Разумеется, уточнение масс требует значительно более тщательного анализа. Но есть одна проблема: практически невозможно, исходя из наблюдаемого рисунка волны (и чирпа), реконструировать характеристики процесса слияния. Теоретикам приходится сравнивать наблюдения со многими десятками тысяч рассчитанных характеристик волны и искать максимальное совпадение.
В качестве аналогии можно привести отпечатки пальцев. Каждый отпечаток уникален, и отпечаток, найденный детективом, идентифицирует единственного человека. Но невозможно установить, кто этот человек, имея только отпечаток его пальца. Нужна база данных из миллионов отпечатков, в которой ищется совпадение.
Поэтому теоретики посвятили много сил расчету предполагаемых характеристик волн для самых разных событий – в действительности для каждого возможного слияния. Какие волны Эйнштейна ожидаются при слиянии двух нейтронных звезд в 1,4 солнечной массы (как у двух компонентов двойной системы Халса – Тейлора)? В случае более массивных нейтронных звезд? Если одна звезда на 50 % массивнее другой? А если на 40 % или на 60 %? При слиянии нейтронной звезды и ЧД? Или двух ЧД? В случае приливных деформаций? Эксцентрических орбит?
Разные объекты, разные массы и соотношения масс, разный угол зрения, скорость вращения – для любого возможного сочетания можно рассчитать, какая получится волна. За годы теоретики создали библиотеку из нескольких сотен тысяч форм волн. Характерный чирп GW150914 наиболее соответствует прогнозу для волны, вызванной слиянием двух ЧД массами в 36 и 29 раз больше массы Солнца. Таким образом, эти «отпечатки» указали «детективам» LIGO на «подозреваемого». То, что кажется черной магией, является серьезной наукой[88].
Это непростые вычисления. Математическая составляющая ОТО очень сложна, поэтому Эйнштейну потребовалось так много времени, чтобы сформулировать свои идеи. Например, ЧД вызывает деформацию окружающего пространственно-временного континуума. Искривление пространственно-временного континуума – это определенное количество энергии. Согласно Эйнштейну, энергия эквивалентна массе. Таким образом, энергия искривления вызывает некоторое добавочное искривление. Так называемые нелинейные характеристики ОТО делают любое вычисление очень сложным и длительным.
Другую сложность представляет система координат. В теории всемирного тяготения Исаака Ньютона каждое событие можно было описать по отношению к абсолютному пространству и абсолютному времени. Пространство и время задавали инвариантную координатную систему. В ОТО Эйнштейна нет ничего абсолютного. Координатная система (пространственно-временной континуум) испытывает воздействие события, которое вы пытаетесь описать. В случае ЧД пространственно-временной континуум очень сильно искривляется, засасывается и поглощается ее мощной гравитацией. Можете представить, как трудно вычислить местонахождение объекта, если координатная система разорвана в клочья.
Рассчитать ожидаемые формы волны в случае слияния компактных двойных систем – сложная задача. Даже в простейших случаях такие расчеты не проведешь на карманном калькуляторе, тем более на обороте конверта. Только в 1970-х гг. ученые, занимающиеся математической физикой, достигли первых успехов. Сегодня большая часть сложностей в вычислениях преодолена. Однако нужен суперкомпьютер огромной производительности, чтобы проделать расчеты за обозримое время. Создание библиотеки из нескольких сотен тысяч форм волн – колоссальный труд.
Разумеется, библиотека волн Эйнштейна содержит формы волн, возникающих не только вследствие слияния компактных двойных систем. Асимметричный взрыв сверхновой образовал бы волну совершенно иного характера, как и быстро вращающаяся вокруг своей оси нейтронная звезда с крохотной неровностью поверхности. В силу огромной плотности нейтронные звезды считаются самыми совершенными сферами в природе, но «гора» высотой всего в миллиметр может создать доступные для наблюдения гравитационные волны. Во всех случаях детали могут сильно различаться в зависимости от конкретных обстоятельств.
В любом случае с учетом близкого соответствия характеристик волны теоретическим предсказаниям, никто не сомневается, что GW150914 была образована слиянием двух ЧД в 36 и 29 раз массивнее Солнца. Поскольку ОТО дает первоначальную амплитуду возникающих волн Эйнштейна, достаточно простой обратный расчет, отталкивающийся от наблюдаемой амплитуды, позволяет оценить расстояние до места столкновения.
Форма волны второй регистрации (GW151226) совпала с прогнозом для слияния двух ЧД в 14,2 и 7,5 солнечных масс. Они слились на несколько большем расстоянии – 1,4 млрд св. лет. По очевидным причинам анализ этого события не начинался до 11 февраля 2016 г. – ученые LIGO и Virgo были слишком заняты подготовкой к важной первой пресс-конференции. Габриэла Гонсалес, Фульвио Риччи и Дэвид Райтце представили результаты по GW151226 в среду 15 июня на пресс-конференции в рамках 228-го собрания Американского астрономического общества в калифорнийском Сан-Диего[89].
Из-за меньшей массы объектов-участников второго события фаза сближения по спирали происходила медленнее. Наблюдаемый чирп длился дольше целой секунды, тогда как у GW150914 – только 0,2 с. Соответственно, наблюдалось больше фаз волны: 54 фазы (соответствующие 27 виткам орбиты) в отличие от всего 10 фаз (5 витков) первого события. Возникшая в итоге ЧД опять-таки весила меньше суммы двух изначальных – 20,8 солнечных масс. В этом случае энергетический эквивалент 0,9 солнечной массы превратился в гравитационную волну.
Что касается третьего сигнала, зарегистрированного 12 октября 2015 г., то его возможным источником команда считает слияние двух ЧД в 23 и 13 солнечных масс на расстоянии более 3 млрд св. лет. Однако статистическая значимость в этом случае была значительно ниже, чем в двух предыдущих. С учетом типичных флуктуаций фонового шума детекторов вероятность того, что событие не было настоящей гравитационной волной, оценивается в 1 %. Только поэтому оно не получило официального наименования с аббревиатурой GW и называется LVT151012 (LIGO – Virgo Trigger – событие-инициатор LIGO – Virgo). Тем не менее большинство членов коллаборации считают его истинной регистрацией, хотя и менее убедительной – с уровнем доверительной вероятности «всего» 99 %.
Итак, формы волны первых регистраций LIGO указывали на слияние ЧД. По мнению некоторых ученых, наблюдения гравитационных волн представляют собой первое прямое доказательство существования ЧД. Действительно, поскольку, по определению, ЧД не излучает свет (как и любое другое электромагнитное излучение), она недоступна для непосредственного наблюдения – если только вы не «почувствуете» слабейшие вибрации, вызванные ею в ткани пространственно-временного континуума. Единственный способ прямой коммуникации ЧД с окружающим миром – посредством гравитации, единственный доступный им язык – язык гравитационных волн. Другие имеющиеся свидетельства их существования являются частными и косвенными[90].
Идея ЧД намного старше ОТО Эйнштейна. Ее выдвинул английский священник и геолог Джон Мичелл еще в 1783 г., всего через полвека после смерти Исаака Ньютона. Теория всемирного тяготения была хорошо известна и считалась серьезно обоснованной. Мичелл знал, что каждое небесное тело имеет так называемую скорость убегания – скорость, с которой нужно двигаться, чтобы преодолеть гравитационный захват тела. Например, скорость убегания для Земли составляет 11,2 км/с, для Солнца – 617,5 км/с.
«Что, если бы Солнце было еще массивнее?» – задумался Мичелл. Очевидно, его скорость убегания была бы еще выше. В случае достаточно большой и массивной звезды скорость убегания может достигать 300 000 км/с – скорости света. Но что произойдет, если свет не сможет убежать от звезды?
В статье, опубликованной в Philosophical Transactions of the Royal Society of London, Мичелл предложил ответ: «Если бы в природе существовали некие тела, имеющие плотность не меньше солнечной и диаметр, более чем в 500 раз превышающий диаметр Солнца, то, поскольку их свет не смог бы дойти до нас… о существовании [этих] тел… мы не смогли бы получить визуальной информации». Иными словами, если свет не способен преодолеть их силу тяготения, они будут для нас невидимыми. Мичелл, однако, назвал такие тела не черными дырами, а черными звездами.
Разумеется, черные звезды Мичелла никак не связаны с искривленным пространственно-временным континуумом – в 1783 г. этой концепции не существовало. Ученые XVIII в. не знали, что скорость света является самой большой возможной скоростью в природе. Поэтому гипотетические черные звезды Мичелла не считались объектами, которые, как ЧД, ничто никогда не сможет покинуть. Пускай свет не может отойти от черной звезды, космический корабль, вероятно, сумеет, если его двигатели проработают достаточно долго (разумеется, за вычетом того, что в 1783 г. космических кораблей не существовало).
Современное понятие черной дыры возникло в начале 1916 г. Всего за несколько месяцев до этого Альберт Эйнштейн обнародовал ОТО. Возможно, вы помните его уравнения поля (одно из которых увековечено на восточной стене Музея Бургаве в Лейдене). Оказалось, они допускают существование в пространстве областей с гравитацией, достаточно сильной, чтобы искривленный пространственно-временной континуум замкнулся сам на себя. Эти решения уравнений поля независимо получили двое блестящих ученых: 42-летний немецкий физик и астроном Карл Шварцшильд и голландский специалист в области математической физики Йоханнес Дрост, 29-летний студент-дипломник Хендрика Лоренца.
В начале Первой мировой войны, в 1914 г., Шварцшильд вступил в германскую армию и зимой 1915/16 г. одновременно сражался с русскими солдатами на Восточном фронте и с редкой кожной болезнью, пузырчаткой, вероятно приведшей к его смерти в мае 1916 г. Однако в этот период он нашел время и силы написать три научные статьи, в том числе об объектах, которые мы теперь называем черными дырами. Кроме того, Шварцшильд переписывался с жившим в Берлине Эйнштейном по поводу полученных им результатов. Решение Дроста, также высоко оцененное Эйнштейном, было более изящным, но опубликовано только в 1917 г.