Альберт Эйнштейн, при создании Общей Теории Относительности (ОТО), предсказал появление гравитационных волн, искажений пространства-времени, распространяющихся из далеких уголков Вселенной. Кроме этого из ОТО следует, что звезды в 2-3 раза тяжелее нашего Солнца, в которых вещество не выдерживает давления звезды самой на себя, искривляют пространство так сильно, что в непосредственной близости от коллапсировавшей звезды образуется горизонт событий - поверхность, за которую можно попасть, но невозможно выбраться. Образуется черная дыра - область пространства, оторванная от остальной Вселенной. На горизонте событий, относительно наблюдателя извне, время перестает идти. Эффекты, происходящие неподалеку от черных дыр, наблюдались и на Земле, и возле Солнца, просто в гораздо более слабых проявлениях, так как массы, плотности Земли и Солнца меньше.
В классическом понимании черные дыры - это оставшееся искривленное пространство после коллапса звезды, с горизонтом событий. Однако, современные теории предлагают альтернативы этой модели. В них либо предполагают определенные структуры у горизонта событий, либо указывают, что коллапс материи останавливается у точки невозврата. Сможем ли мы узнать, что же там происходит на самом деле?
В феврале 2018 года в научном журнале Physical Review Letters появилась статья, в которой рассматривается возможность ответить на вопрос, что все-таки представляет из себя черная дыра? И что происходит на уровне горизонта событий? Ответить на данные вопрос помогут гравитационные волны. Было показано, что гравитационные волны помогут прочувствовать структуру черных дыр в непосредственной близости от горизонта событий, вплоть до невероятно малых Планковских масштабов (10^-35 м, или метр разделенный на единицу с тридцатью пятью нулями). Давайте разберемся, как это возможно.
LIGO и Virgo - измерение гравитационных волн на Земле
Эксперимент LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory), базирующийся в США, заработал в 2015 году. Цель эксперимента - впервые начать регистрировать гравитационные волны. За последние несколько лет в LIGO успели зарегистрировать несколько слияний черных дыр и одно слияние нейтронных звезд, подтвержденное оптическими, рентгеновскими и радио телескопами. До LIGO гравитационные волны не удавалось поймать, так как даже при слиянии черных дыр в соседних галактиках на Земле происходят искажения пространства, которые даже меньше по величине, чем размеры атомов. В 2017 году к LIGO присоединился эксперимент Virgo, базирующийся в Италии, и в этот же год оба эксперимента независимо зарегистрировали слияние черных дыр. За открытия 2015-2017 года основатели LIGO - Рэйнер Вайс, Кип Торн и Бэрри Бариш получили Нобелевскую Премию. Сейчас инструменты LIGO и Virgo улучшаются для возможности "слышать" более далекие слияния черных дыр и нейтронных звезд, а, возможно, и другие события во Вселенной.
Гравитационная волна регистрируется в LIGO и Virgo, как разность пути, пройденная двумя лучами света в двух перпендикулярных рукавах прибора (см. рисунки). В отсутствии гравитационных волн свет проходит одинаковый путь в двух рукавах, и отражается от зеркал на двух концах в обратном направлении. Длина одного рукава - 4 километра. Конкретная форма сигнала в приборах позволяет извлекать информацию о событии, которое произошло, а так же о приблизительном угловом направлении источника сигнала.
LISA - измерение гравитационных волн в космосе
Тем временем, в 2017 году успешно завершилась миссия LISA Pathfinder, цель которой - проверить работоспособность будущего эксперимента LISA для измерения гравитационных волн в космосе. Эксперимент Pathfinder завершился с большим успехом, и теперь миссия LISA готовится к своему запуску в 2030-х годах.
Эксперимент LISA уже будет выглядеть, не как прямой угол, а как треугольник. Длина стороны такого треугольника будет порядка миллиона километров. LISA сможет ловить гравитационные волны от более массивных черных дыр, чем те, которые доступны для LIGO и Virgo.
Классические черные дыры? Или другие экзотические объекты?
Среди прочих вариантов, в качестве альтернативы черным дырам предлагаются экзотические компактные объекты (ECO или ЭКО). Один пример таких объектов - гравастар. У ECO есть одно общее свойство - материя не проваливается за горизонт событий. А означает это, что приливные гравитационные эффекты от другого компактного объекта будут воздействовать на эту материю (приливная деформация). В случае двух черных дыр, между ними происходит только обмен энергии, кривизны пространства-времени (приливное нагревание).
В статье, о которой шла речь в самом начале, ученые из Германии, Португалии, Италии и Канады оценили возможность измерить эффекты приливной деформации с помощью LISA, и сравнить их с эффектами приливного нагревания. Лучше всего это отличие для разных моделей ECO проявляется на Планковских масштабах (10^-35 м). Однако, некоторые модели ECO имеют отличия уже на масштабах микрометра (10^-6 м) вблизи поверхности горизонта событий черных дыр. Показано, что деформационные искажения на уровне микрометра гарантированно смогут быть исследованы с помощью LISA. А деформации на Планковских масштабах - только при оптимистичном раскладе.
Так что же все-таки происходит вблизи черных дыр? И являются ли эти объекты черными дырами, в привычном понимании? Запуск миссии LISA в 2030-х годах поможет ответить на эти вопросы. "Ждать-то замучаешься!", скажете Вы. Возможно, что ответ мы получим быстрее. Недавно ученые из Ирана сделали храброе заявление, что, возможно, в сигналах от LIGO скрываются "эхо" гравитационных волн. Коллаборация LIGO пока не подтвердила эти заявления. Считается, что эхо-сигналы могут свидетельствовать о другого рода структуре у горизонта событий черной дыры, которая называется файерволл. Обсуждение публикации о возможных "эхо" появилось на сайте журнала Nature.
Бонус
Оценить, насколько маленькой является Планковская длина, и сравнить ее с другими микро-макро объектами во Вселенной, можно, посмотрев видео ниже:
Спасибо за внимание!
Если Вам понравилась статья - подпишитесь на канал :)
