Гравитация и Черные Дыры

"Астрономы ищут подобные объекты по той причине, что они необходимы нам для того, чтобы объяснить, как сверхмассивные черные дыры массой в миллиарды Солнц могли сформироваться в первые мгновения после Большого Взрыва, через 700 миллионов лет после рождения Вселенной", — рассказывает Иван Золотухин из Государственного астрономического института имени Штернберга при МГУ (Россия).

Сегодня известны всего два относительно подтвержденных объекта подобного рода – черная дыра HLX-1 в галактике ESO 243-49, открытая в 2009 году астрономами из университета Тулузы, где сегодня работает Золотухин, а также объект M82 X-1 в галактике Сигара, открытая телескопом RTXE в 2006 году. Некоторые астрономы не считают M82 X-1 черной дырой промежуточной массы.

На этом список главных кандидатов на роль "потерянного звена" в эволюции черных дыр фактически заканчивается — за прошедшие годы астрономам так и не удалось найти других достойных кандидатов на роль подобных объектов.

Золотухин и его коллеги из Италии и Канады попытались закрыть этот "дефицит", разработав особую методику анализа изображений, которая помогает быстро отличать подобные черные дыры от квазаров, близлежащих светил, двойных рентгеновских звезд и прочих радиоисточников, сопоставляя данные из оптического атласа ночного неба SDSS с данными наблюдений с рентгеновского телескопа XMM-Newton.

В этом ученым помог целый ряд известных веб-разработчиков и программистов из России, который подготовил для них специальное онлайн-приложение для сайта XMM-Newton, позволявшее накладывать изображения из двух каталогов друг на друга, отсеивать и анализировать полученные данные.

Эта программа помогла Золотухину и его коллегам выделить почти 100 источников рентгеновского излучения, похожих на HLX-1 по своим спектральным свойствам, яркости и удалению от центра галактик, не менее 16 из которых, по самым консервативным оценкам, могут быть черными дырами промежуточной массы. В существовании двух из них – XMM 1226+12 в галактике М86 и XMM0838+24 в галактике SDSS J0838+2453 – авторы статьи почти не сомневаются.

"Это шикарные кандидаты в черные дыры промежуточных масс. В работе впервые показывается, что они не просто существуют, а существуют в виде популяции. То есть, эти объекты не являются уникальными, их много", — продолжает Золотухин.

Как ожидает российский астроном, на самом деле подобных черных дыр гораздо больше, так как объединенные данные SDSS и XMM-Newton покрывают всего лишь 2% от общей площади ночного неба. С другой стороны, открытие даже 16 объектов такого рода является крайне важным для науки, и подтверждение существования любого из них будет удостоено, по мнению Золотухина, публикации в самых престижных научных журналах вроде Nature и вызовет настоящую гонку среди астрономов по их поиску и изучению.

Искать их в ближайшее время Золотухин и его коллеги планируют на шестиметровом телескопе БТА в Нижнем Архызе. Отдельные надежды ученые возлагают на строящийся орбитальный телескоп "Спектр-РГ", который предположительно будет выведен на орбиту в сентябре 2017 года.

"Ядро галактики оказалось экстремально горячим. Если бы мы попытались воспроизвести эти физические условия на Земле, то получили бы зону с температурой более триллиона градусов", – прокомментировал результаты Андрей Лобанов, научный сотрудник Института радиоастрономии общества Макса Планка в Бонне (Германия).

Обсерватория "Радиоастрон", запущенная с Байконура в июле 2011 года, стала первым за многие годы космическим астрофизическим инструментом, созданным российскими специалистами. Радиотелескоп предназначен для работы совместно с глобальной наземной сетью радиотелескопов, образуя единый наземно-космический интерферометр со сверхдлинной базой (РСДБ) очень высокого углового разрешения — до семи микросекунд.

Подобное объединение усилий "Спектра-Р", космического звена "Радиоастрона", и 15 наземных телескопов позволило Юрию Ковалеву из Астрокосмического центра Физического института имени Лебедева (АКЦ ФИАН), Лобанову и их коллегам впервые вплотную подобраться к основанию джета, выбрасываемого черной дырой в галактике BL Ящерицы.

Как отмечает Ковалев, разрешение "Радиоастрона" благодаря этому стало в тысячу раз больше, чем у "Хаббла". Это, в частности, позволяет рассмотреть объект размерами с Солнечную систему на расстоянии, соответствующем дистанции между Землей и BL Ящерицы – почти миллиард световых лет.

В центре BL Ящерицы обитает блазар, сверхмассивная черная дыра, окруженная диском плазмы, разогретой до температур в миллиарды градусов Кельвина. Мощные магнитные поля и высокие температуры формируют джеты – струи газа длиной до нескольких световых лет.

Наблюдения за этой черной дырой, послужившей "родоначальником" для целого класса радиоастрономических объектов, Ковалев и его коллеги, работающие с "Радиоастроном", начали еще в 2012 году, после завершения первых проверок "Спектра-Р" и наземных элементов интерферометра.

За это время ученые успели "померять" температуру у выбрасываемого джета, всесторонне изучить его структуру и проанализировали процессы, способные объяснить некоторые странности в жизни выброса черной дыры. В частности, ее температура оказалась слишком высокой для того, чтобы ее можно было объяснить при помощи общепринятых теорий, описывающих работу "лацертидов", объектов класса BL Ящерицы.

Теоретические модели предсказывали, что из-за вращения черной дыры и аккреционного диска, линии магнитного поля должны формировать спиральные структуры, которые в свою очередь ускоряют поток вещества в джетах. Ученым с помощью «Радиоастрона» смогли увидеть эти спиральные структуры, а также зоны ударной волны в области формирования джета, что позволило лучше понять, как работают эти самые мощные во Вселенной источники излучения.

Обсерватория "Радиоастрон", запущенная с Байконура в июле 2011 года, стала первым за многие годы космическим астрофизическим инструментом, созданным российскими специалистами. Радиотелескоп предназначен для работы совместно с глобальной наземной сетью радиотелескопов, образуя единый наземно-космический интерферометр со сверхдлинной базой (РСДБ) очень высокого углового разрешения — до семи микросекунд.

В ноябре 2011 года ученые провели первые наблюдения в режиме интерферометра, а в январе 2012 года "Радиоастрон" провел наблюдения в связке с наземными радиотелескопами в самой дальней точке своей орбиты, образовав виртуальный радиотелескоп с рекордным диаметром зеркала — 220 тысяч километров. Это достижение помогло "Радиоастрону" попасть в книгу рекордов Гиннесса в качестве самого большого радиотелескопа в 2014 году.

В октябре прошлого года среди физиков в Интернете начали распространяться слухи о том, что гравитационные волны, "складки" ткани пространства-времени, предсказанные общей теорией относительности Эйнштейна, были обнаружены детектором LIGO. Изначально руководство гравитационной обсерватории отрицало этот факт, и некоторые физики полагали, что найденные волны могут быть фальшивкой, "вбросом" со стороны руководства LIGO для проверки бдительности ученых.

"О том, что сигнал является не фальшивкой, а настоящим следом гравитационных волн, мы узнали практически сразу, так как он был обнаружен еще в ходе тестового запуска LIGO, когда подобные "инжекты", вбросы, не производятся и их фактически невозможно осуществить", — рассказал РИА "Новости" российский физик Михаил Городецкий, один из участников коллаборации.

Сегодня представители коллаборации подтвердили эти слухи сразу на трех пресс-конференциях, проведенных в Москве, Вашингтоне и итальянской Пизе. По словам Городецкого, все полученные результаты прошли строгую проверку и являются достоверными с научной точки зрения, что не было характерно для слухов, распространяемых Лоренсом Крауссом, астрофизиком из США, в октябре этого года.

"Я крайне негативно отношусь к тому, как вел себя Лоуренс Краусс, так как все, что он сделал, было сделано абсолютно зря, и ученый не должен распространять слухи. Наука должна делаться правильным образом, сначала мы должны получить результаты, проверить их, выждать некоторое время, отправить статью в печать, пройти рецензирование и только тогда объявлять об открытии. Этот процесс мы провели на данный момент", — продолжает российский физик.

Постройка LIGO, начатая в 1992 году, потребовала около миллиарда долларов США, и она была закончена лишь в 2000 году. В 2015 году после обновления LIGO физики повторно перезапустили обсерваторию, и за половину прошлого года, как рассказывает российский физик, она набрала столько же данных, сколько LIGO мог бы собрать за 20 лет работы на прежней чувствительности.

Когда гравитационная волна проходит через плечи интерферометра, то лазерные лучи, которые распространяются вдоль них, проходят меняющиеся расстояния, так как волна "растягивает" и "сжимает" эти плечи и пространство рядом с ними. В результате этого, когда ученые "складывают" лучи, полученная картинка не совпадает, и возникают особые узоры интерференции, которые указывают на присутствие гравитационных волн.

Воздействие гравитационных волн оказалось настолько слабым, что ученым пришлось проявлять чудеса изобретательности, чтобы поймать его. "На четыре километра регистрируемое отклонение составляет лишь 10 в минус 19 степени метра – это в десять тысяч раз меньше диаметра протона, ядра атома водорода", — говорит Городецкий.

По словам российского физика, отечественные ученые работали в рамках LIGO над повышением чувствительности интерферометров, подавляя различные помехи, в том числе и квантовый шум, мешающий вести замеры на самом фундаментальном уровне.

Например, принцип неопределенности Гейзенберга требует, что надо накопить определённое количество квантов, чтобы померить их фазу с определенной точностью. Из этого, казалось бы, следует, что чем мощнее лазеры, тем выше точность. Однако если повышать мощность лазеров, то фотоны начинают сильно бить по зеркалам, растут флуктуации.

"Мы этим и занимались: искали хитрые геометрии антенн, которые обеспечивают квантово-невозмущающие измерения", — продолжает ученый.

Дальнейшие наблюдения за гравитационными волнами, как надеется физик, помогут разрешить многие тайны и проблемы современной физики и космологии, в том числе измерить, с какой скоростью расширяется Вселенная, следя за слияниями нейтронных звезд, а также попытаться проверить теорию струн на практике.

Московскую группу создал и вплоть до последнего времени возглавлял член-корреспондент РАН Владимир Борисович Брагинский — всемирно известный ученый, один из пионеров гравитационно-волновых исследований в мире.

В состав научной группы, включенной в число соавторов научного открытия, входят профессора кафедры физики колебаний: Валерий Митрофанов (нынешний руководитель коллектива), Игорь Биленко, Сергей Вятчанин, Михаил Городецкий, Фарид Халили, Сергей Стрыгин и Леонид Прохоров. Неоценимый вклад в исследования внесли студенты, аспиранты и технический персонал кафедры.

Группа Московского университета участвует в проекте с 1992 года. С самого начала основные усилия были направлены на повышение чувствительности гравитационно-волновых детекторов, определение фундаментальных квантовых и термодинамических ограничений чувствительности, на разработку новых методов измерений. Теоретические и экспериментальные исследования российских ученых нашли свое воплощение при создании детекторов нового поколения, позволивших непосредственно наблюдать гравитационные волны от слияния двух черных дыр.

Считается, что в центре большинства массивных галактик существует, по крайней мере, одна сверхмассивная черная дыра. Причины образования этих объектов пока не совсем ясны. Наблюдения за искривлением пространства вокруг них позволяют говорить о том, что типичная масса сверхмассивных черных дыр находится в диапазоне от миллиона до нескольких миллиардов масс Солнца.

До недавнего времени наиболее массивным объектом такого рода считалась черная дыра в центре галактики М87, которая расположена на расстоянии в 53 миллиона световых лет в созвездии Девы. Относительно недавно на этот титул начала претендовать черная дыра в галактике NGC 4889, которая принадлежит к сверхскоплению Волосы Вероники. Расстояние между этой галактикой и нашей планетой составляет примерно 335 миллионов световых лет.

Данная черная дыра является, скорее всего, действительно гигантским объектом – ее минимальный вес составляет 9,8 миллиарда, а максимальный — 27 миллиардов солнечных масс. Так как разброс этих значений был слишком большим, многие астрономы сомневаются в том, что она является текущим держателем рекорда и считают другие черные дыры главными "тяжеловесами" Вселенной.

Измерение ее массы затруднено тем, что NGC 4889 сейчас является, по сути, мертвой галактикой, так как ее черная уничтожила все запасы холодного газа в ней, пригодных для формирования новых звезд. Поэтому сейчас она находится на "голодном пайке" и почти не поглощает материи и не излучает часть ее в виде джетов, сверхгорячих пучков плазмы, разогнанных до околосветовых скоростей.

Новые замеры, проведенные при помощи "Хаббла" и ряда других наземных и орбитальных телескопов, помогли ученым вычислить где расположен горизонт событий этой черной дыры – поверхность воображаемой сферы, при пересечении которой материя и свет уже никак не могут вырваться из гравитационных "объятий" сингулярности.

Таким образом, диаметр этой сферы, который физики называют "шварцшильдовским", представляет собой, очень грубо говоря, диаметр самой черной дыры, зная который, ученые могут вычислить ее точную массу.

Как оказалось, размеры этой черной дыры оказались действительно гигантскими – за пределы ее горизонта событий легко вместится десять Солнечных систем, выстроенных одна за другой. Ее диаметр составляет 130 миллиардов километров. Для сравнения, черные дыры, породившие недавно открытые гравитационные волны, обладали диаметром всего в 150-200 километров.

Масса черной дыры, вычисленная с учетом этого диаметра, составляет 21 миллиард солнечных масс, что ближе к верхней планке предыдущих оценок, чем к нижней. Это в принципе позволяет NGC 4889 претендовать на статус галактики, в которой обитает крупнейшая, или, по крайней мере, одна из самых больших черных дыр во Вселенной.

Гравитационные волны были впервые в истории зафиксированы 14 сентября 2015 года детекторами гравитационной обсерватории LIGO в американских штатах Луизиана и Вашингтон. Ученым из Массачусетского и Калифорнийского технологических институтов удалось зафиксировать "рябь" пространства-времени от катастрофического столкновения двух черных дыр в дальнем космосе.

Масса этих черных дыр в 29 и 36 раз превышала массы Солнца, а само слияние произошло 1,3 миллиарда лет назад, но двигающаяся со скоростью света гравитационная волна дошла до Земли лишь сейчас.

Новый прорыв

Одно из главных достижений проекта по обнаружению гравитационных волн – это то, что теоретические данные полностью совпали с реальным экспериментом. Ученые сумели показать, что излучение гравитационных волн произошло именно в результате слияния двух черных дыр, заявил РИА Новости заведующий кафедрой физики колебаний физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова доктор физико-математических наук Сергей Вятчанин.

"Поймали, во-первых, на двух антеннах (двух детекторах, которые разделяет 3 тысячи километров), а во-вторых сформулировали сценарий, и он "лег", так сказать. Вот это огромное достижение… Это черные дыры, 30 солнечных масс, слились, … и последняя агония этого слияния и дала этот огромный всплеск", — сказал ученый.

Профессор физического факультета МГУ, руководитель Московской группы коллаборации LIGO Валерий Митрофанов отметил, что существование гравитационных волн уже давно не ставилось научным сообществом под сомнение.

Многие ученые, которые занимаются другими темами, уже думали над тем, как данное явление может быть использовано в их исследованиях, хотя экспериментальное подтверждение существования волн гравитации состоялось только в сентябре 2015 года, отметил профессор.
Еще полгода ушли на тщательнейшую проверку полученных данных, и когда стало ясно, что ошибка практически исключена (на 100% она исключена не может быть, в принципе), было объявлено об открытии – без сомнений, одном из крупнейших в истории астрофизики.

Технологии появятся нескоро

Регистрация гравитационных волн открывает новые возможности для развития науки, однако практические технологии на основе данного явления появятся нескоро, считают физики.

"Очень трудно рассчитывать на то, что открытие гравитационных волн будет способствовать повышению комфорта жизни", — иронизирует Вятчанин.

С другой стороны, он привел в пример открытие электромагнитных волн в XIX веке – когда оно было сделано, мало кто мог представить, что чуть ли не все технические новации XX века будут базироваться на этом явлении.

По словам Митрофанова, тема создания прикладных технологий, основанных на гравитационных волнах, очень интересная, и "может неожиданно сыграть" в будущем. Но в настоящее время трудно представить, когда и в какой форме эти технологии будут реализованы.

История Вселенной

Задача обнаружения реликтовых гравитационных волн, которые стали следствием событий, произошедших сразу после зарождения Вселенной, на порядок сложнее, чем детекция сигнала от такого большого и катастрофического события, как слияние черных дыр. Однако, по мнению российских ученых, в конце концов, эта задача будет решена, что позволит совершить значительный шаг в изучении истории Вселенной.

"Гравитационные волны не поглощаются материей, мы можем заглянуть в самые-самые начальные моменты после Большого взрыва, так скажем, когда, собственно, началась Вселенная и начала развиваться", — пояснил Митрофанов.

Вятчанин отметил, что обнаружение реликтового гравитационного фона – "значительно более сумасшедшая" задача, чем та, которая была решена коллаборацией LIGO. Однако в отдаленной перспективе человечество сможет создать достаточно чувствительные приборы, которые смогут "поймать" реликтовые гравитационные волны, что позволит "просеять" космологические теории и отделить те, которые не соответствуют полученным данным, указал профессор.

Темная материя

Одна из тайн Вселенных, в разгадке которой может помочь открытие, касается темной материи – загадочного вещества, которое, по расчетам, должно вместе с темной энергией составлять большую часть состава Вселенной, но при текущем уровне развития технологий не может быть обнаружено.

По словам Митрофанова, темная материя, возможно, способна испускать гравитационные волны и взаимодействовать с ними, но пока никаких указаний на это нет. Тем не менее, исследования на стыке изучения гравитационных волн и темной материи способны дать интересные результаты. Однако значимым открытиям будет предшествовать период накопления данных и обработки полученной информации, указал исследователь.

Сергей Вятчанин также придерживается мнения, что гравитационные волны можно использовать для изучения темной материи. Но ученый отметил, что к настоящему моменту не разработаны сценарии, которые бы описывали излучение гравитационных волн темной материей.

Проект LIGO — система из двух одинаковых детекторов, тщательно настроенных для детектирования невероятно малых смещений метрики пространства-времени от прохождения гравитационных волн. Детекторы расположены в 3 тысячах километров друг от друга.

Исследования осуществляются в рамках научной коллаборации LIGO (LSC — LIGO Scientific Collaboration) коллективом из более чем тысячи ученых из университетов США и 14 других стран, включая РФ. Россия представлена двумя научными коллективами: группой физического факультета Московского университета и группой академического Института прикладной физики (Нижний Новгород).