«Блюз черных дыр и другие мелодии космоса»

Жанна Левин

Блюз черных дыр и другие мелодии космоса

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 ®

Предисловие научного редактора

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.

Рекомендованная литература

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).

Блюз черных дыр и другие мелодии космоса

Уоррену, Гибсону и Стелле

А надо знать, что нет дела,

коего устройство было бы труднее,

ведение опаснее,

а успех сомнительнее,

нежели замена старых порядков новыми [1].

Глава 1

Когда сталкиваются черные дыры

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.