[Перевод] Невидимое излучение Вселенной

Страницы еще пусты, но странным образом ясно, что все слова уже написаны невидимыми чернилами и только молят о зримости.
— Владимир Набоков

У прекрасных изображений глубокого космоса – от удалённых галактик до звёзд, скоплений, туманностей в нашей Галактике – есть одно общее свойство.

Свет! Конкретно, электромагнитное излучение. Этот свет не всегда попадает в видимую часть спектра, но именно к ней мы наиболее привычны. Неудивительно: величайший источник энергии для нас тот же, что и для скопления вверху, NGC 3603.

Свет, исходящий от этих звёзд – как и свет, исходящий от всех звёзд – сильно зависит от температуры звёзд. Чем она горячее, тем больше голубого, или даже ультрафиолетового света будет от неё исходить, а чем она холоднее, тем больше в красную, или даже в инфракрасную область, он будет уходить.

Цвета преувеличены

Но не каждая звезда похожа на наше Солнце, или немного холоднее, или немного горячее его. Некоторые звёзды в тысячи раз массивнее, а другие составляют лишь крохотную часть от массы Солнца.

Поэтому у судеб звёзд наблюдается огромное разнообразие.

Подавляющее большинство известных нам звёзд получает свою энергию оттуда же, откуда берёт её Солнце – из ядерного синтеза – это не единственный источник энергии для звёзд Вселенной.

В дополнение к ядерным реакциям, выдающим эту энергию, огромное количество энергии хранится в гравитации.

При сжатии или коллапсе крупной массы случается, а также не случается, несколько интересных вещей. Пространство-время вне массы – то, что было вне изначальной звезды, до коллапса – не меняется. Его энергия не меняется, кривизна не меняется, гравитационный потенциал не меняется, и т.п.

Но в том пространстве-времени, что изначально находилось внутри объекта, а после коллапса или сжатия оказалось снаружи, увеличивается по модулю отрицательная гравитационная потенциальная энергия. И эта энергия должна куда-то деваться.

Она, к примеру, может превратиться в свет – именно это происходит с белыми карликами. Они сравнимы по массе с Солнцем, но по размеру – с Землёй, и от них исходит большое количество света, источником энергии для которого служит лишь гравитационное сжатие.

К примеру, если бы на месте Солнца появился белый карлик, он всё равно был бы в 400 раз светлее, чем наша полная луна!

Но не каждый сжавшийся или сколлапсировавший объект был одной звездой в своей солнечной системе. Многие из них, как и ярчайшая звёзда в нашем небе, представляют собой двойные системы. В двойной системе две звезды, или звездообразных объекта, вращаются друг вокруг друга. Со временем эти орбиты не остаются стабильными, из-за гравитации они уменьшаются, и звёзды падают по спирали друг к другу.

Но на этот раз с уменьшением гравитационной энергии излучается не свет. И я говорю не только о видимом свете – они не испускают никакого света. Ни рентгеновских лучей, ни инфракрасного, ни радиоволн, ничего.

А какое же излучение должна испускать такая система?

Гравитационное излучение, также известное, как гравитационные волны! Эти волны должны распространяться через пространство-время, и мы можем обнаружить их не как свет, а как деформацию измерений объектов при прохождении через них гравитационной волны!

При спиральном сближении двух объектов должно наблюдаться постоянно ускоряющее испускание волн. Чем ближе они друг к другу, тем короче становится период. В фазе слияния должно произойти катастрофическое испускание как света (а, в случае двух белых карликов, вполне вероятно появление сверхновой), так и гравитационных волн, за которым последует успокаивающаяся фаза волн.

Это смелое предсказание общей теории относительности Эйнштейна. Но мы уже пронаблюдали, хоть и не напрямую, один из важных аспектов этого явления.

Наблюдая за двумя пульсарами (сколлапсировавшими нейтронными звёздами), вращающимися друг вокруг друга, мы можем предсказать уменьшение орбитального периода этих звёзд. И за более чем 30 лет, прошедших с открытия первого двойного пульсара, мы именно этим и занимались.

Но нам очень нужно было обнаружить эти волны напрямую! Так что мы делаем, чтобы обнаружить их? Например, можно стрелять из сверхточных лазеров на известной длине волны на большие расстояния в разные направления. Этот свет отражается от зеркал и отправляется назад, вы собираете полученный с обеих направлений свет и смотрите на картину интерференции.

Гравитационные волны чрезвычайно слабы, поэтому вам нужна очень длинная база (чтобы получить большое количество длин волн – нужно обнаруживать изменение на 1/10²⁸), чтобы обнаружить небольшой сдвиг одной из двух дистанций.

И на Земле есть такой проект: лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория, LIGO.

Но LIGO на Земле, где мы не только ограничены в возможностях прохождения лазерных лучей, но и в ограждении эксперимента от вибраций поверхности.

Гораздо проще будет обнаруживать гравитационные волны в космосе!

Именно для этого и разрабатывают проект улучшенной космической антенны, использующей принцип лазерного интерферометра, eLISA (ранее – LISA). К сожалению, из-за высокой стоимости космически проектов, проблем с бюджетом НАСА и невозможностью ESA позволить себе такой объект в одиночку, набор из трёх космических кораблей, предназначенных для нахождения на орбите Земли на расстояниях в 5 млн км друг от друга, не будет запущен в ближайшие десять лет [предполагаемое время запуска на текущий момент — 2034 год; прим. перев.].

Вселенная всё время говорит с нами на языке, который мы не понимали. И, как только мы его услышали, мы сразу же начали его понимать!

Так что же она говорит нам? Сколько, и где, белых карликов, сближающихся по спирали. Сколько в удалённых галактиках происходит слияний чёрных дыр. Как выглядит катастрофическое испускание гравитационных волн при объединении двух тел. Вселенная рассказывает нам это прямо сейчас. Нам нужно лишь слушать, и мы можем улавливать это невидимое излучение Вселенной: гравитационные волны!

Прим. перев: перевод немного переработан в связи с тем, что после его появления наземный проект LIGO обнаружил гравитационные волны. 11 февраля 2016 года коллаборации LIGO и Virgo объявили об обнаружении гравитационных волн, произошедшем 14 сентября 2015 года на установках LIGO. Обнаруженный сигнал исходил от слияния двух чёрных дыр массами 36 и 29 солнечных масс на расстоянии около 1,3 млрд световых лет от Земли, при этом три солнечных массы ушли на излучение.