Суперобъекты. Звезды размером с город - Сергей Попов

Есть и радиопульсары в паре со второй нейтронной звездой. Таких двойных известно менее десятка. Изначально в такой системе должно было быть две массивные звезды. И она должна была пережить два взрыва. А чтобы мы с большей вероятностью открыли пульсар, он должен долго жить, т. е. быть миллисекундным, раскрученным.

Системы из двух компактных звезд помогают изучать теорию гравитации, так как пульсар – это очень точные часы, а вторая нейтронная звезда создает мощное гравитационное поле, в котором вынуждены работать и посылать нам сигналы эти часы. За открытие и исследование первой подобной системы, в результате которых были получены косвенные доказательства существования гравитационных волн, Расселу Халсу и Джозефу Тейлору в 1993 году была вручена Нобелевская премия по физике.

В начале этого века был открыт еще более удивительный объект: дважды двойной радиопульсар PSR J0737–3039. Это сделали Марта Бурге и ее соавторы. В этой системе обе нейтронные звезды наблюдались как радиопульсары (более старая – как миллисекундный, а более молодая – как обычный). Сейчас молодой пульсар не виден, так как его луч перестал попадать на Землю из-за прецессии. Но в будущем мы опять сможем наблюдать сразу два пульсара в двойной. Это очень тесная система (соответственно, слияние произойдет довольно скоро, по астрономическим меркам). Буквально за считаные месяцы удалось увидеть несколько релятивистских эффектов, которые в других системах удается увидеть только после нескольких лет (или даже десятилетий) наблюдений. Кроме того, в этой системе удалось получить фантастически точные измерения масс обеих нейтронных звезд. Вдобавок эта система очень близкая – около 600 парсек от Солнца. Значит, по всей видимости, такие пары – не редкость. Такой вывод крайне важен для оценки числа событий слияния пар нейтронных звезд, которые планируется наблюдать на установках VIRGO и LIGO. Обнаружение Мартой Бурге близкого тесного дважды двойного пульсара подтвердило оптимистичные оценки числа слияний, которые ранее делали теоретики на основе расчета эволюции популяций двойных звезд (так называемые метод популяционного синтеза). Отметим, что у нас в стране в этой области исследований работали и работают две очень сильные научные группы: в ИНАСАНе (Александр Тутуков и Лев Юнгельсон) и в ГАИШ (Владимир Липунов, Константин Постнов и др.).

Фотография Марты Бурге, открывшей дважды двойной пульсар. Снимок любезно предоставлен Джоном Саркисяном (John Sarkissian).

Судьба тесных систем из двух нейтронных звезд предсказана Общей теорией относительности. За счет испускания гравитационных волн звезды будут терять орбитальный момент и наконец сольются. Когда два массивных компактных объекта почти со скоростью света упадут друг на друга, выделится огромное количество энергии в самой разной форме. Мы будем обсуждать это явление в отдельном параграфе.

Астрономы надеются открыть еще более редкого «зверя»: пульсар в паре с черной дырой. Они встречаются редко – один на несколько тысяч обычных радиопульсаров (а их сейчас известно около 2000). И уж коли пока не повезло – ни одна такая система не открыта, то надо просто строить очень крупный инструмент, который откроет тысячи новых радиопульсаров. Первым таким прибором станет китайский радиотелескоп с огромной чашей в качестве антенны. Этот инструмент будет похож на знаменитый радиотелескоп в Аресибо. Он должен как минимум удвоить число известных к тому времени радиопульсаров. С высокой вероятностью среди новых будет и пара из радиопульсара и черной дыры, хотя бы одна. Потенциально это тоже может привести к Нобелевской премии. Если же и им не повезет, то через несколько лет в строй войдет система телескопов SKA (Square Kilometer Array). Одна из ее задач – увидеть все радиопульсары в Галактике, которые вообще светят в нашу сторону. От SKA будет не скрыться.

Один из обсуждаемых вариантов системы радиотелескопов SKA. Часть гигантской установки будет находиться в Австралии, часть – в Южной Африке.

Таким образом, двойные системы порождают, может быть, самые интересные объекты во Вселенной, самые мощные взрывы, самые удивительные типы нейтронных звезд и, может быть, имеют отношение к необычным типам черных дыр. Много нового об этих чудесах мы надеемся узнать благодаря регистрации гравитационных волн.

VII. Гравитационные волны

Теория гравитации и геометрия

Рассказ о гравитационных волнах начнем с черных дыр. Идея черных дыр родилась более двух столетий назад. Джон Мичелл и Пьер Симон Лаплас задумались: что будет, если взять обычные ньютоновские законы и рассмотреть увеличение второй космической скорости – т. е. той величины, которую надо единомоментно сообщить какому-нибудь шарику, мячику, камушку, чтобы он улетел, например, с Земли и больше не возвращался? Такая скорость вычисляется по довольно простой формуле V= (2GM/R)1/2. Здесь V – скорость, M – масса тела, с которого мы хотим улететь, R – его радиус, а G – ньютоновская постоянная. Формула легко получается из равенства кинетической и потенциальной энергии тела.

Мы берем эту формулу и видим, что можем, например, или, сохраняя радиус того объекта, с которого запускаем тело, увеличивать его массу – и тогда будет расти критическая скорость «полного улета». Или, наоборот, сохраняя массу, сжимать этот объект, с которого все улетает, – и снова скорость будет возрастать. В конце концов, мы дойдем до скорости света. То есть Мичелл и Лаплас высказали простую, но важную мысль, что согласно этой формуле можно сделать такой объект – или очень тяжелый, или очень компактный, маленький, – что скорость убегания от него будет равна скорости света.

Некий ренессанс идеи, или черные дыры в современном понимании, возник уже в рамках Общей теории относительности. Там картинка немножко иная, и нам в дальнейшем понадобится то, что Общая теория относительности – геометрическая теория гравитации[12]. В этой теории массивные тела искажают пространство-время вокруг себя. Обычно искажение пространства иллюстрируют следующим довольно простым способом. Представьте себе эластичную (например, резиновую) плоскость. Вы кладете на нее разные предметы – чем тяжелее предмет, тем больше прогнется поверхность и, соответственно, возникнет ямка, а прочие объекты будут туда «притягиваться». Вы запускаете на плоскость катиться какие-нибудь другие шарики, и они в эту ямку скатываются. Это хороший образ, и примерно так все и работает: тела притягиваются друг к другу из-за того, что они исказили пространство вокруг себя.

Продолжим эту аналогию. На плоскость можно положить столь тяжелый и компактный предмет (важно помнить, что у нас работает комбинация массы и радиуса: тяжелый, но большой предмет продавит очень большую по радиусу, но неглубокую ямку с малой кривизной стенок, т. е. относительно слабо исказит поверхность, а маленький шарик с очень высокой плотностью – деформирует заметно), что в том месте, где он лежит, плоскость продавится настолько сильно, что возникнет область пространства, которая как бы «окукливается», и из нее наружу ничего выходить не будет. Вот это, если не вдаваться в детали, и есть аналог черной дыры в Общей теории относительности. У нас возникла специфическая область пространства. С точки зрения внешнего наблюдателя, это почти что дыра в плоскости, границы которой четко определены. Внутрь можно попасть, но выбраться оттуда – нельзя. Если в такую дыру попадают объекты, то дыра растет.

Типичная иллюстрация черной дыры в геометрической модели гравитации. Черная дыра очень сильно искривляет пространство вокруг себя. В результате вещество может попасть в «воронку», и не сможет выбраться наружу.

Как настоящая черная дыра устроена внутри – большой и сложный вопрос. Теория позволяет построить довольно экзотические решения для поведения частиц, попавших под горизонт (в некоторых моделях даже собственно горизонт не возникает!). Например, можно избежать попадания некоторых частиц в центральную сингулярность. Но если вы никаких хитростей не добавляете, все действительно должно сваливаться в самый центр. А там мы уже не знаем, что происходит, так как формально многие параметры достигают бесконечных значений, и это говорит о том, что наши физические законы перестают в этой области работать. И здесь возникает проблема: а есть ли вообще черные дыры? С одной стороны, их предсказывает Общая теория относительности – стандартная, на сегодняшний день, теория гравитации. С другой стороны, исследователи понимают, что это не окончательная теория. Она обладает рядом хороших свойств и тщательно проверена там, где это возможно. Но наши экспериментальные и наблюдательные возможности ограничены. И черные дыры как раз являют собой прекрасный пример ограничений, поставленных самой природой. Нам нужна более совершенная теория, в которую Общая теория относительности войдет как часть. Теоретики работают над этим. Но одной теории мало. Надо иметь наблюдательные данные о том, что происходит в очень сильных гравитационных полях. Прямое доказательство существования черных дыр очень помогло бы, но как их открыть? Если это дыры и они черные, то что там вообще можно увидеть?