Гравитационно-волновая астрономия
Мы познакомились с реликтовым электромагнитным излучением, оставшимся со времени рождения Вселенной. За прошедшие миллиарды лет оно сильно «постарело» — потеряло первоначальную энергию, охладилось, но тем не менее стало для астрономов ценным носителем информации о юности нашего мира.
А теперь вспомним, что такое инфляция в космологии. Так ученые называют предполагаемый период чрезвычайно быстрого расширения ранней Вселенной. Инфляционная модель описывает эволюцию пространства-времени в самые первые доли секунды после начала горячей стадии Вселенной.
Пространство-время представляет собой геометрическую единую структуру с четырьмя измерениями. Это не некая пустота вроде про-странства-вместилища-все-го-на-свете, в котором все мы обитаем, а скорее своего рода ткань, имеющая определенные геометрические свойства. Такая ткань изменяется, деформируется под влиянием находящихся в ней тел. А сила притяжения (гравитация) появляется в результате деформации пространства-времени со стороны объектов, обладающих массой. Как, например, звезды и планеты.
Так вот, в инфляционный период расширения ранней Вселенной могли возникнуть чрезвычайно слабые первичные гравитационные волны — возмущения самой ткани пространства-времени. Натяните, например, длинную скатерть за четыре конца и затем тряхните один из них. На поверхности скатерти возникнет деформация («гравитация») и побежит в виде волны вдоль скатерти.
Согласно инфляционным моделям, такие первичные гравитационные волны могли сохраниться до наших дней и нести сведения о ранней Вселенной. Однако их прямое обнаружение пока не подтверждено; надежно зарегистрированные гравитационные волны происходят от астрофизических объектов, например сливающихся черных дыр и нейтронных звезд.
Гравитационные волны — это распространяющиеся в пространстве-времени колебания его геометрии, которые движутся со скоростью света (так называемая рябь пространства-времени). Их существование было предсказано ОТО Эйнштейна в 1915 г.
В своей статье, написанной в 1918 г., великий физик описал, какие объекты могут создавать такие волны: гантелевидные системы, которые одновременно вращаются вокруг двух осей. Согласно ОТО, пара таких массивных объектов, кружась вокруг друг друга, постепенно теряет энергию, испуская гравитационные волны. Объекты двойной системы медленно сближаются миллионы и даже миллиарды лет. По мере сокращения расстояния между ними этот процесс ускоряется. На заключительном этапе своей жизни двойная система на заключительном этапе быстро сливается с образованием одного более массивного компактного объекта. При этом испускается колоссальное количество энергии-массы и возникают особенно мощные гравитационные волны, которые можно зарегистрировать на Земле.
Проходя через определенный участок космоса, гравитационные волны растягивают пространство в одном направлении и одновременно сжимают его в перпендикулярном. Гравитационная волна, достигшая Земли, способна растянуть и сжать крупный объект (например, Останкинскую башню) на одну тысячную диаметра ядерной частицы протона.
Главные астрофизические источники гравитационных волн — это сливающиеся двойные нейтронные звезды и черные дыры, то есть два массивных объекта, связанных гравитацией в одно целое и вращающихся по орбитам вокруг друг друга.
Целый век ушел на поиски волн тяготения, то есть попытки их экспериментального обнаружения. Были потрачены громадные средства и усилия ученых многих стран. Но только 14 сентября 2015 г. удалось поймать сигналы из космоса, которые можно было с уверенностью назвать зарегистрированной гравитационной волной. Их источник расположен в южной полусфере неба. Им стали две черные дыры в момент слияния. Такой сценарий эволюции двойной системы был предсказан теоретически, но никогда не наблюдался. Факт слияния подтверждает повышение частоты гравитационных волн за время их регистрации (ведь при сближении дыры вращаются все быстрее и быстрее). Массы черных дыр составляли 29 и 36 солнечных, а удаление от Земли в момент слияния — 1,3 млрд световых лет. При этом событии около трех солнечных масс за считанные секунды были преобразованы в гравитационные волны. Возникшая новая черная дыра имеет массу в 62 солнечные (29 + 36 - 3 = 62).
Проверь себя
Что регистрирует гравитационно-волновая астрономия?
