Когда две черные дыры обращаются друг вокруг друга, они не летят по неподвижной сцене. В общей теории относительности масса искривляет пространство-время, а ускоренное движение массивных тел создает распространяющиеся изменения этой геометрии.
Эти изменения и называются гравитационными волнами.
2. Медленный танец становится быстрым
Сначала черные дыры могут находиться далеко друг от друга и совершать оборот за долгое время. Система излучает немного энергии в виде гравитационных волн. Из-за этой потери орбита постепенно сужается, скорость растет, а волны становятся чаще и сильнее.
Последние доли секунды дают характерный сигнал, который специалисты называют «чирпом»: частота и амплитуда быстро поднимаются. Затем горизонты объединяются, возникает одна возмущенная черная дыра, и она избавляется от искажений коротким затухающим звоном. После этого остается спокойный объект с большей массой и обычно быстрым вращением.
Часть массы системы превращается в энергию волн по формуле Эйнштейна. При первом прямом обнаружении сигнала от слияния двух черных дыр в 2015 году за очень короткое время в гравитационные волны перешла энергия, эквивалентная примерно трем массам Солнца.
Это не взрыв вещества наружу, а изменение самой геометрии пространства-времени.
Сотрясение огромно рядом с источником, но на Земле оно меняет расстояния меньше размеров атомного ядра.
3. Как измерить почти незаметное движение?
Лазерный интерферометр разделяет луч света между двумя длинными взаимно перпендикулярными плечами. Проходящая волна чуть растягивает одно направление и сжимает другое. Лучи возвращаются, складываются, и прибор замечает крошечное изменение их пути.
Один детектор не дает полной уверенности: местные колебания, техника и окружающая среда тоже создают шум. Поэтому используют несколько обсерваторий, сравнивают время прихода сигнала и проверяют его форму по расчетным моделям. Совпадение позволяет оценить массы, вращение и расстояние до пары.
4. Почему волна проходит сквозь Землю?
Гравитация взаимодействует со всем, но гравитационные волны чрезвычайно слабо поглощаются веществом. Они способны пройти через газ, пыль, звезды и планеты, сохранив сведения о событии. Именно поэтому ими можно изучать слияния, от которых почти не приходит обычный свет.
Это не значит, что Землю регулярно «трясет» в бытовом смысле. Волна попеременно меняет расстояния в разных направлениях, но деформация настолько мала, что человек ее не чувствует. Для регистрации нужны километровые установки, вакуум, сложная изоляция и очень точные лазеры.
Главное открытие здесь даже не отдельная черная дыра. У человечества появился новый канал наблюдения. Раньше астрономия почти всегда ловила электромагнитные волны, от радиосигналов до гамма-лучей. Теперь мы умеем слушать, как движутся самые темные объекты и как в сильнейших полях проверяется теория гравитации.
