Гравитационно-волновая ракета — не роскошь

Легкая черная дыра должна вращаться вокруг массивной черной дыры примерно так же, как Земля вращается вокруг Солнца, то есть — по эллиптической орбите, то сближаясь, то удаляясь. Есть лишь одно существенное отличие: если эти черные дыры достаточно близки друг к другу и каждая из них находится в достаточно сильном поле соседа, гравитационные волны будут эффективно тормозить легкую дыру, сталкивая ее на тяжелую. Иллюстрация Дона Дэвиса (Don Davies) по наброску Кипа Торна (Kip Thorne)

Из четырех фундаментальных взаимодействий гравитация — самое загадочное. Она описывается Общей теорией относительности Эйнштейна, предсказывающей, кроме всего прочего, существование гравитационных волн. Эти волны могут дать нам важную информацию о разных явлениях во Вселенной, которую невозможно получить никаким другим способом, и для их поиска сейчас созданы ультрасовременные установки LIGO и VIRGO. Гравитационно-волновые ракеты относятся, пожалуй, к самым интересным эффектам среди вызываемых достаточно мощным гравитационным излучением. Суть его заключается в том, что такое излучение, испускаемое при слиянии двух массивных и компактных космических объектов, может приводить к существенному разгону получающегося в результате слияния тела. 

Чтобы понять, как такое может происходить, рассмотрим двойную звездную систему и пусть её компоненты будут не обычными, а нейтронными звездами, или даже, ещё лучше, черными дырами. В этом случае вся система может быть достаточно компактна, а составляющие её объекты могут двигаться очень близко друг к другу. В результате каждая из двух звезд окажется в сильном гравитационном поле, создаваемым соседом. А чем сильнее поле, тем заметнее эффекты Общей теории относительности. В частности, тем большую энергию уносит с собой излучение гравитационных волн.

По мере того, как энергия уносится в пространство, орбиты наших звезд будут становиться все более тесными. Иначе говоря, одна звезда будет падать на другую. Если на землю падает камень, то, разгоняясь в гравитационном поле, он наращивает свою кинетическую энергию. В момент удара вся эта энергия выделится. Чем больше высота, с которой камень падает, тем выше скорость в момент удара и тем больше энергии будет выделено (сопротивлением воздуха пренебрегаем). Разумеется, энергия растет и с массой камня. Поэтому при падении крупного астероида выделяется гораздо больше энергии, чем при падении небольшого метеорита. 

Выбросы микроволнового радиоизлучения позволяют наблюдать за «смертельным танцем» двух массивных черных дыр в скоплении галактик Abell 400. Они сближаются по спиралевидным траекториям, двигаясь к центру скопления, но поскольку расстояние между ними оценивается в 25 000 световых лет, их «танец» продлится миллионы лет. Иллюстрация скомбинирована из двух изображений: рентгеновский диапазон: NASA/CXC/AIfA/D.Hudson & T.Reiprich et al.; радиодиапазон: NRAO/VLA/NRL

Кирпич, двигающийся с такой скоростью, в момент удара выделит энергию, превосходящую энергию взрыва стандартного ядерного заряда. А масса нейтронной звезды гораздо больше, чем масса кирпича. Обычно она превосходит массу Солнца. Поэтому фейерверк получается знатный! Излучаются не только гравитационные волны, но и очень много нейтрино, а также и обычное электромагнитное излучение (свет, гамма-излучение и т.д.). 

Гравитационное излучение рассмотренной нами двойной системы будет несимметричным. В особенности если составляющие её звезды или черные дыры сильно отличаются по массам. Меньшая звезда дальше отстоит от центра масс системы, движется из-за этого быстрее, и эффективнее «фокусирует» свое излучение в направлении движения. В результате возникает «отдача», как при стрельбе из ружья, и отдача меньшей звезды не компенсируется отдачей большей. Разумеется, если бы орбита звезды была идеально замкнутой — круговой или эллиптической, то за один орбитальный период отдача бы полностью усреднилась, и суммарный эффект оказался бы нулевым. 

Но ведь орбита не замкнута, так как гравволны уносят энергию и угловой момент, а, значит, радиус орбиты уменьшается. Результат усреднения не нулевой, и центр масс системы разгоняется. Звезды движутся по спирали до тех пор, пока не произойдет их слияние с образованием, например, черной дыры. Она будет двигаться в пространстве со скоростью, значительно отличающейся от скорости центра масс системы звезд. Разумеется, закон сохранения импульса никто не отменял. Просто импульс уносят гравитационные волны. Уносят, конечно же, в сторону, противоположную движению черной дыры.

Подобная отдача не является каким-то уникальным свойством гравитационного излучения. В случае любого другого излучения ситуация была бы похожей. Впервые эффект гравитационно-волновой ракеты при слиянии компонент в тесной двойной системе рассмотрел в 1983 году Майкл Фитчетт (Michael Fitchett). Однако задача остается актуальной по сей день, поскольку в ней есть немало подводных камней. 

Прежде всего, важно понять, в каких реально существующих во Вселенной двойных системах может возникать сильное анизотропное гравитационное излучение. Лучше всего эффект наблюдался бы в системе двух черных дыр с сильно отличающимися массами. Но вот вопрос: как такая система может образоваться? Наиболее естественный путь возникновения такой системы — это эволюция массивной звезды. Поэтому «разгоняющиеся» черные дыры могут рождаться и в обычных галактиках типа нашей. Однако это процесс довольно редкий, так что сейчас мало шансов наблюдать такую дыру. Но в юности Вселенной гравитационно-волновые ракеты «стартовали» нередко и сыграли очень важную роль.

Лазерный интерферометр мог бы «засечь» гравитационные волны, излученные при слиянии двух черных дыр. Но пока этого не произошло, и приходится довольствоваться компьютерным моделированием. Иллюстрация: MPI for Gravitational Physics/W.Benger-ZIB

Звезды и галактики не всегда заполняли Вселенную. Когда-то она была «безвидна» и в некотором смысле «пуста». Согласно современным воззрениям, появлению звезд предшествует образование облаков, состоящих из обычной и темной материи. Масса обычного светящегося вещества в каждом облаке (в основном, это водород и гелий) составляет несколько десятков тысяч масс Солнца. В таком облаке возникнет только одна звезда, но, возможно, очень массивная. Внутри этой звезды будут образовываться тяжелые элементы, которые будут из нее разными способами выбрасываться и из которых потом будут образовываться сложные (в частности, органические) тела. В конце своей жизни эта массивная звезда может превратиться в черную дыру. 

Облака из обычного и темного вещества вместе со звездами или черными дырами внутри притягиваются друг к другу. В конце концов они сливаются, образуя галактики. При слиянии двух облаков черные дыры, находившиеся внутри них, образуют двойную систему. Из-за эффекта гравитационно-волновой ракеты черная дыра, образовавшаяся в результате слияния двух исходных, разгонится относительно облака. Если её скорость будет достаточно велика, чтобы преодолеть гравитацию облака, то дыра улетит, и так и будет блуждать в межгалактическом пространстве, пока её не захватит какой-нибудь массивный объект. Если же черная дыра останется внутри облака, то слияния будут продолжаться, и на каждом этапе образующаяся дыра будет иметь шанс вырваться и улететь. Правда, поскольку после слияний образуются все более и более массивные структуры, то улететь становится сложнее. 

Численное моделирование процесса слияния двух черных дыр предполагает решение уравнений общей теории относительности при довольно сложных начальных и краевых условиях. В NASA такая работа стала возможна только после создания в 2004 году суперкомпьютера Columbia. В настоящее время он занимает четвертое место в мире. Фото: Trower, NASA

Параметры черных дыр в центрах галактик существенным образом зависят от эффективности механизма гравитационно-волновой ракеты. Напомним, что расчеты слияний черных дыр очень сложны, и только сейчас ученые начинают проводить их (не без помощи суперкомпьютеров) с достаточно высокой точностью. Но сам факт, что почти в каждой массивной галактике есть сверхмассивная черная дыра, говорит о том, что лишь небольшая доля черных дыр, образовавшихся из первых звезд, смогли разбежаться, избежав попадания в сверхмассивные черные дыры. А это означает, что в среднем скорость черной дыры, возникающей при слиянии других черных дыр, меньше нескольких сотен километров в секунду.

Дыры, которые не вошли в состав «центрального монстра», но оказались недостаточно быстрыми, чтобы навсегда покинуть галактику, вращаются вокруг её центра. Компьютерное моделирование показывает, что в галактике, подобной нашей, таких черных дыр, с массами от нескольких сотен до нескольких десятков тысяч солнечных, может быть как минимум несколько десятков. Правда, пока эти реликты раннего звездообразования, разогнанные гравитационно-волновыми ракетами не обнаружены, несмотря на интенсивные поиски.

Читайте также в журнале «Вокруг Света»:

• Призрачные волны Вселенной
• Постулаты относительного мира
• Тайна старого замка

Сергей Попов, 12.03.2007

Ранее на ту же тему: