Физика с Хокингом. Ключевые идеи в популярном изложении - Рюдигер Ваас Страница 14

что нужно будет сделать – посветить через люк в зеркальный шар (достаточно фонарика), а затем снова закрыть отверстие. Свет будет постоянно отражаться туда-сюда в вогнутом зеркале. Каждый раз, когда он будет проходит через эргосферу, он будет приобретать энергию. Такой эффект будет создавать огромное давление, пока зеркало не разобьется. Затем произойдет внезапный выброс радиации. По сравнению с ним взрыв атомной бомбы будет похож на мерцание спички. Однако технические усилия потребовались бы настолько колоссальные, что эта идея, к счастью, вряд ли будет когда-то реализована.

Сотрясение пространства-времени

В 1971 году Хокинг опубликовал статью о гравитационных волнах от черных дыр. В то время еще не было очевидно, что свет истины однажды засияет посреди серой – или скорее черной – теории. Один важный вывод из той самой статьи быстро взбудоражил умы: теорема о «площади черной дыры» – новаторская теорема о росте черных дыр. Позже Хокинг резюмировал это так:

«Когда две черные дыры сталкиваются и сливаются, площадь образовавшейся черной дыры больше суммы площадей исходных черных дыр».

Эту теорему теперь можно проверить с помощью астрономических измерений. И делается это с помощью гравитационных волн, как и предлагал Хокинг. (Кстати, в 1970-х годах он и его студент Гэри Гиббонс не только продолжили исследования в этом направлении, но даже подали заявку на создание детектора.) Прямое обнаружение этих колебаний пространства-времени теперь фактически достигнуто. Впервые об этом заявила международная группа из более чем 1000 ученых в 2016 году.

Альберт Эйнштейн предсказал существование гравитационных волн в 1916 году. Одно из триумфальных открытий общей теории относительности заключается в том, что пространство-время – это не пассивная сцена, на которой разыгрываются драмы Вселенной без его непосредственного влияния. Скорее оно является активным режиссером всемирного театра и участвует в организации космического зрелища. Масса и энергия взаимодействуют с пространством и временем и даже могут искажать их.

Измерения LIGO в очередной раз подтвердили смелые идеи Эйнштейна. LIGO – это аббревиатура от Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (лазерноинтерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория). Два интерферометра, расположенные на расстоянии 3000 километров друг от друга в Ханфорде (штат Вашингтон, США) и Ливингстоне (леса Луизианы), состоят из двух лазерных плеч, расположенных перпендикулярно друг другу, каждое длиной четыре километра. Для дополнительной поддержки используется детектор Virgo около Пизы с трехкилометровыми лазерными плечами. Точно измеряемая картина суперпозиции интерферирующих лазерных лучей позволяет обнаружить относительные изменения длины менее 1 к 1021 – это соответствует точности расстояния между Солнцем и ближайшей звездой до одной десятой толщины волоса.

Таким образом стало возможным зафиксировать гравитационные волны от черных дыр, которые сначала вращались вокруг друг друга с головокружительной скоростью, затем резко сталкивались и, наконец, сливались.

Столкновение черных дыр вызывает волны в пространстве-времени, которые, таким образом, можно измерить на расстоянии многих сотен миллионов световых лет.

GW150914 – первый обнаруженный сигнал гравитационной волны, измеренный детектором LIGO. Он возникает в результате спирального сближения и столкновения двух черных дыр и финального сотрясения продукта слияния.

Около 70 сигналов, обнаруженных в ходе трех измерительных кампаний с сентября 2015 года по март 2020 года, исходили от черных дыр, находящихся на расстоянии от нескольких сотен миллионов до нескольких миллиардов световых лет от Земли и имеющих массу от семи до более 90 солнечных масс. В результате их столкновений за одну секунду высвободилась энергия, превышающая суммарную светимость всех звезд видимой Вселенной.

Измерения не только являются триумфом физики и крайне интересны с астрономической точки зрения, поскольку позволяют сделать выводы о формировании и частоте появления гравитационных колоссов, но и имеют большое значение для теории черных дыр. Поэтому Хокинг сразу же с большим энтузиазмом поздравил команду LIGO. И у него были все основания для радости, поскольку данные подтвердили его теорему о «площади черной дыры».

«Измерения могут проверить общую теорию относительности для гравитационных полей, которые являются сильными и очень активными. Данные соответствуют моей теории о том, что площадь поверхности конечной черной дыры больше суммы поверхностей двух исходных черных дыр. Измерения также согласуются с «гипотезой об отсутствии волос».

Первые измерения гравитационных волн стали настоящим прорывом. В результате теория относительности была вновь проверена в ранее недоступных областях. В очередной раз она блестяще выдержала это испытание. Если за гравитационными монстрами скрывается что-то еще, кроме черных дыр, гравитационные волны рано или поздно смогут это обнаружить. Например, три запланированных спутника-детектора гравитационных волн LISA (Laser Interferometer Space Antenna) будут очень тщательно проверять «гипотезу об отсутствии волос» в 2030-х годах.

Кроме того, измерения пространственно-временной ряби уже бросили вызов астрофизикам: им предстоит объяснить, как такие массивные пары черных дыр могли образоваться в таком большом количестве. Например, предполагается, что эти темные объекты образовались в результате экстремальных колебаний плотности в первую долю секунды существования Вселенной и могут до сих пор доминировать во Вселенной как темная материя. Если это правда, то это стало бы существенным подтверждением предположений Хокинга о первичных черных дырах, возникших в результате Большого взрыва.

Вопросы

1. Почему черные дыры черные?

◻ а. Потому что свет избегает гравитации

◻ б. Потому что ничто не ускользает от их горизонта событий.

◻ в. Потому  что у них твердая темная поверхность

2. Как образуются черные дыры?

◻ а. Всегда в результате вспышки сверхновой

◻ б. Из-за коллапса очень массивных звезд

◻ в. Когда белый карлик разрывается на части

3. Где находятся сверхмассивные черные дыры?

◻ а. В центре большинства галактик

◻ б. В пульсарах

◻ в. В двойных звездных системах

4. Что гласит «гипотеза об отсутствии волос»?

◻ а. Все черные дыры черные

◻ б. Черные дыры не имеют свойств

◻ в. Черные дыры одинаковы, за исключением трех свойств

5. Что показали измерения гравитационных волн?

◻ а. Черные дыры распространены в космосе

◻ б. Классические теоремы неадекватны

◻ в. Теория относительности не работает должным образом

Ответы: 1б, 2б, 3а, 4в, 5а

Черные дыры не черные

«Я часто полагаюсь на интуицию и пытаюсь угадать результат, но затем мне приходится его доказывать. И на этом этапе