Як врятуватися від чорних дір. Нобелівка з фізики навчила землян чути космічні крики
Нобелівська премія по фізиці в цьому році цілком очікувано присуджена за виявлення гравітаційних хвиль. Це не просто відкриття ще одного з нескінченної низки різноманітних фізичних явищ, якими нас не втомлюється дивувати природа. Це відкриття принципово нового способу дізнаватися про події у Всесвіті за мільярди світлових років від нас.
Досі існував лише один такий спосіб: вловлювати електромагнітні хвилі (видиме світло, рентгенівське випромінювання, гамма-сплески), що виходять від наддалеких об'єктів. Тепер їх два: до електромагнітним хвилям додалися гравітаційні. Більш того, ці останні дозволяють чути як раз те, про що електромагнітні хвилі мовчать. Наприклад, злиття гігантських чорних дір - ці об'єкти називаються так саме із-за своєї невидимості ні в якому діапазоні електромагнітного спектру. Вони являють собою дірки в просторі і не випускають назовні нічого, але при злитті викликають у просторі-часі брижі - гравітаційні хвилі. І ми, земляни, нарешті навчилися цю брижі вловлювати.
Гравітаційні хвилі передбачив у 1916 р. Альберт Ейнштейн у своїй теорії гравітації - загальну теорію відносності. Через 100 років, в лютому 2016-го, вони стали однієї з найбільш гаряче обговорюваних тим, коли фізики з LIGO - двох гігантських гравітаційних обсерваторій, розташованих в американських штатах Луїзіана і Каліфорнія, - оголосили про те, що 14 вересня 2015 р. вперше виявили гравітаційну брижі. Вона була породжена злиттям двох чорних дір, що мали масу 36 29 сонячних мас. В результаті злиття утворилася чорна діра з масою 62 сонячних, а інші три сонячних маси за десяті частки секунди були излучены у вигляді гравітаційних хвиль. Це грандіозний космічний крик пролунав 1,3 млрд років тому за 1,3 млрд світлових років від нас. І детектори LIGO його почули.
Саме за це і удостоєні Нобелівської премії три американських фізика - 85-річний Райнер Вайс, 81-річний Баррі Баріш і 77-річний Кіп Торн. Вайс отримає половину від загальної суми в 9 млн шведських крон ($1,1 млн), а Торн і Баріш розділять порівну другу половину. Таке рішення Нобелівського комітету цілком зрозуміло. Вайс ще в середині 1970-х аналізував можливі джерела фонового шуму, який міг би перешкодити вловлювати гравітаційні хвилі, а також спроектував детектор - лазерний інтерферометр, здатний цей шум усувати. Вайс і Торн були засновниками проекту LIGO в 1983 р. Вони вже тоді були твердо впевнені, що гравітаційні хвилі будуть виявлені і перевернуть наше уявлення про Всесвіт. А Баріш довів цей проект до вирішального успіху.
З трьох лауреатів найвідомішим є, безсумнівно, Кіп Торн - один з головних світових експертів з загальної теорії відносності. Знає його і широка публіка як автора ідеї, наукового консультанта і виконавчого продюсера науково-фантастичного фільму Interstellar ("Міжзоряний") режисера Крістофера Нолана. Фільм вийшов на екрани в жовтні 2014 р., менш ніж за рік до відкриття гравітаційних хвиль. За задумом Торна, цим хвилям належало зіграти в сценарії дуже важливу роль: саме завдяки їм професор Бренд і його співробітники повинні були виявити на орбіті навколо Сатурна червоточину в просторі, дозволяє швидко переміститися в іншу галактику.
У начерку сценарію, запропонованому Торном ще в 2006 р., професор Бренд і його команда переглядали дані, зібрані детекторами LIGO за два останніх роки, і виявили дуже слабкі гравітаційні хвилі, джерело яких знаходився десь на орбіті навколо Сатурна. Цим джерелом могла бути тільки парочка, що складається з нейтронної зірки і чорної діри. Але це було неймовірно: Сатурн б давним-давно зруйнувався від такого сусідства. Крім того, гравітація дірки і нейтронної зірки давно змістила б орбіти всіх планет Сонячної системи, включаючи Землю. Зі зміщеною орбітою Земля то наближалася б до Сонця, то віддалялася від нього, а ми б все підсмажилися, замерзли і вимерли. І все ж хвилі виразно виходили з околиць Сатурна. Професор Бренд бачив цьому лише одне пояснення: хвилі йдуть з червоточини, яка обертається навколо Сатурна. А джерела хвиль - чорна діра і нейтронна зірка - знаходяться по іншу сторону цієї червоточини. Хвилі розходяться від зірки і від діри, невелика їх частина потрапляє в червоточину, проходить крізь неї і поширюється по Сонячній системі, і досягаючи Землі, де знаходяться детектори LIGO.
Але у фільмі ця задумка Торна не була реалізована - гравітаційні хвилі не увійшли в сценарій з-за своєї нібито заумності (хоча червоточина лягла в основу сюжету). Що ж, можна очікувати, що тепер, коли ці хвилі дали Нобелівську премію, творці фантастичних фільмів вже не будуть їх боятися і знайдуть їм гідне застосування. Адже ці хвилі - єдине, що може попередити землян про наближення до Сонячній системі чорної діри. Гравітаційні сплески будуть повідомляти нам всякий раз, коли похмура мандрівниця поглине чергову зірку або планету, і за цими даними можна буде навіть прорахувати маршрут блукаючої небезпеки, хоча сама вона абсолютно невидима.
Після першого космічного крику, почутого детекторами LIGO, вони вловили ще три. 26 грудня 2015 р. був зафіксований гравітаційний сплеск від злиття двох чорних дір на відстані 1,4 млрд світлових років від нас. Потім 4 січня 2017 р. - на відстані 2,9 млрд світлових років, а 14 серпня 2017 р. - на відстані 1,8 млрд світлових років. Цей четвертий космічний крик був почутий вже не двома, а трьома гравітаційними детекторами - до двом американським детекторам LIGO приєднався оновлений франко-італійський детектор Virgo в Італії поблизу Пізи. Йому пощастило вловити гравітаційні хвилі через два тижні після введення в експлуатацію.
Коли подія виявляється мережею з трьох детекторів, область його пошуку в небі значно скорочується. Так, для джерела серпневого сигналу область пошуку складає всього 60 квадратних градусів, а якщо б вченим були доступні тільки дані двох детекторів LIGO, вона була б в 10 разів більше.
Фізики Інституту Макса Планка (Німеччина) дійшли висновку, що в гравітаційних хвилях можуть проявляти себе події не тільки в нашій Всесвіту, але і в "паралельних всесвітів" в інших вимірах. Порівняно з іншими фундаментальними взаємодіями, наприклад электромагнетизмом, гравітація надзвичайно слабка, і причиною цієї слабкості може бути як раз те, що гравітація взаємодіє з великою кількістю вимірювань, а не просто з трьома просторовими і одним тимчасовим. Фізики шукали нові виміри за допомогою Великого адронного коллайдера, але досі ці спроби не увінчалися успіхом. За оцінками авторів дослідження, детектори гравітаційних хвиль зможуть надати потрібні експериментальні дані.
На допомогу LIGO прийде LISA
У червні 2017 р. Європейське космічне агентство (ESA) дало зелене світло проекту LISA - космічної антени для пошуку гравітаційних хвиль. Космічний апарат готується до запуску в 2034 р.
LISA буде складатися з трьох однакових супутників, що обертаються навколо Сонця і розташовані трикутником на відстані 2,5 млн км один від одного. Сторони трикутника будуть утворені потужними лазерними променями.
Коли десь у космосі стикаються компактні масивні об'єкти, як чорні діри і нейтронні зірки, вони викликають гравітаційні хвилі - спотворення, які стискають і розтягують простір-час. Супутники LISA виявлять їх завдяки змінам у відстані, що проходять лазерні промені.
Щоб засікти настільки незначні зміни в масштабі менше однієї трильйонної метра, LISA повинна буде ігнорувати космічні частинки і світло Сонця. Як показала місія Pathfinder у грудні 2015 р., такий рівень чутливості досяжний. А величезна відстань між супутниками - на три порядки більша, ніж між наземними детекторами LIGO і Virgo, - дозволить вловлювати гравітаційні хвилі на більш низьких частотах. Це означає, що можна буде почути не тільки самі грандіозні космічні катастрофи типу злиття чорних дір, але і менш гучні події, які відбуваються набагато частіше.
"Думаю, ми відчуваємо суміш величезної наснаги і почуття "ну, нарешті", - говорить старший науковий радник ESA Марк Маккогрен. - Ми підійшли до стартової лінії і це прекрасно". Звичайно, у проекту не було б шансів на реалізацію, якщо б команда LIGO не зробила відкриття, увінчана тепер Нобелівською премією.
