Кип Торн - Черные дыры и складки времени. Дерзкое наследие Эйнштейна

• Название: Черные дыры и складки времени. Дерзкое наследие Эйнштейна
• Автор: Кип Торн
• Издательство: Издательство физико-математической литературы
• Жанр: Науки о космосе
• Год: 2007
• ISBN: 9875-94052-144-4

Предлагаемая монография является популярным изложением новейших достижений в области астрофизики и гравитации, которые тесно связаны с фундаментальными предсказаниями А. Эйнштейна. Читатель найдет в книге много интересного о вкладе ученых разных стран в эту область науки, а также в близких к ней областях.

Эта книга переведена с английского на французский, немецкий, японский, китайский, польский, греческий языки. Несколько глав ее были ранее переведены на русский и опубликованы в журнале «Природа».

Книга рассчитана на широкий круг читателей, включая школьников старших классов.

---

Во-вторых, даже если бы твердотельные антенны смогли обнаружить гравитационные волны, с помощью них было бы невероятно трудно раскодировать переносимые волнами сигналы симфоний, фактически, им бы это сделать не удалось. Причина была проста: так же как камертон или бокал откликаются в унисон только на звук, частота которого близка к его собственной частоте, так и болванка откликается только на гравитационные волны, частота которых находится около ее собственной частоты. Говоря на техническом языке, твердотельный детектор является узкополосным (слово полоса здесь означает диапазон частот, на которые откликается детектор). Но информация о симфониях слияния должна обычно кодироваться в очень широкой полосе частот. Чтобы выделить эту информацию, потребовалось бы создать «ксилофон» из многих болванок, каждая из которых покрывает свой крошечный интервал частот сигнала. Сколько твердотельных детекторов потребуется для такого ксилофона? Для того типа антенн, которые тогда разрабатывались и строились, — несколько тысяч — слишком много, чтобы такое решение было практичным. В принципе, существовала возможность расширить частотный диапазон таких детекторов и обойтись, тем самым, скажем, десятком болванок, но это потребовало бы куда большего прогресса в технике, чем даже достижение чувствительности в 10-21.

Хотя в 1980-х я воздерживался от публичных высказываний, отражающих мой пессимистичный взгляд, сам я рассматривал ситуацию как трагичную, поскольку Вебером, Брагинским и многими моими другими друзьями было вложено в твердотельные детекторы так много усилий, а также потому, что я был убежден, что гравитационное излучение потенциально может перевернуть наши представления о Вселенной.

LIGO

Чтобы понять, к какому перевороту может привести детектирование и дешифровка гравитационных волн, вспомним детали предыдущих переворотов: тех, которые были вызваны развитием рентгеновских и радиотелескопов (главы 8 и 9).

В 1930-х, до появления радиоастрономии и рентгеновской астрономии, наши знания о Вселенной появлялись почти исключительно благодаря свету. Свет показывал нам тихую и статичную Вселенную, в которой доминировали звезды и планеты, мирно передвигающиеся по своим орбитам и светящие ровным светом, Вселенную, в которой на изменения требуются миллионы и миллиарды лет.

Это представление о спокойной Вселенной вдребезги разбилось в 1950-х, 1960-х и 1970-х, когда радиоволны и рентгеновские лучи показали нам бурную сторону нашей Вселенной: струи, извергаемые из галактических ядер, квазары с меняющейся яркостью, более яркие, чем наша галактика, пульсары с мощными лучами, бьющими из поверхности и вращающимися с высокой скоростью. Самые яркие объекты, наблюдаемые в оптические телескопы, — это Солнце, планеты и несколько ближайших статичных звезд. Самыми яркими объектами, видимыми с помощью радиотелескопов, являются мощные взрывы в ядрах удаленных галактик, обеспечиваемые энергией (вероятно) гигантских черных дыр. Самыми яркими объектами для рентгеновских телескопов являются малые черные дыры и нейтронные звезды, отбирающие горячий газ у своих компаньонов в двойной системе.

Что такого особенного в радиоволнах и рентгеновских лучах, что позволило им совершить такой впечатляющий переворот? Ключевым является то, что они обеспечили нас совершенно другим видом информации, чем та, которую приносит свет: свет с длиной волны в полмикрона излучается в первую очередь атомами, находящимися в атмосферах звезд и планет, и поэтому рассказывает нам об этих атмосферах. Радиоволны, имеющие в 10 миллионов раз большую длину волны, излучаются в основном электронами, обращающимися по спиралям с околосветовыми скоростями в магнитных полях, и поэтому сообщают нам о замагниченных струях, извергаемых из ядер галактик, о гигантских магнитных межгалактических лепестках, созданных струями и о магнитных лучах пульсаров. Рентгеновские лучи, имеющие длины волн в тысячи раз более короткие, чем свет, излучаются в основном электронами сверхгорячего газа, падающего на черные дыры и нейтронные звезды, и поэтому говорят нам непосредственно об аккрецирующем газе и косвенно о черных дырах и нейтронных звездах.

Разница между светом, с одной стороны, и радиоволнами и рентгеновскими лучами меркнет по сравнению с отличиями между электромагнитными волнами (видимым, инфракрасным, ультрафиолетовым светом, радиоволнами, рентгеновскими и гамма-лучами) современной астрономии и гравитационными волнами. Соответственно, гравитационные волны должны привести к революции в нашем понимании Вселенной даже большей, чем совершили радиоволны и рентгеновские лучи. Среди отличий между электромагнитными и гравитационными волнами и их следствиями можно отметить следующие[103]:

• Гравитационные волны должны сильнее всего излучаться крупномасштабными когерентными колебаниями кривизны пространства-времени (например, в результате столкновения и слияния двух черных дыр) и крупномасштабными перемещениями гигантских объемов материи (например, при схлопывании ядра звезды, вызывающим образование сверхновой, или при сближении по спирали двух обращающихся вокруг друг друга нейтронных звезд). Поэтому гравитационные волны должны показать нам движения гигантских масс и гигантские кривизны. В отличие от этого, космические электромагнитные волны обычно излучаются по отдельности, огромным числом отдельных и независимых атомов или электронов, и эти отдельные электромагнитные волны, каждая из которых колеблется немного иначе, затем накладываются друг на друга, образуя суммарную волну, которую и наблюдают астрономы. В результате, в первую очередь мы узнаем от электромагнитных волн о температуре, плотности и магнитных полях, под действием которых находятся излучающие атомы и электроны.

• Гравитационные волны сильнее всего излучаются областями пространства с такой сильной гравитацией, что в них не работает описание Ньютона, которое поэтому должно быть заменено описанием Эйнштейна, т. е. областями, в которых движутся, колеблются и сворачиваются с околосветовыми скоростями гигантские объемы материи и пространственно-временной кривизны. Примерами могут служить Большой взрыв, породивший нашу Вселенную, столкновения черных дыр и пульсации новообразованных нейтронных звезд в центре взрывов сверхновых. Поскольку эти области сильной гравитации обычно окружены плотными слоями вещества, поглощающего электромагнитные волны (но не поглощающего гравитационные), области с сильной гравитацией не могут нам их посылать. Электромагнитные волны, которые видят астрономы, следовательно, почти полностью приходят из областей со слабой гравитацией, где скорости невелики, например, с поверхностей звезд и сверхновых.

Эти отличия предполагают, что те объекты, симфонии которых нам хотелось бы изучить с помощью гравитационно-волновых детекторов, будут практически не видны в видимом свете, радиоволнах и рентгене, а объекты, которые астрономы изучают сейчас в световом, рентгеновском и радиодиапазонах, будут почти не видны с помощью гравитационных волн. Гравитационная Вселенная должна выглядеть абсолютно не так, как выглядит электромагнитная Вселенная; гравитационные волны должны научить нас тому, что мы никогда не узнаем от волн электромагнитных. Именно поэтому гравитационные волны должны вызвать революцию в наших представлениях о Вселенной.

Можно оспорить это утверждение, сославшись на то, что наше теперешнее, основанное на электромагнитных волнах понимание Вселенной настолько полнее того, что у нас было в 1930-х, что гравитационно-волновая революция не будет такой впечатляющей, как переворот, вызванный радио и рентгеновскими волнами.

Мне это кажется сомнительным. Я болезненно чувствую недостаточность нашего понимания, когда оцениваю печальное состояние сегодняшних оценок силы гравитационных волн, в которых купается Земля. Для каждого типа гравитационно-волновых источника, который когда-либо предлагался, за исключением, разве, слияния обычных двойных звезд, либо при заданном расстоянии сила гравитационного излучения имеет неопределенность на несколько порядков, либо также на несколько порядков различаются оценки частоты встречаемости таких источников (а тем самым, и возможное расстояние до ближайшего из них). Часто неопределенной является даже сама возможность существования таких источников.

Эти неопределенности вызывают значительные неудобства при планировании и разработке гравитационно-волновых детекторов. Это отрицательная сторона. Положительная сторона заключается в том, что когда гравитационные волны, наконец, будут обнаружены и изучены, мы, может быть, будем вознаграждены многими сюрпризами.

* * *

В 1976 г. я еще не был так пессимистически настроен по поводу твердотельных детекторов. Наоборот, я был в высшей степени оптимистичен. Первое поколение детекторов недавно дало первые результаты и имело чувствительность, которая была замечательно хорошей по сравнению с тем, что можно было раньше предполагать. Брагинский и другие изобрели множество умных и обещающих идей для колоссального улучшения в будущем, а я, как и многие другие, только начинал понимать, что гравитационным волнам предстоит сделать революцию в нашем понимании Вселенной.