Читаем Блюз черных дыр и другие мелодии космоса онлайн бесплатно

Издание осуществлено при поддержке “Книжных проектов Дмитрия Зимина”

Эта книга издана в рамках программы “Книжные проекты Дмитрия Зимина” и продолжает серию “Библиотека фонда «Династия»”.

Дмитрий Борисович Зимин – основатель компании “Вымпелком” (Beeline), фонда некоммерческих программ “Династия” и фонда “Московское время”.

Программа “Книжные проекты Дмитрия Зимина” объединяет три проекта, хорошо знакомых читательской аудитории:

издание научно-популярных книг “Библиотека фонда «Династия»”,

издательское направление фонда “Московское время”

и премию в области русскоязычной научно-популярной литературы “Просветитель”.

Подробную информацию о “Книжных проектах Дмитрия Зимина” вы найдете на сайте

ziminbookprojects.ru

JANNA LEVIN

BLACK HOLE BLUES

AND OTHER SONGS FROM OUTER SPACE

Художественное оформление и макет Андрея Бондаренко

© Janna Levin, 2016

© А. Ростовцев, перевод на русский язык, 2021

© А. Бондаренко, художественное оформление, макет, 2021

© ООО “Издательство Аст ”, 2021 Издательство CORPUS ®

Читатель, открывший эту книгу и читающий эти строки, скорее всего кое-что (или даже многое) знает о черных дырах – особенностях пространства-времени, окруженных горизонтом событий, из-под которого невозможно послать сигнал во внешнее пространство и который предположительно всегда окружает любую сингулярность. Черные дыры являются следствием релятивистской теории тяготения – общей теории относительности А. Эйнштейна, сформулированной в 1915 году. Прочно войдя в научный лексикон с конца 60-х годов прошлого века, удивительные свойства черных дыр волнуют не только специалистов – физиков и астрономов, но и вообще всех, кто слышал о них. Астрофизические свидетельства существования черных дыр во Вселенной были получены еще в начале 1970-х годов при рентгеновских наблюдениях неба, а в 2019-м астрономам удалось построить первое изображение “тени”, силуэта сверхмассивной черной дыры в центре галактики М87.

В этой книге, написанной живым и увлекательным языком, излагается волнующая история одного из величайших научных открытий XXI века – первой экспериментальной регистрации гравитационных волн наземными лазерными интерферометрами LIGO. Важность этого эпохального события была немедленно признана мировым научным сообществом, и в 2017 году Нобелевский комитет присудил премию по физике Барри Бэришу, Райнеру Вайссу и Кипу Торну “за решающий вклад в детектор LIGO и открытие гравитационных волн”. Рай Вайсс, Кип Торн и Барри Бэриш – одни из ключевых героев этой книги. К сожалению, выдающиеся экспериментаторы Владимир Брагинский и Рональд Древер, внесшие огромный вклад в гравитационно-волновой эксперимент, скончались до присуждения Нобелевской премии 2017 года.

Новая эпоха гравитационно-волновой астрономии началась 14 сентября 2015 года с открытия гравитационных волн от первой сливающейся двойной черной дыры GW150914 (источники гравитационных волн принято обозначать GW-год-месяц-день по дате регистрации), и теперь события развиваются столь быстро, что никакой книге не поспеть за потоком информации о достижениях в этой области. Так что в коротком предисловии мы лишь перечислим наиболее важные факты, полученные к январю 2021 года действующими гравитационно-волновыми обсерваториями LIGO (США) и Virgo (Италия).

Сейчас известно уже около полусотни источников, большинство из которых – сливающиеся массивные черные дыры и несколько сливающихся двойных нейтронных звезд. Сливающиеся черные дыры оказались в несколько раз массивнее, чем ожидалось. Предполагается, что они возникли при эволюции очень массивных звезд в далеких галактиках, вещество в которых еще не так обогащено элементами тяжелее гелия, как в нашей Галактике. Впрочем, есть и альтернативные гипотезы; они активно изучаются в настоящее время и будут проверяться в дальнейших наблюдениях двойных черных дыр.

Второе по важности открытие после первой регистрации гравитационных волн детекторами LIGO случилось 17 августа 2017 года. В этот день интерферометры LIGO и присоединившийся к их работе за несколько недель до этого итало-французский интерферометр Virgo впервые зарегистрировали слияния двойных нейтронных звезд GW170817. Как и предполагали теоретические расчеты, выполненные задолго до этого, слияние нейтронных звезд сопровождалось коротким всплеском гамма-излучения, наблюдавшимся космическими гамма-обсерваториями Fermi и INTEGRAL (источник GRB170817A). Это позволило значительно сузить область поиска местоположения источника на небе и “увидеть” его в относительно близкой галактике NGC 4993 на расстоянии 40 мегапарсек (примерно 130 миллионов световых лет). Локализация источника позволила подключить всю мощь наземных и космических телескопов для наблюдения последующего электромагнитного свечения (так называемой “килоновой”), вызванного нагревом выброшенного при слиянии вещества при распаде тяжелых элементов группы лантаноидов. Таким образом, началась эра “многоканальной астрономии”, когда информацию о космических источниках ученые получают не только в электромагнитном диапазоне, но и посредством гравитационных волн, космических лучей и нейтрино.

В конце марта 2020 года работа детекторов LIGO и Virgo была досрочно остановлена в связи с пандемией коронавируса. Когда будет продолжена их работа с улучшенной чувствительностью, пока точно не известно, но совершенно ясно, что наблюдения новых гравитационно-волновых источников сетью интерферометров LIGO/Virgo и вводимым в строй японским подземным интерферометром KAGRA принесут новые удивительные и неожиданные открытия.

Еще одно важное событие произошло в октябре 2020 года: Нобелевский комитет присудил премию по физике математику Роджеру Пенроузу “за открытие того, что образование черных дыр является надежным предсказанием общей теории относительности”, а также астрономам Райнхарду Генцелю и Андреа Гез “за открытие компактного сверхмассивного объекта в центре нашей Галактики”. Эта достойная награда за многолетние теоретические и астрономические исследования черных дыр подтверждает неугасающий интерес человечества к самым удивительным природным объектам.

В конце этого короткого предисловия приведем (далеко неполный!) список литературы, которая поможет глубже ознакомиться с предметом и достижениями гравитационно-волновой астрономии, многолетняя и порой драматическая история становления которой блестяще и увлекательно описана в книге Ж. Левин. Приятного чтения!

Константин Постнов

Москва, 20января 2021 г.

А. М. Черепащук. Гравитационные волны и черные дыры. Земля и Вселенная, № 4, с. 3–17 (2016).

А. М. Черепащук. Открытие гравитационных волн: новый этап в исследованиях чёрных дыр. Успехи физических наук, т. 186, с. 1OO1-1O1O (2016).

Д. Райтце. Первые детектирования гравитационных волн, излучаемых при слияниях двойных чёрных дыр. Успехи физических наук, т. 187, с. 884891 (2017).

К. А. Постнов. Гравитационные волны – вестники космических катастроф. Земля и Вселенная, № 3, с. 10–25 (2018).

Многоканальная астрономия (под ред. А. М. Черепащука). Фрязино: Век-2, 528 с. (2019).

Представьте, что где-то во Вселенной сталкиваются две черных дыры – массивные, как звезды, но размером лишь с город, абсолютно черные (полностью поглощающие свет) дыры (пустоты). Под действием сил тяготения в последние секунды своей жизни они совершают тысячи оборотов вокруг точки контакта, завихряя пространство-время, пока не сольются в одну большую черную дыру. По масштабу это событие – самое грандиозное с момента образования Вселенной: в результате выделяется энергия, более чем в триллион раз превосходящая энергию миллиарда солнц. Однако при этом не излучается ни единого кванта света[2]. Черные дыры сталкиваются друг с другом в абсолютной темноте. Никто никогда не увидит этого, какой бы телескоп ни изобрели.

Огромная энергия, которая выделяется в результате такого столкновения, имеет чисто гравитационную природу и распространяется в окружающем пространстве в виде гравитационных волн. Оказавшийся поблизости астронавт не увидел бы ровным счетом ничего. Зато пространство вокруг него (и то, которое занимает его тело) стало бы искривляться – периодически сжиматься и растягиваться. Находясь достаточно близко к сливающимся черным дырам, астронавт мог бы услышать гравитационные волны. В абсолютной темноте он услышал бы, как звучит пространство-время. (Не будем принимать во внимание возможность смерти от черной дыры.) Гравитационные волны подобны звуковым колебаниям, но для их распространения не нужна материальная среда. Когда черные дыры сталкиваются, они звучат.

Ни один человек никогда не слышал звучания гравитационных волн. Ни один прибор их еще надежно не зарегистрировал[3]. Гравитационные волны распространяются со скоростью света. Время их путешествия от места возникновения до Земли может занимать миллиарды лет, и к тому моменту, когда волны наконец достигнут нашей планеты, шум от столкновения черных дыр станет неуловимо слабым. Слабым и тихим настолько, насколько это вообще можно себе представить. Гравитационные волны изменяют расстояние между телами [4]. К моменту, когда они достигнут Земли, это изменение не будет превышать размера атомного ядра даже для расстояний, равных трем диаметрам земного шара.

Кампания, целью которой стала регистрация колебаний пространства-времени, началась примерно полвека назад. Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO) – самый дорогостоящий проект из всех, когда-либо финансировавшихся Национальным научным фондом (ННФ), независимым федеральным агентством США, которое поддерживает фундаментальные научные исследования. Проект LIGO объединяет две обсерватории: одну в Хэнфорде, штат Вашингтон, вторую в Ливингстоне, штат Луизиана. Каждая из них занимает территорию около четырех квадратных километров. Проект суммарно стоит больше миллиарда долларов, в нем участвуют сотни ученых и инженеров из разных стран. LIGO – это апогей технологического прогресса.

Несколько лет назад наблюдения в обсерваториях были приостановлены – проводились работы по модернизации детекторов. По словам одного из экспериментаторов, заменили все их элементы, кроме пустоты – вакуума. А в это время научные группы по всему миру производили расчеты, разрабатывали алгоритмы для обработки данных, создавали хранилища информации, чтобы извлечь из нового оборудования максимум пользы. Многие ученые посвятили свои жизни тому, чтобы экспериментально измерить “изменение расстояния, по величине меньшее, чем отношение толщины человеческого волоса к ста миллиардам длин окружности Земли”.

Я надеюсь, что после того, как гравитационные волны впервые будут обнаружены, наземные обсерватории в течение многих лет смогут регистрировать звуковые сигналы катастрофических астрономических событий, которые происходили в различных уголках космического пространства, – сигналы, возникшие в результате столкновения потухших звезд и взрывов сверхновых, а также отголоски Большого взрыва. Любое значимое событие в космосе заставляет пространство-время звучать. За срок службы этих обсерваторий ученые запишут звенящие диссонирующие ноты, чтобы озвучить историю Вселенной – немое кино, смонтированное человечеством из неподвижных изображений космоса, серии картинок, полученных за последние четыреста лет, с того самого момента, когда Галилей направил свой первый телескоп на Солнце.

Я участвую в этом грандиозном эксперименте, в этой смелой попытке измерить едва уловимые изменения формы пространства-времени и как ученый, надеющийся внести свой вклад в данную фундаментальную область знаний, и как новичок, пытающийся разобраться в том, как работает незнакомое оборудование, и как писатель, мечтающий задокументировать первую в истории человечества регистрацию сигналов непосредственно от черных дыр. По мере того как глобальная сеть гравитационных обсерваторий приближается к финишной прямой в этом забеге на длинную дистанцию, становится все труднее не верить в скорые открытия, хотя скептиков по-прежнему хватает.