Шрамы Вселенной: как гравитационные волны хранят память о гибели звёзд

Космические катаклизмы, такие как слияния и взрывы звезд, не только сопровождаются мощными вспышками излучения, но и вызывают искажения в самой ткани пространства-времени. Эти возмущения, порождаемые гравитацией объектов, переживающих драматические трансформации, известны как гравитационные волны. Некоторые из них остаются в космосе навсегда, сохраняя след бесчисленного множества звезд, завершивших свой жизненный путь во Вселенной. Обнаружить эти отголоски непросто, но ученые нашли способ разгадать их.

Фото: flickr.com by NASA Goddard Photo and Video is licensed under Commons, the free media repository

Космос

Гравитационные волны распространяются от своих источников, обладающих огромной массой, подобно волнам, расходящимся по поверхности воды от брошенного в нее камня. Роль такого камня могут исполнять, к примеру, две нейтронные звезды или черные дыры: когда они вращаются вокруг общего центра масс, их взаимное гравитационное влияние порождает сильные колебания пространства-времени. Кульминацией этого вращения становится полное слияние, сопровождающееся генерацией максимально мощных гравитационных волн. Именно такие волны в настоящее время фиксируются в космическом пространстве с помощью специализированных приборов.

Однако существуют и другие гравитационные волны, которые пока не поддаются регистрации из-за своей меньшей выраженности и амплитуды, то есть значительно более слабой интенсивности. Такие возмущения возникают в момент зарождения нейтронной звезды или черной дыры — во время вспышки сверхновой.

Примечательно, что эти события вызывают не только кратковременное сильное искажение структуры Вселенной — чрезвычайно слабые волны сохраняются навсегда, как отпечаток, оставленный массивной звездой. Это явление именуется гравитационно-волновой памятью. Ее существование, как и самих волн, было предсказано Общей теорией относительности, сформулированной Эйнштейном. Если бы удалось зафиксировать этот эффект памяти, это не только стало бы еще одним подтверждением правильности вычислений великого физика, но и дало бы возможность обнаруживать и изучать сами источники этих "свидетельств" космической истории.

Команда астрофизиков из США, Швеции и Польши представила новый метод, позволяющий "считывать" гравитационно-волновую память Вселенной. Ученые провели моделирование процесса гибели трех звезд, чья масса при жизни составляла примерно 10, 15 и 25 масс Солнца. В результате им удалось получить достаточно точное представление о характеристиках гравитационных волн, которые должны возникать в момент коллапса звездных ядер.

Оказалось, что временные колебания длились более секунды, что довольно существенно, учитывая, что гравитационные возмущения от слияний звезд длятся лишь доли секунды. Вечный след сверхновой сохраняется благодаря особому излучению нейтрино в момент взрыва и неоднородному распространению ударной волны, сообщают исследователи.

Согласно их расчетам, теперь стало возможным тщательно сопоставлять различные "образцы" гравитационных волн с данными, получаемыми от детекторов, и таким образом находить в космосе "шрамы", оставленные взрывающимися звездами. По крайней мере, неизгладимые последствия гибели звезды с массой, равной 25 солнечным, вполне можно обнаружить в радиусе примерно 30 тысяч световых лет от нас.

Стоит упомянуть, что в недавно опубликованной монографии физика Николая Горькавого было показано, что сверхмассивные черные дыры способны "захватывать" гравитационные волны, увеличивая собственную массу на ту же величину, на которую уменьшилась масса объектов, излучивших эту волну в прошлом. Другими словами, часть гравитационных волн, поиск которых предлагается авторами нового исследования, со временем будет поглощаться черными дырами и постепенно "стираться".

Уточнения

Сверхновая звезда или вспышка сверхновой — явление, в ходе которого звезда резко увеличивает свою светимость в десять тысяч — сто миллионов раз с последующим сравнительно медленным затуханием вспышки. Сопровождается выделением огромного количества энергии.