[12]. Такие волны — еще одно следствие ОТО Эйнштейна. Гравитационные волны являются, по существу, треморами в пространстве-времени, смещениями, которые генерируются, например, при объединении двух черных дыр. Возможность регистрации гравитационных волн зависит от длительности процессов слияния черных дыр, а также от условий соответствующего окружения области слияния (например, от того, окружена ли эта область газовым облаком или нет).
Многие астрофизики заняты расчетом дополнительных признаков, которые соответствуют процессам слияния черных дыр. Такие сигналы дополняют данные, получаемые при измерениях в других диапазонах спектра (рентгеновском, радиочастотном, видимом). Многое зависит от условий в районе столкновения. Сейчас в этой области работают многие исследователи, причем одновременно в двух направлениях. С одной стороны, ученые проводят теоретические расчеты протекающих процессов, а с другой — начинают реализовывать целевые программы по связанным с ними астрономическим наблюдениям для регистрации получаемых сигналов. Меня эта проблема интересовала лично, поскольку в таких исследованиях прекрасно и удивительно сочетаются теория и наблюдения. В одном из первых таких расчетов, проведенном еще в 2002 г., мне и Филипу Армитажу (из Колорадского университета в Боулдере) удалось показать, что слияние пары черных дыр, погруженных в облако газа, происходит быстро и может быть обнаружено с помощью гравитационных волн, которые они производят. Они могут быть зарегистрированы либо непосредственно, либо по изменениям в других областях спектра излучения. Тем самым открывается новый фронт исследований в физике черных дыр вообще. Ученые уже начали получать новые данные экспериментов в рамках проекта LIGO (Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория), а позднее данные его модернизированного варианта Advanced LIGO. Исследования в рамках этих проектов нацелены на регистрацию гравитационных волн в любой момент их возникновения при слиянии черных дыр. Гравитационное окно, которое, как ожидается, скоро откроется, предоставит еще один способ исследовать черные дыры в дополнение к уже существующим методам зондирования черных дыр в оптическом, рентгеновском и радиочастотном диапазонах.
История того, как черные дыры, возникшие где-то на границе карты научного познания, постепенно перебрались в центр этой карты, очень символична и поучительна, поскольку наглядно демонстрирует, каким образом новые инструменты позволяют реализовываться новым теоретическим представлениям. Однако черные дыры остаются лишь крошечной частью окружающего нас невидимого мира. Две другие его таинственные и невидимые сущности, управляющие Вселенной и определяющие ее судьбу, — темная материя и темная энергия — также остаются неуловимыми.
4. Невидимая решетка
Представьте, как Шерлок Холмс или Эркюль Пуаро используют свои немалые индуктивные и дедуктивные способности для расследования убийства. Есть улики, мотив и место преступления — но не хватает жертвы. Астрономы, которые пытаются обнаружить темную материю — нечто невидимое, пронизывающее космос, — оказываются лицом к лицу с такой же загадкой. Подобным образом происходит охота на черные дыры — мы можем только искать следы влияния невидимой материи на окружающее пространство. Можно выявить влияние гравитационного поля черной дыры на близлежащие объекты и, учитывая общую относительность, исследовать, как невидимая материя преломляет свет. Но это по-прежнему остается астрономическим аналогом состава правонарушения с точки зрения обвинителя — сложно доказать убийство при отсутствии тела.
Однако темная материя представляет собой куда более неуловимую добычу, чем черные дыры: в отличие от обычной материи она не излучает, не поглощает и не отражает электромагнитные волны. Она инертна. Единственное, что мы знаем точно, — частицы темной материи, которые, вероятно, сформировались во Вселенной очень рано, несмотря на свою специфичность, имеют массу, составляющую почти всю общую массу материи во Вселенной, и под действием гравитации эти частицы собираются в отдельные массивы. Все известные элементы периодической таблицы, включая те, из которых построено наше тело, составляют мизерные 4 %[13] всего состава Вселенной, включая материю и энергию, — крайне незначительное число по отношению к количеству темной материи. Темная материя является основой для формирования и изменения звезд и галактик. И все же мы знаем о ней очень мало{1}.
Предыстория исследования темной материи начинается в весьма неожиданных декорациях — обшарпанной мастерской мастера-стеклодува в Мюнхене XIX в. Здесь старики выдували расплавленное стекло в пузыри и затем придавали им форму с помощью воздуходувной трубки и горелки. Йозеф фон Фраунгофер, родившийся 6 марта 1787 г. в Баварии, был одиннадцатым и последним ребенком мастера стекольных дел Франца Ксавьера Фраунгофера и Марии Анны Фролих. И по материнской, и по отцовской линии на протяжении нескольких поколений передавалась традиция стекольного ремесла. Осиротев в возрасте 11 лет, Фраунгофер пошел учеником к придворному мастеру-стеклорезу в Мюнхене. Мальчик находился внутри здания мастерской, когда в 1801 г. оно рухнуло, но его спасли. Под влиянием трагедии курфюрст Максимилиан IV Иосиф, который позднее стал королем Баварии, лично предоставил денежные средства, чтобы обеспечить будущее юноши. Фраунгофер использовал эту возможность для изобретения инструмента, который кардинально изменил всю астрономию и позволил впервые обнаружить темную материю 132 года спустя{2}. Фриц Цвикки, первооткрыватель темной материи в 1933 г., обязан своим успехом обрушению стекольной лавки XIX в.
Основой для исследования Фраунгофера стал тот факт, что свет, излучаемый любым объектом, чем-то похож на отпечаток пальца — он оставляет за собой особого рода свидетельства, зашифрованные в виде частоты, которая указывает на уникальные свойства химических составляющих каждого объекта. Устав от производства декоративных стеклянных изделий для королевского двора, неутомимый юный Фраунгофер получил должность в Институте оптики имени Йозефа Уцшнайдера в Мюнхене. Там он прошел официальное обучение в области физики, математики и оптики. Будучи талантливым учеником, он продолжил работу и написал в 1807 г. авторитетное исследование, которое показывает превосходство изображения параболических зеркал, используемых в телескопах-рефлекторах. Спустя шесть лет после спасения из-под руин Фраунгофер осуществил значительный прорыв в производстве оптических линз для астрономических телескопов.
Когда лучи света касаются стеклянной поверхности линзы, они искривляются (преломляются). Степень преломления зависит от свойств материала (в данном случае от состава стекла) и длины волны света. Например, в видимом спектре красный свет едва ли меняет свою траекторию, проходя через линзу, а фиолетовый цвет с более короткой длиной волны изменяет свой путь. Точно так же как оптик изготавливает для нас очки определенной силы, мы, астрономы, должны калибровать линзы телескопа для определения яркости объектов, которые можем наблюдать. Поскольку увеличение отдаленных тусклых объектов происходит с помощью собирающей способности поверхности линз телескопа, процесс калибровки включает разработку линз, которые могут собирать вместе все цвета. Понимая волновую природу света, Фраунгофер изобрел спектроскоп, который разделяет световые частоты. Это дало возможность прочитать уникальные отпечатки химических элементов, присутствующих в спектре отдаленного объекта, и определить его составляющие. Современники Фраунгофера скоро признали его талант, и впоследствии он стал директором Института оптики.
Хотя многие из методов шлифовки и полировки зеркал умерли вместе с Фраунгофером, его способ калибровки линз и изобретение спектроскопии способствовали переменам в нашем понимании состава и свойств астрономических объектов — как близких, так и отдаленных. Изобретенная им спектроскопия, анализ спектра космических источников света, ставшая новым мощным инструментом количественного анализа, изменила астрономию. В 1812 г., используя в своей лаборатории известные источники света, такие как натриевые лампы, Фраунгофер определил коэффициенты преломления для линз и откалибровал их с помощью солнечного света. Измерив спектр солнечного света, он обнаружил 600 темных линий, известных сегодня как линии Фраунгофера. Понимая, что дело в свойствах солнечного света, он определил коэффициенты преломления для каждого цвета в солнечном спектре, откалибровав линзы по темным линиям. Эти линии отображают атомный состав солнца. Фраунгофер не стал далее углубляться в происхождение этих линий, он измерил их длину волны и, таким образом, собрал первый спектрограф{3}. Также он заметил, что спектр ярчайших звезд отличался от спектра, излучаемого Солнцем.
Открытие темных линий в спектре Солнца привело к появлению множества способов прикладного применения спектроскопии в астрономии. Без спектроскопа мы получали бы изображения, из которых нельзя извлечь информацию о приближении или удалении космических объектов, и стала бы невозможной работа Весто Слайфера, Генриетты Ливитт, Эдвина Хаббла и других. Астрономия застряла бы на этапе симпатичных картинок. Проще говоря, Фраунгофер запустил методы и технологии, которые усовершенствовали спектрограф — ключевой инструмент точных измерений ускоряющихся туманностей, и это 120 лет спустя привело к предположению о существовании темной материи.
Часть истории открытия темной материи несколько отличается от той, что я уже описывала. Если сравнивать ее с историей открытия черных дыр, здесь мы не видим никакой математической теории, которая бы предполагала наличие темной материи. Есть только ряд ставящих в тупик наблюдений, которые на первый взгляд не соответствовали ньютоновской теории притяжения там, где она должна была бы действовать. Астрономы рассчитывали массы галактик из их движения и в ходе подобной работы обнаруживали значительные отклонения. Наблюдения давали основания предположить, что реальная масса в 10 раз превосходила видимую. Несмо