Благодаря наблюдениям за гравитационными волнами ученые смогли разрешить давний спор о скорости гравитации.
Из всех фундаментальных сил, известных человечеству, гравитация является одновременно самой знакомой и той, которая удерживает Вселенную вместе, соединяя далекие галактики в обширную и взаимосвязанную космическую паутину. В связи с этим возникает интересный вопрос: есть ли у гравитации скорость?
Оказалось, что да, и ученые точно измерили ее.
Давайте начнем с мысленного эксперимента. Предположим, что в этот самый момент Солнце каким-то образом исчезает – не просто гаснет, а исчезает полностью, физически. Мы знаем, что свет движется с фиксированной скоростью: 300 000 километров в секунду. Исходя из известного расстояния между Землей и Солнцем (150 миллионов километров), мы можем рассчитать, сколько времени должно пройти, прежде чем мы, живущие на Земле, узнаем, что Солнце исчезло. Пройдет около восьми минут и 20 секунд, прежде чем полуденное небо потемнеет.
А как же гравитация? Ведь если бы Солнце исчезло, оно не только перестало бы излучать свет, но и перестало бы оказывать гравитацию, которая удерживает планеты на орбите. Когда мы узнаем об этом?
Если гравитация бесконечно быстра, то она также исчезла бы, как только Солнце бы кануло в небытие. Мы бы еще наблюдали Солнце чуть более восьми минут, но Земля уже начала бы сошла со своей орбиты, направляясь в межзвездное пространство. С другой стороны, если бы гравитация двигалась со скоростью света, наша планета продолжала бы вращаться вокруг Солнца, как обычно, в течение восьми минут и 20 секунд, после чего она перестала бы следовать по привычному пути.
Конечно, если бы гравитация двигалась с какой-то другой скоростью, то интервал между тем, как мы увидели, что Солнце исчезло, и тем, как астрономы заметили, что Земля движется в неправильном направлении, был бы другим. Так какова же скорость гравитации?
На протяжении всей истории науки предлагались разные ответы. Сэр Исаак Ньютон, который придумал первую сложную теорию гравитации, считал, что скорость гравитации бесконечна. Он мог предсказать, что траектория движения Земли в космосе изменится раньше, чем люди заметят, что Солнце исчезло.
Но Альберт Эйнштейн считал, что гравитация движется со скоростью света. Он предсказал бы, что люди одновременно заметят исчезновение Солнца и изменение траектории движения Земли в космосе. Он включил это предположение в свою Общую теорию относительности, которая на сегодняшний день является наиболее признанной теорией гравитации и очень точно предсказывает путь планет вокруг Солнца. Его теория делает более точные предсказания, чем теория Ньютона.
Итак, можем ли мы сделать вывод, что прав именно Эйнштейн?
Нет, не можем. Если мы хотим измерить скорость гравитации, нам нужно придумать способ ее прямого измерения. И, конечно, поскольку мы не можем просто убрать Солнце на несколько мгновений, чтобы проверить идею Эйнштейна, нам нужно найти другой способ.
Теория гравитации Эйнштейна давала проверяемые предположения. Самое важное из них заключается в том, что привычная нам гравитация может быть объяснена как искажение ткани пространства: чем больше искажение, тем выше гравитация. И эта идея имеет значительные последствия. Она предполагает, что пространство податливо, подобно поверхности батута, которая искажается, когда на нее наступает ребенок. Более того, если тот же ребенок прыгает на батуте, поверхность меняется: она подпрыгивает вверх и вниз.
Точно так же пространство может метафорически “подпрыгивать”, хотя точнее было бы сказать, что оно сжимается и расслабляется подобно тому, как воздух передает звуковые волны. Эти пространственные искажения называются “гравитационными волнами”, и они распространяются со скоростью гравитации. А значит, если мы сможем обнаружить гравитационные волны, то, возможно, сможем измерить и скорость гравитации. Но исказить пространство так, чтобы ученые могли его измерить, довольно сложно, и это выходит далеко за рамки нынешних технологий. К счастью, нам на помощь пришла природа.
Измерение гравитационных волн
В космосе планеты вращаются вокруг звезд. Но иногда звезды вращаются вокруг других звезд. Некоторые из этих звезд когда-то были массивными, прожили свою жизнь и умерли, оставив после себя черную дыру – останки мертвой массивной звезды. Если две такие звезды умерли в двойной звездной системе, то могут образоваться две черные дыры, вращающиеся друг вокруг друга. При движении по орбите они испускают ничтожное (и в настоящее время не обнаруживаемое) количество гравитационного излучения, что заставляет их терять энергию и приближаться друг к другу. В конце концов, две черные дыры сближаются настолько, что сливаются. Этот бурный процесс приводит к выбросу огромного количества гравитационных волн. За ту долю секунды, когда две черные дыры сближаются, в результате слияния в гравитационных волнах высвобождается больше энергии, чем за то же время излучают все звезды видимой Вселенной.
Хотя гравитационное излучение было предсказано еще в 1916 году, ученым потребовалось почти столетие, чтобы разработать технологию его обнаружения. Чтобы найти эти искажения, ученые берут две трубки, каждая длиной около 4 километров, и ориентируют их под углом 90 градусов, так что они образуют букву “L”. Затем они используют комбинацию зеркал и лазеров, чтобы измерить длину обеих трубок. Гравитационное излучение будет по-разному изменять длину двух трубок, и если они увидят соответствующую картину изменения длины, значит, ученые наблюдали гравитационные волны.
Первое такое наблюдение гравитационных волн произошло в 2015 году, когда слились две черные дыры, расположенные на расстоянии более 1 миллиарда световых лет от Земли. Несмотря на то, что это был очень захватывающий момент в астрономии, он не дал ответа на вопрос о скорости гравитации. Для этого требовалось другое наблюдение.
Хотя гравитационные волны испускаются при столкновении двух черных дыр, это не единственная возможная причина. Гравитационные волны также испускаются при столкновении двух нейтронных звезд. Нейтронные звезды – это тоже сгоревшие звезды, похожие на черные дыры, но немного легче. Более того, когда нейтронные звезды сталкиваются, они не только испускают гравитационное излучение, но и мощный всплеск света, который можно наблюдать во всей Вселенной. Чтобы определить скорость гравитации, ученым нужно было увидеть слияние двух нейтронных звезд.
В 2017 году астрономы получили такой шанс. Они обнаружили гравитационную волну, а чуть более двух секунд спустя орбитальные обсерватории зафиксировали гамма-излучение, которое является разновидностью света, из той же точки пространства, исходящее из галактики, расположенной на расстоянии 130 миллионов световых лет от нас. Наконец-то астрономы нашли то, что им было нужно для определения скорости гравитации.
Слияние двух нейтронных звезд одновременно излучает и свет, и гравитационные волны, поэтому если гравитация и свет имеют одинаковую скорость, они должны быть обнаружены на Земле в одно и то же мгновение. Учитывая расстояние до галактики, в которой находились две столкнувшиеся нейтронные звезды, мы знаем, что эти два типа волн летели около 130 миллионов лет и добрались до нас с разницей в пределах двух секунд друг от друга.
Вот и весь ответ. Гравитация и свет движутся с одинаковой скоростью, определенной точным измерением. Это еще раз подтверждает правоту Эйнштейна и намекает на нечто важное в природе пространства. Ученые надеются когда-нибудь полностью понять, почему эти два совершенно разных явления имеют одинаковые скорости.
Читайте также: Люди, которые хотели покончить с гравитацией