Гравитационный прибой Вселенной

Когда-то французский математик и натурфилософ Пьер-Симон Лаплас в душевном порыве, вызванном величием единства мироздания, воскликнул:

− Стоит мне взмахнуть рукой, и я изменю движение звезд!

Сегодня любой физик перефразировал бы слова великого энциклопедиста:

− Взмахните рукой – и по всей Вселенной побегут гравитационные волны!

Реликты эпохи рождения Вселенной

Эти загадочные порождения поля всемирного тяготения возникли столетие назад на использованном почтовом конверте. Именно так, небрежно, иной раз на обрывках бумаги (или конвертах) великий Эйнштейн записывал гениальные идеи, случайно пришедшие ему в голову.

История Вселенной в инфографике

Когда создатель теории относительности вывел формулу для гравитационных волн, никто не сомневался, что вскоре экспериментаторы откроют новые удивительные свойства пространства-времени. Однако шло время, но крепкий орешек «гравитационного прибоя Вселенной» не поддавался усилиям ученых. Теперь понятно, почему сегодняшнее открытие следов реликтовых гравитационных волн, оставшихся от эпохи Большого взрыва, вызвало такой ажиотаж среди астрономов и физиков. Это открытие в рамках международной программы Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization (BICEP) произошло в самой необычной обсерватории, расположенной на антарктической станции «Амундсен − Скотт». Именно здесь природа создала подходящие условия для наблюдений, крайне иссушив и проморозив атмосферу.

Космологические гравитационные волны испускались во времена ранней Вселенной хаотически движущимися неоднородностями вещества. Это единственный вид излучения, способный донести до нас информацию о первых секундах существования нашего мира. Между тем проблемы поиска следов гравитационных волн в реликтовом излучении чрезвычайно велики. Ведь на долгом пути реликтового радиоизлучения на него влияют не только первичные гравиволны, но и гравитация галактик, темная материя и другие таинственные процессы столкновения, перераспределения и слияния колоссальных космических масс. Все это, по образному выражению руководителя проекта BICEP Дж. Ковача, напоминает наблюдения за волновым следом небольшой лодки в сотнях километров за ее кормой, да еще и в девятибалльный шторм.

Однако игра явно стоит свеч – ведь обнаружение свидетельств существования гравиволн не только претендует на научный подвиг, но и может быть вознаграждено Нобелевской премией. В любом случае, трудно не согласиться, что регистрация явления, связанного с Большим взрывом, стоит любых усилий. Наконец, анализ первичных гравитационных волн показывает, что они порождены так называемым инфляционным расширением, мгновенно раздувшим наш мир от субатомных размеров до современных масштабов. Между тем космологическая инфляция несомненно является самым таинственным моментом в сценарии Большого взрыва.

Волны Вебера

Проблема регистрации гравитационных волн составляет труднейшую техническую проблему, ведь гравитационные «приливы» и «отливы» на 40 порядков (!) уступают тем же электромагнитным волнам. Продолжая рассчитывать мощность оптимальной гравитационной волны, которая бы заставила ощутимо вибрировать приемник, наподобие пустой железнодорожной алюминиевой цистерны, мы получим околосветовую звездную карусель.

Для наблюдателя гравитационная волна представляет возмущение приливных сил, то есть точно таких же сил притяжения Луны или Солнца, которые образуют приливы и отливы. Проходя между двумя телами, она заставляет их еле уловимо сближаться и удаляться с определенной частотой. Простейшее приспособление, которое могло бы зафиксировать таинственную гравитационную рябь пространства-времени, – это обыкновенный груз на пружинном подвесе, свободно

Джозеф Вебер за работой. Этот алюминиевый цилиндр помог ему обнаружить гравитационные волны.

колеблющийся с некоторой собственной частотой. Если при этом она совпадет с частотой гравитационной волны, возникнет резонанс, усиливающий колебания, и его, возможно, удастся зафиксировать. В реальных экспериментах используют не грузы на пружинке, а алюминиевые цилиндры длиной несколько метров и толщиной около метра. В других детекторах устанавливаются массивные зеркала, колебания которых измеряются лазером.

Вообще говоря, гравитационные волны стали широко обсуждаться в конце 60-х годов прошлого века. Тогда вокруг них поднялся шумный ажиотаж, связанный с работами американского физика Джозефа Вебера. Он сделал сенсационное заявление об обнаружении волн тяготения, пришедших из глубин космоса. До того времени сама возможность детектирования таких волн считалась проблематичной. Однако Вебер слыл авторитетом в своей области, и посему коллеги восприняли его сообщение с полной серьезностью, более того, с тех пор в научной литературе появился термин «волны Вебера».

Однако вскоре наступило разочарование. Величина волн, якобы зарегистрированных Вебером, в миллионы раз превышала теоретическую величину, которая следовала из теории тяготения Эйнштейна. Вебер утверждал, что эти волны пришли из закрытого пылевыми облаками центра нашей Галактики, о котором тогда было мало что известно. Астрофизики предположили, что там скрывается гигантская черная дыра, которая непрерывно поглощает тысячи звезд и выбрасывает энергию в виде гравитационного излучения. Астрономам действительно удалось найти следы подобного космического каннибализма, но ни одна из лабораторий не смогла повторить результаты Вебера.

Сегодня большие надежды возлагаются на космическую систему из лазерных интерферометров для регистрации гравитационных волн. Речь идет о международном проекте, получившем название LISA, который предполагает запуск космической флотилии из нескольких гравитационных лабораторий, распределенных на дистанции в несколько миллионов километров друг от друга. Образуя равносторонний треугольник, они будут двигаться вокруг Солнца вслед за Землей, регистрируя недоступные для наземных установок низкочастотные гравитационные волны. Астрономы предполагают, что на таких частотах излучают волны, например, сливающиеся сверхмассивные черные дыры в ядрах галактик, поглощая нейтронные звезды и белые карлики. Также могут быть получены важнейшие данные по космологическим гравитационным волнам, возникшим при рождении нашей Вселенной в пучинах Большого взрыва.

Порой Вселенную называют «лабораторий для бедных»: ведь в ней часто происходят грандиозные процессы, которые никогда не будут доступны ученым в их земных лабораториях. Речь идет о таких явлениях, как слияние нейтронных звезд. Это звезды, состоящие не из атомов, а из элементарных частиц – нейтронов. Они образуются при очень сильном сжатии звезд, в несколько раз превышающих размеры Солнца.

Характерные размеры нейтронной звезды составляют десятки километров, один кубический сантиметр ее вещества весит тысячи тонн, а скорость вращения может достигать сотни тысяч километров в секунду. Очень тесная двойная система нейтронных звезд делает сотни оборотов в секунду, а скорость движения при этом достигает трети скорости света! Еще более мощными источниками этих волн будут двойные черные дыры, плотность и масса которых больше, чем у нейтронных звезд.

Мощными источниками гравитационных волн должны быть и двойные системы из сверхмассивных черных дыр, подобных той, что находится в центре нашей Галактики. При столкновении и слиянии галактик их центральные черные дыры быстро оказываются в ядре слившейся системы, образуют пару и начинают сближаться, расходуя энергию на гравитационное излучение.

Эхо Большого взрыва

И все-таки − существуют ли гравитационные волны? Не гоняются ли астрономы за фантазиями физиков? Прямых доказательств их существования, то есть экспериментальной регистрации, до сих пор нет. Если в итоге гравитационные волны не обнаружат, это будет тяжелый удар для всей современной физики. Неверной окажется не только фундаментальная общая теория относительности, не спасутся и многочисленные «альтернативные» теории тяготения. Ведь все они тоже предсказывают возникновение гравитационных волн при конечной скорости распространения гравитации. Уверенность в их существовании все же сегодня подкрепляется очень весомыми косвенными аргументами.

Но самым интересным источником гравитационного излучения должны быть космологические процессы. Сразу после «рождения» Вселенной плотность и температура вещества были фантастически велики, а двигалось оно с околосветовыми скоростями, интенсивно испуская гравитационные волны. Причем в этом процессе участвовало все вещество Вселенной. Если BICEP действительно удалось зарегистрировать реликтовые гравитационные волны, то вскоре мы увидим, как рождалась наша Вселенная, узнаем, пережила ли она инфляционную стадию сверхускоренного расширения.

Джон Данкли, научный руководитель программы телескопа «Планк», запущенного европейским космическим агентством, также ищущий признаки гравитационного прибоя, подводит итоги миссии BICEP:

− Я даже не могу объяснить, насколько важен этот результат. Теория инфляционного расширения звучит как сумасшедшая идея, но все, что мы наблюдаем во Вселенной – галактики, звезды, планеты, – было запрограммировано в этот момент. Если этот результат подтвердится, значение его просто трудно вообразить.

Олег ФАЙГ