Физик из «Интерстеллара»: фильм помог нам увидеть реальные черные дыры

Знаменитый американский физик Кип Торн, один из сценаристов фильма «Интерстеллар», рассказал о том, почему гравитационный детектор LIGO обманул ожидания большинства ученых, верит ли он в колонизацию Марса и «кротовые норы», и поделился своими мыслями о том, как съемки фильма помогли науке.

Кип Торн – один из ведущих физиков-теоретиков мира, занимающихся изучением черных дыр, гравитации и космологии. Торн является одним из сооснователей и руководителей проекта LIGO, гравитационной обсерватории, которая впервые в истории человечества обнаружила в сентябре 2015 года гравитационные волны. Сейчас Торн возглавляет небольшую команду ученых, которая работает над симуляцией поведения черных дыр и использует эти модели для анализа данных, собираемых LIGO.

Торн выступил с публичной лекцией (прослушать ее можно здесь) в стенах Физического факультета МГУ, сотрудники которого сыграли ключевую роль в создании LIGO и доведении обсерватории до той чувствительности, которая была необходима для открытия гравитационных волн. На этой лекции физик, которому прочили Нобелевскую премию в этом году, рассказал о том, как были открыты эти «эйнштейновские колебания» пространства-времени, и поделился с публикой мыслями о том, как LIGO поможет увидеть то, что происходило в первые мгновения после Большого Взрыва.

Ваш коллега Лоуренс Краусс сыграл особую роль в истории открытия гравитационных волн, послужив главным источником слухов и сообщив всему миру об их обнаружении за несколько месяцев до того, как вы официально заявили об этом. Как вы относитесь к его действиям?

— Строго говоря, он не сливал информацию о самом открытии – информация об открытии и так была у всех на виду, он просто показал прессе и другим людям, где ее нужно искать. Лоуренс не знал, что именно мы открыли, какими массами обладали черные дыры и другие их свойства, он просто натолкнулся на слухи о том, что мы совершили какое-то открытие, и распространил их.

Я и мои коллеги по LIGO, конечно, расстроились, когда узнали, что Краусс сообщил об этом в своем Twitter, но, с другой стороны, его деятельность обернулась нам на пользу. Конечно, если бы он знал все подробности и рассказал о них публике, это было бы плохо – мы хотели представить их в ходе нашей собственной пресс-конференции и привлечь максимум внимания.

Но так как Краусс ничего не знал о них, он просто разогрел публику, привлек ее внимание к LIGO и заставил всех считать, что мы действительно что-то открыли. Иными словами, его деятельность оказалась плюсом для нас, но все могло пойти и по иному, менее приятному пути.

Другим громким событием этого года, касающимся изучения космоса, была речь Элона Маска в конце сентября, в которой он рассказал миру о своих планах по колонизации Марса. Как вы считаете, сможет ли SpaceX реализовать эти планы?

— Верю ли я, что Маск построит колонию на Марсе к середине столетия? Элон – мой хороший друг, и мы постоянно общаемся с ним в неформальной обстановке. За несколько дней до того, как он объявил об этих планах, у нас состоялась длительная застольная дискуссия на эту тему, к концу которой мы оба были несколько навеселе. 

Он рассказал мне о своих планах, и если бы это был кто-то другой, а не Элон Маск, я бы покрутил пальцем у виска и очень скептично отнесся бы к подобной инициативе. Но Элон — не обычный человек, за свою жизнь он успел реализовать целый список вещей, за которые никто никогда бы не взялся. Он умеет превращать мысли и идеи в реальность. И поэтому я думаю, что если он вложит титанические усилия в то, что он запланировал, и убедит инвесторов сделать то же самое, то добьется того, о чем он рассказал нам в сентябре. В данном случае я полностью верю в гений Маска.

Если говорить о других невозможных вещах — помогут ли LIGO и другие гравитационные обсерватории найти знаменитые «кротовые норы» или их существование невозможно в принципе?

— Я думаю, что подобные тоннели в ткани пространства-времени вряд ли существуют. Возможно, что я ошибаюсь, но я несколько десятилетий пытался найти условия, в которых они могут существовать в реальном мире, и мне, как и всем остальным физикам, не удалось их найти. Законы физики, о которых мы сегодня знаем, указывают на то, что их не существует в природе.

Конечно, вполне возможно, что я неправ и они существуют, тогда нам было бы очень интересно взглянуть на то, как взаимодействуют друг с другом гравитационные волны, вырабатываемые парами «кротовых нор», вращающимися друг вокруг друга. Но для их обнаружения нам необходимо больше знать о физике, управляющей их поведением.

Они будут гораздо сложнее, чем черные дыры, поведение которых можно полностью описать, используя всего два параметра – массу и скорость вращения вокруг своей оси. В противоположность этому форма и свойства «кротовых нор» могут быть заметно разнообразнее, что не позволит нам предсказывать, какие гравитационные волны они будут вырабатывать при взаимодействии друг с другом, что сильно затруднит их поиски. В целом я не могу сказать, что оптимистично смотрю на проблему их поиска, но загадка их существования или несуществования точно заслуживает внимания с нашей стороны.

Ваши российские коллеги по LIGO, к примеру Михаил Городецкий, отмечали, что научная команда изначально ожидала увидеть гравитационные волны, порожденные сталкивающимися пульсарами, а не черными дырами. Все произошло наоборот. Почему?

— Да, большинство из нас действительно считало, что мы увидим сначала пульсары, а потом уже черные дыры, но я никогда не входил в их число. С начала 80-х годов прошлого века я считал, что мы увидим то, что мы действительно увидели в сентябре 2015 года. Поводом для подобных мыслей – и причиной тех реальных событий, которые произошли, — является закон, управляющий тем, как далеко мы можем видеть подобные события.

Дело в том, что расстояние до нашего «горизонта зрения» зависит от массы объектов, которые излучают гравитационные волны. Чем она больше, тем дальше мы можем их видеть. Соответственно, так как черные дыры гораздо тяжелее, чем пары пульсаров, мы можем заметить их на более далеком расстоянии, чем сливающиеся нейтронные звезды. Те черные дыры, которые мы увидели, были в 10-15 раз тяжелее, чем пульсары, и поэтому в обозримой Вселенной мы можем увидеть в 153 раза (~3300 раз) больше слияний черных дыр, чем пульсаров.

Почему мои коллеги думали иначе? Мы не знаем, сколько двойных черных дыр существует во Вселенной, и мы считали, что их гораздо меньше, чем пар пульсаров. Но столь большая разница, о которой я говорил выше, заставляла меня считать, что мы увидим черные дыры раньше, чем пульсары. И это в точности то, что произошло при наблюдениях на LIGO.

Увидите ли вы пульсары после перезапуска LIGO?

— Да, конечно. Это может произойти как сейчас – мы буквально через несколько недель приступим к повторным наблюдениям после обновления LIGO и замены лазера, вышедшего из строя, — или в ходе последующей кампании наблюдений. Я пока не знаю, когда именно это произойдет, но я абсолютно уверен в том, что это действительно случится. В любом случае, в 2019-2020 годах, когда мы достигнем максимальной для LIGO чувствительности, ее должно хватить, чтобы гарантированно увидеть слияния пульсаров в нашей Галактике.

Российские физики говорили, что используемые сегодня шаблоны для анализа сигнала, разработанные вашей командой, являются почти идеальными по своему качеству и что их улучшение не позволит вам подтвердить еще одно слияние черных дыр, которые LIGO почти обнаружил в ходе прошлогодней сессии наблюдений. Сможете ли вы когда-нибудь подтвердить, что это событие действительно произошло?

— Точность просчета колебаний гравитационных волн в наших моделях заведомо превышает то, что нам требуется для анализа данных, которые мы получаем при помощи LIGO, и их дальнейшее улучшение не поможет сделать их более достоверными.

С другой стороны, в будущем, когда чувствительность детекторов улучшится и мы будем видеть гораздо больше событий подобного рода, к примеру, одно слияние черных дыр в день или несколько таких катаклизмов в час, тогда нам придется найти какой-то новый способ проводить подобные расчеты. Дело в том, что у нас просто не будет хватать вычислительных мощностей и времени для того, чтобы просчитывать черные дыры и использовать эти расчеты для распознавания сигнала.

Иными словами, улучшение детекторов, скорее всего, потребует улучшения симуляций, но сейчас их обновление не даст нам никаких дополнительных плюсов.

Вы недавно опубликовали статью, в которой вы и программисты, работавшие над 3D-эффектами в «Интерстелларе», рассказали о том, как создавали реалистичную компьютерную модель черной дыры. Продвигают ли науку подобные работы?

— Как я считаю, самым важным в этом отношении было то, что я и коллеги из студии Double Negative, создававшей эти эффекты, и особенно мой друг Оливер Джеймс, главный научный сотрудник  этой команды, создали новые методики визуализации черных дыр и даже улучшить их.

Они позволяют взглянуть на черные дыры с более высоким разрешением, чем мы это могли делать раньше, что необходимо для получения снимков черных дыр и изучения того, что происходит вокруг них. В той статье, о которой мы говорим, мы представили метод для проведения подобных расчетов, и теперь их используют астрофизики и кинокомпании, чтобы изучать черные дыры и правильно рисовать их в фильмах.

Кроме того, мы выяснили, что гравитационные линзы, порождаемые черными дырами, необычным образом искажают свет звезд, находящихся непосредственно за ними. Мы выяснили, почему и как их излучение искажается при прохождении через окрестности черных дыр. Все это очень интересно для физиков и математиков, но не особо важно для поисков гравитационных волн.

В последние два года астрономы находят все больше намеков на то, что Вселенная расширяется не так, как мы считали раньше, что скорость ее расширения менялась не так, как показывали расчеты Нобелевских лауреатов 2011 года, открывших феномен ее ускоренного расширения. Помогут ли LIGO, LISA и другие детекторы гравитационных волн найти ответ на этот вопрос?

— Главное понимать, что сегодня ученые не сомневаются в том, что Вселенная расширяется с ускорением, а пытаются понять, как быстро это происходит. Открытие этого феномена астрономами, изучавшими сверхновые звезды, стало большой неожиданностью для всех нас — все считали, что скорость расширения Вселенной должна падать, а не расти.

Сейчас мне и другим ученым не совсем понятно, почему мы вообще называем причину этого ускорения «темной энергией» —  мы абсолютно ничего не знаем о ее свойствах, поведении и генезисе. Чтобы понять, что она собой представляет, нам нужно измерить, как менялось это ускорение в последние несколько миллиардов лет. В свою очередь, для этого необходимо в разы больше данных, чем те, которые были использованы первооткрывателями этого феномена. 

Именно этим сегодня занимаются ученые, о которых вы говорите. Они проводят эти наблюдения при помощи обычных телескопов, работающих в разных частях спектра электромагнитного излучения, и гравитационные обсерватории, если понадобится, подключатся к подобным измерениям, наблюдая за слиянием нейтронных звезд и черных дыр.

С другой стороны, я считаю, что мы найдем ответ на этот вопрос еще до того, как мы накопим достаточное количество данных по гравитационным волнам, и наше участие в раскрытии тайн темной энергии не понадобится. Тем не менее, если этого не произойдет, тогда, конечно, гравитационная астрономия поможет найти ответ на данный вопрос. Это может быть одной из тех неожиданных вещей, которые, как я говорил в лекции, может нам принести гравитационная астрономия.

Источник: РИА Новости

Закладка Постоянная ссылка.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

7 + 1 =