе Паломар или BlackGEM на Сьерро-ла-Силла? Или пальма первенства достанется дополняющим исследованиям столкновений космических тел на базе радионаблюдений, измерения рентгеновского или гамма-излучения? Радиоастрономы, работающие на SKA и ее телескопах-целеуказателях, уже обсуждают лучшую стратегию реагирования. Специалисты в области рентгеновской астрономии надеются осуществить мониторинг всего неба, вероятно на базе МКС. Существующие обсерватории, как наземные, так и космические, пытаются получить свою часть добычи. Регулярно вводятся в действие новые проекты. Успех совсем рядом. Это только вопрос времени.

Когда-нибудь может осуществиться даже мечта о возможности смотреть во все стороны одновременно. «Большой обзорный телескоп» (Large Synoptic Survey Telescope, LSST) будет три раза в неделю фотографировать видимое небо на невероятно чувствительную 3-гигапиксельную камеру[117]. LSST строится на Сьерро-Пачон, еще одной облюбованной астрономами горной вершине на севере Чили. Он сможет открыть десятки тысяч краткосрочных транзиентов, таких как сверхновые, звездные вспышки и астероиды, и определить расположение и форму миллиардов галактик с целью изучения структуры и эволюции Вселенной в целом.

Между тем на Сьерро-Тололо к северу от Сьерро-Пачон футуристический Evryscope уже фотографирует четверть доступного неба каждые две минуты. Этот проект, которым руководит Николас Ло из Университета Северной Каролины в Чапел-Хилле, использует массив из 27 автоматических телескопов размером с любительский инструмент, которые действуют совместно в качестве гигантского «рыбьего глаза» для астрономических наблюдений. Из-за маленькой апертуры этот «всевидетель» не может заглянуть так далеко, как LSST, и не различит совсем бледные звезды и мельчайшие детали. Однако, разместив несколько «Эврископов» по всему миру, можно непрерывно обследовать космос с охватом всего доступного неба.

Это будущее астрономии. Каждый существующий метод наблюдений, каждая часть неба, все время. Фотоны любой мыслимой длины волны – от самого высокоэнергетического гамма-излучения до радиоволн самой низкой частоты. Космические субатомные частицы, например космическое излучение и нейтрино. Самые слабые возмущения ткани пространства-времени. В совокупности эти данные составляют сокровищницу информации об удивительной Вселенной, в которой мы живем.

Революционная регистрация гравитационных волн обсерваторией LIGO знаменует собой рождение всесигнальной астрономии.

15

Прорыв в космос

Еда была прекрасная, а прием ужасный.

В смысле мобильный плохо принимал. По приглашению ЕКА я прибыл в составе международной группы журналистов в Гвианский космический центр в Куру[118], чтобы наблюдать за запуском космического аппарата LISA Pathfinder[119]. За день до старта мы отлично пообедали в ресторане Garbet des Maripas на берегу реки Куру посреди джунглей. Желающие даже прокатились в пестрых пирóгах. Казалось, мы попали в отпускной рай и незачем поддерживать связь с остальным миром.

Все изменилось между второй и третьей сменами блюд, когда директор по запускам Гаэле Винтерс объявил, что из-за неполадок с датчиком температуры в головном блоке ракеты запуск, назначенный на раннее утро 2 декабря 2015 г., откладывается. Разумеется, журналисты кинулись звонить редакторам, обновлять блоги, выкладывать посты в соцсетях и писать твиты, но в ресторане не оказалось Wi-Fi, а мобильные телефоны не видели сети.

К счастью, кто-то обнаружил, что ниже по реке связь есть, хотя и с перебоями – всего одна «палочка», но для работы хватит. Все столпились на маленьком деревянном причале, вознося смартфоны над головами. Представляю, как мы смотрелись!

Проблему с датчиком решили быстро, и запуск был отложен всего на день, на 3 декабря, 1:04 по местному времени. Небольшая европейская ракета-носитель «Вега» устремилась в ночное небо, ослепительный факел скрылся в пелене облаков. Через несколько минут образцово-показательный запуск со всеми непременными атрибутами – ревущим пламенем, клубами дыма и прочим – был успешно осуществлен. Сотрудники в центре управления аплодировали и обнимались. Некоторые работали над этим проектом более 15 лет. Шампанское текло рекой. Текли и слезы.

За три месяца до запуска я близко познакомился с LISA Pathfinder в чистой комнате компании Industrieanlagen-Betriebsgesellschaft mbH в Оттобрюнне немного южнее Мюнхена, где аппарат проходил испытания[120]. Адрес Эйнштейнштрассе, 20, как нельзя лучше подходил для тестирования спутника, задачей которого должна была стать регистрация гравитационных волн в космосе. Аппарат размером с ванну, упакованный в золотистую теплоизоляцию, венчал модульный отсек с двигательной установкой. Остальное пространство занимал гигантский контейнер, подготовленный для транспортировки спутника во Французскую Гвиану.

Я знал, что в недрах LISA Pathfinder находятся два массивных, тщательно отполированных куба из сплава золота и платины размером с маленькие пресс-папье. Несколько недель после запуска они будут находиться в состоянии идеального свободного падения. Технологическое сердце аппарата также включало миниатюрный интерферометр – лазеры, зеркала, фотодетекторы. Я не представлял, как это хрупкое оборудование выдержит автоперевозку в Великобританию (для предстартовой подготовки), перелет в Куру на грузовом самолете «Антонов», огромные нагрузки при запуске в космос и дальнейший полет к месту работы на солнечной орбите.

«Это первый шаг к наблюдению гравитационных волн в космосе, – сказал научный сотрудник программы Пол Макнамара из Европейского центра космических исследований и технологий в Нордвейке (Нидерланды). – LISA Pathfinder открывает дверь в будущее». Три месяца спустя во время запуска научный руководитель ЕКА Альваро Хименес высказался столь же выразительно – «ослепительные перспективы», «неизведанная территория», «новая глава в науке» – и мое любимое: «Уверен, что Эйнштейн был бы доволен». Я бы, впрочем, сказал «был бы в полном восторге».

_________

Что такое LISA Pathfinder? Название говорит само за себя[121]. Это целеуказатель лазерно-интерферометрической космической антенны – гигантской антенны, ищущей гравитационные волны в космосе. LISA станет колоссальной космической версией LIGO. Лазерные импульсы будут переотражаться в системе зеркал и телескопов между тремя космическими аппаратами, образующими группу на расстоянии нескольких миллионов километров друг от друга. Чувствительные интерферометры будут измерять ничтожные изменения расстояния между контрольными грузами – кубиками внутри аппаратов, – вызванные проходящими низкочастотными гравитационными волнами.

Никто никогда не регистрировал волны Эйнштейна в космосе. Строительство и запуск LISA без предварительного тестирования необходимых технологий – рывок в неизведанное, как если бы Орвилл и Уилбур Райты решили не тратить время на «Флайер», а сразу взялись за «Боинг-747». В определенном смысле LISA Pathfinder – это «Флайер» братьев Райт в гравитационно-волновой астрономии космического базирования.

В наземных детекторах контрольными грузами служат зеркала в обоих концах плеч интерферометра. Они слегка сближаются и отдаляются при прохождении гравитационной волны. Как мы знаем, изменения дистанции между ними чрезвычайно малы – намного меньше диаметра протона. Поэтому зеркала необходимо изолировать от любых высокочастотных колебаний, которые могут возникать в окружающем пространстве. В сущности, это главная сложность при создании таких лазерных интерферометров, как LIGO и Virgo.

В космосе нет грохочущих грузовиков и захлопывающихся дверей. Это гораздо более спокойная среда, но и там присутствуют многочисленные нежелательные воздействия. Спутники сотрясает излучение Солнца – солнечный свет оказывает слабое, но ощутимое давление. В любой момент с любой стороны может ударить микрометеорит или молекула газа, из атмосферы Земли и других планет. Заряженные частицы, которые Солнце выбрасывает в пространство, небольшие изменения температуры, магнитные поля, высокоэнергичное космическое излучение – множество помех угрожают регистрации волн Эйнштейна.

Лучший способ защитить контрольный груз от любых нежелательных воздействий – заключить его в пустотелый космический аппарат. Давление солнечного излучения или удар пылевой частицы может изменить направление движения аппарата, но он скорректирует свое положение относительно размещенного внутри контрольного груза с помощью двигателей малой тяги. Тогда на контрольный груз будет влиять только гравитация Солнца и планет – это и есть «свободное падение».

Впрочем, как обычно, не все так просто. Слабые силы действуют на контрольный груз и в недрах пустотелого космического корабля. Даже в глубоком вакууме всегда присутствуют атомы газа. Определенное влияние оказывают перепады температуры и магнитные поля. Медленное накопление электрического заряда на контрольном грузе может вызвать его крохотное смещение. Слабые гравитационные воздействия самого космического аппарата не бывают строго симметричными. Более того, они меняются, поскольку микродвигатели расходуют топливо. Чтобы узнать, удалось ли добиться идеального свободного падения контрольного груза, необходимо учесть все эти слабые силы и ускорения. Однако это невозможно, если аппарат всегда «делает то же самое», что и груз, который он несет, – отсутствуют эталонные измерения.

Вот зачем нужен второй контрольный груз. Побочные эффекты у двух контрольных грузов не могут быть совершенно одинаковыми. Если оба находятся в состоянии идеального, ничем не нарушаемого свободного падения, их взаимное расстояние и ориентация остаются неизменными. Под влиянием второстепенных воздействий внутри пустотелого космического аппарата два контрольных груза начнут медленно смещаться один относительно другого. Если вы сумеете измерить это крохотное смещение, то получите отличный показатель достигнутой степени «невозмущенности» системы.

Главная задача LISA Pathfinder – продемонстрировать способность обеспечивать полный, ничем не нарушаемый покой. Контрольные грузы в форме куба со стороной 46 мм сделаны из сплава 73 % золота и 27 % платины. Выбор материала обусловлен низкой магнитной восприимчивостью и высокой плотностью: каждый куб весит почти 2 кг. Аналогичные контрольные грузы в будущем будут использоваться в полномасштабном детекторе LISA. Стоит такой кубик около $70 000 (без учета намного более дорогого процесса высокоточной механической обработки). Контрольные грузы LISA Pathfinder, вероятно, являются самыми дорогостоящими изделиями из металлических сплавов, когда-либо запущенными в космос, – и самыми необычными «пресс-папье» в истории.

Два куба из золота и платины будут парить в невесомости, каждый в собственной маленькой полости в недрах корабля. Их вместилища из молибдена разнесены на 38 см. Они также имеют форму куба со стороной 54 мм. Между каждой гранью контрольного груза и стенкой камеры остается зазор всего в 4 мм. Там действительно тесно! Разумеется, кубы никогда не должны касаться внутренних стен своей темницы.

Как инженеры-разработчики LISA Pathfinder добились этого потрясающего результата? Шесть стенок первой камеры оснащены емкостными датчиками, позволяющими с высокой точностью измерять просветы между каждой стенкой и парящим в невесомости кубом (назовем его контрольным грузом № 1). Как только куб отклоняется от центрального положения (вероятнее всего, под воздействием давления солнечной радиации на наружную оболочку космического аппарата или какой-либо другой внешней силы), микродвигатели корректируют положение аппарата в пространстве, выбрасывая крохотное количество газообразного азота. Таким образом, аппарат «следует» за движением контрольного груза № 1 по солнечной орбите.

Однако состояние контрольного груза № 1 не является идеальным свободным падением в силу вышеупомянутых слабых воздействий. Ученые хотят получить точную оценку этих эффектов, чтобы узнать, насколько созданная среда близка к невозмущенной. Как мы знаем, остаточные силы немного по-разному действуют на два куба. Со временем контрольные грузы № 1 и № 2 начнут слегка смещаться относительно друг друга. Поскольку корабль следует за грузом № 1, груз № 2 вскоре коснется внутренней стенки своей камеры.

Электростатическое поле внутренних стенок второй камеры воздействуют на контрольный груз № 2, возвращая его обратно, как только он приходит в движение. Расходуемый при этом ток позволяет судить об относительных перемещениях и ускорениях кубов. Чем меньше необходимая корректирующая сила, тем лучше.

LISA Pathfinder оборудован маленьким интерферометром, состоящим из двух лазерных плеч и 22 зеркал и светоделителей. Интерферометр находится между защитными корпусами контрольных грузов. Он точно измеряет слабейшие изменения расстояния и ориентации кубиков из драгоценного сплава. Его задача – продемонстрировать возможность измерения расстояний в космосе с точностью до пикометра. Точность интерферометра в несколько тысяч раз выше, чем емкостных датчиков.

В LISA Pathfinder тестируются практически все новые технологии будущей Лазерно-интерферометрической космической антенны. Единственное, чего Pathfinder не будет делать – регистрировать гравитационные волны, поскольку для этого он слишком мал.

Зачем вообще мерить гравитационные волны в космосе? Как вы помните, наземные детекторы, например LIGO и Virgo, чувствительны к волнам Эйнштейна с частотами от 10 Гц до 1000 Гц. На Земле регистрация волн существенно меньшей частоты невозможна, поскольку ниже нескольких герц сейсмический шум окружающей среды слишком силен. В невозмущенной среде космоса ничто не мешает измерять низкочастотные волны, если интерферометр имеет достаточно длинные плечи. Длина плеч LISA составит несколько миллионов километров, следовательно, он будет способен фиксировать гравитационные волны частотой от 1/10 000 Гц (100 мкГц) до 1 Гц. Это заполнит разрыв между высокочастотными измерениями наземных интерферометров и наногерцовыми – решеток для наблюдения за временнóй динамикой пульсаров, о которых рассказывалось в главе 13.

Значит ли это, что астрономы рассчитывают зарегистрировать возмущения пространственно-временного континуума в среднем диапазоне? Да, безусловно. Тесные двойные системы белых карликов в нашей галактике постоянно излучают гравитационные волны в этом интервале частот, как и двойные ЧД звездной массы за несколько месяцев или лет до столкновения и слияния. Более того, космическая обсерватория сможет наблюдать слияние двойных сверхмассивных ЧД в других галактиках Вселенной. В конце этой главы я вернусь к разговору о потенциальных источниках гравитационных волн. Пока остановимся на том, что астрономы всегда были убеждены в необходимости перенести поиск в космос.

Одного убеждения, однако, недостаточно для осуществления сложной и дорогостоящей программы. Проект LISA прошел долгий тернистый путь – это история преодоления бесчисленных препятствий и заминок длиной в несколько десятилетий.

_________

Мысль о создании детектора гравитационных волн космического базирования возникла еще в середине 1970-х гг. Когда LIGO был не более чем далекой мечтой, Рэй Вайсс проработал почти все детали этого проекта в статье, опубликованной в Quarterly Progress Report в 1972 г. Его первоначальный замысел предполагал наземный лазерный интерферометр в километр длиной. Но не лучше ли построить его в космосе, где отсутствуют проблемы внешних вибраций и подвеса зеркал?

В 1974 г. на праздничном ужине Вайсс поделился идеей с Питером Бендером из Колорадского университета в Боулдере. С этого момента Бендер работал над воплощением мечты в жизнь – он считается одним из отцов-основателей проекта LISA. Кстати, сначала он назывался SAGA – «Космическая антенна для гравитационно-волновой астрономии» (Space Antenna for Gravitational-Wave Astronomy)[122]. Прошло больше десяти лет, прежде чем идея SAGA трансформировалась в полноценный замысел научной программы, получившей название «Лазерная антенна для наблюдения гравитационных волн в космосе» (Laser Antenna for Gravitational-Wave Observations in Space, LAGOS). На тот момент LIGO находился на начальном этапе разработки.

LAGOS предполагал использование трех космических аппаратов, образующих в пространстве гигантскую «V» со сторонами 1 млн км и следующих за Землей в ее движении вокруг Солнца. Лазерные импульсы должны были переотражаться между «материнским кораблем» в узловой точке «V» и свободно падающими контрольными грузами в двух «дочерних кораблях». Интерферометрия отраженного лазерного излучения позволила бы регистрировать ничтожные изменения длины плеч. Фактически это был бы громадный LIGO, построенный в космосе (с плечами, расположенными друг относительно друга не под прямым углом, а под 60°, но это не существенно). Благодаря орбитальному движению вокруг Солнца положение любого постоянного источника гравитационных волн можно с точностью вычислить методом триангуляции в течение года. В общем, LAGOS был очень масштабным и смелым проектом, но потенциальные источники финансирования сочли замысел слишком незрелым, рискованным и дорогим – вероятно, справедливо.

Однако ученые, убежденные в плодотворности своей идеи, так просто не сдаются. Немецкий физик Карстен Данцманн подал в ЕКА новое предложение в 1993 г., когда перебрался из Института квантовой оптики им. Макса Планка в Мюнхене в Ганновер с целью организации новой группы по изучению гравитационных волн. ЕКА принимало заявки на третью миссию среднего масштаба (М3) в рамках научной программы Horizon 2000+, и Данцманн этим воспользовался. Момент был выбран удачно. В минувшем, 1992 г. Национальный фонд содействия развитию науки заключил с Массачусетским и Калифорнийским технологическими институтами соглашение о строительстве LIGO. Уже были выбраны места для будущих наземных интерферометров – Хэнфорд и Ливингстон. В Италии только что получил одобрение проект Virgo.

Лазерно-интерферометрическая космическая антенна – так была названа новая задумка – оказалась еще более масштабной, как LAGOS. Предложение Данцманна включало шесть космических кораблей, по два на каждый узел пространственного построения. Более того, сторона треугольника составляла бы 5 млн км. Каждый аппарат предлагалось оснастить лазерами, светоделителями, телескопами, зеркалами и фотодетекторами. Из каждой вершины в две другие направлялись бы пучки когерентного лазерного излучения. Фактически LISA мыслилась как три гигантских наложенных друг на друга интерферометра. Их согласованная работа позволила бы измерять поляризацию гравитационных волн – выявлять разницу амплитуды волны в разных направлениях. Это дало бы дополнительную информацию о телах, участвующих в орбитальном движении, в том числе об их ориентации в пространстве и угловых скоростях.

Проект LISA оказался слишком амбициозным и не попал в программу Horizon 2000+ в качестве миссии М3. Данцманн с коллегами подали повторную заявку, описав ее как возможную «фундаментальную миссию» европейской программы изучения космоса. Скоро, однако, стало ясно, что в одиночку ЕКА не в состоянии профинансировать этот проект, и возникла мысль объединить силы с НАСА, поделив расходы, оценивавшиеся примерно в $1,5–2 млрд. В 1996 г. в Великобритании прошел первый международный симпозиум-биеннале, посвященный LISA. Через два года ученые предложили создать образец для демонстрации технических решений – ELITE (European LISA Technology Experiment). Дело двигалось, хотя и значительно медленнее, чем надеялись многие участники.

Подробный план проекта был составлен только к 2010 г. К этому времени замысел ELITE развился в LISA Pathfinder, но и работа над демонстрационной миссией надолго задерживалась. Старт работ по проекту перенесли на 2013 г., от идеи шести космических аппаратов вернулись ради экономии к первоначальным трем. Предполагалось, что тяжелая американская ракета-носитель «Атлас» одновременно вывела бы все три в космос в 2018 г.

3 февраля 2011 г. команда проекта LISA представила свои планы на собрании в штаб-квартире ЕКА в Париже с надеждой, что агентство объявит поиск гравитационных волн флагманской миссией новой программы изучения космоса Cosmic Vision 2015–2025. Другими двумя претендентами на роль миссии L1 (от Large – «большая») также были совместные проекты ЕКА и НАСА: исследование ледяных спутников Юпитера несколькими автоматическими станциями (Jupiter Icy Moons Explorer, JUICE) и большая рентгеновская обсерватория. На основе парижской презентации и последующих рекомендаций Консультативного комитета по космической науке ЕКА должно было сделать окончательный выбор летом того же года.

Беда пришла неожиданно. 15 марта, менее чем через шесть недель после собрания в Париже, НАСА прекратило финансирование всех трех совместных с европейскими коллегами научных программ. Главным причинами стали разразившийся в США бюджетный кризис и огромные расходы на Космический телескоп им. Джеймса Уэбба, инструмент почти инфракрасного диапазона, принявший эстафету у «Хаббла». Проект LISA не получил и высшего приоритета в отчете 2010 г. «Новые миры, новые горизонты»[123], в котором Национальный совет по научным исследованиям дал оценку американским проектам в области астрономии и астрофизики на десятилетие 2012–2021 гг.

В ответ на неблагоприятное решение НАСА уходящий со своего поста директор ЕКА по науке Дэвид Саутвуд решил отложить выбор первой флагманской миссии Cosmic Vision до весны 2012 г. Он надеялся, что трем командам хватит времени подготовить исключительно европейские, значительно менее дорогостоящие альтернативы. В течение нескольких месяцев сообщество ученых, занимающихся поиском волн Эйнштейна, разработало новый проект, названный NGO (Новая гравитационно-волновая обсерватория). Длину плеч интерферометра вновь урезали до 1 млн км, что позволяло уменьшить размеры телескопов и зеркал и мощность лазера. Это снижало вес трех спутников и позволяло вывести их в космос двумя относительно дешевыми российскими ракетами «Союз». Более того, в проекте NGO остался один интерферометр вместо трех. Как и в первоначальной схеме LAGOS, «материнский корабль» нес бы лазер и регистрационное оборудование (как центральные здания LIGO и Virgo), а два «дочерних» – только торцевые зеркала интерферометра.

Тем не менее 3 мая 2012 г. Комитет по научным программам ЕКА выбрал в качестве миссии L1 не NGO и не урезанный проект рентгеновской обсерватории, а Jupiter Icy Moons Explorer. Аппараты JUICE будут запущены в 2022 г. и отправятся изучать спутник Юпитера Ганимед – ледяное небесное тело, превышающее размеры планеты Меркурий, – по пути сфотографировав еще два спутника, Европу и Каллисто. Аппарат достигнет системы Юпитера в 2030 г. и через три года выйдет на орбиту Ганимеда, став первым в истории искусственным спутником спутника другой планеты. Замечательная программа, но специалисты по гравитационным волнам рассчитывали на другое!

Научный руководитель проекта LISA Pathfinder Пол Макнамара прекрасно помнит всеобщее уныние после 9-го симпозиума по LISA, состоявшегося в Париже в конце мая 2012 г. Представители НАСА в нем не участвовали, международная научная группа была распущена. Проект и прежде сталкивался с задержками, но теперь намного меньшей, дешевой и скромной программе NGO было отказано в реализации. Все были угнетены. «Атмосфера как на похоронах», – вспоминал Макнамара.

Данцманн и его коллеги не сдались. В 2028 г. будет запущена вторая флагманская миссия (L2) программы Cosmic Vision[124], а в 2034 г. – третья (L3). С целью объединения научного сообщества был образован новый независимый консорциум. В мае 2013 г. команда опубликовала аналитический доклад о потенциальной научной отдаче миссии в духе NGO, названной eLISA[125] («е» от evolved – «усовершенствованный»). «Появление низкочастотной гравитационно-волновой обсерватории добавит новую грань нашему пониманию Вселенной, – утверждалось в разделе «Выводы». – eLISA станет первой программой в истории, исследующей всю Вселенную в поисках гравитационных волн. [Она] займет уникальное место в научном ландшафте 2028 г.».

Упорство дало плоды. В ноябре 2013 г. ЕКА объявило научные темы миссий L2 и L3. Вторая миссия будет посвящена астрофизике высоких энергий (рентгеновскому излучению), третья – гравитационным волнам. До официального старта программы оставалось много лет, но космическое агентство по крайней мере уделило внимание этому направлению космических наук. Впервые появилась уверенность, что лазерный интерферометр космического базирования станет реальностью хотя бы через 60 лет после того, как Рэй Вайсс и Питер Бендер выдвинули эту идею. Даже очередной перенос запуска LISA Pathfinder на конец 2015 г. уже не казался проблемой – времени сколько угодно.

Среди участников 11-й Конференции по гравитационным волнам им. Эдоардо Амальди в конце июня 2015 г. в Кванджу (Южная Корея) царило приподнятое настроение[126]. «Слухи о кончине LISA оказались сильно преувеличенными», – обратился к аудитории британский астрофизик Джонатан Гейр, перефразируя Марка Твена, после чего описал фантастический научный потенциал программы. Саймон Барке из руководимого Данцманном Института им. Альберта Эйнштейна в Ганновере был столь же оптимистичен. На одном из слайдов его презентации аббревиатура eLISA расшифровывалась как «совершенствующаяся лазерно-интерферометрическая космическая антенна» вместо «усовершенствованная». Кто знает, возможно, миссия вернет былой размах! Или ее удастся вывести в космос на пять лет раньше, в 2029 г., в 150-летнюю годовщину со дня рождения Альберта Эйнштейна. Барке даже предположил, что к программе может снова присоединиться НАСА, особенно в случае успеха LISA Pathfinder или первых прямых регистраций наземными интерферометрами. Он, разумеется, не мог знать, что до GW150914 оставалось меньше трех месяцев.

Кстати, НАСА не осталось в стороне. Агентство выразило заинтересованность в участии в миссии eLISA и готовность вложить до $150 млн, а также подключилось к программе LISA Pathfinder. На космический аппарат были установлены система контроля отсутствия сопротивления и ориентации, а также микродвигатели разработки американских ученых, работающие с теми же контрольными грузами, что и европейское оборудование, но по другой технологии. В демонстрационной миссии будущей гигантской и дорогой космической обсерватории имеет смысл протестировать разные подходы.

Затем наступил чудесный 2016 г.

22 января, через 7 недель после успешного вывода в космос, LISA Pathfinder достиг расчетной точки примерно в 1,5 млн км от Земли по направлению к Солнцу. В четверг, 11 февраля, ученые LIGO и Virgo сделали эпохальное заявление о регистрации GW150914. О гравитационных волнах узнал весь мир. Пять дней спустя два куба из золота и платины были отпущены в свободное падение в тесных камерах внутри Pathfinder (во время запуска и полета они были жестко зафиксированы механическими зажимами и «пальцами»). Выполнение научной программы началось 1 марта.

Скоро стало очевидно, что LISA Pathfinder превосходит всеобщие ожидания. Экранированное нутро космического аппарата оказалось самым спокойным местом в Солнечной системе. Чистое остаточное относительное ускорение контрольных грузов составило около одной сотой от одной квадриллионной доли ускорения свободного падения на Земле. Если эта цифра ничего вам не говорит, такое ускорение создает сила, эквивалентная весу на Земле кишечной палочки. Это состояние достаточно близко непотревоженному свободному падению, чтобы регистрация низкочастотных волн Эйнштейна стала возможной. Более того, лазерный интерферометр Pathfinder способен измерять расстояние между двумя кубиками с точностью до 35 фемтометров (3,5 × 10−14 м), значительно превышающей требуемую.

Впечатляющие первые результаты были обнародованы в Physical Review Letters 7 июня[127]. Менее чем через две недели рабочая группа проекта L3 НАСА выложила в интернете оперативный отчет. Команда была организована в конце 2015 г. с целью подготовки списка возможностей для участия американцев в третьей флагманской миссии ЕКА. Один из выводов команды гласил, что «значительный вклад американского [научного] сообщества в разработку, подготовку и осуществление L3 повысит техническую надежность миссии и ее научную осуществимость». В отчете предлагались пути возвращения НАСА в программу в качестве младшего партнера – в полном соответствии с заключением более раннего отчета консультативной группы ЕКА по строительству гравитационной обсерватории (GOAT).

15 августа программа получила очередное ускорение, на сей раз благодаря Национальному совету по научным исследованиям. В его промежуточной оценке прогресса решения задач, поставленных в десятилетнем исследовании «Новые миры, новые горизонты»[128], группа авторов настоятельно рекомендовала НАСА в течение текущего десятилетия вернуться к финансированию eLISA и способствовать расширению программы до первоначального масштаба. На первой странице отчета было изображение гравитационных волн в представлении художника и график GW150914. «Мы продемонстрировали свой основной посыл на обложке», – сказал участник группы Нил Корниш из Университета штата Монтана на встрече в Цюрихе через несколько недель[129].

Это был 11-й симпозиум по LISA, состоявшийся недалеко от Швейцарского федерального технологического института (прежде Швейцарской федеральной политехнической школы), где Альберт Эйнштейн изучал физику и математику в конце XIX в. Если 9-й симпозиум напоминал похороны, то этот – празднование дня второго рождения. Все были в приподнятом настроении, особенно после сообщения директора ЕКА по науке Альваро Хименеса, что официальное объявление миссии L3 будет перенесено с 2018 г. на октябрь 2016 г. Заявки должны быть поданы в январе 2017 г., что позволит принять решение уже в 2020 г. «Мы хотим, чтобы ваши мечты осуществились, – сказал Хименес собравшимся специалистам по гравитационным волнам. – Рассчитывать на 2029 г. было бы слишком оптимистично, но мы сможем вывести миссию в космос раньше, чем предполагалось, где-то в начале 2030-х гг.».

Пол Херц, руководитель астрофизического подразделения НАСА, пообещал всемерную поддержку, признав, что «в 2011 г. исходное партнерство с LISA было разорвано», и заверив присутствующих, что «находится здесь, чтобы покончить с этим [разрывом]». Херц выразил уверенность, что программа будет настоятельно рекомендована в следующем отчете Национального совета по научным исследованиям на грядущее десятилетие, в 2020 г., при условии что ученые сумеют подготовить убедительную заявку[130].

На следующий день, в среду, 7 сентября, консорциум eLISA и рабочая группа L3 из НАСА провели первое совместное собрание и обсудили варианты изменения и совершенствования исходного плана миссии. НАСА не обещало вернуться к финансированию 50/50, но и несколько миллионов долларов очень важны. Вариантов усовершенствований предлагалось много: более крупные телескопы, более мощные лазеры, бóльшая длина плеч (2 млн км или даже 5 млн). Как сказал Данцманн: «Мы должны предложить нечто такое, чтобы все упали». Ученым очень хотелось вернуться к схеме из трех интерферометров вместо одного, с размещением лазеров на каждом из трех космических аппаратов. Все надеялись, что V-образную схему eLISA с двумя плечами удастся достроить до замкнутого треугольника. «Мы хотим вернуть третье плечо, – заявил Данцманн ко всеобщему восторгу, – и мы вернем третье плечо».

Физик из MIT Дэвид Шумейкер, работающий по этому направлению с 1975 г. и по настоящее время возглавляющий Advanced LIGO, был чрезвычайно доволен: «Это очень важное собрание. Судя по всему, это поворотный пункт в судьбе eLISA. Я предлагаю отныне отказаться от е в названии. Теперь у нас снова LISA».

До принятия окончательного решения по строительству Лазерно-интерферометрической космической антенны еще пройдет время (заявка на миссию подана 13 января 2017 г.), но уже ясно, что в начале 2030-х гг. лазерные пучки начнут переотражаться между тремя космическими аппаратами, летящими группой вокруг Солнца в нескольких миллионах километров друг от друга, держа дистанцию с точностью до пикометра. Наконец астрономы смогут зарегистрировать волны Эйнштейна на миллигерцовых частотах, излученные тесными двойными системами и сливающимися сверхмассивными ЧД на окраинах наблюдаемой Вселенной.

LISA, возможно, не останется в одиночестве. На собрании в Цюрихе Сюити Сато из токийского Университета Хосэй отчитался в ходе работ по проекту «Децигерцовой интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории» (Deci-hertz Interferometer Gravitational Wave Observatory, DECIGO). Масштабный замысел возник в 2001 г. DECIGO должен был стать своего рода мини-LISA с тремя маленькими космическими аппаратами на дистанции порядка тысячи километров друг от друга. В следующем десятилетии на орбиту Земли можно будет вывести демонстрационную миссию поменьше (pre-DECIGO) с плечами 100 км, а в 2030-х гг. осуществить программу в полном объеме.

Тем временем китайские ученые строят планы создания двух космических интерферометров. Первый – «ТянКин» – предложен командой университета Чжуншань в Гуанчжоу. Он будет состоять из трех аппаратов на орбите Земли, образующих гигантский треугольник с Землей в центре. Плечи интерферометра составят около 150 000 км. Более крупная структура для размещения на орбите Солнца разрабатывается Академией наук КНР. При длине плеч 3 млн км она сопоставима с LISA. По словам Гань Цзина из Института механики АН КНР, два китайских проекта могут быть объединены в одну миссию с предполагаемым выводом в космос в начале 2030-х гг.

_________

Можно только гадать, что именно «увидят» космические интерферометры. Разумеется, у астрономов есть обоснованные предположения, но детали неясны. Рассмотрим, к примеру, слияние сверхмассивных ЧД. Если в центре большинства галактик находятся гигантские ЧД и если галактики сталкиваются, можно предполагать, что их ЧД в конце концов начнут совершать орбитальное движение в центре объединенной галактики. Сначала они будут излучать только наногерцовые гравитационные волны, обнаруживаемые посредством долгосрочного высокоточного измерения временнóй динамики радиопульсаров (см. главу 13). Затем, в случае сближения пары ЧД по спирали, орбитальный период уменьшится, а частота волны Эйнштейна возрастет. Примерно за два года до столкновения и слияния LISA сможет зарегистрировать эти волны независимо от удаленности их источника.

Однако, поскольку свету нужно время, чтобы пересечь Вселенную, мы наблюдаем галактики, находящиеся от нас на расстояниях в миллиарды световых лет, такими, какими они были миллиарды лет назад. Чтобы оценить возможную частоту слияний сверхмассивных ЧД, астрономам нужно знать историю эволюции галактик и ЧД в их ядрах, а также вероятность того, что каждая двойная система сверхмассивных ЧД рано или поздно переживает столкновение. Теоретики предложили широкий спектр прогнозов на основе различных астрофизических гипотез, но никто не знает точного ответа.

Ответ дадут наблюдения гравитационных волн – это, безусловно, огромный плюс LISA. Любая жизнеспособная теория эволюции галактик и ЧД должна согласовываться с наблюдаемой частотой слияний. Через несколько лет работы LISA покажет, какие теории ошибочны, а какие могут соответствовать действительности.

Еще меньше мы знаем о компактных объектах, попадающих в сверхмассивную ЧД. Время от времени такая ЧД в ядре галактики поглощает звезду или облако газа, оказавшиеся слишком близко. Предположительно, в рядовой галактике вроде нашей такое событие случается раз в несколько миллионов лет. Нормальная звезда, подобная Солнцу, почти наверняка будет разорвана на части приливными силами ЧД. Некоторые выбросы рентгеновского излучения, наблюдаемые в других галактиках, возможно, вызваны подобными событиями. Но значительно более компактный объект, например белый карлик, нейтронная звезда или относительно маловесная ЧД, может преодолеть приливное воздействие. Если в результате это обреченное небесное тело начнет все быстрее обращаться вокруг сверхмассивной ЧД, то при этом будут излучаться гравитационные волны, которые LISA сможет зарегистрировать. Такое событие называется слиянием с экстремальным соотношением масс (Extreme Mass Ratio Inspiral, EMRI), поскольку ненасытная ЧД несравнимо массивнее своей жертвы.

К сожалению, никто не знает, насколько часто происходят EMRI. Оценки разнятся от нуля до тысяч событий в год. Слишком много неизвестных: распределение масс сверхмассивных ЧД (сколько их приходится на определенный диапазон масс), количество компактных объектов в центральных областях галактик, детали процесса и т. д. Возможно, компактные объекты не задерживаются на орбите ЧД, а просто исчезают. Наблюдения LISA дадут астрономам ответы и на эти вопросы. Каким бы ни оказался наблюдаемый уровень EMRI, эти события позволят узнать, что происходит – и что не происходит – в ядрах галактик повсюду во Вселенной.

Это относится и к двойным системам белых карликов в нашей Галактике. Как говорилось в главе 5, каждая солнцеподобная звезда заканчивает свою жизнь белым карликом – небесным телом массой почти как у Солнца, но размером не больше Земли. Поскольку большинство звезд Млечного Пути входят в двойные или кратные системы, можно предполагать, что двойных белых карликов очень много. Если они обращаются по общей орбите достаточно быстро и близко друг к другу, то постоянно излучают волны Эйнштейна в частотном диапазоне LISA. (Такие пары в других галактиках, скорее всего, находятся слишком далеко, чтобы мы могли зарегистрировать создаваемые ими возмущения пространственно-временного континуума.)

За последние десятилетия астрономы открыли несколько двойных белых карликов. Особенно интересна система SDSS J065133.338+284423.37, сокращенно J0651. Она находится на расстоянии около 3500 св. лет в созвездии Близнецов. Между двумя карликовыми звездами всего 100 000 км – около четверти расстояния от Земли до Луны. Они совершают оборот по общей орбите за 12,75 минуты, следовательно, должны излучать гравитационные волны частотой 2,6 мГц – как раз посередине диапазона чувствительности LISA. Более того, астрономы знают, что эта система излучает волны: орбитальный период уменьшается на 0,29 мс в год. J0651 послужит LISA контрольным источником, как и несколько других тесных двойных систем.

Никто, однако, не знает, сколько именно тесных двойных белых карликов имеется в Млечном Пути. LISA поможет составить их полный список, невероятно расширив наши знания об эволюции систем двойных звезд в целом и о свойствах белых карликов в частности.

_________

Возможно, вы задаетесь вопросом, как LISA будет различать источники гравитационных волн и определять свойства каждого. LIGO совсем нелегко зарегистрировать отдельное событие. Как разобраться в десятках или даже сотнях постоянных источников волн Эйнштейна, каждый из которых по-своему воздействует на пространственно-временной континуум? Событие GW150914 было изолированным и ясно различимым, как щелчок бича, но Млечный Путь, где изобилуют двойные системы белых карликов, можно сравнить с актовым залом, где стоит неумолчный гул бесчисленных жужжащих волчков. Разве контрольные грузы LISA не будут хаотически двигаться, реагируя на множество разных частот одновременно?

Не все так плохо. Действительно, большое число одновременных сигналов гравитационных волн будут накладываться друг на друга, но относительно легко разложить беспорядочный на первый взгляд результирующий сигнал на составляющие синусоиды. Наш мозг делает это постоянно. Барабанные перепонки единовременно реагируют на множество звуковых волн. Тем не менее мы без труда различаем человеческий голос, звонок своего сотового и шум проезжающей машины, даже если слышим их одновременно. Все, что нужно, – анализ данных.

Конечно, идентифицировать некоторые формы волны будет сложно просто потому, что не известно, чего ожидать. Например, космологи надеются найти свидетельства существования суперструн – удивительных одномерных структур с очень высокой плотностью массы и большой энергией, возможно пронизывающих Вселенную. Эти топологические дефекты пространственно-временного континуума предсказывают некоторые теории Большого взрыва, но никто не знает, существуют ли они и какого характера гравитационные волны могут порождать. В любом случае собираемые LISA данные станут кладезем информации для ученых, занимающихся астрономией, астрофизикой высоких энергий и космологией.

На мой взгляд, одним из самых замечательных качеств LISA станет способность предупреждать нас о приближающихся столкновениях ЧД. Если бы эта программа уже действовала в 2015 г., астрономы предсказали бы время GW150914 с точностью до нескольких секунд. Более того, они бы точно знали, где искать электромагнитные проявления события. Все телескопы на Земле и в космосе обследовали бы место катастрофы в поисках одновременной рентгеновской вспышки, излучения видимого или инфракрасного света, и, разумеется, все сотрудники LIGO приникли бы к мониторам в центрах управления.

Это не сказка. Непосредственно перед столкновением друг с другом две ЧД звездной массы имеют орбитальный период в несколько миллисекунд – именно поэтому они излучают высокочастотные гравитационные волны, которые могут быть зарегистрированы LIGO и Virgo. За месяцы или годы до ДТП космического масштаба у них намного больший орбитальный период, исчисляемый секундами или даже минутами. Наземные детекторы не могут наблюдать соответствующие низкочастотные волны, но LISA «увидит» их, причем, вероятно, с расстояния в миллиарды световых лет.

В результате длительного изучения постоянного источника волн космическая обсерватория сможет определить его местоположение в небе методом триангуляции. Большие наземные оптические телескопы попытаются найти галактику, в которой находится двойная система, и установить расстояние до нее. Подробный анализ сигнала даст астрономам точную информацию о массах двух объектов и изменении их орбиты. Задолго до столкновения и слияния они откроют почти все свои секреты. Когда орбитальный период сократится до нескольких секунд, LISA не сможет наблюдать сигнал, но недалек момент, когда чувствительный наземный интерферометр примет эстафету, чтобы стать свидетелем заключительных стадий слияния. Разумеется, все уже будут наготове.

Ученый мир замер в предвкушении. В университетах, институтах и лабораториях по всему земному шару самые светлые умы неустанно и самоотверженно трудятся над тем, чтобы Лазерно-интерферометрическая космическая антенна стала реальностью и была готова к выводу в космос примерно к 2031 г. Еще около 15 лет, и LISA – а также ее японский и китайский аналоги, если этим проектам будет сопутствовать успех, – совершит переворот в области гравитационно-волновой астрономии.

Это не значит, что ближайшие полтора десятилетия не обещают ничего интересного. Поговорим о более близких свершениях – и не в космосе, а на Земле. Точнее, под землей.

16

Новости гравитационно-волновой астрономии

В огромной пещере в горе Икэно на западе Японии рабочие строят второй по величине в мире лазерный интерферометр. Исходная версия детектора гравитационных волн в Камиока (Kamioka Gravitational Wave Detector, KAGRA) была создана и протестирована в марте и апреле 2016 г., после чего началась установка нового оборудования базовой версии: дополнительные зеркала, многоуровневые системы подвеса, новые лазеры, криогенные холодильные агрегаты. Участники масштабных работ надеются завершить их к концу 2018 г., если удастся избежать очередных простоев. Построить подземный интерферометр с плечом 3 км – непростая задача.

Примерно в 200 км к востоку, в пригороде Токио, Рафаэль Фламинио поделился со мной оптимизмом[131]. Проблемы существуют, особенно с отводом воды, просачивающейся в подземные камеры и туннели, но они решаемы. И они будут решены. Фламинио убежден, что KAGRA начнет действовать в связке с LIGO и Virgo в 2019 г., если не раньше.

Фламинио, итальянский физик, возглавляет отдел по реализации проекта изучения гравитационных волн Национальной астрономической обсерватории Японии (NAOJ). Сразу понятно, что директор – итальянец: в кампусе NAOJ в Митака подают прекрасный кофе. Группа Фламинио работает в современном здании, уродующем живописное историческое окружение. За кирпичными воротами по улице Осава, наискось от маленького буддийского храма, разместились несколько старых зданий обсерватории в окружении очаровательного садика с цветущей сакурой и прочими элементами традиционного стиля. По выходным местные жители устраивают здесь пикники, не подозревая, что 20 лет назад в этом месте находился крупнейший в мире детектор волн Эйнштейна.

300-метровый интерферометр TAMA[132], построенный в 1997 г., задолго до LIGO, Virgo и GEO600, был не только самым большим в истории детектором-прототипом, но и первым инструментом для изучения гравитационных волн, чувствительность которого превосходила антенные детекторы Джо Вебера и других первопроходцев 1960–1970-х гг.

Фламинио участвовал в проекте Virgo с 1990 г., еще до официального одобрения этой французско-итальянской инициативы. Он контролировал строительство и ввод в эксплуатацию интерферометра под Пизой, а с 2004 по 2007 г. являлся вице-директором консорциума Европейской гравитационной обсерватории (EGO). После нескольких посещений TAMA300 он влюбился в Страну восходящего солнца и в сентябре 2013 г. переехал в Японию.

Проект Большого криогенного гравитационно-волнового телескопа был представлен японскому правительству в самом начале нового тысячелетия. LIGO готовилась к первому научному пуску в Хэнфорде и Ливингстоне, Virgo строилась. Все понимали, что гравитационно-волновую астрономию ждет блестящее будущее. Японские ученые хотели застолбить себе место в новом научном поле. Возникла мысль построить детектор под землей, в шахте Камиока, чтобы избавиться от большей части низкочастотного сейсмического шума. Охлаждение зеркал до сверхнизких температур (отсюда слово «криогенный» в названии) снизило бы тепловые помехи. При низких температурах аморфный кварц не лучший выбор, и зеркала решено было изготовить из сверхчистых искусственно выращенных сапфировых кристаллов.

После нескольких неудач проект был одобрен в июне 2010 г., вскоре после того, как Наото Кан (руководитель Демократической партии Японии) занял пост премьер-министра. Не успело начаться строительство, разразилась катастрофа 11 марта 2011 г. – землетрясение Тохоку и вызванное им мощное цунами стали препятствием для финансирования работ. Только в 2012 г. корпорация Кадзима, одна из крупнейших строительных компаний Японии, начала рыть 3-километровые туннели будущей KAGRA. Работы были выполнены всего за два года – по словам Фламинио, это самый быстрый проект в Японии, связанный с проходкой туннелей.

Тем временем в близлежащей пещере создавалась Криогенная лазерно-интерферометрическая обсерватория – 100-метровый прототип для тестирования системы с глубоким охлаждением зеркал. Вакуумная система KAGRA была завершена в 2015 г. В том же году установили большую часть оборудования интерферометра. Первый научный запуск Initial KAGRA (iKAGRA) состоялся через несколько недель после сообщения LIGO об открытии GW150914, правда, без криогенного охлаждения и дополнительных зеркал, которые должны будут образовать резонатор Фабри – Перо, увеличивающий длину пути и мощность лазерного импульса.

_________

Роскошный скоростной поезд синкансэн за два часа домчит вас от токийской станции Уэно до Тоямы на западном побережье[133]. Там я ранним утром сажусь на автобус и еду в горы. Ошеломительные 75 минут подъема по крутому, поросшему лесом склону среди клочьев тумана, и я выхожу у почтового отделения крохотной шахтерской деревушки Модзуми сразу за границей префектуры Гифу. Горный промысел в этих местах начался еще в VIII в. Шахта Камиока, где добывались цинк и свинец, названная как и городок километрах в десяти вниз по дороге, была закрыта в 2001 г., но здесь до сих пор живет несколько шахтерских семей.

Штаб-квартира KAGRA[134] размещается в новом здании, возвышающемся над деревней. Из уважения к японским традициям я переобуваюсь в шлепанцы, приготовленные для посетителей у входа. К сожалению, они малы для моих голландских ног. Сотрудник подразделения по изучению гравитационных волн NAOJ Ёити Асо сопровождает меня в маленькое помещение управления, где два десятка человек собрались на утреннее десятиминутное совещание. Затем он обряжает меня в каску и светоотражающий защитный жилет, и мы едем около 5 км до входа в шахту, спускаясь на тысячу метров ниже подножия горы Икэно – Икэнояма.

За последние десятилетия шахта Камиока превратилась в многофункциональную физическую лабораторию. В 1991 г. здесь начали рыть огромную пещеру, в которой теперь размещается «Супер-Камиоканде», один из крупнейших в мире детекторов нейтрино (о чем свидетельствуют три последние буквы названия). По сути, это гигантский резервуар из нержавеющей стали высотой 41,4 м и диаметром 39,3 м, заполненный 50 000 т сверхчистой воды. Внутренняя поверхность цилиндра выложена 11 000 фотоэлектронных умножителей – изготовленных методом ручного дутья трубок около 50 см диаметром каждая. Они регистрируют слабые вспышки света, вызванные редкими взаимодействиями высокоэнергетических нейтрино с молекулами воды. В подземной обсерватории Камиока работают и другие инструменты: детектор антинейтрино на жидком сцинтилляторе Камиока и Ксеноновый детектор слабо взаимодействующих массивных частиц, занимающийся поиском темной материи.

Другим горизонтальным туннелем Асо доставляет меня в центральную зону интерферометра KAGRA, где в полном разгаре идет апгрейд оборудования. Впечатляющее зрелище: в огромной полости теснятся блестящие вакуумные резервуары, портальные краны, строительные леса, вилочные погрузчики, путепроводы для лазерного излучения с массивными фланцами на болтах и стойки с электроникой. Резкий контраст грубо обработанной скалы и высокотехнологичного оборудования создает сюрреалистическое впечатление секретной подземной лаборатории безумного ученого из фантастического фильма.

Недостатки размещения гравитационно-волновой обсерватории под землей также очевидны. Вырубленные в скале стены были обработаны противопылевым покрытием, но в пещере, разумеется, не может быть так же чисто, как в центральных зданиях LIGO или Virgo. Самые чувствительные части оборудования спрятаны в «скафандры» – большие пластиковые палатки, куда под давлением нагнетается очищенный воздух.

Намного более серьезной проблемой является вода. Как знает любой спелеолог, в пещерах очень сыро. Относительная влажность в гроте KAGRA 75–100 %. Гора «работает» как губка, объясняет Асо, – поглощает дождевую воду, которая сочится через стены пещер и двух 3-километровых туннелей. Из-за давления грунтовых вод подмокают даже полы туннелей. Воды очень много: в среднем около 500 т в час – 1 % объема детектора Камиоканде.

Асо ведет меня в ближайший конец одного из сырых тускло освещенных туннелей. Стальным трубам из нержавеющей стали влага не страшна, но вода стоит на полу туннеля, и я постоянно слышу звук падающих капель. Часть потолка покрыта огромными листами пластика. Для улучшения дренажа туннели проложены не строго горизонтально, а с уклоном около 2°. Из-за этого зеркало KAGRA также должно быть слегка наклонено – очередная технологическая сложность.

Стены центрального грота также по большей части затянуты пластиком. Вода и здесь главный враг. Проблема встала особенно остро весной 2015 г., когда уровень воды в некоторых местах пещеры достигал 10 см и полы туннеля были совершенно мокрыми. Со сводов капало на скафандры с оборудованием. Монтаж вакуумной системы пришлось отложить на два месяца. Зима того года выдалась снежной, и талые воды оказались очень обильными. Возможно, сказалась и недавняя прокладка туннелей с помощью динамита, повысившая давление грунтовых вод. В год моего визита (я приехал в KAGRA в начале июля 2016 г.) ситуация улучшилась. То ли Икэнояма восстановила состояние равновесия, то ли помог Эль-ниньо 2015 г. – это климатическое событие сопровождается значительным уменьшением количества снега. «Посмотрим, что будет дальше», – замечает Асо.

Расположившийся в Митака Рафаэль Фламинио прекрасно знает, что проблема пока не решена, но вспоминает, что подземная физическая лаборатория по изучению элементарных частиц Гран-Сассо в Итальянских Альпах сталкивалась с такими же трудностями. «Сразу по окончании строительства вода была повсюду. Теперь все улажено. Мы тоже найдем решение».

Baseline KAGRA (bKAGRA) закончат к концу 2018 г. или в начале 2019 г., и он будет представлять собой четыре больших лазерных интерферометра, работающих сообща. Официально KAGRA не входит в коллаборацию LIGO – Virgo, но в будущем американская, европейская и японская группы будут обмениваться результатами наблюдений для совместного анализа. Согласованное использование четырех детекторов дополнительно снизит уровень ложноположительных результатов. Более того, если волны Эйнштейна от слияния нейтронных звезд или ЧД регистрируются четырьмя независимыми инструментами, можно с довольно высокой точностью локализовать событие в небе. Дополняющие наблюдения в форме автоматизированного поиска электромагнитных проявлений, описанные в главе 14, станут намного более эффективными.

Всего через несколько лет появится пятый интерферометр – в Индии. LIGO India станет аванпостом LIGO в Азии[135]. Главная его задача – бóльшая надежность регистраций благодаря независимому подтверждению и лучшая локализация. Создание всемирной сети детекторов давно является целью Международного комитета по изучению гравитационных волн, организованного в 1997 г. для углубления сотрудничества разных стран в этой области. В начале октября 2016 г. в качестве места для индийского инструмента была выбрана площадка возле города Хинголи, в 500 км к востоку от Мумбаи.

Планы строительства в Индии гравитационно-волнового детектора появились в 2009 г., когда физики организовали консорциум Индийская инициатива по наблюдению гравитационных волн (Indian Initiative in Gravitational-Wave Observations, IndIGO)[136]. С 2011 г. с руководством LIGO обсуждается вопрос переноса американского оборудования в Индию. Вы, наверное, помните, что обсерватория LIGO в Хэнфорде первоначально имела два отдельных интерферометра – с плечами 4 км и 2 км. По той же схеме предполагалось строить Advanced LIGO. Очевидно, лучше разместить второй детектор в другом месте в качестве третьей обсерватории, но это намного дороже. В свою очередь, департаменты атомной энергии и развития науки и технологии Индии – главные источники финансирования задуманного индийского детектора – не потянули бы полномасштабный проект. Почему бы не объединиться с целью создания LIGO-India? Индийское правительство оплатило бы инфраструктуру, а Национальный фонд содействия развитию науки – оборудование.

Предполагалось аналогичное сотрудничество LIGO и группы физиков из разных университетов Австралии. Однако австралийское правительство отдало приоритет проекту международной радиообсерватории SKA (см. главу 13), и планы «LIGO на другом краю света» так и не осуществились. Летом 2012 г. Национальный совет по делам науки одобрил совместную деятельность с Индией. В январе 2015 г., когда я был в Хэнфорде, в зоне размещения лазерного и вакуумного оборудования находилось, помимо только что смонтированной аппаратуры Advanced LIGO, множество больших упаковочных ящиков, готовых отправиться в Индию, как только NSF даст зеленый свет.

О принципиальном одобрении индийский премьер-министр Нарендра Моди объявил 17 февраля 2016 г., всего через шесть дней после пресс-конференции, посвященной GW150914. Спустя шесть недель, 31 марта, директор NSF Франс Кордова подписала протокол о намерениях с индийскими коллегами, и работы по LIGO-India могли стартовать. Со временем эта обсерватория станет почти точной копией сегодняшних детекторов Advanced LIGO с длиной плеч 4 км. Ученые надеются, что LIGO-India будет введена в эксплуатацию в 2024 г.

_________

Очень сложно давать прогнозы, особенно на будущее, сказал голландский ученый Нильс Бор, современник Альберта Эйнштейна. В 1920-х гг. два великих физика спорили о природе реальности при личных встречах и в продолжительной переписке. Бор был пионером квантовой физики, а Эйнштейн серьезно сомневался в выводах из этой теории. Оба не могли предвидеть, что всего через 100 лет астрономы с помощью всемирной сети детекторов гравитационных волн будут изучать катастрофические события во Вселенной, а исследование волн Эйнштейна, порожденных столкновениями ЧД, станет шансом объяснить наконец фундаментальную несовместимость ОТО с квантовой теорией поля.

Даже сейчас сложно спрогнозировать состояние гравитационно-волновой астрономии в середине 2020-х гг. К тому времени пять гигантских детекторов будут караулить ничтожные возмущения пространственно-временного континуума, возможно составляющие лишь одну секстиллионную процента (1/10^23) и длящиеся от доли секунды до минуты. Столкновения и слияния нейтронных звезд и ЧД на расстояниях в несколько миллиардов световых лет, как ожидается, будут регистрироваться в среднем раз в неделю. Малые различия времени прибытия сигнала к пяти самостоятельным детекторам позволят точно вычислить направление на источник. Экстренные дополняющие наблюдения в рамках программ поиска электромагнитных проявлений дадут дополнительную информацию о столкновении и галактике, в которой оно произошло. Параллельное изучение временной динамики пульсаров силами SKA и других радиообсерваторий обнаружит фоновые волны Эйнштейна очень низкой частоты, излучаемые орбитальными движениями сверхмассивных ЧД повсюду во Вселенной. Отследив многие из этих наногерцовых волн, мы найдем гигантские двойные системы в относительно близких галактиках. Измерения поляризации реликтового излучения откроют для нас «отпечатки» первичных гравитационных волн, излученных в самую первую долю секунды после Большого взрыва.

Все это «ожидаемые результаты» гравитационно-волновой астрономии. Однако практически каждый ученый, опрошенный мною в ходе работы над этой книгой, подчеркивал, что самыми революционными и потрясающими могут оказаться неожиданные результаты. В этом прелесть научно-исследовательской деятельности – никогда не знаешь заранее, что обнаружишь. Опыт свидетельствует, что появление новой области исследований всегда оборачивается большими сюрпризами. Нет оснований полагать, что гравитационно-волновая астрономия станет первым исключением из правила.

Астрономию иногда называют древнейшей наукой. Наши отдаленные предки смотрели на звезды и следили за перемещениями Солнца, Луны и планет. Но мне иногда кажется, что астрономия только что родилась. Долгие тысячелетия наши знания о Вселенной всецело зависели от того, что удавалось разглядеть невооруженным глазом. Только последние четыре столетия, после того как Ганс Липперхей изобрел телескоп, астрономия переживает расцвет. На протяжении этих 400 лет изучение звезд представляло собой непрерывно ускоряющуюся последовательность эпохальных озарений, обусловленных открытиями и технологическими прорывами. Кульминацией стали эра космических полетов и цифровая революция.

Основной сквозной темой являлось обнаружение новых неизученных частей электромагнитного спектра – от открытия инфракрасного света Вильямом Гершелем в 1800 г. до вывода в космос телескопов, регистрирующих гамма-излучение самых высоких энергий. Нас уже не ограничивают возможности человеческого зрения или эффект поглощения в атмосфере Земли. Впервые в истории мы увидели космос во всем его великолепии и многообразии.

Мне нравится следующий образ: традиционная, до изобретения телескопов, астрономия была заперта в здании с толстыми кирпичными стенами, окруженном прекраснейшим пейзажем. Единственный, крайне ограниченный вид открывался через одну маленькую узкую бойницу в восточной стене. Единственное, что мы могли наблюдать, – фрагмент травянистой равнины на переднем плане, холм с несколькими деревьями вдали и белое облако в голубом небе: можно составить приблизительное представление о мире вокруг, но, разумеется, очень неполное. Вот что такое астрономия оптического диапазона.

Открытие других частей электромагнитного спектра можно сравнить с пробиванием дополнительных проемов в стенах. Это уже не узкие щели, а широкие окна. Мы вдруг узнали о великолепном водопаде на юге и цепи действующих вулканов на западе, увидели реки, снеговые вершины гор и грозовые тучи. Ограниченный «вид через бойницу» остался неотъемлемой частью этого впечатляющего ландшафта, но только теперь мы знаем, как эта частность вписывается в целое, и начинаем постигать внутренние геологические закономерности. Наконец во всем появляется смысл.

Инфракрасная астрономия позволяет всмотреться вглубь облаков газа и пыли и узнать, как рождаются звезды и планеты. Ультрафиолетовая астрономия обнаруживает чрезвычайно разреженный газ в «пустом» пространстве между скоплениями галактик и позволяет понять физические процессы в недрах самых горячих звезд Млечного Пути. Астрономия миллиметрового диапазона поведала нам о слабом послесвечении Большого взрыва и дала подсказки относительно происхождения галактик и образования планет. Благодаря радиоастрономии составляются карты распределения нейтральных атомов водорода – самого распространенного элемента во Вселенной. Более того, радиоастрономия познакомила нас с такими удивительными небесными телами, как пульсары и квазары. Наконец, астрономические наблюдения в рентгеновском и гамма-диапазоне «открыли вид» на Вселенную экстремальных температур и энергий, где взрываются звезды, сталкиваются галактики, распространяются ударные волны и существуют черные дыры.

Появление новой области исследования всякий раз оборачивалось неожиданными открытиями и революционными догадками. В случае гравитационно-волновой астрономии у нас еще больше причин рассчитывать на сюрпризы, поскольку она не просто расширяет наше видение космоса, но и добавляет совершенно новый канал восприятия к средствам изучения Вселенной.

В своих вдохновляющих лекциях, адресованных коллегам-ученым и широкой аудитории, включая школьников, специалист по гравитационно-волновой физике Бернард Шутц (в 1995–2014 гг. директор Института Альберта Эйнштейна в Потсдаме, в настоящее время возглавляет Кардиффский университет в Уэльсе) сравнивает современную астрономию с прогулкой глухого по тропическому лесу. Он видит вокруг деревья, папоротники, лианы, насекомых, птиц, змей и обезьян. Со временем, будучи внимательным наблюдателем, он многое узнает об окружающем мире. У него даже может возникнуть иллюзия полного знания.

Но случается чудо, к нему возвращается слух. На него вдруг обрушивается поток новой информации. Это не детали, которые прежде не удавалось разглядеть, а совершенно новая информация. Звуки джунглей – пение птиц, шелест листвы, хруст веток – дают много дополнительных данных о вещах, которые он уже мог видеть. Кроме того, возможность слышать позволяет узнать о том, что скрыто от глаз, будь то громоподобный треск падающего в километре дерева или отдаленный рык хищников.

Шутц говорит: «Наша Вселенная – это джунгли, полные диких животных. Благодаря гравитационным волнам мы впервые начали слышать их»[137]. Гравитационно-волновую астрономию часто называют способом «услышать» Вселенную. Хотя волны Эйнштейна никак не связаны со звуком, это выразительное сравнение. Главное обещание новой области исследования – открытие объектов и событий, принципиально не наблюдаемых путем изучения электромагнитного излучения. Гравитационные волны – это новые послания из космоса, которые расскажут нам много неожиданного.

Мы надеемся, что изучение слабых возмущений пространственно-временного континуума поможет раскрыть часть самых необъяснимых загадок нашей Вселенной. Например, астрономы обнаружили косвенные свидетельства существования огромного количества темной материи. Ее невозможно увидеть – предположительно, темная материя даже не состоит из обычных атомов и молекул, – но можно зарегистрировать ее гравитацию. Внешние области галактик вращаются значительно быстрее, чем следует ожидать, исходя из количества содержащейся в них видимой материи. То же самое можно сказать о скоростях галактик в скоплениях. Кроме того, степень гравитационного линзирования скоплений галактик (отклонения света фонового источника силой тяготения скопления) можно объяснить только присутствием большого количества темной материи. Проблема в том, что никто не имеет представления о природе темной материи, и, несмотря на героические усилия физиков-ядерщиков и космологов, пока не удалось найти ни одного непосредственного свидетельства ее существования.

Другая огромная загадка – темная энергия. Исследования расширения Вселенной показали, что пространство растет увеличивающимися темпами около 5 млрд лет. Здравый смысл говорит, что расширение должно замедляться вследствие взаимного притяжения галактик, однако оно ускоряется. Единственное объяснение, которое смогли предложить физики, – наличие в пустом пространстве загадочной «энергии отталкивания». Идея не нова. Она отчасти согласуется с квантовой теорией, и сам Альберт Эйнштейн ввел в свои уравнения подобие темной энергии – «космологическую константу» – еще до того, как Эдвин Хаббл открыл расширение Вселенной. Однако природа темной энергии также никому не известна.

Серьезность проблемы становится очевидной, когда понимаешь, что темная материя и темная энергия в совокупности составляют до 96 % общей плотности вещества и энергии во Вселенной. Иными словами, нам известны лишь жалкие 4 % ее содержимого, остальное – совершенная загадка. Судя по всему, разгадать ее будет нелегко. Детальные исследования реликтового излучения и крупномасштабных структур Вселенной заставляют сделать вывод: мы способны объяснить устройство Вселенной, только если ее эволюцией управляли таинственные силы – темная материя и темная энергия.

Дальнейшие достижения гравитационно-волновой астрономии, возможно, подарят новые поразительные данные, особенно связанные с темной энергией. Амплитуду гравитационных волн, возникающих при столкновении компактных астрономических объектов, точно предсказывает ОТО. Исходя из наблюдаемой формы волны (чирпа) довольно просто вычислить массы двух сливающихся тел. Затем ОТО подскажет амплитуду расходящихся волн Эйнштейна. Сравнивая расчетную величину с намного меньшей амплитудой, измеренной земными детекторами, легко узнать расстояние, на котором произошло слияние.

Если поиск электромагнитных проявлений обнаруживает галактику, где имело место слияние, можно установить красное смещение этой галактики с помощью оптических телескопов. Как вы узнали из главы 9, красное смещение галактики показывает, сколько времени потребовалось ее свету, чтобы дойти до Земли. Тогда мы сумеем объединить измерения красного смещения и независимые оценки расстояний до большого числа галактик разной степени удаленности и узнаем историю расширения Вселенной – любые замедления или ускорения приведут к отклонениям от точного линейного соответствия расстояния и красного смещения. Детальное знание о расширении космического пространства позволит больше узнать о темной энергии.

Первые указания на существование темной энергии были получены в 1998 г. похожим способом. Астрономы изучали взрывы сверхновых определенного типа (так называемого типа Ia), для которого известен реальный выход энергии. Такой объект называют «стандартная свеча». Измерение наблюдаемой светимости сверхновой дает информацию о расстоянии до нее, которую затем можно сравнить с красным смещением ее галактики. Потенциальной проблемой этого метода является то, что на наблюдаемую светимость взрыва далекой звезды могут влиять другие эффекты, например поглощение пылью. В случае гравитационных волн, однако, вы имеете именно то, что наблюдаете. Вселенная абсолютно прозрачна для возмущений пространственно-временного континуума, и из их наблюдаемой амплитуды легко вывести действительное расстояние до источника. Если сверхновые типа Iа – это стандартные свечи, то гравитационные волны можно назвать стандартными сиренами.

Роль, которую могли бы сыграть волны Эйнштейна в открытии тайны темной материи, менее очевидна. Будущие наблюдения гравитационных волн от слияния сверхмассивных ЧД или попадания в ЧД компактных объектов (EMRI) помогут составить карты скучивания галактик в разные эпохи эволюции Вселенной. В сочетании с лучшим пониманием процесса расширения Вселенной это даст детальную информацию о распределении темной материи в пространстве и, возможно, о природе этой таинственной субстанции.

Наконец, физики рассчитывают на возможность подвергнуть ОТО Эйнштейна новым проверкам. Изучение гравитационных волн рассказывает о поведении материи и пространства в экстремальных условиях – под воздействием невероятно мощных полей тяготения в непосредственной близости от ЧД. Особенно много ценной информации ожидается о так называемых сильных полях. Как я уже отмечал, ОТО несовместима с квантовой теорией поля, и по крайней мере одна из этих двух теорий в какой-то момент должна «оступиться». Обе они не могут быть совершенно правильными. Большой вопрос: когда и где одна из них «пойдет трещинами» и как физики их «залатают»? Возможно, путь укажут дальнейшие наблюдения гравитационных волн, потеснив ОТО.

Согласно некоторым теориям, все вышеописанные проблемы так или иначе связаны. Сторонники теории модифицированной ньютоновской динамики (MOND) считают темную материю иллюзорной концепцией, возникшей вследствие ложного понимания гравитации. По мнению других, истинная теория квантовой гравитации автоматически снимет вопросы темной материи и ускорения экспансии Вселенной. Практически все сходятся на том, что давно желанное объединение ОТО и квантовой теории дадут нам понимание таких удивительных вещей, как черные дыры, Большой взрыв и множественная Вселенная. Изучение волн Эйнштейна на всех возможных частотах и во всех уголках космоса – «вслушивание в звуки тропического леса» – это важный следующий шаг на пути к постижению фундаментальных свойств Вселенной. Первая прямая регистрация гравитационных волн 14 сентября 2015 г. открыла принципиально новую главу в истории астрономии.

_________

Появление в космосе гигантского лазерного интерферометра, описанного в главе 15, станет очень важным этапом развития гравитационно-волновой астрономии. Но прорывы будут совершаться не только за пределами земной атмосферы. Лазерно-интерферометрическая космическая антенна в силу своего колоссального размера с длиной плеча порядка нескольких миллионов километров будет способна воспринимать лишь колебания определенного диапазона, относительно низкочастотные. Для дальнейшего обнаружения высокочастотных волн, образующихся на заключительных стадиях слияния нейтронной звезды и ЧД, необходимы менее крупные инструменты. Через 15–20 лет на смену LIGO и Virgo, а также, возможно, KAGRA должны прийти наземные детекторы нового поколения.

Еще до начала перехода к Advanced Virgo европейские ученые стали предлагать идеи интерферометра третьего поколения – так называемого телескопа Эйнштейна[138], или ET. Как и в KAGRA, зеркала телескопа Эйнштейна будут охлаждаться до сверхнизких температур. Инструмент будет иметь тот же треугольный план, что и LISA, но длину плеча 10 км и включать в общей сложности шесть интерферометров с лазерами, светоделителями, зеркалами и фотодетекторами в каждой вершине. Три из шести интерферометров (по одному в каждой вершине) будут чувствительны к гравитационным волнам частотой от 2 до 40 Гц, другие три станут регистрировать высокочастотные волны.

Из-за высокой плотности населения в Европе трудно найти удачное место для такого большого детектора, поэтому его планируется расположить в подземных пещерах и туннелях. Дополнительным преимуществом является пониженная восприимчивость подземного детектора к низкочастотному сейсмическому шуму. Благодаря более длинным плечам, снижению уровня шума и криогенному охлаждению зеркал ЕТ должен быть в десятки раз чувствительнее Advanced Virgo. Он сможет регистрировать слияния нейтронных звезд с ЧД во всей наблюдаемой Вселенной, на расстояниях более 13 млрд св. лет.

В 2010 и 2011 гг. была проведена предварительная разработка этого масштабного проекта при финансовой поддержке 7-й рамочной программы Европейской комиссии[139]. ЕТ уже объявлен одним из «великолепной семерки» европейских проектов, рекомендованных сетью ASPERA для будущего развития астрофизики элементарных частиц в Европе. Он может стартовать в начале 2030-х гг., примерно в одно время с выводом в космос LISA.

Не только Европа задумывается об инструменте следующего поколения. В 2013 г. в ходе семинара по усовершенствованным детекторам гравитационных волн на итальянском острове Эльба маленькая группа американских ученых предложила план создания еще более крупного наземного инструмента – Длинной сверхмалошумной гравитационно-волновой обсерватории (Long Ultra-Low-Noise Gravitational-Wave Observatory, LUNGO). По словам Мэтта Эванса из MIT, замысел был выдвинут полушутя во время затянувшегося допоздна общения, участники которого наскоро подготовили презентацию в PowerPoint для заседаний следующего дня[140].

С тех пор предложение получило некоторое развитие. Теперь у него есть название – Cosmic Explorer. Подошло бы и Super-LIGO, поскольку предполагается L-образная схема предшественника, только с длиной плеч 40 км. С учетом глубокого охлаждения зеркал Cosmic Explorer будет еще более чувствительным, чем телескоп Эйнштейна. Благодаря тому что в США очень много свободной земли, незачем забираться под землю. Эванс считает прекрасным местом для будущего интерферометра соляные равнины к востоку от Карсон-Сити в Неваде (знаменитые автомобильными и мотоциклетными гонками), но есть немало других вариантов – в западных штатах много земли в собственности федерального правительства. «Во время другого ночного обсуждения в 2016 г. на семинаре по усовершенствованным детекторам мы даже рассмотрели возможность строительства Cosmic Explorer в море, – рассказывает Эванс. – Может быть, это не полное безумие».

Virgo и LIGO, увеличенные в три или даже в десять раз, – это и соответствующее увеличение стоимости проекта. Ориентировочная оценка совокупных затрат на Телескоп Эйнштейна и Cosmic Explorer составляет около $1 млрд, что сопоставимо с «ценником» других крупных научных инструментов, например действующей Атакамской большой миллиметровой/субмиллиметровой решетки (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, ALMA), строящейся радиообсерватории SKA и будущего Европейского очень большого телескопа (European Extremely Large Telescope, E-ELT). Для достижения таких монументальных целей нужно масштабное международное сотрудничество – в идеале всемирная сеть инструментов третьего поколения, включающая большой детектор треугольной компоновки в Европе, огромный L-образный интерферометр в США и еще один крупный L-образный инструмент в Южном полушарии, например, в Западной Австралии. Австралийский международный центр исследования гравитации в Перте остается очень активным членом научной коллаборации LIGO, несмотря на отказ от создания меньшего австралийского LIGO в начале нынешнего столетия.

Место европейского телескопа Эйнштейна вряд ли будет выбрано в ближайшие два года, но некоторые участники проекта высказывают свои предпочтения. Физик Йо ван ден Бранд из Нидерландского национального института субатомной физики в Амстердаме родился на крайнем юго-востоке страны недалеко от пограничного стыка Нидерландов, Бельгии и Германии. Эту область, прославившуюся угледобычей в XX в., Ван ден Бранд считает идеальной для ЕТ. Сейсмические тесты уже доказали высокую стабильность скального основания, а вышележащий слой лессового грунта, состоящий из выветрелых пылеватых пород, является прекрасным гасителем поверхностных колебаний.

Рассматриваются также участки в Венгрии, Испании и на итальянском острове Сардиния, но Институт Альберта Эйнштейна в Ганновере высказывается за пограничный регион между Голландией и Германией. Мне как голландцу трудно не радоваться возможности, пусть самой отдаленной, размещения телескопа Эйнштейна на моей родине. Скоро мы все узнаем.

_________

Человек вечно стремится понять Вселенную. В этом прелесть науки: каждый ответ ставит новые вопросы, и поиск все более полного и глубокого знания бесконечен. Охота на гравитационные волны – хрестоматийный пример научного исследования, длящегося полных 100 лет – от теоретических предсказаний до первой прямой регистрации. Это тернистый путь, пройденный уверенными в своих силах новаторами и настойчивыми учеными, – путь, где было все: мечты и кошмары, неудачи и достижения, технологические сложности, неукротимая решимость и страсть.

Альберт Эйнштейн сказал: «Загляните глубоко в природу, и вы все будете понимать лучше». Такой же результат дает нам гравитационно-волновая астрономия. Мы оседлали волны пространственно-временного континуума, но путь еще не пройден – все только начинается.

После того как вышла эта книга

31 мая 2017 г.

Коллаборация LIGO – Virgo объявляет о регистрации GW170104 от слияния ЧД в 31 и 19 солнечных масс на расстоянии около 3 млрд св. лет.

Карстен Данцманн удостаивается премии Кёрбера 2017 г. в области физики за определяющую роль в развитии физики гравитационных волн.

20 июня 2017 г.

Миссия LISA в составе трех спутников для регистрации гравитационных волн в космосе становится третьей флагманской миссией (L3) научной программы изучения космоса ЕКА Cosmic Vision 2015–2025.

30 июня 2017 г.

Окончание миссии LISA Pathfinder.

13 июля 2017 г.

Карстен Данцманн получает премию Отто Гана за 2017 г. за определяющую роль в развитии физики гравитационных волн.

23 июля 2017 г.

Райнер Вайсс, Кип Торн и Бэрри Бэриш удостоены премии Фуданьского университета 2017 г. за роль в разработке и строительстве LIGO.

27 июля 2017 г.

Членам команды LIGO Деннису Койну, Питеру Фритчелу и Дэвиду Шумейкеру присвоена премия Беркли 2018 г. за роль в разработке Advanced LIGO.

1 августа 2017 г.

Advanced Virgo присоединяется ко второму научному запуску (О2) Advanced LIGO, включающему три с половиной недели одновременных наблюдений.

25 августа 2017 г.

Окончание второго научного запуска (О2) LIGO – Virgo.

27 сентября 2017 г.

Коллаборация LIGO – Virgo объявляет о регистрации GW170814 от слияния ЧД в 31 и 25 солнечных масс на расстоянии около 1,8 млрд св. лет – первого события, одновременно наблюдавшегося тремя детекторами.

3 октября 2017 г.

Райнер Вайсс, Бэрри Бэриш и Кип Торн получают Нобелевскую премию 2017 г. по физике за решающий вклад в создание детектора LIGO и наблюдение гравитационной волны.

16 октября 2017 г.

Коллаборация LIGO – Virgo объявляет о регистрации GW170817 от слияния двух нейтронных звезд на расстоянии 130 млн св. лет. При слиянии также произошел короткий гамма-всплеск; возникшая вследствие этого «килонова» наблюдалась десятками наземных и космических телескопов.

Приложение

Астрономы зарегистрировали волны Эйнштейна от столкновения нейтронных звезд.

17 августа 2017 г. усовершенствованная лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) зарегистрировала слабые колебания пространственно-временного континуума, вызванные парой стремительно вращающихся по общей орбите нейтронных звезд непосредственно перед их столкновением. Более того, наземные и космические телескопы обнаружили затухающее свечение радиоактивного огненного шара – результата космической катастрофы – во всех диапазонах частот электромагнитного спектра.

Слухи о событии с участием нейтронных звезд ходили с 18 августа, после твита Крэйга Уилера из Техасского университета в Остине: «Новая LIGO. Источник с оптическим послесвечением. Готовьтесь услышать нечто!» 27 сентября коллаборация LIGO – Virgo объявила о регистрации GW170814 – сигнала гравитационной волны вследствие очередного слияния черных дыр, вызвав подозрения, что предшествующие слухи были всего лишь пиаром: поскольку свет при столкновении ЧД не излучается, никакого послесвечения в оптическом диапазоне ожидать не приходится.

Только в понедельник, 16 октября, – через 13 дней после присуждения Нобелевской премии по физике 2017 г. отцам-основателям LIGO Райнеру Вайсу, Бэрри Бэришу и Кипу Торну – астрономы и физики наконец раскрыли тщательно охраняемую тайну на большой пресс-конференции в Национальном пресс-клубе в Вашингтоне.

Итак, в четверг 17 августа в 12:41:04 по всемирному времени LIGO приняла пятый подтвержденный сигнал гравитационной волны, получивший обозначение GW170817. Его длительность, однако, была намного большей, чем у предыдущих четырех: вместо доли секунды, как при более ранних регистрациях, колебания пространственно-временного континуума продолжались ошеломительные 90 секунд, а их частота увеличилась от нескольких десятков герц до примерно килогерца – максимальной для LIGO.

Именно такой гравитационно-волновой сигнал могли испустить вращающиеся по тесной орбите нейтронные звезды массами около 1,2 и 1,6 солнечной. Постепенно они разогнались до заметной доли скорости света, совершая несколько сот оборотов в секунду. Волны Эйнштейна, излучаемые ускоряющимися массами, уносили энергию орбитального движения системы, и вскоре две нейтронные звезды столкнулись. Из данных LIGO следует, что столкновение произошло примерно в 140 млн св. лет от Земли.

Открытие первой двойной системы нейтронных звезд Расселом Халсом и Джо Тейлором в 1974 г. невероятно воодушевило физиков, занимавшихся в те годы разработкой первых прототипов лазерных интерферометров по типу LIGO, в частности Вайсса и Торна (см. главу 8). Как мы узнали из главы 6, очень медленное уменьшение орбитального периода двойной звезды идеально соответствует предсказанной Эйнштейном потере энергии вследствие излучения гравитационных волн. Примерно через 300 млн лет две нейтронные звезды бинарной системы Халса – Тейлора столкнутся и сольются.

Если эта двойная нейтронная звезда сольется через 300 млн лет, то другие – возможно, уже завтра. Энергетический выброс гравитационных волн, порожденных столкновением, сумеют зарегистрировать здесь, на Земле, чрезвычайно чувствительные инструменты. Можно сказать, астрономы 40 лет ждали события, подобного GW170817.

Менее чем через 2 с после гравитационно-волнового события, в 12:41:06 по всемирному времени, космический гамма-телескоп НАСА «Ферми» обнаружил гамма-всплеск – короткую мощную «вспышку» самого мощного электромагнитного излучения в природе. Гамма-обсерватория Европейского космического агентства INTEGRAL подтвердила всплеск. Считается, что короткие гамма-всплески вызываются столкновениями нейтронных звезд (см. главу 14). Естественно, возник вопрос, не мог ли GRB170817А иметь отношение к событию LIGO, наблюдавшемуся на 1,7 с раньше?

Сначала у астрономов были сомнения. Гамма-всплески обычно происходят на расстояниях в миллиарды световых лет. GRB170817А показался «Ферми» столь же ярким, что и остальные гамма-всплески, следовательно, если эта вспышка продолжительностью 2 секунды действительно имела место всего в 140 млн св. лет отсюда, то была необыкновенно тусклой. Более того, было бы невероятным совпадением, если бы джет самого близкого в истории наблюдений короткого гамма-всплеска был направлен в сторону Земли.

Вопрос был бы снят, если бы удалось обнаружить оптическое послесвечение гамма-всплеска. К сожалению, астрономы не могли точно указать источник гамма-излучения в небе. Диаметр «окна ошибок» телескопа «Ферми» составляет несколько десятков градусов (диаметр полной Луны – всего 0,5°), а спутник НАСА Swift, которому иногда удается зафиксировать событие Fermi своим более точным рентгеновским телескопом, не увидел никакого излучения в рентгеновском диапазоне сразу после всплеска.

Хорошо, что обсерватории волн Эйнштейна предоставили более точную локализацию. Событие наблюдалось обоими детекторами LIGO – в Хэнфорде, штат Вашингтон, и его близнецом в Ливингстоне, штат Луизиана. Крохотной разницы во времени прибытия волны (всего 2 мс) оказалось достаточно, чтобы проследить путь гравитационных волн вплоть до длинной узкой, в форме банана, полосы в небе, пересекающей окно ошибок «Ферми». Однако этот «банан», хотя и чрезвычайно узкий (благодаря продолжительности события), был и очень длинным.

А как же третий детектор гравитационных волн, в Италии? Virgo функционировал с 1 августа, когда присоединился ко второму научному запуску LIGO. Различия во времени получения сигнала тремя детекторами позволяют намного точнее вычислить положение источника. Именно это и было проделано тремя днями раньше в отношении слияния черных дыр GW170814. Не дадут ли ответ наблюдения GW170817 детектором Virgo?

Как ни странно, Virgo «не сработал» на GW170817. 90-секундный сигнал волны Эйнштейна от сливающихся нейтронных звезд поступил за 22 с до регистрации LIGO в Ливингстоне, но практически не отразился на потоке данных Virgo, хотя амплитуда была достаточной для аппаратуры итальянской лаборатории.

Причина скоро стала ясна. Лазерные интерферометры, такие как LIGO и Virgo, могут регистрировать гравитационные волны практически с любого направления. Однако в силу конструкции на местном горизонте этих инструментов имеются четыре области неба, в которых чувствительность прибора намного ниже средней. Центры каждой из этих областей являются настоящими слепыми зонами, и оказалось, что источник колебаний пространственно-временного континуума практически совпадал с одной из слепых зон Virgo.

Тем не менее, объединив данные LIGO и Virgo, астрономы смогли выделить значительно меньшую вытянутую часть неба, всего около 28 кв. град., врезающуюся в область пересечения узкого «банана» LIGO и окна ошибок «Ферми».

Охота началась. За минувшие годы коллаборация LIGO – Virgo заключила примерно с 70 командами астрономов по всему миру официальное соглашение об обмене подобной информацией со строгим запретом дальнейшего распространения (см. главу 14). Получив новейшие координаты зоны поиска GW170817, все они направили свои инструменты на вероятное «место преступления» в южной части созвездия Девы и восточной – Гидры.

Первым «попал в яблочко» метровый телескоп Henrietta Swope обсерватории Лас-Кампанас на севере Чили. Успех принесла мудрая стратегия. Данные LIGO позволили прикинуть расстояние до источника сигнала, а в зоне поиска в данном диапазоне расстояний находится лишь несколько десятков галактик. Пользуясь данными обзора сверхновых Swope Supernova Survey, астрономы быстро проверили эти галактики в порядке уменьшения вероятности в поисках кратковременного оптического излучения.

Около 23:00 по всемирному времени они обнаружили удивительно яркое световое пятно (достаточно яркое, чтобы астрономы-любители увидели его в большие телескопы) примерно в 7000 св. лет к северо-востоку от ядра галактики NGC 4993. Судя по красному смещению галактики, которая находится в созвездии Гидры, до нее 130 млн св. лет. Без сомнения, это было оптическое проявление как столкновения нейтронных звезд, породившего сигнал гравитационной волны, так и короткого гамма-всплеска.

В следующие дни и недели послесвечение наблюдали десятки наземных телескопов и космических обсерваторий, в том числе космический телескоп «Хаббл», Джемини, обсерватория Кека, VLT Европейской южной обсерватории, ALMA, рентгеновская обсерватория Чандра (зафиксировавшая рентгеновское излучение примерно через 9 дней после события) и радиообсерватория «Очень большая антенная решетка» (через 16 дней). GW170817, безусловно, самое наблюдаемое астрономическое событие в истории.

Соавторами статьи с описанием дальнейших наблюдений (ее неофициальное название – «многоканальная статья») стали около 3600 физиков и астрономов из более чем 900 организаций. По некоторым оценкам, в списке авторов – ошеломляющие 15 % астрономов мира. И это только одна из многих статей о GW170817, появившаяся в интернете 16 октября, в журналах Physical Review Letters, The Astrophysical Journal, Science, Nature и многих других.

Наблюдаемая «килонова», по сути, представляет собой раскаленный огненный шар, остаток катастрофического столкновения нейтронных звезд. Частицы горячего плотного ядерного вещества выбрасываются в космос во всех направлениях со скоростями, достигающими 20–30 % скорости света. Освободившись от громадной силы притяжения нейтронных звезд, остатки расширяются, стремительно теряя сверхвысокую плотность. Нейтроны начинают распадаться с образованием протонов, и в возникающей термоядерной топке те и другие частицы сливаются в ядра тяжелых атомов, многие из которых очень радиоактивны. Остается невероятно горячая оболочка, насыщенная некоторыми из самых тяжелых элементов периодической таблицы.

Спектральные наблюдения при помощи спектрографа X-Shooter обсерватории VLT и других инструментов обнаружили присутствие так называемых редкоземельных элементов (лантаноидов). Без сомнения, появились и намного более тяжелые элементы. Наблюдения подтвердили теорию, согласно которой большинство элементов тяжелее железа образуются вследствие распада ядерной материи после столкновений нейтронных звезд, а не взрывов сверхновых. Очевидно, открыв послесвечение GW170817, ученые в буквальном смысле нашли золотую жилу – возможно, до нескольких земных масс драгоценного металла.

Осталось и несколько загадок. Одна из них – природа сигнала гамма-излучения, наблюдаемого «Ферми». Может быть, релятивистская струя гамма-всплеска была направлена не под прямым углом к нашей планете и мы наблюдали событие сбоку. По мнению многих астрономов, это самое вероятное объяснение слабости всплеска. Оно объясняет и задержку рентгеновских (наблюдаемых лишь через 9 дней) и радиоволн, зарегистрированных не ранее начала сентября.

Дальнейшие наблюдения за местом космической катастрофы могли бы пролить свет на еще одну, пока не раскрытую, тайну – дальнейшей судьбы двух нейтронных звезд. Бесспорно, несколько процентов их совокупной массы было выброшено в космос, но что произошло с остальной? Слились ли две компактные звезды в свермассивную нейтронную звезду в несколько солнечных масс или коллапсировали в ЧД звездной массы?

К сожалению, данные LIGO не дают уверенного ответа. Финальная стадия слияния не наблюдалась. В предыдущих случаях столкновений черных дыр LIGO регистрировали отзвуки «фазы затухания», краткого периода, когда амплитуда волн Эйнштейна быстро снижалась до нуля. Характеристики затухания позволяли оценить конечную массу объединенной черной дыры.

Однако в случае GW170817 частота волны непосредственно перед слиянием двух нейтронных звезд стала слишком большой для наблюдения LIGO, и сигнал был потерян. Поэтому у астрономов отсутствуют надежные данные, чтобы судить о свойствах возникшего в результате слияния объекта.

Тем не менее практически нет сомнений, что при столкновении возникла новая ЧД. Если бы возникла сверхмассивная нейтронная звезда, она была бы экстремально горячей и мы бы регистрировали рентгеновское излучение. Возможно, две нейтронные звезды сначала слились в сверхмассивный объект около 2,8 солнечных масс, удерживаемый силами невероятно быстрого вращения вокруг своей оси, но через долю секунды коллапсировавший в черную дыру.

В общем, наблюдения GW170817, сами по себе впечатляющие, могут оказаться пресловутой «верхушкой айсберга» будущего раскрытия тайн гамма-всплесков, эволюции двойных звездных систем, синтеза тяжелых элементов, общего принципа относительности, поведения материи в экстремальной среде и свойств нейтронных звезд. Физиков особенно интересуют свойства этих сверхплотных звездных остатков, в которых сотня тысяч тонн материи упакованы в 1 куб. мм. Мы никогда не сможем воспроизвести такие немыслимые условия в лаборатории на Земле.

В принципе, подробное исследование сигналов гравитационных волн, таких как GW170817, могло бы дать больше информации, особенно если бы удалось в деталях наблюдать еще и высокочастотные волны финальных стадий слияния. По мере сближения двух нейтронных звезд взаимные приливные силы будут растягивать и сжимать их. Величина возникающих деформаций поведает физикам о внутренней структуре звезды, характере изменения ее плотности в зависимости от глубины и т. д. На основе наблюдений GW170817 это так называемое уравнение состояния пока не было выведено. Однако пока все данные согласуются с результатами ядерных экспериментов в лабораториях Земли.

Более того, тот факт, что вследствие слияния возник столь массивный, релятивистски расширяющийся огненный шар, накладывает определенные ограничения на приливные деформации двух нейтронных звезд. Более компактные звезды могут теснее сблизиться, прежде чем сольются. Вследствие этого они испытывают более мощное соударение и выбрасывают больше массы. Из оценки массы выброса (возможно, около 5 % массы Солнца) следует, что нейтронные звезды имеют самое большее 27 км в диаметре. В то же время, судя по другому комплексу данных, они не могут быть меньше 22 км.

Это еще не все. Как свидетельствует почти одновременное поступление гамма-лучей и гравитационных волн, колебания пространственно-временного континуума распространяются со скоростью света с точностью до одной квадриллионной – что подтверждает теорию относительности Эйнштейна. Независимые измерения расстояния до родительской галактики, в которой произошло событие (на основе наблюдаемой амплитуды волн Эйнштейна), в сочетании со скоростью удаления NGC4993 дают значение скорости расширения Вселенной, превосходно согласующееся с существующими измерениями. Путем дальнейших наблюдений астрономы надеются значительно повысить точность этой оценки.

Осенью 2018 г. обе LIGO и Virgo начнут очередной научный запуск с использованием еще более чувствительной аппаратуры. Вскоре после этого будет введен в эксплуатацию японский детектор KAGRA (см. главу 16). Лет через двадцать измерения гравитационных волн могут стать столь же обыденными, как и наблюдения рентгеновского излучения в последние 40 лет.

Авторство иллюстраций

В порядке публикации в книге:

Уил Тирион.

Фотография Оррена Джека Тернера. Отдел печатных изданий и фотографий Библиотеки Конгресса, Вашингтон, округ Колумбия, D. C. LC-USZ62–60242.

Кэтрин Стефенсон, Стэнфордский университет и корпорация Lockheed Martin/НАСА.

Специализированные коллекции и университетские архивы, библиотека Мэрилендского университета.

Команда ключевой программы ЕКА/Hershel/PACS/MESS по изучению остатков сверхновых; НАСА, ЕКА и Элисон Лолл/Джефф Хестер (Университет штата Аризона).

М. Барнелл.

Публикуется с разрешения Национального центра по астрономическим и ионосферным исследованиям – обсерватории Аресибо, научного объекта Национального фонда содействия развитию науки.

Публикуется с разрешения Caltech/MIT/LIGO Laboratory.

Коллаборация EGO & Virgo.

НАСА, ЕКА, Х. Теплиц и М. Рафелски (IPAC/Caltech), А. Кёкемёр (STScl), Р. Виндхорст (Университет штата Аризона) и З. Леви (STScl).

Amble/Wikimedia Commons (CC BY-SA 3.0).

Гарвард-Смитсоновский центр астрофизики.

Публикуется с разрешения Caltech/MIT/LIGO Laboratory.

Д-р Маргарет Харрис, Physics World.

Проект SXS (симуляция экстремальных состояний пространственно-временного континуума)/Caltech/MIT/LIGO Laboratory.

CSIRO Science Image (CC BY 3.0).

Фотография © Герхард Хюдеполь.

NOVA/FNWI Techno Center, Университет Радбаунд в Неймегене.

EКА/ATG medialab.

AEI/Институт гравитационной физики им. Макса Планка/Milde Marketing/exozet. Симуляция гравитационной волны: НАСА/К. Хенце.

Говерт Шиллинг.

Уил Тирион.

Примечания и дополнительная литература

Хорошее ознакомительное чтение об эволюции звезд: James B. Kaler, Cosmic Clouds: Birth, Death, and Recycling in the Galaxy (Джеймс Калер. «Космические облака: Жизнь, смерть и круговорот материи в галактике») [New York: W. H. Freeman & Co., 1996]. См. также: Kaler, Stars and Their Spectra: An Introduction to the Spectral Sequence (Калер. «Звезды и их спектры: Знакомство со спектральными последовательностями») [Cambridge: Cambridge University Press, 1989; 2011]; Kaler, Heaven’s Touch: From Killer Starsto the Seeds of Life, How We Are Connected to the Universe (Калер. «Прикосновение небес: От звезд-убийц к семенам жизни – как мы связаны со Вселенной») [Princeton, NJ: Princeton University Press, 2009]. Подробно, но доступно о нейтронных звездах рассказывается в сб.: Werner Becker, ed., Neutron Stars and Pulsars (Вернер Бекер (ред.). «Нейтронные звезды и пульсары») [New York: Springer, 2009].

Хорошая ознакомительная книга о пульсарах: Geoff McNamara, Clocks in the Sky: The Story of Pulsars (Джефф Макнамара. Часы в небе: История пульсаров) [New York: Springer, 2008]. См. также: Duncan R. Lorimer, “Binary and Millisecond Pulsars” (Д. Р. Лоример Двойные и миллисекундные пульсары), Living Reviews in Relativity, 8 (2005): 7.

Дополнительную информацию вы найдете в кн.: Alan H. Guth, The Inflationary Universe: The Quest for a New Theory of Cosmic Origins (Алан Гут. Расширяющаяся Вселенная: Поиск новой теории возникновения космоса) [New York: Basic Books, 1998].

Две свежие книги, рассказывающие о прямой регистрации гравитационных волн: Harry Collins, Gravity’s Kiss: The Detection of Gravitational Waves (Гарри Коллинз. Поцелуй гравитации: Регистрация гравитационных волн) [Cambridge, MA: MIT Press, 2017]; «Marcia Bartusiak, Einstein’s Unfinished Symphony: The Story of a Gamble, Two Black Holes, and a New Age of Astronomy.

Дополнительно о темной материи и темной энергии читайте: Robert P. Kirshner, The Extravagant Universe: Exploding Stars, Dark Energy and the Accelerating Cosmos (Роберт П. Киршнер. Экстравагантная Вселенная: Взрывающиеся звезды, темная энергия и ускоряющийся космос) [Princeton: Princeton University Press, 2002]; Iain Nicolson, Dark Side of the Universe: Dark Matter, Dark Energy, and the Fate of the Cosmos (Иэн Николсон. Темная сторона Вселенной: Темная материя, темная энергия и судьба космоса) [Bristol: Canopus Publishing Ltd., 2007]; Richard Panek, The 4 Percent Universe: Dark Matter, Dark Energy, and the Race to Discover the Rest of Reality (Ричард Панек. Вселенная четырех процентов: Темная материя, темная энергия и борьба за открытие остальной части реальности) [Boston: Houghton Mifflin Harcourt, 2011].

Сноски

1

Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory – Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория. – Прим. ред.

2

Далее св. лет. – Прим. ред.

3

Боровский радиус атома водорода около 5 × 10–11 м. Оценка амплитуды колебания для атома водорода – в десятки тысяч раз меньше его размера. – Прим. науч. ред.

4

Фильм «Интерстеллар» режиссера Кристофера Нолана с актерами Мэттью Макконахи, Энн Хэтуэй, Джессикой Честейн и Майклом Кейном вышел в прокат в США 5 ноября 2014 г.

5

Прекрасный обзор истории астрономии: Тимоти Феррис. Становление Млечного Пути (Timothy Ferris, Coming of Age in the Milky Way. New York: William Morrow & Co., 1988).

6

Не стоит смотреть на дневное солнце без специальных защитных фильтров – это опасно для глаз. – Прим. ред.

7

Современный взгляд на Вселенную для широкого круга читателей: Нил Деграсс и др. Добро пожаловать во Вселенную: Астрофизический обзор. (Neil deGrasse Tyson, Michael A. Strauss, and J. Richard Gott, Welcome to Universe: An Astrophysical Tour [Princeton, NJ: Princeton University Press, 2016]).

8

См.: Эйнштейн А. Работы по теории относительности 1905–1920 гг. Собрание научных трудов в четырех томах. Т. 1. – М.: Наука, 1965–1967. Классическое, с юмором написанное введение на тему высших измерений: Эббот Э. Э. Флатландия. – М.: Мир, 1976.

9

Гамов Г. Мистер Томпкинс в Стране Чудес, или Истории о «с», «G» и «h». – М.: Едиториал УРСС, 2003.

10

Eva Fenyo, A Guided Tour through Space and Time (Эва Феньо. Экскурсия по пространству и времени) [Upper Saddle River, NJ: Prentice-Hall, 1959]

11

Торн К. Черные дыры и складки времени. Дерзкое наследие Эйнштейна. – М.: Физматлит, 2007.

12

Торн К. Интерстеллар: Наука за кадром. – М.: Манн, Иванов и Фербер, 2015.

13

Oliver James, Eugenie von Tunzelmann, Paul Franklin, and Kip S. Thorne, “Visualizing Interstellar’s Wormhole” (Оливер Джеймс и др. Визуализация кротовой норы из «Интерстеллар»), American Journal of Physics 83, no. 486 (2016) и: те же авт., “Gravitational Lensing by Spinning Black Holes in Astrophysics, and in the Movie Interstellar” (Гравитационное линзирование вращающимися черными дырами в астрофизике и в фильме «Интерстеллар»), Classical and Quantum Gravity 32, no. 6 (2015).

14

О стихотворениях на стенах домов Лейдена см. http://www.muurgedichten.nl/wallpoems.html. Сайт голландского Национального музея истории науки и медицины в Лейдене, Нидерланды: http://www.museumboerhaave.nl/english.

15

Я был в запасниках лейденского Музея Бургаве 7 апреля 2016 г.

16

Съемка астронавта «Аполлона-15» Дэвида Скотта, роняющего на поверхность Луны перо и молоток: http://www.youtube.com/watch?v=KDp1tiUsZw8.

17

Ньютон И. Математические начала натуральной философии. – М.: Ленанд, 2017.

18

Открытие Нептуна описано в кн.: Tom Standage, The Neptune File (Том Стендейдж. Дело Нептуна), London: Penguin Books, 2000.

19

Попытки Урбена Леверье найти планету внутри орбиты Меркурия описаны в кн.: Thomas Levenson, The Hunt for Vulcan… And How Albert Einstein Destroyed a Planet, Discovered Relativity, and Deciphered the Universe (Томас Ливинсон. Охота на Вулкан. Как Альберт Эйнштейн уничтожил планету, открыл принцип относительности и разгадал тайну Вселенной) [New York: Random House, 2015].

20

Гюйгенс Х. Трактат о свете. – М.: Либроком, 2015.

21

Правильнее сказать – быстрее света в вакууме. – Прим. науч. ред.

22

Собрание трудов Альберта Эйнштейна выложено по адресу: http://einsteinpapers.press.princeton.edu.

Написано множество биографий Альберта Эйнштейна. Одна из самых полных: Пайс А. Научная деятельность и жизнь Альберта Эйнштейна. – М.: Наука, 1989. Еще одна прекрасная биография Эйнштейна: Dennis Overbye, Einstein in Love: A Scientific Romance (Деннис Овербай. Влюбленный Эйнштейн: Роман с наукой) [New York: Viking Penguin, 2000]. См. также: Грин Б. Ткань космоса. Пространство, время и текстура реальности. – М.: Книжный дом «Либроком», 2009.

23

Я беседовал с Фрэнсисом Эвериттом в Стэнфордском университете в Калифорнии 20 июня 2016 г.

24

Gravity Probe B: http://einstein.stanford.edu.

25

Об экспедиции Артура Эддингтона 1919 г. с целью наблюдения солнечного затмения см.: Peter Coles, “Einstein, Eddington and the 1919 Eclipse” (Питер Коулс. Эйнштейн, Эддингтон и затмение 1919 г.), Proceedings of International School on “The Historical Development of Modern Cosmology”, Valencia 2000, ASP Conference Series (http://arxiv.org/abs/astro-ph/0102462).

26

Миссия Gaia: http://sci.esa.int/gaia.

27

Речь здесь идет скорее о точности привязки к международной фундаментальной небесной системе отсчета ICRF, а точность измерения координат ярких звезд до 11-й звездной величины, определяемая систематическими ошибками, в каталоге Gaia 2016 г. порядка 0,3 мс дуги. – Прим. науч. ред.

28

О проверке ОТО см.: Amanda Gefter, “Putting Einstein on the Test” (Аманда Гефтер. Проверяем Эйнштейна), Sky & Telescope 110, no. 1 (июль 2005): 33. См. также: Clifford M. Will, Was Einstein Right? Putting Relativity to the Test (Клиффорд Уилл. Был ли прав Эйнштейн? Проверка общей теории относительности) [New York, Basic Books, 1986; 1993]; тот же авт. “Was Einstein Right? Testing Relativity at the Centenary” (Был ли прав Эйнштейн? Проверка теории относительности в столетний юбилей), Annals of Physics 15, no. 1, 2 (январь 2006): 19–33.

29

Я взял интервью у Тони Тайсона в Калифорнийском университете в Дэвисе 20 июня 2016 г.

30

Дику Гарвину посвящена кн.: Joel Shurkin, True Genius: The Life and Work of Richard Garwin (Джоэл Шаркин. Настоящий гений: Жизнь и работа Ричарда Гарвина) [New York: Penguin Random House, 2017].

31

Первые попытки Джо Вебера зарегистрировать гравитационные волны описаны в кн.: Marcia Bartusiak, Einstein’s Unfinished Symphony: The Story of a Gamble, Two Black Holes, and a New Age of Astronomy (Марсия Бартусяк. Неоконченная симфония Эйнштейна: История об азартной игре, двух черных дырах и новой эпохе в астрономии) [New Haven: Yale University Press, 2017]; Janna Levin, Black Hole Blues and Other Songs from Outer Space (Дженна Левин. Блюз черной дыры и другие песни дальнего космоса) [New York: Alfred A. Knopf, 2016]. Подробная история гравитационно-волновой физики: Daniel Kennefick, Traveling at the Speed of Thought: Einstein and the Quest for Gravitational Waves (Дениэл Кеннефик. Путешествие со скоростью мысли: Эйнштейн и поиск гравитационных волн) [Princeton, NJ: Princeton University Press, 2007]. Очень подробное освещение начала изучения гравитационных волн, в том числе экспериментов Джо Вебера: Harry Collins, Gravity’s Shadow: The Search for Gravitational Waves (Гарри Коллинз. Тень гравитации: Поиск гравитационных волн) [Chicago: University of Chicago Press, 2004].

32

«Космос – персональное путешествие» – 13-серийный телесериал (авторы сценария Карл Саган, Энн Друян и Стивен Сотер, режиссер Эдриан Мэлоун, первый показ на PBS с 28 сентября до 21 декабря 1981 г.). Эта глава названа по девятой серии. См. также: Саган К. Космос. – СПб.: Амфора, 2005.

33

Идея о возможном существовании сверплотных звезд была выдвинута в работе советского физика Льва Ландау в 1931 г., еще до открытия нейтрона в 1932 г. Джеймсом Чедвиком. – Прим. науч. ред.

34

Воспоминания Джоселин Белл об открытии пульсаров: http://www.bigear.org/vol1no1/burnell.htm.

35

Обсерватория Аресибо: http://www.naic.edu.

36

Нобелевская премия по физике за 1993 г.: https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1993; Нобелевская премия по физике за 1974 г.: https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1974.

37

Я взял интервью у Джоэла Вайсберга по телефону 2 августа 2016 г.

38

Marta Burgay et al., “An Increased Estimate of the Merger Rate Double Neutron Stars from Observations of a Highly Relativistic System” (Марта Бёргей и др. Увеличенная оценка частоты слияний двойных нейтронных звезд в высокорелятивистских системах), Nature 426 (4 декабря 2003): 531–533.

39

Предсказание Фримана Дайсона об излучении гравитационных волн при слиянии нейтронных звезд опубликовано в кн.: A. G. W. Cameron, ed., Interstellar Communication. A Collection of Reprints and Original Contributions (А. Кэмерон (ред.). Межзвездная связь. Сборник ранее опубликованных и оригинальных статей) [New York: W. A. Benjamin, 1963].

40

Joel M. Weisberg, Joseph H. Taylor, and Lee. A. Fowler, “Gravitational Waves from an Orbiting Pulsar” (Джоэл М. Вайсберг и др. Гравитационные волны, излучаемые совершающим орбитальное движение пульсаром), Scientific American 245, no. 4 (октябрь 1981 г.): 74–82.

41

Мой визит в обсерваторию LIGO в Ливингстоне (штат Луизиана) весной 1998 г. был профинансирован голландским еженедельником Intermediair.

42

Я был в обсерватории LIGO в Хэнфорде (штат Вашингтон) и взял интервью у Фредерика Рааба 14 января 2015 г.

43

О лазерной интерферометрии: http://www.ligo.caltech.edu/page/ligo-gw-interferometer. Хороший фильм Марко Краана из Голландского национального института физики элементарных частиц (Nikhef) о лазерной интерферометрии: http://www.youtube.com/watch?v=h_FbHipV3No.

44

Я взял интервью у Рэя Вайсса в Сиэтле 6 января 2015 г., а также по телефону 29 июня 2016 г.

45

Здесь и далее цитируется интервью, которое Ширли Коэн взяла у Рэя Вайсса для проекта Caltech Oral History: http://oralhistories.library.caltech.edu/183/1/Weiss_OHO.pdf

46

Rainer Weiss, “Electronically Coupled Broadband Gravitational Antenna” (Райнер Вайсс. Связанные электронными средствами широкополосные антенны для поиска гравитационных волн), Quarterly Progress Report, НИЛ электроники MIT, no. 105 (1972): 54 (http://www.hep.vanderbilt.edu/BTeV/test-DocDB/0009/000949/001/Weiss_1972.pdf).

47

Cosmic Background Explorer (COBE): http://science.nasa.gov/missions/cobe. См. также: Минзер Ч., Торн К., Уилер Дж. Гравитация. – М.: Мир, 1973.

48

Paul Linsay, Peter Saulson, Rainer Weiss, and Stan Whitcomb, A Study of a Long Baseline Gravitational Wave Antenna System (П. Линси и др. Исследование длинной наземной антенной системы для регистрации гравитационных волн – «Синяя книга» по LIGO) [NSF: 1983] (http://dcc.ligo.org/public/0028/T830001/000/NSF_bluebook_1983.pdf).

49

Rochus E. Vogt, Ronald W. P. Drever, Kip S. Thorne, Frederick J. Raab, and Rainer Weiss, A Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory: Proposal to the National Science Foundation (Р. Е. Фогт и др. Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория: заявка в Национальный фонд содействия развитию науки) [Калифорнийский технологический институт, декабрь 1989 г.] (http://dcc.ligo.org/public/0065/M890001/003/M890001–03%20edited.pdf).

50

Я взял интервью у Тони Тайсона в Калифорнийском университете в Дэвисоне 20 июня 2016 г.

51

Я взял интервью у Бэрри Бэриша в Калифорнийском технологическом институте в Пасадене 22 июня 2016 г.

52

Интервью, взятое у Бэрри Бэриша Ширли Коэн для проекта Caltech Oral History: http://oralhistories.library.caltech.edu/178/1/Barish_OHO.pdf.

53

Я посетил детектор Virgo Европейской гравитационно-волновой обсерватории в Санто-Стефано-а-Мачерата возле Пизы в Италии и взял интервью у Федерико Феррини 22 сентября 2015 г.

54

Я посетил Институт Альберта Эйнштейна в Ганновере (Германия) и взял интервью у Карстена Данцманна и Брюса Аллена 4 и 5 августа 2016 г.

55

Я посетил детектор GEO600 в Рюте возле Ганновера в Германии 9 февраля 2015 г.

56

Сайт LIGO: https://www.ligo.caltech.edu. Сайт научной коллаборации LIGO: http://ligo.org. Сайт Virgo: http://public.virgo-gw.eu/language/en. Сайт Европейской гравитационной обсерватории (EGO): http://www.ego-gw.it. Сайт GEO600: http://www.geo600.org. История LIGO: Marcia Bartusiak, Einstein’s Unfinished Symphony: The Story of a Gamble, Two Black Holes, and a New Age of Astronomy. См. также: Harry Collins, Gravity’s Shadow: The Search for Gravitational Waves; Janna Levin, Black Hole Blues and Other Songs from Outer Space.

57

Наиболее популярная среди астрофизиков и космологов, причем проверяемая, современная гипотеза о происхождении Вселенной – теория инфляции, о которой речь пойдет далее, – предполагает, что у Вселенной была стадия, когда она имела очень малый размер Планковской ячейки – порядка 10-33см. В момент инфляции Вселенная увеличилась в колоссальное (но не бесконечное) число раз. В этом плане Вселенная имеет все-таки конечный, хотя и огромный, размер. – Прим. науч. ред.

58

Для дополнительной информации см. следующие кн.: Силк Дж. Большой взрыв: Рождение и эволюция Вселенной (аудиокнига). – Нигде не купишь, 2017; Simon Singh, Big Bang: The Most Important Scientific Discovery of All Time and Why You Need to Know about It (Саймон Сингх. Большой взрыв: Самое важное научное открытие всех времен, и почему вы должны об этом знать) [New York: Fourth Estate, 2004]; George Smoot and Keay Davidson, Wrinkles in Time: The Imprint of Creation (Джордж Смут, Кей Дэвидсон. Морщины времени: Отпечаток Творения) [London: Little, Brown and Company, 1993]; Dennis Overbye, Lonely Hearts of the Cosmos: The Story of the Scientific Quest for the Secret of the Universe (Деннис Овербай. Одинокие сердца космоса: История научного поиска разгадки тайны Вселенной) [New York: HarperCollins, 1991].

59

Мое посещение антарктических станций Мак-Мёрдо и Амундсен – Скотт в декабре 2012 г. было организовано и профинансировано Национальным фондом содействия развитию науки в рамках программы Antarctic Journalist.

60

Эксперимент Е и В (EBEX): http://groups.physics.umn.edu/cosmology/ebex.

61

«Ледяной куб»: https://icecube.wisc.edu. «Южный полярный телескоп»: https://pole.uchicago.edu.

62

Фоновое отображение космической внегалактической поляризации (BICEP): http://bicepkeck.org.

63

Исследователь космического фонового излучения (COBE): http://science.nasa.gov/missions/cobe.

64

Космический аппарат WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe): http://science.nasa.gov/missions/wmap. Космический аппарат «Планк»: http://sci.esa.int/planck. Нобелевская премия по физике за 2006 г.: https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2006.

65

Я посещал Ллано де Чайнантор и Большую атакамскую миллиметровую/субмиллиметровую решетку (ALMA) (http://www.almaobservatory.org) на севере Чили в 1998 г. (при содействии Национальной радиоастрономической обсерватории, NRAO), в 1999 г. (на средства Европейской южной обсерватории, ESO), в 2004 г., в 2007 г. (при финансировании ESO и Нидерландской исследовательской школы астрономии, NOVA), в 2010 г., в 2012 г. (на средства ESO), в 2013 г. (на средства ESO), а также в 2015 и 2017 гг. (оба раза в качестве гида-экскурсовода голландского еженедельника New Scientist).

66

Атакамский космологический телескоп (АСТ): http://act.princeton.edu.

67

Слово происходит от лат. inflatio – раздувание. – Прим. ред.

68

Вернее e^60 раз, где e = 2,71828… – основание натуральных логарифмов, 60 – это так называемое число e-фолдингов, оцененное по данным миссии Planck. Соответственно число 2^200, упоминаемое автором, несколько завышено. – Прим. науч. ред.

69

Первым идею об экспоненциальном расширении выдвинул Алексей Старобинский из Института теоретической физики им. Л. Ландау в 1979 г. – Прим. науч. ред.

70

Первая работа по этой теме была опубликована Линде в 1982 г., когда он работал в ФИАНе. – Прим. науч. ред.

71

Первые расчеты различных режимов генерирования первичных гравитационных волн были проведены независимо советскими физиками Леонидом Грищуком (1975) до создания теории инфляции и Алексеем Старобинским (1979). – Прим. науч. ред.

72

Пресс-конференция, посвященная проекту BICEP2, в Гарвард-Смитсоновском центре астрофизики 17 марта 2014 г.: https://www.youtube.com/watch?v=Iasqtm1prlI.

73

Я разговаривал по телефону с Джоном Ковачем 30 июня 2016 г., с Кристиной Пуллиам 1 июля 2016 г.

74

Видеозапись визита Чао-Линь Куо к Андрею Линде и его жене Ренате Каллош с новостями о BICEP2: https://www.youtube.com/watch?v=ZlfIVEy_YOA.

75

Научное собрание по BICEP2 в Гарвард-Смитсоновском центре астрофизики 17 марта 2014 г.: https://www.youtube.com/watch?v=0n9NPvEbJr0. См. также: P. A. R. Ade et al. (BICEP2/Keck and Planck Collaborations), “Joint Analysis of BICEP2/Keck Array and Plank Data” (П. А. Р. Аде и др. Совместный анализ данных BICEP2/решетки Keck и «Планк»), Physical Review Letters 114 (2015): 101301.

76

Я взял интервью у Марко Драго по телефону 11 июля 2016 г.

77

Я взял интервью у Стэна Уиткомба в Калифорнийском технологическом институте в Пасадене 23 июня 2016 г.

78

Я взял интервью у Габриэлы Гонсалес в Цюрихе (Швейцария) 7 сентября 2016, у Дэвида Райтце в Амстердаме (Нидерланды) 2 марта 2016 г.

79

Я взял интервью у Лоренса Краусса по телефону 29 июля 2016 г.

80

Два крупных слепых внедрения в данные LIGO и Virgo более подробно описаны в кн.: Harry Collins, Gravity’s Ghost and Big Dog: Scientific Discovery and Social Analysis in the Twenty-First Century (Гарри Коллинз. Призрак гравитации и созвездие Большого Пса: Научное открытие и социальный анализ в XXI в.) [Chicago: University of Chicago Press, 2011]. Больше о слепых внедрениях: http://www.ligo.org/news/blind-injection.php.

81

Больше об открытии GW150914: LIGO Magazine 8 (март 2016) (http://www.ligo.org/magazine/LIGO-magazine-issue-8.pdf); B. P. Abbott et al., “Observation of Gravitational Waves from Binary Black Hall Merger” (Б. П. Эббот и др. Наблюдение гравитационной волны, излученной при слиянии двойной системы черных дыр), Physical Review Letters 116 (2916): 061102.

82

Я взял интервью у Уитни Клэвин в Калифорнийском технологическом институте в Пасадене 22 июня 2016 г.

83

Joshua Sokol, “Latest Rumour of Gravitational Waves Is Probably True This Time” (Джошуа Сокол. Недавние слухи о гравитационных волнах на сей раз, возможно, соответствуют действительности), New Scientist, 8 февраля 2016 (https://www.newscientist.com/article/2076754-latest-rumour-of-gravitational-waves-is-probably-true-this-time).

84

Пресс-конференция, посвященная GW150914, в Национальном пресс-клубе (Вашингтон, округ Колумбия): https://www.youtube.com/watch?v=aEPIwEJmZyE.

85

Я взял интервью у Франс Кордова по телефону 28 июня 2016 г.

86

Премия по фундаментальной физике в категории «Передовая линия физики» за 2016 г.: https://breakthroughprize.org/News/32. Премия Грубера в области космологии: http://gruber.yale.edu/cosmology/press/2016-gruber-cosmology-prize-press-release. Премия Шао в области астрономии за 2016 г.: http://www.shawprize.org/en/shaw.php?tmp=3&twoid=102&threeid=254&fourid=476. Премия Кавли в области астрофизики за 2016 г.: http://www.kavliprize.org/prizes-and-laureates/prizes/2016-kavli-prize-astrophysics. Медаль Амальди за 2016 г.: http://public.virgo-gw.eu/adalberto-giazotto-guido-pizzella-share-amaldi-medal.

87

Фильм о слиянии черных дыр, вызвавшем GW150914: https://www.youtube.com/watch?v=vm9sAdXwPrE.

88

B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration), “Astrophysical Implications of the Binary Black Hole Merger GW 150914” (Б. П. Эббот и др. Астрофизический смысл GW150914 от слияния двойной системы черных дыр), Astrophysical Journal Letters 818 (2016): L22 (http://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041–8295/818/2/L22). См. также: B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration), “Properties of the Binary Black Hole Merger GW150914” (Б. П. Эббот и др. Свойства GW150914 от слияния двойной системы черных дыр), Physical Review Letters 116 (2016): 241102.

89

Габриэла Гонсалес, Фульвио Риччи, Дэвид Райтце. Последние новости научной коллаборации LIGO. Пресс-конференция в рамках 228-й конференции Американского астрономического общества (AAS) 15 июля 2016 г. в Сан-Диего (штат Калифорния): https://aas.org/media-press/archived-aas-press-conference-webcasts. См. также: B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration), “GW151226: Observation of Gravitational Waves from a 22-Solar-Mass Binary Black Hole Coalescence” (Б. П. Эббот и др. GW151226: наблюдение гравитационных волн от соединения двойной системы черных дыр в 22 солнечных массы), Physical Review Letters 116 (2016): 241103.

90

Следует сказать, что ожидается еще один наблюдательный результат, прямо доказывающий существование ЧД. Это наблюдение «тени» ЧД, в частности продемонстрированный в фильме «Интерстеллар». Тень ЧД – это наблюдаемый контраст в излучении горячего газа в направлении на центральную область ЧД по отношению к яркому ореолу вокруг ЧД. Ореол создается светом, идущим из области позади ЧД, причем искажение пути распространения света ореола вызвано гравитацией ЧД. Первый эксперимент по наблюдению тени сверхмассивной ЧД в центре нашей Галактики на Телескопе горизонта событий – международном проекте на радиоинтерферометре со сверхдлинной базой – уже завершился, и сейчас идет анализ данных. Также наблюдение тени ЧД – одна из задач планируемой российской космической миссии «Миллиметрон». См. о радионаблюдених ниже. – Прим. науч. ред.

91

Джеты или релятивистские струи – струи плазмы, вырывающиеся из активных ядер галактик. – Прим. ред.

92

Я взял интервью у Гейса Нелеманса в Университете Радбауд в Неймегене (Нидерланды) 14 июля 2016 г.

93

О черных дырах читайте: Торн К. Черные дыры и складки времени. Дерзкое наследие Эйнштейна. – М.: ГИФМЛ, 2009; Новиков И. Черные дыры и Вселенная. – М.: Молодая гвардия, 1985; Clifford A. Pickover, Black Holes: A Traveler’s Guide (Клиффорд А. Пиковер. Черные дыры: Путеводитель) [New York: John Wiley & Sons, Inc., 1996]. См. также интерактивный сайт о черных дырах: http://hubblesite.org/explore_astronomy/black_holes.

94

Обсерватория Паркс: https://www.parkes.atnf.csiro.au.

95

Don C. Backer, Shrinivas R. Kulkarni, Carl Heiles, M. M. Davis and W. Miller Goss, “A Millisecond Pulsar” (Дон Бейкер и др. Миллисекундный пульсар), Nature 300 (16 декабря 1982 г.): 615–618 (http://www.nature.com/nature/journal/v300/n5893/abs/300615a0.html).

96

Aleksander Wolszczan and Dale A. Frail, “A Planetary System around the Millisecond Pulsar PSR1257+12” (А. Вольщан, Д. А. Фрэйл. Планетарная система миллисекундного пульсара PSR1257+12), Nature 355 (9 января 1992): 145–147 (http://www.nature.com/nature/journal/v355/n6356/abs/355145a0/html).

97

Решетка для наблюдения за временной динамикой пульсаров Паркс (РРТА): http://www.atnf.csiro.au/research/pu;sar/ppta.

98

Европейская решетка для наблюдения за временной динамикой пульсаров (ЕРТА): http://www.epta.eu.org. Вестерборкская система апертурного синтеза: http://www.astron.nl/radio-observatory/public/public-0. Североамериканская наногерцовая гравитационно-волновая обсерватория (NANOGrav): http://nanograv.org.

99

Международная решетка для наблюдения за временной динамикой пульсаров (IPTA): http://www.ipta4gw.org; Stephen R. Taylor et al., “Are We There Yet? Time to Detection of Nanohertz Gravitational Waves Based on Pulsar-Timing Array Limits” (Стивен Р. Тейлор и др. Мы уже готовы? Время регистрации гравитационных волн с учетом ограничений решетки для наблюдения за временной динамикой пульсаров), Astrophysical Journal Letters 819, no. 1 (2016): L6.

100

Большая европейская решетка для наблюдения за пульсарами (LEAP): http://www.epta.eu.org/leap.html.

101

Решетка квадратного километра: https://www.skatelescope.org.

102

Австралийский целеуказатель решетки в квадратный километр (Australian Square Kilometre Array Pathfinder, ASKAP): http://www.atnf.csiro.au/projects/askap/index.html. Мерчисонский массив широкого поля (MWA): http://www.mwatelescope.org.

103

Я посещал Мерчисонскую радиообсерваторию в Западной Австралии 28 ноября 2012 г. вместе с Мариэке Баан из Нидерландской исследовательской школы астрономии (NOVA), а также 15 июня 2016 г. во время поездки, финансируемой министерством международных отношений и торговли Австралии.

104

Радиотелескоп решетки для изучения эпохи вторичной ионизации водорода (HERA): https://www.ska.ac.za/science-engineering/meerkat. Я посещал телескоп HERA и решетку MeerKAT в Южной Африке 24 и 25 ноября 2016 г. См. также: Sarah Wild, Searching African Skies: The Square Kilometer Array and South Africa’s Quest to Hear the Songs of the Stars (Сара Уальд. Изучение африканских небес: Решетка квадратного километра и стремление Южной Африки услышать песни звезд) [Sunnyside, South Africa: Jacana Media, 2012].

105

Я посещал обсерваторию Роке-де-лос-Мучачос на испанском острове Ла-Пальма несколько раз, в 1996–2016 гг.

106

Govert Schilling, Flash! The Hunt for the Biggest Explosions in the Universe (Говерт Шиллинг. Вспышка! Погоня за самыми мощными взрывами во Вселенной) [Cambridge: Cambridge University Press, 2002]; Jonathan I. Katz, The Biggest Bangs: The Mystery of Gamma-Ray Bursts, the Most Violent Explosions in the Universe (Джонатан И. Кац. Самые большие взрывы: Загадка гамма-всплесков, мощнейших взрывов во Вселенной) [Oxford: Oxford University Press, 2002].

107

Я взял интервью у Пауля Гроота в Университете Радбауд в Неймегене (Нидерланды) 14 июля 2016 г.

108

Я посещал обсерваторию ESO Паранал на севере Чили в 1998 г., 1999 г. (при финансовой поддержке Европейской южной обсерватории, ESO), 2004 г., 2007 г. (на средства ESO и Нидерландской исследовательской школы астрономии, NOVA), 2010 г. (в качестве гида-экскурсовода SNP Natuurreizen), 2012 г. (при финансовой поддержке ESO), а также в 2015 и 2017 гг. (в качестве гида-экскурсовода нидерландского ежемесячника New Scientist).

109

Телескоп MeerLICHT: http://www.ast.uct.ac.za/meerlicht.

110

Nial R. Tanvir et al., “A “Kilonova” Associated with the Short-Duration γ-Ray Burst GRB 130603B” (Ниал Р. Танвир и др. Килонова, связанная с коротким выбросом гамма-лучей GRB 130603B), Nature 500 (3 августа 2013 г.): 547 (https://arxiv.org/abs/1306.4971).

111

Миссия по изучению гамма-всплесков «Свифт»: http://swift.gsfc.nasa.gov.

112

Космический гамма-телескоп «Ферми»: http://Fermi.gsfc.nasa.gov. Телескоп панорамного обзора и система быстрого отклика (PanSTARRS): https://www.ifa.hawaii.edu/research/Pan-STARRS.shtml. Камера «Темная энергия»: http://www.ctio.noao.edu/noao/node/1033.

113

Я посетил обсерваторию Паломар в Калифорнии 21 июня 2016 г.

114

Zwicky Transient Facility: http://www.ptf.caltech.edu/ztf.

115

Я взял интервью у Эрика Беллма в Калифорнийском технологическом институте в Пасадене 22 июня 2016 г.

116

BlackGEM: https://astro.ru.nl/blackgem. Я посещал обсерваторию Ла Силла на севере Чили в 1987 г., 2004 г., 2020 г. (в качестве гида от SNP Natuurreizen), 2012 г. (на средства ESO) и в 2013 г.

117

Большой обзорный телескоп (LSST): https://www.lsst.org. Evryscope: http://evryscope.astro.unc.edu.

118

Моя поездка в Куру (Французская Гвиана) на запуск LISA Pathfinder 3 декабря 2015 г. была организована и профинансирована ЕКА.

119

LISA Pathfinder: http://sci.esa.int/lisa-pathfinder.

120

Я посетил чистовую комнату LISA Pathfinder на фирме Industrieanlagen-Betriebsgesellschaft в Оттобрюнне (Германия) 1 сентября 2015 г. Я взял интервью у Пола Макнамары в Цюрихе (Швейцария) 6 сентября 2016 г.

121

Слово pathfinder можно перевести как «указатель курса». – Прим. ред.

122

Космическая антенна для гравитационно-волновой астрономии (SAGA): http://adsabs.harvard.edu/full/1985ESASP.226..157F.

123

Национальный совет по научным исследованиям, New Worlds, New Horizons in Astronomy and Astrophysics («Новые миры, новые горизонты в астрономии и астрофизике») [Washington, DC: National Academies Press, 2010] (https://www.nap.edu/catalog/12951/new-worlds-new-horizons-in-astronomy-and-astrophysics).

124

Cosmic Vision 2015–2025: http://sci.esa.int/cosmic-vision. Новая гравитационно-волновая обсерватория (NGO): http://sci.esa.int/ngo.

125

«Исследователь ледяных лун Юпитера» (JUICE): http://sci.esa.int/juice. Pau Amaro-Seoane et al., Doing Science with eLISA: Astrophysics and Cosmology in the Millihertz Regime (Пау Амаро-Сеоане и др. Научные исследования с помощью eLISA: астрофизика и космология в миллигерцовом диапазоне), информационный документ по eLISA (https://www.elisascience.org/dl/1201.3621v1.pdf). Усовершенствованная лазерно-интерферометрическая космическая антенна (eLISA): https://www.elisascience.org.

126

Я присутствовал на 11-й Конференции Эдоардо Амальди, посвященной гравитационным волнам, в Кванджу (Южная Корея) 22–26 июня 2015 г.

127

M. Armano et al., “Sub-Femto-g Free Fall for Space-Based Gravitational Wave Observatories: LISA Pathfinder Results” (М. Армано и др. Свободное падение при ускорении менее одной десятимиллиардной g в космических гравитационно-волновых обсерваториях: результаты LISA Pathfinder), Physical Review Letters 116 (7 июня 2016 г.): 231101. Доклад о ходе работ команды проекта L3 Study: https://pcos.gsfc.nasa.gov/studies/L3/L3ST_Interim_Report-Final.pdf. Инвестиционно-консультативная группа проекта строительства гравитационной обсерватории, The ESA L3 Gravitational-Wave Mission, итоговый отчет (http://sci.esa.int/cosmic-vision/57910-goat-final-report-on-the-esa-l3-gravitational-wave-mission).

128

Национальный совет по научным исследованиям, New Worlds, New Horizons: A Midterm Assessment («Новые миры, новые горизонты: промежуточная оценка») [Washington, DC: National Academies Press, 2016] (https://www.nap.edu/catalog/23560/new-worlds-new-horizons-a-midterm-assessment).

129

Я присутствовал на 11-м симпозиуме по LISA в Цюрихе (Швейцария) 6 и 7 сентября 2016 г.

130

Заявка на миссию LISA (январь 2017): https://www.elisascience.org/files/publications/LISA_L3_20170120.pdf. Децигерцовая интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (DECIGO): http://tamago.mtk.nao.ac.jp/decigo/index_E.html.

131

Я посетил кампус Митака Японской национальной астрономической обсерватории (NAOJ) и взял интервью у Рафаэля Фламинио в Токио (Япония) 6 июля 2016 г.

132

TAMA300: http://tamago.mtk.nao.ac.jp/spacetime/tama300_e.html.

133

Я посетил гравитационно-волновой детектор Камиока (KAGRA) возле Модзуми в преф. Гифу (Япония) 7 июля 2016 г.

134

Гравитационно-волновой детектор Камиока (KAGRA): http://gwcenter.icrr.u-tokyo.ac.jp/en.

135

LIGO India: http://www.gw-indigo.org/ligo-india.

136

Индийская инициатива по строительству гравитационно-волновых обсерваторий (IndIGO): http://www.gw-indigo.org/tiki-index.php.

137

Я посетил публичное выступление Бернарда Шутца в Кванджу (Южная Корея) 25 июня 2015 г.

138

Телескоп Эйнштейна: http://www.et-gw.eu.

139

B. P. Abbott et al., Exploring the Sensitivity of Next Generation Gravitational Wave Detectors (Б. П. Эббот и др. Исследование чувствительности гравитационно-волновых детекторов следующего поколения), документ LIGO-P1600143 (https://arxiv.org/pdf/1607.08697v3.pdf).

140

Я взял интервью у Мэтта Эванса по телефону 30 июня 2016 г.

Content

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

Предисловие

Введение

1 Знакомство с пространственно-временным континуумом

2 Все относительно

3 Теория Эйнштейна проходит проверку

4 А есть ли волны: дискуссия с переходом в потасовку

5 Как живут звезды

6 Точность часовых механизмов

7 Лазерная эпопея

8 Путь к совершенству

9 О сотворении мира

10 Ложная тревога

11 Попалась!

12 Черная магия

13 Нанонаука

14 Быстрая реакция

15 Прорыв в космос

16 Новости гравитационно-волновой астрономии

После того как вышла эта книга

Приложение

Авторство иллюстраций

Примечания и дополнительная литература

Сноски