Гравитационные волны — это дрожь самого пространства. Массивные тела, разгоняясь, раскачивают его, как камень раскачивает воду, и рябь расходится по Вселенной со скоростью света. Эйнштейн предсказал их за век до того, как люди научились такое ловить. А потом выяснилось, что в этой ряби можно расслышать, как рождается золото.
Что произошло 17 августа 2017 года
Днем 17 августа 2017 года три детектора почти одновременно дрогнули. Сперва американские установки LIGO в Хэнфорде и Ливингстоне, следом европейский Virgo под Пизой. Сигнал шел около ста секунд — очень долго по меркам гравитационной астрономии. Черные дыры, которые ловили раньше, сливаются за доли секунды. Здесь же два тела кружились друг вокруг друга, сближаясь по спирали, и частота их обращения нарастала до самого конца.
Через полторы секунды после того, как сигнал оборвался, космические гамма-обсерватории поймали короткую вспышку. Совпадение по времени было слишком точным для случайности.
Дальше началось то, чего в астрономии до тех пор не случалось. Тревогу разослали по всему миру, и за источником охотились больше семидесяти обсерваторий на всех континентах, включая Антарктиду. Через одиннадцать часов его нашли: галактика NGC 4993 в созвездии Гидры, примерно сто тридцать миллионов световых лет от Земли.
Что такое нейтронные звезды и почему они столкнулись
Нейтронная звезда — то, что остается от массивной звезды после взрыва сверхновой. Ядро схлопывается под собственной тяжестью, электроны вдавливаются в протоны, и получается шар почти из чистых нейтронов.
Масштабы тут за гранью привычного. В объекте размером с крупный город, километров двадцать поперек, упаковано вещества больше, чем в Солнце. Чайная ложка такой материи весила бы на Земле около миллиарда тонн. Сталкиваются они потому, что теряют энергию. Двойные системы из нейтронных звезд встречаются нередко, и, обращаясь друг вокруг друга, партнеры излучают гравитационные волны. Волны уносят энергию, орбита медленно сжимается. Процесс тянется сотни миллионов лет и заканчивается за считаные секунды. Если вы хотите разобраться чуть больше в этой теме, у нас уже есть отдельный материал о нейтронных звездах.
Как ученые «услышали» космическое столкновение
Детектор гравитационных волн устроен обманчиво просто. Это два вакуумных тоннеля длиной по четыре километра, расположенных под прямым углом. По ним гоняют лазерный луч и следят, одинаковое ли расстояние он проходит в обоих плечах. Проходящая волна на мгновение растягивает одно плечо и сжимает другое. Величина эффекта чудовищно мала: смещение измеряется тысячными долями размера атомного ядра. Отсюда и все сложности — установку приходится изолировать от каждой проезжающей машины, сейсмики, теплового движения атомов в зеркалах.
Интересно и то, что группа с кафедры физики колебаний физфака МГУ под руководством Валерия Митрофанова входит в коллаборацию LIGO и занимается как раз этим: механикой подвесов и борьбой с шумами, которые мешают расслышать сигнал.
Второй вклад пришел из ГАИШ МГУ. Глобальная сеть телескопов-роботов МАСТЕР, созданная под руководством Владимира Липунова, работает по гравитационным тревогам автоматически: получив координаты области поиска, телескопы сами начинают ее прочесывать. В августе 2017-го МАСТЕР независимо обнаружил оптический источник — ту самую вспышку, которую позже назовут килоновой.
Что произошло после столкновения
Место столкновения светилось еще неделями, и это свечение оказалось главным призом. Вспышку такого рода называют килоновой. При слиянии наружу выбрасывается вещество, богатое нейтронами, — по оценкам, около десяти земных масс. В облаке идет быстрый захват нейтронов, и за секунды рождаются тяжелые элементы: золото, платина, редкоземельные металлы.
До 2017 года это оставалось гипотезой. GW170817 превратил ее в наблюдение: в спектре вспышки увидели ровно то, что предсказывала теория. Золото в обручальном кольце и правда родилось при столкновении звездных остатков.
Открытие закрыло и другой давний вопрос. Короткие гамма-всплески десятилетиями не имели внятного объяснения. Теперь стало ясно, что как минимум часть из них порождают именно слияния нейтронных звезд.
Заодно проверили физику. Гравитационная волна и свет пришли практически одновременно, пройдя сто тридцать миллионов лет пути. Значит, гравитация распространяется со скоростью света с чудовищной точностью — ровно как требует общая теория относительности.
А еще событие дало новый способ мерить Вселенную. Гравитационный сигнал сам по себе сообщает расстояние до источника, безо всяких промежуточных ступеней, и по нему независимо посчитали постоянную Хаббла — скорость расширения космоса.
С того дня в астрономии появилось направление, которого раньше просто не существовало: многоканальная астрономия, где одно событие изучают сразу гравитационными волнами, светом всех диапазонов и частицами.
Ранее мы рассказывали о Людмиле Черных — астрономе, открывшей сотни астероидов.