Как учёные услышали столкновение чёрных дыр
В далёкой галактике столкнулись две чёрные дыры, и Вселенная вздрогнула. Спустя 1,3 миллиарда лет это лёгкое дрожание поймали на Земле приборы размером с целый завод. Так человечество впервые услышало звук космической катастрофы.
Где-то очень далеко две чёрные дыры закрутились в смертельном танце и слились в одну. Этот толчок породил волну, которая мчалась сквозь космос 1,3 миллиарда лет. А 14 сентября 2015 года она добралась до Земли — и мы её услышали. Как вообще можно услышать то, что не издаёт звука?
Вселенная — это батут
Чтобы понять открытие, забудь на минутку про звёзды и представь обычный батут. Натянутая ткань — это пространство-время, та самая ткань Вселенной, о которой говорил Эйнштейн. Положи на батут тяжёлый шар для боулинга — ткань прогнётся. Вот так массивные объекты вроде Солнца искривляют пространство вокруг себя, и поэтому планеты крутятся по орбитам: они просто скатываются по этой воронке.
А теперь представь, что ты схватил два шара и начал бешено вращать их по этому батоту друг вокруг друга, всё быстрее и быстрее. По ткани побегут рябь и волны, расходясь во все стороны. Именно это и есть гравитационные волны — колебания самого пространства-времени. Эйнштейн предсказал их ещё в 1916 году, но сам сомневался, что их когда-нибудь удастся поймать. Слишком уж они слабые.
Самая громкая тишина во Вселенной
Чёрные дыры — это объекты, из которых не может вырваться даже свет. Они невидимы в прямом смысле слова: ни телескоп, ни глаз их не разглядят. Но когда две чёрные дыры сближаются, они начинают вращаться вокруг общего центра, разгоняясь почти до скорости света, и в последнюю долю секунды сливаются в одну. В этот момент пространство-время сотрясается так, что волны расходятся через всю Вселенную.
В тот сентябрьский день столкнулись две чёрные дыры массой примерно в 36 и 29 раз больше Солнца. Слившись, они образовали одну дыру массой около 62 солнечных — а недостающие три солнечные массы превратились в энергию гравитационных волн.
Три массы Солнца, испарившиеся за доли секунды! На краткий миг это столкновение излучало больше энергии, чем все звёзды наблюдаемой Вселенной вместе взятые. И всё это — в полной тишине, ведь в космосе нет воздуха, чтобы переносить звук. Волны несли не звук, а саму дрожь пространства.
Как поймать дрожь пространства
Проблема в том, что к Земле гравитационная волна приходит чудовищно ослабленной. Она растягивает и сжимает всё на своём пути, но настолько слабо, что заметить это почти невозможно. Чтобы её уловить, учёные построили детектор LIGO — две гигантские буквы «Г», у каждой по две трубы длиной четыре километра, расположенные в разных штатах США.
Внутри по трубам летят лазерные лучи, отражаются от зеркал и возвращаются обратно. Если волна проходит сквозь Землю, она чуть-чуть растягивает один тоннель и сжимает другой — и лучи возвращаются не совсем в такт. Вот насколько крошечное это «чуть-чуть»:
- пространство меняется на расстояние меньше, чем одна тысячная диаметра протона — частицы внутри атома;
- это всё равно что измерить расстояние до ближайшей звезды с точностью до толщины человеческого волоса;
- чтобы такое заметить, прибор должен быть самым чувствительным инструментом, который когда-либо строил человек.
Чтобы случайно не принять за сигнал проезжающий грузовик или землетрясение, детекторов сделали два, за тысячи километров друг от друга. Настоящая космическая волна проходит сквозь всю планету и задевает оба прибора почти одновременно — а вот местная тряска так не умеет.
Семь миллисекунд, изменившие науку
14 сентября 2015 года сигнал пришёл сначала на детектор в Луизиане, а через семь тысячных долей секунды — на детектор в штате Вашингтон. Ровно столько времени волне понадобилось, чтобы пересечь Землю. Это была не случайная помеха, а тот самый «звук» столкновения, которое произошло 1,3 миллиарда лет назад, когда на Земле ещё не было даже сложной жизни.
Учёные перевели колебания приборов в звук, который можно услышать ушами, — и получился короткий нарастающий писк, похожий на щебет птицы. Его так и назвали — «чирп». Этот тихий «чирп» стал первым прямым доказательством того, что гравитационные волны существуют. За это открытие в 2017 году дали Нобелевскую премию по физике.
Новые уши Вселенной
Почему это так важно? Раньше мы изучали космос только глазами — через свет, который ловят телескопы. Но чёрные дыры света не дают, и для обычных телескопов их столкновения остаются невидимками. Гравитационные волны открыли совершенно новый способ наблюдать Вселенную — не смотреть на неё, а слушать.
Представь, что всю жизнь ты смотрел немое кино, а теперь у фильма вдруг появился звук. Именно это и случилось с астрономией. С 2015 года учёные поймали уже сотни гравитационных сигналов — от столкновений чёрных дыр и нейтронных звёзд. Каждый такой сигнал рассказывает о событиях, которые иначе мы бы никогда не заметили. Вселенная всегда «звучала» — просто до недавнего времени нам было нечем её слушать.