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

Шиллинг Говерт

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.