Нейтронные звезды. Как понять зомби из космоса
Помните рассказ об Исааке Ньютоне, которого ударило по голове яблоко – и тогда он внезапно догадался, как действует сила тяготения? Считается, что озарение снизошло на Ньютона именно так, но это не совсем точно, хотя он действительно наблюдал, как в саду его усадьбы Вулсторп в графстве Линкольншир с дерева падают яблоки. Возможно, и три с лишним века спустя эта яблоня все еще растет в том же саду. Ньютона занимал вопрос: почему яблоки всегда падают на землю? Раздумывая на эту тему, он построил теорию всемирного тяготения. Эта работа опубликована в 1687 году. В соответствии с теорией Ньютона, сила тяготения – это сила, действующая на все материальные тела во Вселенной и зависящая как от массы, так и от расстояния. Согласно Ньютону, все без исключения частицы вещества притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними13. Закон всемирного тяготения Ньютона в неизменном виде господствовал до тех пор, пока не появился Эйнштейн.
Для Эйнштейна – служащего швейцарского патентного бюро, который занимался физикой в свободное время, – сила притяжения вообще силой не была. Он утверждал, что на самом деле это искривление пространства и времени, или пространства-времени, включающего в себя четыре связанные между собой размерности: три пространственные (вверх-вниз, вправо-влево, вперед-назад) плюс еще одна – время. Согласно общей теории относительности, опубликованной наиболее полно в 1916 году, то, что мы воспринимаем как силу тяготения, на самом деле есть следствие кривизны пространства-времени. Массивные объекты, такие как звезды и планеты, изгибают и скручивают его ткань, создавая горы и впадины, хребты и плоскогорья, заставляющие близлежащие объекты двигаться в пространстве-времени зигзагообразно, поднимаясь и опускаясь.
Хотя кажется, что Солнце, притягивая к себе Землю, заставляет нашу планету обращаться вокруг него, это просто означает, что движение Земли определяется искривлением пространства-времени вокруг гораздо более массивного Солнца.
Кроме того, Эйнштейн математически показал, что любая не идеально сферически симметричная ускоряющаяся масса искривляет пространство-время и служит источником гравитационных волн, распространяющихся по Вселенной со скоростью света. Гравитационные волны возникают, даже если просто помахать рукой, но в этом случае они слишком малы и их нельзя заметить. Чтобы деформация пространства-времени была измеримой, требуется невероятно большое количество энергии. Такое, как при катастрофических космических событиях, в которых принимают участие столь массивные объекты, как черные дыры и нейтронные звезды, обращающиеся друг относительно друга, а затем сталкивающиеся на скорости, равной одной трети скорости света. Согласно Эйнштейну, подобное столкновение приводит к возбуждению гравитационных волн большой энергии, которые, распространяясь, “омывают” планеты, звезды и все, что встретят на своем пути. Они несут с собой информацию об источнике, вызвавшем их появление, и, возможно, даже о природе гравитации. В своих более поздних работах Эйнштейн несколько раз возвращался к этой ряби на пространстве-времени, но десятки лет гравитационные волны существовали только теоретически14.
В 1974 году астрономы Рассел Алан Халс и Джозеф Хотон Тейлор – младший из Массачусетского университета в Амхерсте косвенным образом доказали существование гравитационных волн. Они заметили, что в системе двух гравитационно связанных нейтронных звезд орбитальный период, то есть время, которое требуется звездам, чтобы совершить оборот вокруг общего центра масс, постепенно уменьшается. Два тела постепенно сближаются, двигаясь навстречу неизбежному столкновению, поскольку, по мысли Халса и Тейлора, система теряет энергию в форме гравитационных волн. Сейчас такую систему называют пульсаром Халса – Тейлора. В 1993 году эти ученые получили за свою работу Нобелевскую премию15.
Однако прямым свидетельством существования гравитационных волн результаты Халса и Тейлора не были. Требовалось экспериментальное подтверждение, а для этого ученым необходимо было новое, необычайно точное оборудование. Результат: два работающих вместе детектора-близнеца LIGO – один в Хэнфорде, штат Вашингтон, другой в Ливингстоне, штат Луизиана. Каждый из детекторов использует интерференцию двух лучей лазера, что позволяет невероятно точно измерять расстояния. Обсерватория, которая эксплуатируется Массачусетским и Калифорнийским технологическими институтами, находится в ведении научного сообщества LIGO – группы, состоящей из тысячи ученых из университетов шестнадцати разных стран. В восьмидесятых годах об идее создания LIGO впервые заговорили Райнер Вайсс, Кип Торн и Барри Бэриш, но поскольку требовалось преодолеть бюрократические барьеры и добиться значительного финансирования, которое необходимо для реализации больших научных проектов, до начала строительства прошло еще десять лет. Наконец в 2002 году LIGO приступила к работе16.
А еще через пять лет, в 2007 году, к ним присоединился третий детектор – Virgo. Он расположен вблизи итальянского города Пиза и финансируется Европейским Союзом17. Поскольку ученым потребовалась помощь Virgo для определения точного местоположения первого наблюдавшегося слияния нейтронных звезд, я решила отправиться туда. Мной руководило стремление ближе познакомиться с удивительной аппаратурой этого детектора. Ее появление – результат изобретательности человека, который стремится узнать больше о самых захватывающих тайнах космоса и медленно, но неуклонно, шаг за шагом, продвигается вперед.
Я начала с Пизы и, конечно, поднялась на наклонную, правда, все-таки устоявшую башню. Хотя задержалась я там недолго: наклон башни в четыре градуса сыграл с моим мозгом злую шутку, и я быстро почувствовала, что меня укачивает. Пизанская башня еще известна как место, где проведен, пожалуй, самый известный эксперимент, относящийся к силе тяжести. Возможно, этого эксперимента никогда и не было: историки сходятся на том, что итальянский ученый Галилео Галилей никогда не сбрасывал с башни две сферы с разными массами. Это был только мысленный эксперимент. И все же я инстинктивно глянула вниз. Кто знает, может, кому-то захотелось повторить “подвиг” Галилея, и я увижу сброшенные на землю предметы. Правда, чтобы не вызывать у посетителей искушения повторить известный эксперимент, сбрасывая с башни все подряд, теперь, перед тем как подняться, надо обязательно сдать на хранение все свои сумки.
Но на самом деле я здесь не для того, чтобы увидеть башню. Всего в двадцати минутах езды на машине от Пизы, в красивой сельской местности Тосканы есть деревня Санто-Стефано-а-Мачерата, а рядом с ней – необычная научная достопримечательность: две невысокие полуцилиндрические галереи длиной по три километра каждая. Сверху галереи выкрашены в немыслимый голубой цвет со светлофиолетовым оттенком и почти сливаются с небом. (“Цвет перванш”, – слышу я слова другого посетителя, и он прав.) Расположенные в поле под прямым углом друг к другу, галереи с небольшими мостиками над ними тянутся до виднеющегося вдали горного хребта. Летящему над ними дрону они будут видны как гигантская латинская буква L. Это интерферометр Virgo, входящий в Европейскую гравитационную обсерваторию. Интерферометр назван так в честь скопления галактик Virgo (“Дева”). Это скопление, состоящее из примерно 1500 галактик, расположено в созвездии Дева, на расстоянии около 50 миллионов световых лет от Земли.
Строительство Virgo началось в 1996 году. Детектор находится в ведении научно-исследовательской группы ученых из Франции, Италии, Нидерландов, Польши и Венгрии, хотя примерно половина операционных расходов приходится на Францию и Италию. По словам сопровождавшего меня физика-экспериментатора Валерио Воски, это не самое подходящее для детектора место. Virgo находится слишком близко и к Средиземному морю, и к городу Пиза – источникам сейсмических возмущений, создающих помехи. Чтобы уловить невероятно слабый сигнал от идущих к нам из космоса гравитационных волн, очень важно минимизировать подобный шум. Однако, когда Virgo только планировался, важнее было отыскать достаточно большой участок земли для постройки интерферометра с длиной плеча три километра. Чтобы выкупить землю для строительства, финансирующим проект французскому Национальному центру научных исследований и итальянскому Национальному институту ядерной физики пришлось договариваться с большим числом фермеров.
Окончательная стоимость работ, завершившихся в 2003 году, составила около 250 миллионов евро (для сравнения: стоимость двух близнецов-детекторов LIGO – порядка 600 миллионов евро). За последние несколько лет после регистрации гравитационных волн число посетителей, желающих взглянуть на этот “прибор”, резко возросло. Директор Европейской гравитационной обсерватории Ставрос Кацаневас рассказывает: “В 2015 году у нас побывало около тысячи человек, в 2016-м уже две тысячи, а сейчас, в 2019-м, восемь тысяч посетителей. Нам все труднее и труднее с этим справляться!” В самом деле, в день моего посещения я сама видела три группы, приехавшие на припаркованных рядом туристических автобусах: две группы школьников и одна – студентов университета.
Быстро осмотрев информационный центр для посетителей, я в сопровождении многочисленных, снующих в траве ящериц направилась к одной из двух полуцилиндрических галерей и вошла внутрь. В обеих галереях размещены длинные, идентичные, очень хорошо экранированные трубы диаметром 120 сантиметров, где установлены приборы, работающие в сверхвысоком вакууме. Детекторы Virgo и LIGO должны регистрировать волны в частотном диапазоне от 10 до 10000 герц (10 кГц), и принципы их работы очень схожи. Когда я вошла в небольшое помещение в месте соединения труб, меня попросили ступать очень осторожно, чтобы во время работы не слишком сотрясать пол. Здесь находится лазер, луч которого разделяется пополам. Каждая из “половинок” луча точно в одно и то же время посылается в дальний конец каждого из перпендикулярных плеч, где попадает на зеркало. Зеркала Virgo присоединены к специальному подвесу (его прототип демонстрируется у входа в главное здание). Это очень чувствительный механизм, гасящий, насколько возможно, любые возмущения, способные раскачать зеркало. Их источниками могут быть как, например, землетрясение, так и проходящий мимо трактор. Это удивительно простая система, состоящая из подвешенных один под другим грузов, которые компенсируют любые возмущения.
“Это похоже на эксперимент, который мы предлагаем провести детям, – говорит мне Боски. – Если наполнить водой бутылку и подвесить ее, затем добавить снизу еще одну бутылку, ниже еще одну и так далее, то, начав раскачивать всю эту конструкцию, вы увидите, что из самой нижней бутылки не выльется ни капли воды, даже если сверху отклонение очень сильное”.
Система LIGO, где больше активных элементов, несколько отличается от системы Virgo.
Луч лазера падает на зеркало и отражается обратно. Это повторяется четыреста раз: за счет многократных отражений пройденное лучом расстояние увеличивается с 3 до 1200 километров. Когда наконец происходит воссоединение двух лучей, ученые анализируют результат. Если гравитационных волн не было, то лучи возвращаются в то место, где они разделились, точно в одно и то же время, – и значит, интерференции нет. Однако, если через детектор проходит гравитационная волна, имеет место локальное, очень небольшое возмущение пространства-времени, которое люди ощутить не могут. Близнецы-детекторы LIGO и Virgo могут воспринимать только волны очень высокой, пропорциональной длине их плеч частоты.
Е[ри прохождении гравитационной ряби одна из двух галерей или чуть удлиняется, или чуть укорачивается. Е[ри этом разница длин меньше, чем одна десятитысячная диаметра такой субатомной частицы, как протон. Когда одно из плеч становится короче, другое становится длиннее, а затем они меняются ролями. Величина удлинения или сокращения плеча зависит от амплитуды волны – максимального смещения из положения равновесия, или, иначе говоря, расстояния от положения равновесия до гребня волны. Изменение длины пути лазерного луча приводит к тому, что отраженный свет движется слегка не в фазе со светом источника. Иначе говоря, время возвращения каждого из двух лучей к источнику слегка различается18.
Затем ученые тщательно измеряют амплитуду и частоту сдвига фаз, что позволяет изучать свойства гравитационной волны. Когда зарегистрированный сигнал анализируется с учетом результатов, полученных на других детекторах, ученые могут определить местоположение источника этих волн – далекой космической катастрофы, вызвавшей возмущение пространства-времени. Чем больше детекторов будет установлено в разных точках по всему миру, тем точнее будет результат. Сегодня определение местоположения всех источников гравитационных волн включает координацию данных детектора Virgo и двух детекторов LIGO. Вскоре им на помощь придут сходные детекторы в Японии[3] и Индии, что позволит гораздо точнее определять местоположение источников.
Новое поколение детекторов, таких как Einstein Telescope и Cosmic Explorer, должно быть гораздо чувствительнее Virgo и LIGO. Сейчас эти проекты находятся в стадии разработки, но планируется, что плечи расположенного под землей детектора Einstein Telescope будут десятикилометровой длины, а детектора колоссальной наземной обсерватории Cosmic Explorer — сорокакилометровой длины. Эти детекторы будут настолько чувствительны и точны, что смогут регистрировать гравитационные волны, исходящие от начавших сближение нейтронных звезд, которых еще миллионы лет отделяют от слияния и образования пульсара, такого, какой по косвенным признакам обнаружили Халс и Тейлор.
За семнадцать лет до открытияПосле запуска LIGO и Virgo прошло около десяти лет, но результатов не наблюдалось. С самого начала ученые считали, что подобное возможно, и поэтому всегда существовали планы существенной модернизации детекторов. В 2010 году и LIGO, и Virgo были остановлены. После пяти лет и 620 миллионов потраченных долларов гравитационный телескоп Advanced LIGO (“усовершенствованный LIGO”) приступил к наблюдениям. Его тестирование началось в феврале 2015 года, а официальный старт наблюдательного цикла был дан 18 сентября 2015-го. Теперь чувствительность двух новых установок LIGO стала примерно в четыре раза выше, чем в исходном варианте.
Первая модернизация Virgo прошла в 2011 году, и его чувствительность увеличилась в десять раз. А затем его остановили опять, чтобы еще раз существенно усовершенствовать. Так Virgo превратился в Advanced Virgo — детектор, начавший сбор данных в августе 2017 года. До этого наблюдения самостоятельно вели два детектора LIGO.
Модернизация и предшествующие годы усилий окупились сполна еще до того, как формально (Advanced) LIGO запустили повторно. 14 сентября 2015 года LIGO, еще не отлаженный полностью, вошел в историю. Детектор LIGO уловил гравитационный сигнал, источником которого служило столкновение двух черных дыр звездных масс – или, говоря по-научному, “слияние двойной черной дыры” – на расстоянии около 1,3 миллиарда световых лет от Земли. Сообщение об этом сенсационном открытии (которому предшествовало множество слухов в социальных сетях) было сделано через несколько месяцев, и февраля 2016 года, и слова “регистрация”, “гравитационные волны”, “LIGO” и “Эйнштейн” замелькали в прессе, они доминировали в неформальных разговорах ученых и даже на семейных обедах. В следующем году Вайсс, Торн и Бэриш разделили Нобелевскую премию, присужденную им за это открытие.
Однако Марика Бранчези уже строила планы, существенным образом расширявшие рамки научного значения первого зарегистрированного слияния черных дыр. В 2012 году, вернувшись в Италию после краткосрочной научной работы в Соединенных Штатах, она получила грант на проект, казавшийся в то время почти невероятным. Бранчези хотела убедить коллег, занятых (тогда только теоретически) вопросом обнаружения гравитационных волн, начать взаимодействие с астрономами, которые работают более традиционными методами и исследуют весь электромагнитный спектр излучения – свет, рентгеновские и гамма-лучи.
Таким образом, рассуждала она, как только будут обнаружены гравитационные волны, появится возможность наблюдать их источники и другими методами, перехватывая различных дальних космических “посланников”, сигнализирующих об одном и том же событии. Позже этот подход назовут многоканальной астрономией.
Однако в то время многие астрономы сомневались, что вообще когда-либо удастся наблюдать гравитационные волны непосредственно. “Идея совместной работы астрономов и исследователей гравитационных волн казалась им странной”, – говорит Бранчези. Дело не в том, что ученые не верили в существование гравитационных волн – в этом мало кто сомневался. Они должны существовать. Структура уравнений Эйнштейна требует их наличия, так что все были согласны с тем, что мощный катаклизм должен возмущать пространство-время и служить источником гравитационной ряби.
Но Бранчези в первую очередь интересовали не сами гравитационные волны. Она хотела выяснить, что еще можно узнать о событиях, которые их вызывают. LIGO и Virgo были ей нужны, чтобы зарегистрировать волну и приблизительно определить место, откуда та пришла. Тогда телескопы, ведущие наблюдение в электромагнитном спектре, смогут сразу развернуться в нужном направлении и проверить, можно ли увидеть что-нибудь еще. Если астрономы непосредственно за гамма-вспышкой зафиксируют послесвечение, соответствующее космической катастрофе, которая предположительно вызвала гравитационную волну, у них будет доказательство того, что гравитационное возмущение распространяется со скоростью света. Это будет подтверждением предсказания, сделанного Эйнштейном сто лет назад. У них также будет возможность исследовать природу источника гравитационной волны, его окружение и механизмы, благодаря которым высвобождается такая невероятно большая энергия. Интенсивность электромагнитного излучения черных дыр крайне низка: после коллапса чрезвычайно массивных звезд остаются только гравитационные поля, и никакая материя не может выйти за их пределы, чтобы излучать свет. Поэтому черные дыры – не слишком подходящий объект для оптических телескопов.
А что, если это будут нейтронные звезды? В 2010 году астрофизик Брайан Метцгер из Колумбийского университета пришел к выводу, что столкновение этих объектов большой плотности будет сопровождаться не только возмущением пространства-времени и возбуждением гравитационных волн, но и образованием килоновой. Это вспышка, яркость которой порядка одной сотой яркости сверхновой, и ее должно быть видно с помощью оптического телескопа. Согласно его расчетам, килоновая образуется в горячем облаке радиоактивных осколков – вещества, выброшенного при столкновении и в результате радиоактивного распада тяжелых элементов, синтезированных при слиянии. В довершение всего, столкновение приведет и к кратковременной вспышке гамма-излучения – короткому гамма-всплеску (SGRB, Short Gamma-Ray Burst).
Тогда послесвечение гамма-вспышки должно быть видно в радио-, рентгеновском, а в конце концов даже в оптическом диапазоне, что позволит астрономам точно узнать, куда и когда следует смотреть.
Непросто собрать вместе ученых, работающих в разных областях науки. В этом случае задача оказалась особенно сложной: гравитационные волны все еще оставались только на бумаге, а оптические наблюдения – наука, существовавшая с древних времен. “Астрономы скептически отнеслись к возможности увидеть электромагнитное проявление гравитационных волн. Они считали, что зарегистрировать гравитационные волны слишком сложно, – говорит Бранчези. – Многие были настроены довольно пессимистически”. Обычно исследователи вынуждены бороться за время работы на мощных телескопах, так зачем же тратить эту ценную возможность на поиск побочного эффекта невероятно слабых волн, когда никто не гарантирует, что их вообще удастся обнаружить? Бранчези вспоминала конференции, в которых она принимала участие, где ощущала себя абсолютно беспомощной, поскольку астрономы смотрели на нее невидящими глазами или не смотрели вообще.
До того, как в 2012 году начались консультации по этому вопросу, около года ушло на обсуждения и обмен электронными письмами. Затем Бранчези, которая к тому времени стала сопредседателем группы, отвечавшей за мониторинг электромагнитного излучения, и несколько ее коллег, тоже веривших в многоканальную астрономию, на различных мероприятиях стали вести переговоры со многими астрономами. Одного за другим они уговаривали их присоединиться к сообществу LIGО/Virgo и подготовиться к возможной в будущем регистрации прохождения гравитационных волн. “Марика всегда говорила, что это действительно то, во что стоит вкладывать время и силы. Она убеждала нас: информация, полученная с помощью LIGO и Virgo, достоверна и надежна, на нее всегда можно рассчитывать, – говорит астроном из Университета Квинс в Белфасте Стивен Смартт. – Марика оказалась великолепным посредником, умела добиться того, чтобы сотрудники LIGO понимали, чего хотим мы, а мы понимали научное содержание информации, которую получали от LIGO”.
Сегодня международное научное сообщество LIGO насчитывает около тысячи двухсот ученых, работающих более чем в сотне научных учреждений из восемнадцати стран, и еще пятьсот человек входят в сообщество Virgo. Эти две организации работают в тесном контакте, сотрудничают более чем с двумя тысячами астрономов из тридцати пяти научных центров в одиннадцати странах. Расчет Бранчези оказался абсолютно точным.
Еще в 2012 году ученые из обсерватории LIGO настояли на том, что всякий астроном, присоединившийся к сообществу, должен подписать меморандум о сотрудничестве. Он должен согласиться с тем, что любые результаты наблюдений сначала становятся известны только членам сообщества и широко не распространяются. Это нужно для того, чтобы у всех было достаточно времени закончить свои измерения, проанализировать их, а затем опубликовать одновременно со всеми19. Ученые проявляли все больший интерес к подобным исследованиям, особенно после того, как наконец заработал детектор Advanced LIGO. Но даже после регистрации слияния нескольких черных дыр лишь немногие считали, что обнаружить гравитационные волны от слияния нейтронных звезд удастся до 2020 или 2021 года, когда после очередной модернизации чувствительность LIGO и Virgo поднимется на более высокий уровень.
Тем не менее ученые, согласившиеся принять участие в исследованиях по многоканальной астрономии, были готовы действовать. Когда в сентябре 2015 года Advanced LIGO начал первый наблюдательный сеанс, начеку были около восьмидесяти групп в разных уголках мира. Всего через несколько дней поступила информация о первом открытии – слиянии черных дыр, и сразу более двухсот телескопов развернулись туда, где это произошло. Они ничего не увидели – черные дыры свет не излучают. (Хотя есть теоретическая возможность того, что слияние двойных черных дыр может сопровождаться электромагнитным излучением.) Но главное, стало понятно: для получения информации о космическом событии астрономическое сообщество может координировать работу разных приборов – лазерных интерферометров LIGO и Virgo, детекторов высокоэнергетических нейтрино обсерватории IceCube под толщей антарктического льда и всех телескопов, способных улавливать любое электромагнитное излучение от любого внеземного источника. Бранчези рассказывает: “Наблюдение слияния черных дыр показало, что астрономы подготовились к таким исследованиям”. Теперь “поимка” гравитационного сигнала, сопровождаемого электромагнитным излучением, стала просто вопросом времени. Итак, они заняли выжидательную позицию, причем большинство считало, что ждать придется около десяти лет.
Две недели до открытияОбычно август – месяц тихий, во всяком случае для ученых, работающих в Северном полушарии. Многие из них, как и все остальные, предпочитают уехать в это время на неделю или две куда-нибудь к морю или в горы. А в августе 2017-го и работу LIGO планировалось приостановить почти на два года. Близился к концу его второй наблюдательный сеанс, продолжавшийся с конца предыдущего года.
Однако Virgo только приступил к работе после очередной модификации, присоединившись наконец 1 августа к двум детекторам LIGO. Исследователи группы Virgo торопились завершить модернизацию своего детектора, чтобы хоть несколько недель поработать совместно с LIGO. Когда 14 августа три детектора первый раз работали одновременно, они зарегистрировали восьмое по счету слияние двойной черной дыры, и именно эти данные Бранчези анализировала тем жарким днем в Урбино20. Оставалось всего около двух недель до конца сеанса наблюдений, который планировался на 25 августа. Команды LIGO и Virgo начали сворачивать работы. Они были измучены как лихорадочной рутиной еженедельных, а часто и ежедневных телеконференций с членами сообщества, так и круглосуточными сменами, позволявшими отслеживать события в реальном времени. В течение нескольких месяцев, когда автоматические оповещения приходили даже среди ночи, Бранчези должна была сразу оценить, надо ли проводить дальнейшие наблюдения.