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

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

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.

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 (1x10–13 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.