[Перевод] ЧаВо: значимость комбинирования гравитационных и электромагнитных волн
Предыдущая статья о результатах, полученных из экспериментов LIGO/VIRGO по распознаванию гравитационных волн, носила информационный характер и не ставила своей целью педагогические наставления. Сейчас я попытаюсь ответить на вопросы моих читателей и друзей по этой теме. Некоторые хотели лучше представить то, что произошло, а другие хотели уточнить, почему это открытие стало таким важным. Поэтому я написал эту статью, в которой объяснил, что такое нейтронные звёзды и чёрные дыры, и на что похоже их слияние, и уточнил, в чём важность упомянутого анонса. Его важность содержится в нескольких моментах, и их довольно сложно свести к какому-то одному. Кроме этого я даю ответы и на другие вопросы.
Для начала, оговорюсь: я не эксперт по сложной теме слияния чёрных дыр и получающихся в результате этого взрывах, известных, как «килоновые». Они гораздо сложнее слияния чёрных дыр. Некоторые детали я и сам пока узнаю. Надеюсь, что мне удалось избежать ошибок, но в некоторых случаях у меня нет всех ответов.
Базовые вопросы о нейтронных звёздах, чёрных дырах и их слиянии
Что такое нейтронные звёзды, чёрные дыры, и как они связаны?
Каждый атом состоит из крохотного атомного ядра, состоящего из нейтронов и протонов (очень похожих друг на друга) и неплотно окружён электронами. Большая часть атома представляет собой пустое пространство, поэтому в экстремальных условиях его можно раздавить –, но только, если каждый электрон и протон превратятся в нейтрон (остающийся на том же месте) и в нейтрино (отправляющийся в космос). Когда у гигантской звезды кончается топливо, давление её ядерной печи падает и она схлопывается под своим весом, создавая те самые экстремальные условия, при которых материю можно раздавить. Таким образом, внутренность звезды с массой, в несколько раз превышающей солнечную, превращается в шар нейтронов диаметром в несколько километров, а количество нейтронов в нём приближается к 1 с 57-ю нулями.
Если звезда оказалась достаточно большой, но не слишком большой, нейтронный шар становится прочным и держит форму, а остатки звезды взрываются наружу, распадаясь на кусочки — этот процесс называют «сверхновой с коллапсирующим ядром». Шар нейтронов остаётся на месте — его мы называем нейтронной звездой. Он состоит из самой плотной материи, которая только может, по нашим представлениям, существовать во Вселенной — чистое атомное ядро несколько километров в поперечнике. Это очень твёрдая поверхность; если бы вы попробовали проникнуть внутрь нейтронной звезды, ваши ощущения были бы гораздо хуже, чем если бы вы столкнулись с закрытой дверью на скорости в несколько сотен км/ч.
Если звезда была очень большой, то сформировавшийся нейтронный шар может вскоре (или сразу же) схлопнуться под своим собственным весом и породить чёрную дыру. В этом случае сверхновая может появиться, а может и не появляться — звезда может просто исчезнуть. ЧД очень, очень сильно отличается от нейтронной звезды. ЧД — это то, что остаётся после безвозвратного коллапса материи внутрь самой себя, бесконечно сжимающейся под воздействием гравитации. И если у нейтронной звезды есть поверхность, об которую можно разбить голову, у ЧД нет поверхности — у неё есть край, который просто представляет собой точку невозврата, называемый горизонтом [событий]. В теории Эйнштейна можно пройти прямо сквозь него, как через открытую дверь. Вы даже не заметите момента перехода. (Но это верно в теории Эйнштейна. Однако есть разногласия по поводу того, не превращает ли комбинация теории Эйнштейна и квантовой физики эту грань в нечто новое и опасное для входящих; это известно как «противоречие файервола», но его обсуждение слишком далеко завело бы нас в область теоретизирования). Но однажды пройдя через эту дверь, вернуться уже не получится.
ЧД могут формироваться и другими способами –, но это не те ЧД, что мы можем наблюдать при помощи детекторов LIGO/VIRGO.
Почему их слияния — наилучшие источники гравитационных волн?
Один из наиболее простых и очевидных способов создать гравитационные волны — заставить два объекта двигаться по орбите вокруг друг друга. Если опустить два кулака в воду и покрутить ими вокруг друг друга, вы получите на воде рисунок из волн, движущихся в разные стороны; это очень грубая аналогия того, что происходит с двумя вращающимися вокруг друг друга объектами, хотя, поскольку объекты двигаются в космосе, волны появляются не в какой-то среде типа воды. Это волны самого пространства.
Чтобы получить мощные ГВ, необходимо, чтобы у обоих объектов была очень большая масса, и чтобы они вращались с большой скоростью. Для достижения большой скорости необходимо очень сильное гравитационное притяжение;, а для этого объекты должны располагаться как можно ближе друг к другу (поскольку, как знал ещё Исаак Ньютон, гравитация между двумя объектами увеличивается при уменьшении расстояния между ними). Но если объекты крупные, они не могут приблизиться друг к другу слишком сильно; они столкнутся друг с другом и сольются задолго до того, как сумеют достаточно разогнаться. Поэтому для получения очень быстрой орбитальной скорости необходимо взять два относительно малых объекта с относительно большими массами — такие, которые учёные называют компактными объектами. Нейтронные звёзды и ЧД — наиболее компактные из известных нам объектов. К счастью, они действительно часто перемещаются парами, и иногда, достаточно недолго перед самым слиянием, движутся вокруг друг друга достаточно быстро для того, чтобы выдать ГВ, которые могут засечь LIGO и VIRGO.
Почему вообще эти объекты появляются парами?
Звёзды довольно часто перемещаются парами. Тогда их называют двойными звёздами. Они могут начать жизнь в паре, сформировавшись совместно в большом газовом облаке, или, если они появились по отдельности, могут сформировать пару, находясь в забитом звёздами сообществе, где близлежащие звёзды часто пролетают недалеко друг от друга. Возможно, это покажется неожиданным, но такая пара может пережить коллапс и взрыв каждой из звёзд, что приведёт к появлению двух чёрных дыр, двух нейтронных звёзд или одной ЧД и одной НЗ, вращающихся по орбитам вокруг друг друга.
Что происходит при слиянии этих объектов?
Неудивительно, что существует три класса объединений, которые можно засечь: слияние двух ЧД, слияние двух НЗ и слияние НЗ с ЧД. Первый класс мы наблюдали в 2015 году (объявили об этом в 2016), о втором было объявлено в 2017-м, а дождаться третьего — лишь вопрос времени. Два объекта могут вращаться вокруг друг друга миллиарды лет, очень медленно излучая гравитационные волны (этот эффект наблюдали в 70-х, за что удостоились нобелевской премии), и постепенно сближаясь. И лишь в последний день их жизни орбитальная скорость начинает по-настоящему увеличиваться. И перед самым слиянием они начинают вращаться со скоростью порядка одного оборота в секунду, затем по десять оборотов в секунду, затем по сто оборотов в секунду. Представьте это себе, если сможете: объекты, размером в несколько десятков километров в поперечнике, расположенные в нескольких километрах друг от друга, обладающие массой, превышающей солнечную, вращаются вокруг друг друга со скоростью 100 раз в секунду. Ошеломляющее явление — вращающаяся гантель, представить себе которую не могли даже самые выдающиеся умы XIX века. Не знаю ни одного учёного, который не испытывал бы благоговение перед этим зрелищем. Всё это звучит, как научная фантастика, но ею не является.
Откуда нам знать, что это не научная фантастика?
Это не НФ, если мы доверяем теории гравитации Эйнштейна. Она предсказывает, что такая быстро вращающаяся гантель огромной массы, сформированная двумя компактными объектами, должна выдавать характерный рисунок возмущения пространства — гравитационные волны. Этот рисунок одновременно и сложный и точно предсказанный. В случае чёрных дыр предсказания охватывают период вплоть до самого момента слияния, а также и после него, включая и описание сигналов от появившейся в результате слияния большей ЧД. В случае с НЗ моменты незадолго до столкновения, самого слияния и сразу после него получаются более сложными и мы не уверены, что полностью понимаем их, но в течение нескольких десятков секунд перед слиянием теория Эйнштейна очень точно говорит о том, чего следует ожидать. Теория предсказывает и дальнейшие события — как эти волны будут распространяться на большие расстояния от того места, где они возникли, дойдут до Земли, и как они проявятся в сети LIGO/VIRGO на трёх детекторах гравитационных волн. Поэтому по поводу того, что следует ожидать на LIGO/VIRGO, существует несколько предсказаний: эта теория используется для предсказания существования и свойств ЧД и НЗ, подробных характеристик их слияний, точных рисунков получающихся гравитационных волн, и того, как именно гравитационные волны распространяются в пространстве. LIGO/VIRGO обнаружил характерные рисунки этих гравитационных волн. И то, что эти рисунки точно согласуются с теорией Эйнштейна, является самым достоверным из когда-либо полученных свидетельств того, что у теории нет никаких ошибок при использовании в этих комбинированных контекстах.
Отмечу, что доказательство в некотором роде ссылается само на себя –, но именно так и продвигается научное знание, в виде набора из нескольких подробных проверок непротиворечивости, которые постепенно так сильно переплетаются друг с другом, что их практически невозможно разделить. Научные рассуждения не дедуктивны, а индуктивны. Мы делаем это не потому, что это полностью обосновано логически, а потому, что это удивительно хорошо работает — и доказательством тому служит компьютер с экраном, на котором я набираю этот текст, и проводной интернет вместе с беспроводными соединениями, и компьютерный диск, который будет использоваться для хранения и передачи текста.
Значимость октябрьского анонса слияния нейтронных звёзд
Значимость анонса трудно объяснить потому, что она складывается из множества важных результатов, наслаивающихся друг на друга, а не просто из одного какого-то итога, который можно пересказать парой слов.
И вот список того, что мы узнали. Ни один из его элементов не потрясает основы мироздания, но каждый достаточно интересен, а все вместе они формируют важное событие в истории науки.
Первое подтверждённое наблюдение слияние двух НЗ
Мы знали, что такие слияния должны происходить, но уверены в этом не были. И поскольку эти штуки находятся слишком далеко от нас и они слишком мелки, чтобы их можно было разглядеть в телескоп, единственным способом убедиться в том, что слияния происходит, и узнать побольше деталей о них, было воспользоваться гравитационными волнами. В последующие годы мы надеемся увидеть гораздо больше таких слияний, в процессе того, как гравитационная астрономия будет увеличивать свою чувствительность, и будем узнавать о них всё больше подробностей.
Новая информация о свойствах нейтронных звёзд
Существование НЗ было предсказано почти сто лет назад, а подтверждено в 60–70 годах. Но их точные свойства неизвестны; мы считаем, что они похожи на гигантские атомные ядра, но они настолько больше обычных атомных ядер, что мы не можем быть уверены в том, что понимаем все их внутренние свойства, и в научном сообществе идут споры, которые не получится легко разрешить — но, возможно, скоро они прекратятся.
Из детального рисунка гравитационных волн произошедшего слияния нейтронных звёзд учёные уже узнали две вещи. Первое — мы подтвердили, что теория Эйнштейна правильно предсказывает основной рисунок гравитационных волн, исходящих от вращающихся вокруг друг друга НЗ или ЧД. Но, в отличие от ЧД, по поводу того, что происходит после слияния НЗ, остаётся гораздо больше вопросов. И вопрос того, что случилось с нашей парой после слияния, остаётся открытым — сформировалась ли НЗ, нестабильная НЗ, которая в процессе замедления вращения схлопнулась в ЧД, или сразу же появилась ЧД?
Но нечто важное по поводу внутренних свойств НЗ мы уже узнали. Нагрузки от такого быстрого вращения разорвали бы меня и вас на части, и могут разорвать даже Землю. Мы знаем, что НЗ гораздо прочнее обычного камня, но насколько прочнее? Если бы они были слишком хрупкими, то разломались бы в какой-то момент во время наблюдений, проводимых на LIGO/VIRGO, и ожидавшийся простой рисунок гравитационных волн внезапно стал бы куда как более сложным. Но этого не случилось, по меньшей мере, до момента, непосредственно предшествовавшего слиянию. Поэтому учёные могут использовать эту простоту рисунка гравитационных волн, чтобы вывести новые данные по поводу того, насколько НЗ твёрдые и прочные. Последующие слияния улучшат наше понимание вопроса. Другого простого метода получения такой информации не существует.
Первое наблюдение события, производящего как сильнейшие гравитационные волны, так и яркие электромагнитные волны
Слияние ЧД не должно создавать яркий свет, потому что, как я упоминал, они больше похожи на открытые двери на невидимую игровую площадку, чем на камни, поэтому они сливаются достаточно тихо, без ярких и горячих столкновений. Но нейтронные звёзды похожи на большие шары материи, поэтому их столкновение может породить огромное количество тепла и света всякого рода — точно так, как можно было бы наивно ожидать. Под «светом» я имею в виду не только видимый свет, но и всякие виды электромагнитных волн всех длин волн (и, соответственно, всех частот). Учёные делят спектр электромагнитных волн на категории. Это радиоволны, микроволны, инфракрасный свет, видимый свет, ультрафиолет, рентгеновские лучи и гамма-излучение — по порядку повышения частоты и понижения длины волны.
Учтите, что эти категории и разделение между ними совершенно произвольное, но оно оказывается полезным для различных научных целей. Единственная фундаментальная разница между жёлтым светом, радиоволной и гамма-излучением — это частота и длина волны; во всём прочем это одно и то же: волна электрического и магнитного полей.
Так что в случае слияния двух НЗ мы ожидаем появления как гравитационных, так и электромагнитных волн различных частот, возникающих из различных эффектов вследствие столкновения двух огромных нейтронных шаров. Но только потому, что мы их ожидаем, не означает, что их будет легко засечь. Такие слияния происходят довольно редко — возможно, по одному каждые несколько сотен тысяч лет в такой крупной галактике, как наша — поэтому те, что мы обнаружим при помощи LIGO/VIRGO, обычно будут находиться довольно далеко от нас. Если световое шоу будет слишком тусклым, наши телескопы не смогут его увидеть.
Но данное шоу оказалось достаточно ярким. Детекторы гамма-лучей в космосе сразу же его засекли, подтвердив тот факт, что гравитационные волны от двух НЗ привели к столкновению и слиянию, породившему свет очень высокой частоты. И это уже само по себе было чем-то уникальным. Будто бы человек всю жизнь наблюдал молнии, но никогда не слышал грома; или он наблюдал волны от ураганов, но никогда не видел самого урагана. То, что мы увидели сразу два проявления слияния, открывает нам совершенно новый набор перспектив; иногда один плюс один дают больше двойки.
Со временем — через несколько часов и дней — эффекты слияния наблюдались и в видимом диапазоне, ультрафиолете, инфракрасном свете, рентгеновских лучах и на радиоволнах. Некоторые приходили раньше других, что само по себе — отдельная история, но каждая из них добавляли в копилку нашего понимания процессов слияния.
Подтверждение лучших догадок по поводу источников коротких всплесков гамма-лучей
Годами в небе мы наблюдали всплески гамма-лучей. Среди них выделялся класс всплесков, по длительности короче остальных, длящихся обычно пару секунд. Они приходили со всех участков неба, что говорило о том, что они идут из дальнего межгалактического пространства, предположительно, с удалённых галактик. Среди других объяснений самой популярной гипотезой происхождения этих всплесков было слияние НЗ. Единственным способом подтвердить эту гипотезу было засечь гравитационные волны этого слияния. Этот тест теперь пройден; судя по всему, гипотеза подтверждена. А это значит, что у нас впервые есть как хорошее объяснение этих кратких всплесков гамма-лучей, так и, исходя из частоты их появления, хорошая оценка частоты слияния НЗ во Вселенной.
Первое измерение расстояния до источника при помощи как гравитационных волн, так и красного смещения электромагнитных волн, что позволило по-новому откалибровать шкалу расстояний Вселенной и скорость её расширения.
Схема изменения гравитационных волн, появившихся в результате слияния двух ЧД или НЗ, во времени достаточно сложная для того, чтобы открыть нам множество информации по поводу сливающихся объектов, включая и примерную оценку их масс и ориентации вращающейся пары относительно Земли. Общая сила волн вместе со знанием их масс открывает нам удалённости пары от Земли. Это неплохо и само по себе, но реальная польза получается, когда мы открываем объект при помощи видимого света, или любого света с частотой меньшей, чем у гамма-лучей. В этом случае можно определить галактику, где располагаются эти нейтронные звёзды.
Зная их домашнюю галактику, можно сделать кое-что очень важное. Посмотрев на свет звёзд, мы можем определить, как быстро галактика удаляется от нас. Для удалённых галактик скорость, с которой они удаляются от нас, должна быть связана с расстоянием до них из-за расширения Вселенной.
То, как быстро расширяется Вселенная, недавно измерили с очень большой точностью, но проблема в том, что для этого измерения используются два разных метода, не совпадающих между собой. Это несовпадение — одна из самых важных проблем нашего понимания Вселенной. Возможно, один из методов несовершенен, а возможно — и это было бы гораздо интереснее — Вселенная не ведёт себя так, как мы думаем.
Гравитационные волны дают нам третий метод: они напрямую сообщают расстояние до галактики, а электромагнитные волны напрямую дают нам скорость убегания. Для удалённых галактик не существует другого метода для проведения совместных измерений такого типа. Этот метод недостаточно точен, чтобы оказаться полезным в случае одного слияния, но после наблюдения десятков слияний средний результат даст нам новую важную информацию о расширении Вселенной. Комбинация с другими методами может помочь нам разрешить эту важную загадку.
Пока что наилучшей проверкой предсказаний Эйнштейна стало то, что скорость света и гравитационных волн совпадает: поскольку гамма-лучи от слияния и пиковое значение гравитационных волн прибыли с разницей в две секунды друг от друга, пройдя 130 млн лет — то есть, путешествовав порядка 5 тысяч миллионов миллионов секунд — можно сказать, что скорость света и скорость гравитационных волн равняется космическому пределу скорости с точностью до одной части на 2 тысячи миллионов миллионов. Для такой точной проверки потребовалась комбинация наблюдений гравитационных волн и гамма-лучей.
Подтверждено эффективное создание тяжёлых элементов
Уже давно известно, что мы состоим из материи, появившейся в звёздах, или звёздной пыли. Но если начать разбираться с деталями этого процесса, появляются загадки. Известно, что все химические элементы, от водорода до железа, формируются в звёздах и могут быть выброшены в космос во взрыве сверхновой, плавать там туда и сюда, и в итоге формировать планеты, луны и людей –, но не было понятно, каким образом формируется большая часть более тяжёлых элементов — йод, цезий, золото, свинец, висмут, уран и так далее. Да, они могут возникать в сверхновых, но не так-то это и просто; и во Вселенной, судя по всему, встречается больше атомов тяжёлых элементов, чем можно объяснить сверхновыми. В истории Вселенной случалось множество суперновых, но эффективность их производства тяжёлых элементов слишком низка.
Некоторое время назад прозвучало предположение, что слияние нейтронных звёзд может стать подходящим кандидатом на производство этих тяжёлых элементов. И хотя такие слияния редки, они могут быть куда как более эффективными, поскольку ядра тяжёлых элементов содержат множество нейтронов, и, что неудивительно, столкновение двух нейтронных звёзд приведёт к появлению множества нейтронов в осколках этого столкновения, подходящих для создания упомянутых ядер. Ключевым индикатором этого процесса было бы следующее: если бы можно было засечь слияние нейтронных звёзд при помощи гравитационных волн, а его местоположение определить при помощи телескопов, тогда можно было бы изучить его свет и найти в нём характерные следы того, что сейчас называют взрывом «килоновой».
Лично мне не знакомы все детали килоновой. Её подпитывает процесс формирования тяжёлых элементов; большая часть полученных ядер сначала радиоактивна — то есть, нестабильна — и затем они распадаются, излучая высокоэнергетические частицы, включая и частицы света (фотоны), попадающие в категории гамма-лучей и рентгеновских лучей. У итогового характерного свечения должны быть определённые характеристики: изначально оно должно быть ярким, но затем резко тухнуть в видимом свете и долго светиться в инфракрасном. Причины этого сложны, поэтому пока их опустим. Важно, что эти характеристики были зафиксированы, что подтвердило возникновение килоновой нужного типа, и, следовательно, в этом слиянии нейтронных звёзд действительно было создано огромное количество тяжёлых элементов. Поэтому у нас сейчас впервые есть множество свидетельств, что почти все тяжёлые химические элементы нашей планеты и вокруг неё были сформированы во время слияния нейтронных звёзд. Повторюсь, что мы не могли этого знать, если бы мы не были уверены в том, что это событие было слиянием нейтронных звёзд, а такую информацию можно получить только из наблюдения гравитационных волн.
Разные вопросы
Получилась ли в результате слияния двух этих НЗ новая ЧД, более крупная НЗ, или нестабильная быстро вращающаяся НЗ, которая впоследствии схлопнулась в ЧД?
Это нам пока неизвестно, и, возможно, мы этого не узнаем. Некоторые занятые в эксперименте учёные склоняются к возможности появления ЧД, а другие говорят, что это неточно. Не уверен, какую дополнительную информацию мы сможем получить спустя некоторое время.
Если две НЗ сформировали ЧД, откуда возьмётся килоновая? Почему всё это не засосало в ЧД?
ЧД — не пылесосы; они притягивают всё посредством гравитации так, как это делают Земля и Солнце, и не высасывают материю каким-то особым способом. Единственное их отличие в том, что если упасть внутрь, наружу уже не выбраться. Но точно так же, как можно избежать столкновения с Землёй или Солнцем, можно избежать падения в ЧД, если достаточно быстро двигаться по орбите, или уйти в сторону до того, как вы достигнете грани [горизонта].
Суть слияния НЗ в том, что в момент слияния действующие на них силы так велики, что одна или обе звезды разрываются на части. Выбрасываемый в результате на больших скоростях и во все стороны материал каким-то образом создаёт яркий горячий всплеск гамма-лучей, и в итоге килоновая светится из-за наново созданных атомных ядер. Эти подробности мне пока не ясны, но я знаю, что их тщательно изучают как при помощи приблизительных уравнений, так и при помощи компьютерных симуляций. Однако, точность симуляций можно подтвердить только посредством тщательного изучения слияния — как раз такого, о котором идёт речь в анонсе. Судя по всему, эти симуляции неплохо справились. Уверен, что их улучшат после сравнения с полученными данными.
