Новое чувство Вселенной: как ученые научились «слушать» космос

Современные инструменты умеют регистрировать электромагнитное излучение во всех диапазонах, и каждый открывает что-нибудь особенное. Рентгеновские (а) и гамма-лучи (б) показывают активные ядра галактик, нейтронные звезды и черные дыры. В ультрафиолете (в) видно межзвездную среду и молодые беспокойные светила. Излучение старых звезд и галактик уходит в длинную инфракрасную часть спектра (г), а уж радиоволны (д) испускают едва ли не любые небесные тела, от Луны и до реликтового фона Вселенной. «Зрение» астрономии отлично развито. Однако оно долго оставалось единственным «чувством», с помощью которого мы познавали космос.

Вторым, «слухом», наука обзавелась всего десяток лет назад, когда физики, работающие на детекторах LIGO и Virgo, объявили о регистрации гравитационных волн. Их существование вытекает из общей теории относительности (ОТО) и было предсказано еще Эйнштейном, но попытки поймать волну увенчались успехом лишь в середине 2010-х. С тех пор гравитационно-волновой «слух» астрономии лишь улучшается, и скоро может стать почти столь же острым, как электромагнитное «зрение».

ОТО рассматривает пространство-время как единый континуум, который деформируется под влиянием энергии и массы. Любая материя, движущаяся с неравномерным ускорением, создает такие деформации в виде волн, распространяющихся в стороны со скоростью света. Правда, чтобы генерировать волны приличной амплитуды, масса и ускорение должны быть очень велики. Речь идет о таких катастрофах, как взрывы сверхновых, слияния двойных систем с черными дырами или нейтронными звездами. Гравитационное эхо от подобных источников как раз и улавливают лазерные интерферометры LIGO и Virgo.

Его волны накладываются друг на друга и рекомбинируют, создавая интерференционную картинку, которая нарушается при самом крошечном смещении зеркал. Это позволяет заметить изменение длины плеча на микроскопическую величину, сравнимую с размерами атомного ядра. На сегодня интерферометры зафиксировали более сотни таких событий, многие из которых практически незаметны для обычных телескопов. Но чтобы «услышать» еще больше, физики проектируют детекторы гравитационных волн, работающие на иных принципах и с волнами другой длины.

Например, испытан прототип атомного интерферометра, способного ловить колебания частотой чуть менее 1 Гц. Это герметичная вертикальная трубка, где в глубоком вакууме и криогенных условиях падают изолированные группы атомов. За время падения лазерные импульсы успевают множество раз перевести их в возбужденное состояние и обратно. Устройство использует две такие группы частиц, «включая» и «выключая» их одним и тем же лучом.

Малейшее изменение дистанции между ними — например, при прохождении гравитационной волны, — вызовет расхождение, позволяя зарегистрировать нужное событие. После удачных тестов 10-метрового устройства начато строительство полноразмерного 100-метрового, который планируют запустить в 2027 году.

Другие исследователи, наоборот, ориентируются на гравитационные волны более длинные, чем LIGO, связанные с такими грандиозными событиями, как слияния сверхмассивных черных дыр. Для этого ученые отрабатывают метод тайминга пульсаров — своего рода интерферометр, но с плечами, сравнимыми с целой галактикой.

Пульсары — это быстро вращающиеся нейтронные звезды, из полюсов которых вылетают джеты — крайне узкие потоки излучения и частиц. Джеты становятся заметными лишь в тот момент, когда они направлены строго на нас, поэтому пульсары, крутясь, вспыхивают в очень четком ритме, по которому можно отслеживать время. В теории очень длинные гравитационные волны, проходя между нами и пульсарами, должны вызывать небольшие отклонения в работе таких «часов», но пока произвести нужные измерения на практике не удается.

Но существуют проекты еще более удивительные, гораздо более дешевые и компактные, которые рассчитаны на более короткие гравитационные волны и способны поместиться буквально на столе. Например, система LSD (Levitated Sensor Detector, «Левитирующий сенсорный детектор») напоминает интерферометр LIGO в миниатюре: лазерный луч направляется по вакуумированной трубе и мечется между парой зеркал, находящихся всего в метре друг от друга. Луч удерживает крошечную частицу микрометровых размеров, заставляя ее висеть неподвижно. Зато гравитационная волна подходящей частоты способна сдвинуть частицу с места.

Такое устройство уже продемонстрировано и когда-нибудь позволит охватить диапазон гравитационных волн с частотой порядка сотен тысяч герц. Но если мы намерены ловить еще более короткие и высокочастотные колебания, то можно обратиться к идее настолько необычной, что пока она существует лишь на бумаге. Концепция, предложенная Иветт Фуэнтес из Саутгемптонского университета, использует облако частиц, охлажденных почти до абсолютного нуля, когда они переходят в особое агрегатное состояние, конденсат Бозе-Эйнштейна. Акустические колебания, проходящие через такое вещество, чувствительны к гравитационным волнам определенной частоты, зависящей от свойств бозе-конденсата и частоты звука.

Речь идет о волнах частотой до 1 МГц. Пока неясно, какие именно космические объекты и явления способны испускать столь короткие колебания. Но если арсенал инструментов гравитационной астрономии когда-нибудь сравнится с телескопами, он должен охватить весь диапазон — от сверхдлинных, оставленных инфляцией Вселенной, до длинных, связанных со слияниями черных дыр, и даже высокочастотных колебаний, созданных неизвестными силами в далеком космосе — а может, где-то рядом с нами.