Прошло несколько недель после сенсационного сообщения научной группы детектора aLIGO об открытии гравитационных волн. Шумиха улеглась, количество научных статей по этому поводу несколько уменьшилось, и их тематика перешла в другую плоскость. Самое время разобраться, какие новые открытия гравитационная астрономия сулит нам в будущем и как она повлияет на наше понимание процессов во Вселенной?
Волны нашли — это действительно грандиозный результат, подтверждающий общую теорию относительности Эйнштейна ровно в год столетия ее публикации. Более того, сигнал впервые доказал существование черных дыр звездных масс, до этого момента объектов ожидаемых, предсказанных, но чье существование не было надежно установлено. Астрономы даже определили массу этих черных дыр. А что же нам обещают дальше?
Понятно, что в будущем гравитационные волны станут интересны ученым не сами по себе, а как средство пролить свет на очередные загадки Вселенной. Они превратятся из объекта исследования (скорее всего достаточно распространенного — уже скоро должны появиться свежие статьи той же команды, где они представят данные о регистрации новых сигналов), в инструмент для проверки нашего понимания мира.
Для начала давайте вспомним, что нам может дать гравитационно-волновая астрофизика. Вот круг задач, которые будут решать существующие и строящиеся гравитационные детекторы:
1. Сливающиеся двойные черные дыры могут стать прекрасными «стандартными сиренами» (по аналогии со «стандартными свечами», которые используются для определений расстояний в привычной нам электромагнитной астрономии). Если удастся зарегистрировать одновременно гравитационный и электромагнитный сигналы (например, от слияния черных дыр), то это резко повысит точность определения расстояний во Вселенной, а также обновит значения таких фундаментальных параметров как космологическая постоянная, плотность вещества во Вселенной, постоянная Хаббла, пространственная кривизна и так далее.
2. В центре нашей Галактики (как и в подавляющем большинстве других галактик) присутствует объект массой в несколько миллионов масс Солнца. Это известно по движению небесных тел вокруг того, что мы все привыкли называть сверхмассивной черной дырой , хотя прямых подтверждений того, что это именно она нет. Поэтому консервативная часть научного сообщества продолжает называть его — официально — Темным Массивным Объектом (ТМО), объясняя это тем, что согласно всем предсказаниям, оно, конечно, должно быть черной дырой, но пока мы не доказали наличие горизонта событий — лучше не рисковать. Любой компактный объект массой порядка одной солнечной, притянутый гравитацией ТМО, совершит до миллиона оборотов, излучая в пространство гравитационные волны, которые будут способны уловить гравитационные детекторы, размещенные в космосе. Форма пришедшего сигнала будет сильно зависеть от того, чем именно является ТМО. Если форма совпадет с предсказанной — это будет долгожданным доказательством существования сверхмассивных черных дыр.
Кроме того, гравитационные волны от черных дыр с массами в миллионы масс Солнца настолько сильные, что их можно будет регистрировать на значительных расстояниях. А это, в свою очередь, поможет установить, когда началось их формирование, и верно ли наше представление о том, что они образовывались частым слиянием сравнительно небольших предшественников, массами в 100-1000 масс Солнца.
3. Подобно реликтовому излучению, которое несет информацию о Большом Взрыве, и благодаря которому температура Вселенной равна трем Кельвинам, существует также стохастический гравитационно-волновой фон. Он мог быть образован в ранней Вселенной под воздействием квантовых осцилляций (колебаний), возникших в конце стадии инфляции. Предполагаемая плотность энергии подобных осцилляций очень сильно разнится от модели к модели, но теоретически они могут быть зарегистрированы будущими детекторами. Необходимо заметить, что доказать, что это именно те реликтовые гравитационные волны, которые мы ищем, может быть совсем уж непростой задачей — у всех еще на слуху громкая история команды BICEP2, которая сначала увидела поляризацию реликтового излучения, вызванную сильными гравитационными волнами в ранней Вселенной. Потом же оказалось, что источник поляризации — это всего лишь тепловое излучение пыли в Млечном Пути.
4. Разлет вещества при взрыве сверхновой, конечно же, тоже порождает гравитационные волны. Исторически, именно на поимку этих волн были настроены первые детекторы. И хотя они так и не смогли ничего обнаружить, это вовсе не значит, что и новое поколение детекторов окажется бессильным. Проблема в том, что в Млечном пути подобные события случаются слишком редко, а значит ловить придется гораздо более слабые сигналы из других галактик. Тем не менее, именно регистрация подобных волн должна показать нам процессы, которые происходят в ядре сверхновой перед самым взрывом, когда в оболочке из водорода и более тяжелых элементов уже сформировалась нейтронная протозвезда и ее сверхсильные магнитные поля, как считается, играют важную роль в рождении сверхновой.
5. Если космические струны существуют, то в их точках перегиба должны возникать слабые гравитационные волны. Струны предсказаны теорией Великого объединения и некоторыми инфляционными моделями. Поимка подобных низкочастотных волн превратила бы эти экзотические модели в серьезные теории.
Chris Friel