Будущее гравитационно-волновой астрономии: какое оно?

После включения в сентябре 2015 года двойная обсерватория LIGO — детекторы Laser Interferometer Gravitational-wave Observatories в Ханфорде, штат Вашингтон, и Ливингстоне, штат Луизиана — одновременно обнаружили слияние двух черных дыр в первую же рабочую сессию, хотя их чувствительность была установлена на 30% от возможной. Слияние двух черных дыр массой в 36 и 29 солнечных, обнаруженное 14 сентября 2015 года, и других черных дыр в 14 и 8 солнечных масс, обнаруженное 26 декабря 2015 года, обеспечило первое определенное и прямое подтверждение существования гравитационных волн. Потребовалось целое столетие, чтобы это сделать. Наконец технологии смогли проверить теорию и подтвердить ее.

Но обнаружение этих волн только начало: в астрономии назревает новая эпоха. 101 год назад Эйнштейн выдвинул новую теорию гравитации: общую теорию относительности. Вместе с ней пришло осознание: далекие массы не притягивают подобные мгновенно по всей вселенной, это присутствие материи и энергии деформирует ткань пространства-времени. Эта совершенно новая картина гравитации принесла с собой целый ряд неожиданных последствий, включая гравитационное линзирование, расширяющуюся Вселенной, гравитационное замедление времени и — как мы теперь знаем наверняка — существование нового типа излучения: гравитационных волн. Когда массы движутся или ускоряются относительно друг друга через пространство, реакция самого пространства порождает рябь. Эта рябь движется через пространство со скоростью света и, попадая в итоге в наши детекторы, сообщает нам о далеких событиях посредством гравитационных волн.

Проще всего обнаружить объекты, которые испускают сильные сигналы, а именно:

• крупные массы,
• расположенные на небольшом расстоянии между собой,
• быстро вращающиеся,
• со значительно меняющимися орбитами.

Лучшими кандидатами, очевидно, являются сталкивающиеся, коллапсирующие объекты вроде черных дыр и нейтронных звезд. Нам также стоит иметь в виду частоту, на которой мы можем обнаружить эти объекты, которая будет примерно равна длине пути детектора (длина рукава, умноженная на число отражений), разделенной на скорость света.

LIGO, с ее 4-километровыми рукавами с тысячами отражений света, может видеть объекты с частотами в миллисекундном диапазоне. Сюда входят сливающиеся черные дыры и нейтронные звезды на последней стадии слияния, а также экзотические события вроде черных дыр или нейтронных звезд, которые поглощают большой кусок вещества и переживают «бульк», становясь более сферическими. Сильно асимметричная сверхновая также может создать гравитационную волну; коллапс ядра вряд ли попадет в детекторы гравитационных волн, сливающиеся белые карликовые звезды неподалеку вполне могли бы.

Мы уже наблюдали слияния черных дыр с черными дырами, и по мере того, как LIGO совершенствуется, можно разумно предположить, что за следующие несколько лет у нас будет первое поколение оценок черных дыр звездных масс (от нескольких до сотни солнечных масс). LIGO также должна найти слияния нейтронных звезд с нейтронными звездами; когда обсерватории выйдут на запланированную чувствительность, они смогут наблюдать три-четыре события ежемесячно, если наши оценки частоты их слияния и чувствительности LIGO верны.

Асимметричные сверхновые и взбулькивания экзотических нейтронных дыр будет крайне интересно обнаружить (если удастся, ведь полагают, что это редкие события). Но самые большие прорывы стоит ожидать вместе с появлением большего числа детекторов. Когда детектор VIRGO в Италии начнет работать, станет возможно настоящее позиционирование за счет триангуляции: мы сможем точно определять, где в космосе рождаются эти события, а вслед за этим проводить и оптические измерения. За VIRGO последуют гравитационно-волновые интерферометры в Японии и Индии. Через несколько лет наше видение гравитационно-волнового неба выйдет на новый уровень.

Но самые большие успехи начнутся, когда мы выведем наши гравитационно-волновые амбиции в космос. В космосе вы не ограничены сейсмическим шумом, грохотом грузовиков или тектоникой плит; лишь тихий космический вакуум на фоне. Вы не ограничены кривизной Земли, возможной длиной рукавов обсерватории; можно вывести обсерваторию подальше от Земли или даже на орбиту вокруг Солнца. Мы могли бы измерять объекты уже не миллисекунды, а секунды, дни, недели или дольше. Мы могли бы обнаруживать гравитационные волны сверхмассивных черных дыр, включая крупнейшие из известных во Вселенной объекты.

Наконец, если мы построим достаточно большую и достаточно чувствительную космическую обсерваторию, мы могли бы увидеть гравитационные волны, оставшиеся от самого Большого Взрыва. Мы могли бы непосредственно обнаружить гравитационные возмущения космической инфляции и не только подтвердить наше космическое происхождение, но и доказать, что гравитация сама по себе является квантовой силой природы. В конце концов, эти инфляционные гравитационные волны не могли бы появиться, если бы гравитация сама по себе не была квантовым полем.

В настоящее время не утихают споры касательно того, какая миссия для NASA станет приоритетной в 2030-х годах. Хотя предлагают множество хороших миссий, отдельно стоит отметить строительство космической гравитационно-волновой обсерватории на орбите вокруг Солнца. У нас есть технология, мы доказали ее работоспособность, мы подтвердили существование волн. Будущее гравитационно-волновой астрономии ограничено лишь тем, что сама Вселенная может нам предоставить, и тем, как много мы на это потратим. Расцвет новой эпохи уже начался. Остается вопрос, насколько ярко засияет это новое поле астрономии.

Будущее гравитационно-волновой астрономии: какое оно?
Илья Хель