Почему слияния черных дыр не помогут найти новые измерения

Астроном из Национального центра научных исследований Франции в Париже и приглашенный ученый МФТИ Станислав Бабак рассказал, можно ли приручить гравитационные волны и создать "радио" на их основе, есть ли "волосы" у черных дыр и существуют ли "лишние" измерения, а также объяснил, когда мы прикоснемся к горизонту событий космических "Гаргантюа". 

В сентябре 2015 года, фактически сразу после включения обновленной LIGO, ученые обнаружили всплеск гравитационных волн, порожденных сливающимися черными дырами общей массой в 65 Солнц. Впоследствии LIGO зафиксировала еще шесть подобных событий, порожденных, за одним исключением, похожими слияниями крупных черных дыр.

Эти открытия запустили новую серию споров среди ученых. Космологи и теоретики гадали о том, как именно могли возникнуть подобные пары черных дыр, почему они обладают столь большой массой и можно ли увидеть историю их образования в том, как происходит процесс слияния, и понять, действительно ли они "сестры-близнецы".

"Зоопарк" черных дыр

Дело в том, что первые пары черных дыр, открытые LIGO, имели необычно большую массу — они были в 20-30 раз тяжелее Солнца. Ученые засомневались, что они образовались в недрах крупных звезд, исчерпавших свои запасы водорода и взорвавшихся в виде сверхновой.

"Действительно, первый объект, открытый нами, стал большим сюрпризом для всех по самым разным причинам. Изначально мы ожидали увидеть черные дыры, которые были бы тяжелее Солнца в три-десять раз, так как формирование более тяжелых объектов сложно объяснить с точки зрения астрофизики. Нужны большие и "чистые" звезды, уже не существующие во Вселенной, которые бы при этом не теряли быстро массу", — рассказывает Бабак. 

Открытие сразу нескольких пар таких необычно тяжелых черных дыр, как отмечает физик, заставило ученых задуматься о том, как могут возникать подобные объекты. Новые расчеты показали, что вероятность их появления была не такой низкой, как изначально думали теоретики.

Впоследствии LIGO обнаружила следы слияний менее массивных объектов, которые показали, что в доступной нам части Вселенной присутствует целый "зоопарк" черных дыр больших и малых масс. Их изучение и открытие новых всплесков гравитационных волн, как надеется Бабак, поможет понять, как возникают пары подобных объектов и как они связаны с эволюцией галактик. 

Для этого, по словам физика, крайне важно поймать слияния черных дыр, чьи оси вращения были бы наклонены в разные стороны. Сделать это, как он говорит, крайне сложно, так как LIGO и VIRGO лучше видят те слияния черных дыр, на которые мы смотрим "сверху" или "снизу". У подобных черных дыр крайне сложно измерить наклон оси и направление вращения.

Тем не менее ответ на эти вопросы, как объясняет ученый, поможет понять, где возникают черные дыры и виноваты ли в их рождении только звезды.

Есть ли "волосы" у черных дыр?

Помимо размеров и скорости вращения этих объектов ученые пытались проверить знаменитое предположение физиков-теоретиков о том, что у черных дыр нет "волос", которое активно изучалось и развивалось Стивеном Хокингом до самой его смерти.

Это предположение означает, что все черные дыры с одинаковой массой, зарядом и скоростью вращения выглядят и описываются совершенно одинаково с точки зрения законов физики. Ситуация сильно усложнилась в 1975 году, когда Хокинг показал, что черные дыры постепенно "испаряются" благодаря квантовым эффектам у их горизонта событий, испуская энергию в виде излучения, которое сегодня носит его имя. 

У теоретиков это вызвало большие проблемы, так как испарение черных дыр и рождение подобного излучения подразумевает то, что почти вся информация о квантовом состоянии частиц, "съедаемых" черной дырой, за исключением их массы, заряда и скорости вращения, безвозвратно теряется, что невозможно по законам квантовой физики. 

"Команда LIGO уже пыталась проверить эти идеи, однако, как мне кажется, это крайне сложно. Необходимо получить чистый сигнал, возникающий после того, как черные дыры уже слились, но еще продолжают дрожать, сбрасывая эти колебания в виде гравитационных волн. Это очень слабый сигнал, и нам должно крупно повезти, чтобы мы могли его поймать в достаточно четком виде — черные дыры должны быть крупными и находиться близко к нам", — поясняет Бабак.
 

Если у черных дыр действительно нет "волос", то это дрожание, как объясняет физик, будет порождать одинаковые сигналы для любых пар черных дыр, обладающих одинаковой массой, направлением и скоростью вращения. Если же сигналы, которые получат LIGO и VIRGO, будут отличаться друг от друга, то тогда эту идею придется оставить, и черные дыры обзаведутся невидимой для нас, но вполне существующей "шевелюрой".

Сами гравитационные волны, как считает Бабак, вряд ли удастся использовать для передачи информации или других практических целей, о чем мечтает академик Владислав Пустовойт, один из основоположников гравитационной астрономии.

Весь мир — телескоп: как ученые из России превратили космос в обсерваторию
"Есть один простой довод, объясняющий то, почему это невозможно, — сверхмалое значение гравитационной константы. Гравитационные волны очень слабо взаимодействуют с материей, что одновременно хорошо для нас, поскольку мы можем их видеть на гигантских расстояниях, и плохо, так как это мешает их обнаружению. Огромные размеры LIGO обусловлены не тем, что американцам некуда было девать деньги. Вряд ли "гравитационный радиоприемник" длиной в пять-десять километров найдет какое-либо применение", — объясняет физик.

Наследие Эйнштейна

Последние открытия помимо черных дыр впервые предоставили космологам возможность проверить, работает ли теория относительности на самых больших расстояниях, наблюдая за тем, как гравитационные волны движутся через пустое пространство и потенциально взаимодействуют с ним.

К примеру, теория относительности Эйнштейна постулирует, что движение гравитационных волн через космос, Землю, человека и другие объекты приведет к тому, что ткань пространства-времени будет растягиваться только в двух направлениях: допустим, в вертикальном и в горизонтальном, попеременно превращая условный шарик в вытянутый эллипс. 

Альтернативные теории гравитации, в свою очередь, говорят, что вариантов таких растяжений может быть гораздо больше. Гравитационные волны способны раздувать и сжимать частицы материи целиком (скалярная поляризация) или же заставлять их шататься в определенные стороны (векторная поляризация). В общей сложности, как считают сегодня ученые, возможны шесть вариантов подобных взаимодействий и еще большее число их комбинаций.

"Эти эксперименты нельзя было провести, используя только LIGO, так как ее детекторы лежат почти в одной и той же плоскости, в отличие от итальянского VIRGO, который расположен почти под прямым углом по отношению к ним. При этом важно понимать, что они включились в эти наблюдения позже, чем LIGO, и что чувствительность этого детектора ниже. Тем не менее какие-то выводы мы все же смогли сделать", — рассказывает Бабак.

Из-за низкой чувствительности VIRGO ученым пока удалось провести только один такой эксперимент и проверить две идеи из всего множества допустимых вариантов — полное совпадение с теорией относительности или абсолютное несовпадение с ней. В последнем случае, как пояснил астроном, гравитационные волны никогда не будут растягивать и сжимать материю так, как это предсказывает общая теория относительности (ОТО).

"Эти замеры показали, что мы можем исключить те теории, в которых есть только векторные и скалярные типы поляризации. Это интересный и хороший результат, но проблема заключается в том, что он не полон и даже частично не имеет смысла. К примеру, пока не существует теорий, говоривших, что гравитационные волны могут иметь только векторную поляризацию. Поэтому мы не можем утверждать, что нам удалось полностью подтвердить теорию относительности", — продолжает ученый.

Последующие совместные наблюдения LIGO и VIRGO, как надеется Бабак, помогут проверить остальные комбинации возможных типов поляризации гравитационных волн и получить более полные подтверждения правоты или ошибочности выкладок Эйнштейна.

Окно в иные миры

Открытие гравитационных волн возродило интерес теоретиков и практиков к другим смелым идеям, которые раньше ученые не могли проверить.

К примеру, известный космолог Лоуренс Краусс (Lawrence Krauss) и астроном Дэвид Эндриот (David Andriot) считают, что дальнейшие наблюдения за гравитационными волнами помогут нам найти следы "лишних" шести измерений, о которых говорит теория струн, или иных миров, возникших в результате Большого взрыва и ускоряющегося расширения Вселенной.

Новые измерения, как считают эти теоретики, можно будет обнаружить по странностям в поляризации гравитационных волн и по аномально большой мощности в высокочастотной части спектра. 

"Такие работы действительно ведутся, но нужно учитывать один важный момент. Для проверки чего-то, что не является классической теорией относительности, нам, собственно, нужно понять, как будет вести себя гравитационно-волновой сигнал в рамках этой теории, и построить его модель. Этого пока нет, и поэтому мы проверяем ОТО путем поиска внутренних противоречий в тех данных, которые получаем", — отмечает Бабак.

Некоторые варианты подобных нарушений, по его словам, команды LIGO и VIRGO уже проверили. Ни один из них не был обнаружен, однако из-за отсутствия достойных альтернатив выкладкам Эйнштейна это нельзя считать доказательством того, что других измерений или параллельных Вселенных не существует.

"В данный момент мы можем ответить на вопросы класса "давайте предположим, что есть такие-то отклонения от теории относительности, и посмотрим, видим ли мы их в сигнале с LIGO/VIRGO". На что-то более существенное, в силу отсутствия не противоречащей себе теории гравитации вне пределов ОТО, мы неспособны", — подчеркивает физик.

"Треугольник" зондов гравитационной обсерватории LISA на орбите Земли

Как отмечает Бабак, научные команды LIGO и VIRGO всерьез подходят ко всем претензиям, которые часто излагают сторонники альтернативных теорий гравитации, считающие, что гравитационные обсерватории или ничего не нашли, или зафиксировали какое-то другое событие в космосе.

"Мы хорошо понимаем, что скептики будут всегда, и убежать от них у нас не получится. Каждое их заявление и все их претензии проверяет наша коллаборация. Мы пытаемся повторить их расчеты и оценить, действительно ли мы ошибались. Как правило, нам не удается повторить те результаты, которые получили эти люди, или же мы находим ошибки в их собственных выкладках", — пояснил ученый.

Некоторым идеям, как отметил физик, удалось пройти через эту проверку, выжить и получить признание команд LIGO и VIRGO. К примеру, в декабре 2016 года канадские теоретики из института "Периметр" предположили, что слияние черных дыр вызовет не только мощный хлопок гравитационных волн, но и породит своеобразное гравитационное эхо в том случае, если они окружены своеобразной стеной огня, невидимым слоем квантов высокой энергии.

Но в целом, как подчеркнул Бабак, все то, что видит LIGO, в целом соответствует теории относительности, и пока никаких объектов, похожих на стену огня или другие структуры, способные порождать другие типы гравитационных волн, им не удалось найти. "Тем не менее поиски идут, и сейчас они стали более серьезными", — подытожил физик.

Коснуться горизонта

Ни LIGO, ни VIRGO, как отмечает Бабак, не позволят окончательно дать ответ на этот вопрос и параллельно воплотить в жизнь мечту многих астрофизиков — "пощупать" горизонт событий обычной или сверхмассивной черной дыры.

"Эту задачу сможет решить космическая гравитационная обсерватория LISA, в работе которой я и многие мои коллеги по LIGO примут деятельное участие. Сейчас это основной мой проект. Хотя до запуска вроде бы еще далеко — конец 2020-х или начало 2030-х годов, — это совсем скоро по меркам гравитационной астрономии", — пояснил Бабак.

Идея космической гравитационной обсерватории LISA в НАСА и ЕКА возникла в 2001 году. Речь идет о системе из трех спутников, которые должны следить за колебаниями пространства-времени, наблюдая за тем, как гравитационные волны отклоняют ход лазерных лучей, соединяющих все три аппарата LISA.

В 2011 году НАСА объявило о выходе из программы, после чего постройку и запуск LISA отложили на неопределенный срок. И все же ЕКА продолжило работы по созданию экспериментального аппарата LISA Pathfinder (LPF), на борту которого ученые и инженеры недавно успешно отработали технологии, необходимые для лазерного "треугольника", на порядок превысив требования по точности, заложенные в программе.

"Одна из главных задач LISA — выяснить, как возникли самые крупные сверхмассивные черные дыры, чье существование сейчас объяснить достаточно сложно. Вдобавок этот телескоп будет искать следы реликтовых гравитационных волн, возникших во время Большого взрыва, и проверит, есть ли "волосы" у черных дыр, наблюдая за парами из обычных и сверхмассивных объектов такого рода", — продолжает ученый.

Как отмечает Бабак, после запуска LISA сразу найдет тысячи источников длинных гравитационных волн — они будут очень яркими и сильными. Возникнет обратная проблема по сравнению с LIGO и VIRGO — их станет так много, что физикам и астрономам придется создавать новые методики обработки данных и моделирования гравитационно-волновых сигналов для того, чтобы найти следы этих слияний в общем наборе данных.

Хотя наземные гравитационные телескопы и их космическая "сестра" предназначены для наблюдений за разными объектами, LISA сможет наблюдать и за обычными черными дырами примерно за пять-десять лет до их слияния.

Успешное завершение тестов LPF, по словам физика, подстегнуло интерес к проекту и в ЕКА и заставило НАСА вернуться в миссию в качестве младшего партнера с небольшим, но существенным вкладом в постройку LISA. Представители космических агентств постоянно подгоняют ученых и стремятся максимально быстро вывести аппараты на орбиту.

Препятствий для этого, подчеркивает Бабак, нет. Главные части "треугольника" LISA, в том числе лазеры и телескопы, пока не готовы, но все материалы и технологии для их создания уже существуют. Сборка первых прототипов ключевых инструментов, как ожидает физик, начнется примерно через два года. Это вплотную приблизит нас и к горизонту событий черных дыр, и к новой эпохе в гравитационной астрономии.