Чи можливі подорожі крізь чорні діри?

Чи можливі подорожі крізь чорні діри?

1063 7 хвилин хв. читання
13.12.2017

За що дали Нобелівську премію з фізики і як це вплине на розвиток науки

У середині жовтня астрономи заявили про надзвичайне відкриття. У серпні цього року вони вперше спостерігали гравітаційні хвилі та світло, які надходили з космосу і які спричинила одна подія – злиття двох нейтронних зір. Саме за це відкриття нещодавно була вручена цьогорічна Нобелівська премія з фізики.

 

Задетектувала гравітаційні хвилі обсерваторія LIGO в США, яка співпрацює з інтерферометричною установкою Virgo в Італії. І, до слова, науковці обсерваторії LIGO вже не вперше реєструють гравітаційні хвилі. У серпні 2017 року гравітаційні хвилі зафіксували тільки вп'яте. А приблизно через дві секунди після їх детектування дві космічні обсерваторії – Космічний гамма-телескоп Фермі NASA і астрофізична гамма-лабораторія ESA INTEGRAL – спостерігали короткий гамма-спалах у тій самій ділянці неба. Джерело цих гравітаційних хвиль зафіксоване від Землі на відстані 130 мільйонів світлових років. Але це найближче до нас з усіх виявлених джерел гравітаційних хвиль і одне з найближчих джерел гамма-спалахів, які спостерігали досі.

 

Гравітаційні хвилі – це брижі у просторі-часі. Теорію про їхнє існування вперше озвучив Альберт Айнштайн століття тому. Минулого року, у лютому, вчені вперше змогли детектувати гравітаційні хвилі. Усі ті хвилі, які астрономи зареєстрували до цього часу, були викликані злиттям двох чорних дір. Цього разу, на думку науковців, йдеться якраз про злиття нейтронних зірок.

Що це? Після того, як масивна зірка закінчує своє життя, спалахуючи надновою, на її місці залишається надщільне ядро: нейтронна зірка. Саме злиття нейтронних зірок вважається причиною коротких гамма-спалахів, які спровоковані вибухом у тисячі разів яскравішим, ніж типова нова. Це – так звана кілонова. Відтак майже одночасна реєстрація гравітаційних хвиль і гамма-променів вказала на те, що це і є кілонова, яку давно розшукують астрономи.

Оскільки всі попередні детектування стосувалися злиття двох чорних дір, варто почати з них. Чорні діри – це максимально можливі викривлення простору-часу, адже вони – нескінченно глибокі. Якщо провести аналогію з хвилями на воді, то що більше збурення відбувається, то сильніші хвилі. Ті технології, які сьогодні детектують гравітаційні хвилі, здатні зафіксувати їх тільки від найбільших подій. Такими є злиття чорних дір.

 

«Але є певні проблеми в цьому детектуванні, – каже науковий співробітник Інституту Нільса Бора (Копенгаген), кандидат фізико-математичних наук Дмитро Якубовський. – Одна з них у тому, що детектори, якими реєструють гравітаційні хвилі, мають доволі погану кутову роздільну здатність. Тобто перше детектування вони могли вказати з точністю до декількох десятків градусів. Це приблизно площа 2 сузір’їв з 88-и, які є на небі. Це дуже мала точність. І було дуже складно сказати, якими саме були ці об’єкти. Було лише відомо, на якій відстані відбулася ця подія і що це були чорні діри. Тому що саме вони при злитті дають такий сигнал. Але якогось сигналу в іншому діапазоні досі не вдавалося отримати.

У інституті Нільса Бора працює група науковців, одна з багатьох у світі, які намагаються знайти джерело електромагнітного випромінювання. Вони дивляться на великі площі неба в різних діапазонах, які дають кращу просторову роздільну здатність і дозволяють більш точно ідентифікувати певний об’єкт у космосі. До прикладу, в оптичному, рентгенівському або гамма-діапазоні. Для цих діапазонів вже є хороша техніка, яка дозволяє дуже точно поміряти, звідки надходить сигнал. Тому дуже важливо, що цього разу від джерела гравітаційних хвиль побачили також електромагнітний сигнал у різних діапазонах хвиль, перш за все, у гамма-діапазоні».

 

До речі, серед науковців, які доклали до цього відкриття дуже багато зусиль і стали співавторами перших наукових статтей на цю тему, є українці. Першим автором статті про серпневе відкриття, який побачив це гамма-випромінювання, є українець та співавтор Дмитра Володимир Савченко, який зараз працює в Женеві.

«Ще одна особливість цього сигналу з космосу – його обмеження в часі. Гравітаційні хвилі – це дуже обмежений у часі спалах. Сигнал у гамма-діапазоні також виглядав як спалах. Ось один із таких гамма-спалахів і задетектував Володимир. І виявилося, що цей гамма-спалах надійшов з того самого напрямку і майже одночасно з гравітаційними хвилями. Завдяки цьому унікальному поєднанню вдалося ідентифікувати цю подію як кілонову. Їх досліджували раніше, бачили у гамма-діапазоні, але гравітаційні хвилі від них зафіксували вперше», – зазначає Дмитро.

 Що ще це відкриття означає для науки?

«Відкриття гравітаційного сигналу від кілонової дає унікальну можливість перевірити низку теорій, які є альтернативні або розширені версії теорії відносності Айнштайна. Айнштайн постулює, що гравітація – це викривлення простору-часу. Це формулювання вимагає, щоб чорні діри мали “нескінченну” “глибину” викривлення. Але є багато альтернативних теорій, які передбачають існування об’єктів, подібних зовні на Айнштайнівські чорні діри, але вони мали б завершуватися дірою, яка просто виходить в іншу ділянку простору-часу. Такі гіпотетичні об’єкти називають «кротовими норами» або «червоточинами», – продовжує астрофізик.

“Кротові нори” є доволі популярними, оскільки припускають можливість “надшвидких” космічних подорожей для людства. Власне, Кіп Торн, один із нобелянтів 2017-го, був науковим консультантом фільму «Інтерстеллар», головні герої якого мандрують у Всесвіті через «кротову нору». І більш детальні дослідження гравітаційних хвиль – це, за словами науковця, якраз і є спосіб довідатися, чи є в космосі «кротові нори» і як вони влаштовані. А потім, можливо, справді подорожувати між галактиками, витрачаючи на переліт не мільйони років, а всього кілька хвилин...

 

У космології – науці про Всесвіт загалом, та про те, як він змінюється з часом – є дві проблеми, пояснює науковець. Еволюція Всесвіту відбувається, головним чином, за рахунок двох компонент, які називають темними. А в науці “темне” часто використовується як синонім слова “невідоме”. Темна енергія – як антигравітація, сила, з причин якої тіла відштовхуються, – найбільше впливає на динаміку Всесвіту. Темна матерія насправді є гравітацією, яка створена з речовини невідомої природи. І от ці теорії про дві «темності», особливо про темну енергію, деякі науковці також закликають переглянути. Зокрема, йдеться про різницю швидкостей електромагнітних та гравітаційних хвиль. Але оскільки ці два сигнали – гравітаційний і електромагнітний – прийшли майже одночасно, то швидкості гравітаційних хвиль і електромагнітних хвиль відрізняються хіба що на якісь долі метра на секунду. Тобто швидкість гравітаційних хвиль є надзвичайно близькою до швидкості світла – близько 300 тис. км/с. Тож, підкреслює Дмитро, тільки гіпотетичні подорожі крізь «кротові нори» можуть дати нам виграшну швидкість пересування просто за рахунок того, що ми знаходимо коротший шлях між двома точками.

Проте користь від досліджень гравітаційних хвиль – не лише у майбутньому і не тільки для теоретичної науки. Її вже відчуває майже кожен із нас. Поки розробляли та вдосконалювали детектори для гравітаційних хвиль, вчені винайшли ще багато всього. Наприклад, надточні лазери, з допомогою яких виготовляють плати до процесорів Intel та айфонів або виявляють дефекти у вуглецевих наноструктурах.

Наразі в Україні нема обладнання, на якому можна детектувати гравітаційні хвилі. Це технічно дуже складна і дорога установка вартістю в сотні мільйонів доларів. У світі їх лише декілька: пара детекторів у США, детектори в Італії, Німеччині та Японії. Ще один такий об’єкт зараз будують в Індії.

 

 

Джерела фото та відео:

Обсерваторія LIGO

Космічний гамма-телескоп Фермі NASA

 

Радикальна ідея реконструкції сучасної економічної системи, яка вже не влаштовує більшість

Найбільша проблема на сьогодні – це нерозуміння людей, що сміття та навколишнє середовище – наш спільний ресурс. Керувати спільним ресурсом українців ніхто не вчив.