Обращенные к звездам. Прошлое, настоящее и будущее астрономии - Эмили Левеск

В тот августовский день во время затмения случилась еще одна счастливая неожиданность, хотя в то время об этом знало лишь небольшое число людей. Именно по этой причине, достав телефон вскоре после окончания затмения и листая фотографии полной фазы, которые друзья-астрономы по всей стране выкладывали в соцсети, я продолжала одним глазом проверять почту. И по этой же самой причине группа участников конференции по астрофизике высоких энергий, проходившей в городке Сан-Вэлли в штате Айдахо, радовалась возможности увидеть полное затмение во время рабочей поездки и одновременно сетовала на скорость интернета в глуши. Всего за четыре дня до затмения на Землю прибыл сигнал, не похожий ни на что, когда-либо обнаруженное нами раньше. Он пролетел 130 миллионов световых лет через космос и поверг астрономов в тихое безумие и хаос.

10

Контрольный груз

17 августа 2017 года, за четыре дня до солнечного затмения, мы с Дэйвом стояли в магазине в очереди за мороженым. Я решала, какое купить, одновременно переписываясь с папой, чтобы поздравить его с днем рождения, и рассказывала Дэйву, как я взволнована тем, что всего через несколько дней увижу свое первое полное затмение вместе с ним и остальной семьей.

В разгар переписки и изучения сортов мороженого я получила электронное письмо от Фила Мэсси. Мы по-прежнему работали вместе над красными сверхгигантами, и я знала, что в рамках одного из наших проектов наш общий коллега должен был вести наблюдение в ту ночь в Чили. Фил переслал мне срочное сообщение от другого астронома, Эдо Бергера, который заметил наши имена в расписании времени телескопа. Эдо умолял нас изменить планы наблюдений и вместо запланированных целей присоединить мощность нашего телескопа к масштабным поискам некоего нового странного объекта: все полушарие собиралось начать за ним охоту, как только станет достаточно темно.

Несколькими часами раньше Эдо отвлекло от заседания комиссии в Гарварде уведомление на телефоне. Он участвовал в специальном международном научном проекте, у которого был свой список рассылки, гарантировавший, что всех заинтересованных немедленно известят в случае определенного астрономического события. Уведомление, которого участники специального международного проекта ожидали годами, поступило около полудня по времени Восточного побережья США и сообщало о новом открытии в Южном полушарии. У Эдо и других получателей было десять часов на то, чтобы организовать наблюдение, до того, как в Чили станет достаточно темно для открытия телескопов.

Еще раньше тем же утром, в 8:41 по времени Восточного побережья, Коди Мессик, аспирант Университета штата Пенсильвания, сообщил своему научному руководителю по астрономии, что из-за больной шеи будет работать из дома. Коди спускался по лестнице, готовясь к спокойному рабочему дню, когда на его телефоне появилось автоматическое уведомление. Он замер на ступеньках и уставился в телефон, переваривая новость.

Вашингтонская обсерватория — одна из трех обсерваторий такого рода в мире — только что обнаружила гравитационную волну.

Гравитационную волну проще всего описать как сжатие пространства-времени. Чтобы понять, что это значит, представьте, что вы держите в руках слинки — игрушку-пружинку. С ее помощью можно смоделировать разные волны: например, приподнять один конец на ладони и наблюдать, как волна двинется к другому концу, — но гравитационная волна устроена не так. Зато если взять пружинку за оба конца и на секунду сдвинуть руки, по игрушке прокатится волна сжатий и разрежений — и вот это уже похоже на гравитационную волну. Отличие в том, что настоящие гравитационные волны движутся со скоростью света и сжимают и растягивают само пространство-время вместе со всем, что в нем находится. То есть, когда гравитационная волна проходит через Землю, планета так же сжимается и растягивается.

Гравитационные волны относятся к той удивительной области физики, где явления существуют просто потому, что на их существовании настаивает математика Вселенной. Знаменитая общая теория относительности Эйнштейна, устанавливающая взаимосвязь между гравитацией, пространством и временем, описывается серией из десяти математических уравнений. В 1916 году Эйнштейн обнаружил, что одним из следствий этих уравнений является существование гравитационных волн. Задача состояла в том, чтобы доказать это (и следовательно, доказать право на существование обширной области физики), поскольку математика хотя и говорит, что гравитационные волны возможны, но при этом утверждает, что они будут мизерными, и Эйнштейн в своем исследовании придерживался именно этой позиции. Катастрофическое столкновение двух черных дыр с общей массой, в шестьдесят раз превышающей массу нашего Солнца, приведет к такому сжатию пространства-времени, которое будет примерно в тысячу раз меньше протона. Сам Эйнштейн считал, что эти волны окажутся слишком малы, чтобы их можно было обнаружить.

В конечном счете решением стал интерферометр — прибор, объединяющий излучение от нескольких источников. Мы уже упоминали его, когда говорили о радиоастрономии — в ней интерферометры используются для объединения данных, полученных с нескольких телескопов, расположенных на четко определенном расстоянии друг от друга. Гравитационно-волновые интерферометры используют тот же принцип — объединение света, прошедшего определенный путь, — чтобы измерить сам этот путь.

Устроен такой интерферометр следующим образом: детектор гравитационных волн состоит из двух длинных прямых рукавов, расположенных под прямым углом друг к другу и подключенных к центральному зданию, в котором находится мощный лазер. К концу каждого рукава прикреплены идеальные зеркала, так называемые «контрольные грузы», которые отражают лучи лазера; вся система контролирует длину каждого рукава с поразительной точностью. Обычно лазерные лучи проходят абсолютно одинаковое расстояние по обоим рукавам, возвращаются в здание в один и тот же момент и нейтрализуют друг друга, так что сигнал не генерируется. Однако гравитационная волна, проходя через нашу планету, на мгновение повлияет на длину обоих рукавов — один сожмется, а другой растянется. При этом между длинами рукавов на короткое время появится незначительное различие, контрольные грузы также изменят положение, отраженные лазерные лучи зафиксируют это изменение, и будет сформирован сигнал. Событие, подобное столкновению двух черных дыр, вызывает всплеск гравитационных волн и характерный сигнал в этих детекторах («чириканье»). Если перевести частоту гравитационной волны в звук, он будет похож на ноту, звучащую меньше секунды с резким повышением тона.

Концепция удивительно проста, но исполнение дьявольски сложное. Проблема заключается в том, что детектор, достаточно чувствительный, чтобы обнаруживать крошечные возмущения, создаваемые гравитационными волнами, будет воспринимать и множество других сигналов. Хороший детектор, несомненно, уловит колебания в пространстве-времени от столкновения черных