Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом
Шрифт:
О нейтронных звездах заговорили менее чем через два года после открытия самого нейтрона. Их существование предсказали Вальтер Бааде и Фриц Цвикки, которые, проявив удивительный талант к предвидению, написали в 1934 году: «Со всей возможной сдержанностью мы выдвигаем идею, согласно которой сверхновая представляет собой переход обычной звезды в нейтронную звезду»7. Тридцать четыре года спустя Джоселин Белл, аспирантка Кембриджского университета, обнаружила некую странность в показаниях ленточного самописца, прикрепленного к ее радиотелескопу. Самописец служил для оценки мерцания внегалактических радиоисточников, сигналы которых проходили через межпланетную среду. Ускорив его, она увидела, что «странность» представляла собой последовательность пульсаций, разделенных на удивление постоянным периодом в 1,33733 секунды. Подтвердив, что этот сигнал действительно пришел с
Когда я поступил в аспирантуру, моим коллегой стал студент постарше, Рассел Халс. Свои диссертации мы защищали под научным руководством Джозефа Тейлора. Тогда прошло всего пять лет с тех пор, как были открыты пульсары, и многие вели поиск этих экзотических звезд. Халс и Тейлор задумали провести в обсерватории Аресибо, где находился крупнейший в то время радиотелескоп, самый чувствительный поиск за всю историю исследований. В частности, они пытались найти нейтронную звезду со спутником. Как отмечалось выше, у звезд довольно часто есть спутники, и в таких случаях у нас появляется возможность довольно точно измерить массы обеих звезд. В течение года ученые достигли своей цели, обнаружив PSR1913+16, пульсар с периодом вращения 0,059 секунды, совершающий оборот вокруг невидимого спутника (в роли которого, что практически несомненно, выступала еще одна нейтронная звезда) за каждые 7,75 часа. Это позволило измерить массу нейтронной звезды: она составила 1,441 солнечной массы, что, как и ожидалось, превышает максимальный предел для белых карликов.
Однако важнее то, что обнаружение двух объектов такой плотности, орбиты которых располагались так близко друг к другу, позволило провести новую проверку общей теории относительности. Революционные взгляды на гравитацию, представленные в публикации Эйнштейна в 1916 году, предполагали, что взаимное притяжение объектов, обладающих массой, возникает в результате искажений в ткани пространства-времени, которые и создаются этими массами. Представьте себе батут (как пространство-время), посреди которого находится шар для боулинга (массивный объект). Если мы покатим по батуту маленький шарик, он сам собой направится к шару для боулинга, но не из-за какого-то магического притяжения между двумя объектами, а потому, что он вынужден путешествовать по искривленному пространству-времени, созданному большим шаром. Более того, при движении объектов от них должны исходить волны зыби, расходясь по пространству-времени, как круги от камня, брошенного в пруд. Эйнштейн признал, что такие волны, наличие которых подразумевала его теория, действительно существуют, – но, вычислив их амплитуду, решил, что они слишком слабы и нам никогда не удастся их обнаружить. Однако он не учел ошеломляющего технического прогресса, которого нам предстояло достичь за столетие, и не думал, что мы, помимо прочего, сможем находить в космосе звезды размером с город на расстоянии тысяч световых лет.
Когда исследователи рассчитали амплитуду гравитационных волн, которые, в соответствии с ожиданиями, должны были порождаться двойной нейтронной звездой, результат показал, что эти волны будут забирать из системы энергию, вследствие чего ее 7,75-часовая орбита сократится примерно на 1 секунду в течение последующих четырех лет, а с течением времени этот эффект станет еще сильнее. И это замечательное предсказание было подтверждено точными данными; сегодня, почти через пятьдесят лет после открытия системы PSR1913+16, ее орбитальный период стал на 66 секунд короче, что с точностью до 0,3 % соответствует предсказанию Эйнштейна.
В 1970-х годах, когда делались эти наблюдения, небольшая группа ученых-провидцев уже планировала построить устройство для непосредственного обнаружения гравитационных волн. Их сорокалетние усилия привели к созданию лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) с двумя станциями в штатах Луизиана и Вашингтон. Это поразительное устройство способно уловить изменение в длине одного из своих 4-километровых рукавов, вызванное проходящей гравитационной волной, которая эквивалентна тысячной доле
В августе 2017 года, всего через столетие после того, как Эйнштейн познакомил мир со своей новой теорией гравитации, детекторы LIGO уловили колебания длины рукавов. Они начались с частоты в сорок раз в секунду, а потом амплитуда и частота, усиливаясь на протяжении 30 секунд, возросли до почти 500 колебаний в секунду, после чего сигнал пропал. Тем самым мы засвидетельствовали последние полторы тысячи витков двух нейтронных звезд, которые завершились их слиянием в черную дыру, – такой была окончательная судьба двойного пульсара Халса-Тейлора. Две секунды спустя обсерватория Ферми, вращающаяся вокруг Земли, зафиксировала полусекундный всплеск гамма-лучей, а через несколько часов телескопы по всему миру сфокусировались на новой яркой «звезде», вспыхнувшей в Галактике на расстоянии 130 миллионов световых лет от нас и отметившей место этого катастрофического события. В течение месяца новая звезда постепенно исчезла из поля зрения, но мы успели собрать данные, которые позволяют предположить, что возникло огромное количество тяжелых элементов – например, примерно 200 земных масс Золота и 500 земных масс Платины8. В настоящее время LIGO проходит модернизацию, и скоро произойдет запуск детекторов гравитационных волн в Европе, Японии и Индии. Ожидается, что через несколько лет мы сможем наблюдать одно из этих событий примерно раз в неделю и сумеем «исчислить» ту важную роль, которую слияния нейтронных звезд играют в создании тяжелых элементов.
Есть и другие второстепенные процессы, благодаря которым появляются новые элементы. Новые ядра могут возникать в веществе дисков, вращающихся вокруг сверхмассивных черных дыр, хотя, поскольку на галактику приходится не более одной такой черной дыры, вряд ли этот источник может считаться значительным. Три самых легких элемента, Литий, Бериллий и Бор (3, 4 и 5-й элементы), в основном образуются в результате распада более тяжелых атомных ядер при столкновениях с космическими лучами – частицами сверхвысоких энергий, которые пронизывают межгалактическое пространство и ускоряются в остатках взорвавшихся звезд. За исключением первичного Водорода и Гелия, подавляющее большинство наших атомных историков рождаются после смерти звезд – обычных, белых карликов или нейтронных. Наша последняя задача – выяснить, откуда взялись Водород и Гелий. Мы переходим к Большому взрыву.
Глава 17
В начале
Если направить в космос радиоприемник, настроенный на длину волны от 1 см до 1 мм, то мы увидим энергию, идущую отовсюду. Характерная температура этого излучения – 2,725 К, чуть выше абсолютного нуля. Это небесное сияние удивительно однородно. Представьте себе топографическую карту неба, на которой наиболее насыщенные участки – это горы, самые бледные и едва заметные – долины, а в качестве среднего уровня мы возьмем высоту Эмпайр-стейт-билдинг (ок. 440 м от тротуара до верха антенны). На этой космической карте самая высокая гора будет подобна муравью, стоящему на вершине антенны, а самая низкая долина расположится примерно на 1 см ниже ее вершины. Этот сигнал, с его потрясающей однородностью, на которую накладываются крошечные флуктуации, представляет собой картину детства Вселенной (рис. 17.1).
Этот космический микроволновый фон был открыт в 1965 году1. Его существование было предсказано еще за двадцать лет до этого: предполагали, что именно таким должен быть остаток изначального состояния горячей Вселенной, которое мы сейчас называем Большим взрывом. Он дает нам огромную массу сведений о том, какой была новорожденная Вселенная 13,8 миллиарда лет назад. Излучение, испущенное всего через 390 000 лет2 после появления нашего пространственно-временного континуума, позволяет представить, в каких условиях, по всей видимости, начиналось само время.
Изначально Вселенная была очень горячей и очень плотной, и с тех пор она расширяется и остывает. По мере того как фотоны космического микроволнового фона движутся через пространство, протяженность которого непрестанно увеличивается, пики их волн отодвигаются все дальше и дальше друг от друга – и, соответственно, у волн возрастает длина и понижается энергия. Сегодня длина этих волн составляет около 1 миллиметра, хотя, когда они были излучены, она равнялась примерно 1 микрометру, иными словами, волны были в 1000 раз короче. Сегодня эти световые волны характерны для температуры чуть ниже 3 кельвинов – но в то время, когда они только устремились к нам, температура Вселенной доходила до 3000 кельвинов, то есть была в 1000 раз выше.