Когда космолог Дэниел Хольц (Daniel Holz) вылетал из Гонконга 17 августа 2017 года, в его голове роились мысли о материале, о котором он читал лекции на неделе до этого. У него была надежда, что вибрации в космосе когда-нибудь помогут разрешить текущие разногласия касательно размера и возраста Вселенной. Но он знал, что для поиска ответа потребуется время. Время, за которое два самых плотных в мире объекта смогут слиться вместе и потрясти тем самым весь космос — в прямом смысле слова. Это столкновение было бы таким сильным, что вибрации мы бы почувствовали здесь, на Земле. Время, за которое исследователи найдут случившийся во Вселенной всплеск энергии, настроят на него свои телескопы, пока отсвет от столкновения не сошёл на нет.
В своей последней лекции накануне вылета он рассказывал: «Нам повезло, парные наблюдения — как гравитационных волн, так и света от столкновения нейтронных звёзд — у нас уже были порядка десяти лет назад». К моменту проведения лекции уже было достигнуто многое: Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (The Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO) уже исследовала слияния чёрных дыр, а франко-итальянский интерферометр Virgo был онлайн за две недели до лекции. В общем, дело с изучением шло гладко. Но когда 17 августа Хольц, исследователь из Чикагского университета (University of Chicago), вернулся домой в Иллинойс, он узнал, что то будущее, о котором он размышлял, наступило раньше, чем он ждал.
Гравитационные волны, вызванные столкновением двух близлежащих космических махин, прошли через самолёт, на котором он летел — да и через всю планету — пока учёный был в небе; все обсерватории по всему миру настроили свои телескопу на один фрагмент звёздного неба в попытках записать наблюдения.
«Мы приземлились, и мой телефон взорвался от сообщений. Я сразу же залез в интернет — просто сидел за ноутбуком, пытаясь работать. Это был самый удивительный опыт в моей жизни», — вспоминает Хольц.
Через двенадцать часов после начала работы у него на руках уже был черновой расчёт наиболее спорного числа в космологии: скорости расширения Вселенной. Но он знал, что, имея только один опыт наблюдения, не сможет получить ответ, о котором мечтал тринадцать лет. Но теперь он знал, что его проект небезнадёжен. Теперь, выполнив другие требуемые расчёты, он вернулся с вердиктом: проект LIGO может помочь всего за пять лет разрешить споры, длящиеся десятилетия. Об этом он рассказывает в своём недавнем письме журналу Nature.
Ключевой вопрос споров — «как быстро расширяется Вселенная». Поиск ответа на этот вопрос — параметра, известного как константа Хаббла — прост в теории. Мы берём угасающий объект, обычно это звезда, умирающая тем или иным образом. Звезды типа «суперновые» всегда взрываются одинаково, поэтому исследователи могут получить представление о расстоянии, на котором те находятся, наблюдая их яркость. Чтобы вычислить константу Хаббла, нужно ещё знать скорость, с которой произошедший взрыв от нас удаляется. Это мы можем определить по его цвету, то есть, по смещению спектральных линий в свете от взрыва. Исследователи могут сделать что-то подобное и с информацией о реликтовом излучении, известном также как микроволновое фоновое излучение (cosmic microwave background, CMB), оставшееся после Большого взрыва. Как только мы узнаем скорость расширения Вселенной, мы сможем приступить к определению её точного размера и возраста. Мы также можем посмотреть на траекторию её развития в будущем.
Проблема в том, что два текущих расчёта этой константы дают разные результаты.
Эти два метода — метод сверхновых и метод CMB — дают результаты 73,5 километра в секунду на мегапарсек (по состоянию на январь 2018) и 67,4 (по состоянию на июнь) соответственно. Оценки отличаются примерно на 9 процентов. Изначально расхождение не вызвало большой тревоги у космологов, так как проведение измерений — чертовски трудная работа. Большой и далёкий взрыв выглядит для нас точно так же, как слабый и близкий, поэтому для определения расстояния до сверхновых используется «лестница космических расстояний». Это сложный метод, коротко называемый «ступеньками» (rungs) и включающий выстраивание пространственных отношений между тремя типами объектов на разных расстояниях. Астрономы сначала изучают мерцающие звёзды на нашем галактическом заднем дворе, используя базовую геометрию, а затем распространяют знания о них на аналогичные звёзды в других галактиках, чтобы понять что-то о находящихся там сверхновых. «Исследователи максимально осторожны, — говорит Хольц, — но тут есть много моментов, где можно ошибиться».
В методе CMB меньше технических моментов, но больше построено на предположениях. Реликтовое излучение хранит сведения о расширяющейся Вселенной в её младенчестве, и для экстраполяции их на нынешние процессы космологам приходится опираться на все их знания о том, что происходило с гравитацией, материей, тёмной энергией и тёмной материей в течение 13 миллиардов лет. Если не учесть хоть что-то, любой метод приведёт к ошибке, но даже после множества проверок и перепроверок они дают два разных значения. Теперь же вероятность того, что космологическое сообщество раз за разом просто ошибается в расчётах — всего 1 к 1000.
«Сейчас мы добрались до точки, когда стало понятно, что — вау! Это, вероятно, не просто случайность, — говорит Адам Рисс (Adam Riess), космолог из Университета Джонса Хопкинса (Johns Hopkins University), работающий над методом сверхновых. — Во Вселенной есть что-то такое, чего мы не понимаем».
Хольц на протяжении всего своего карьерного пути пытался развить гипотезу, что гравитационные волны могут помочь разрешить дилемму выбора между двумя методами. Он опирался на идею, описанную в спекулятивной статье американского физика Бернарда Шутца (Bernard Shutz) в 1986 году. Идея заключается в том, что сверхновые в первом методе можно заменить на другой тип мёртвых звёзд, и мы получим более точный критерий определения космических расстояний. После взрыва гигантские звёзды, которые тем не менее недостаточно велики, чтобы стать чёрной дырой, превращаются в нейтронные звезды — настолько плотную спайку частиц, что там даже атомы ломаются. От столкновения двух таких космических тел получается волна, которую называют гравитационной.
Поскольку эти волны суть колебания самого пространства, ничто не будет помехой на их пути. На них не влияют ни пылевые, ни газовые облака — от места столкновения они распространяются по космосу и достигают Земли. Здесь научное сообщество с помощью трёх L-образных детекторов (ещё несколько сейчас строятся) пытается их уловить. Когда волна проходит через планету, она немного её сплющивает. Один рукав каждого «L» становится примерно на один протон короче другого, и аппарат даёт об этом знать физикам и астрономам по всему миру. Используя сложные уравнения из общей теории относительности, исследователи могут измерить расстояние до столкновения — при помощи нескольких расчётов и нескольких предположений. Для этого не нужно использовать метод лестницы или вычислять количество частиц.
В 2005-м году Хольц уточнил эту теорию. Он предположил, что обнаружение света от столкновений нейтронных звёзд вместе с детектированием волн даст, помимо информации о расстоянии до столкновения, также сведения о скорости гравитационных волн. Он присоединился к LIGO, чтобы возглавить это направление исследований. Он вспоминает, что многие из его коллег говорили ему: «Этого никогда не произойдёт — астрономические данные говорят нам, что слияния нейтронных звёзд происходят крайне редко». Но 17 августа все куски головоломки встали на свои места — когда Хольц летел домой.
Константа Хаббла, согласно этому методу и в этом событии, вышла примерно равной 70, то есть попала в середину между оценками, которые дают два предыдущих метода, но это не делает неопределённость значительно более определённой. Чтобы разрешить противоречие, то есть, сократить погрешность до 2—3%, потребуются наблюдения ещё 30—50 слияний такого же типа, как в 2017-м, — пишет Хольц в своей недавней статье. Он ожидает, что, учитывая возрастающую чувствительность оборудования LIGO и предполагаемую скорость слияния нейтронных звёзд, в течение пяти лет накопится достаточно данных, чтобы разрешить дилемму оценок константы Хаббла. Рисс не работал над этим проектом, но он согласен с тем, что гравитационные волны могут нам указать, куда двигаться дальше, в каких направлениях. Но неизвестно, как часто будут происходить такие слияния, говорит он. «Может быть, они будут происходить чаще, чем мы думаем, — говорит Рисс, — но если они будут происходить в 10 раз реже, то мне лень ждать 50 лет».
Хольц признаёт, что трудно предсказать, как часто что-то будет происходить, если это событие случилось лишь единожды. Но он говорит, что основания для оптимизма есть, — если он правильно всё посчитал. Его модель использует обычные статистические методы подсчёта вероятности редких событий. До 2026 года, согласно этой модели, должно произойти от 30 до 400 слияний. И каждое из таких наблюдений будет уменьшать неопределённость значения константы Хаббла, и в конце мы достигнем значения стандартного отклонения 3%, полагает он. Никому не придётся ждать 50 лет.
Если с помощью гравитационных волн мы сможем достаточно хорошо понять, как расширяется Вселенная, то дальше возможны три разных варианта. Первый — данные LIGO совпадут с данными, полученными методом CMB. Это будет значить, что метод «космической лестницы» не определил расстояние до сверхновых достаточно точно. Но Рисс говорит, что только «заговор ошибок» может объяснить, как полдюжины независимых методов калибровки могут разом провалиться. Он сравнивает это с ударом молнии несколько раз в одну точку.
Как Хольц, так и Рисс говорят, что было бы гораздо интереснее, если бы метод нейтронных звёзд подтвердил расчёты по методу сверхновых. Это значило бы, что у нас всё это время было ошибочное представление о том, как развивалась Вселенная от своего рождения и до настоящего момента. Такие сюрпризы вполне ожидаемы для новой физики. Сила притяжения, возможно, работает иначе, чем мы считали, полагает Хольц. Или мы просто не знаем про какие-то космические частицы.
В третьем случае оценка, полученная LIGO, может сильно отличаться от оценок, полученных двумя известными ранее методами. Это обернётся абсолютным кошмаром и потрясением самых основ космологии.
«Это просто поставило бы под сомнение саму нашу способность выполнять измерения. Точка, — говорит Рисс, — Я надеюсь, что мы до этого не докатимся».
На данный момент Хольц считает, что он правильно сделал ставку на метод нейтронных звёзд. Ещё год назад он думал, что первое наблюдение случится минимум через десятилетие. Но через несколько месяцев случится второе такое второе слияние — когда LIGO снова появится онлайн в феврале.
«Я много лет работал над этой идеей, развивал её, — говорит Хольц. — И примерно за полтора дня случилось всё то, о чём я так долго думал».
