Три — волшебное число. Коллаборация LIGO произвела третье наблюдение гравитационных волн, исходящих от пары сливающихся черных дыр, и они обеспечили нам наиболее полное представление о том, как эти пары образуются и как их регистрировать. «Первое было новинкой. Второе было подтверждением того, что новизна первого не была случайной. Третье — это уже астрофизика», говорит пресс-секретарь LIGO Дэвид Шумейкер из Массачусетского технологического института (MIT). «Мы переходим к непосредственному обсуждению популяции этих объектов».

LIGO обнаруживает волновые формы, которые представляют собой рябь в ткани Вселенной, вызванную перемещением масс. Вращение сливающихся черных дыр деформирует эти волны, которые по большей части производятся в процессе движения черных дыр и последующего столкновения.

Для первого события у нас не было достаточной информации, чтобы определить направление, в котором вращалась каждая черная дыра. Во-вторых, у нас было немного больше информации, указывающей на то, что каждая черная дыра, вероятно, вращается в том же направлении, в каком движется по орбите.

Но третья пара черных дыр, обнаруженная 4 января, наклонена относительно Земли по-другому, не так, как другие две, говорит Шумейкер. Это позволяет LIGO узнать больше о вращении каждой черной дыры.

Этот взгляд показал, что черные дыры в новом событии вращаются не в том направлении, в котором движутся по орбите друг друга. Следовательно, они либо вращаются в разных направлениях, либо — что маловероятно — не вращаются вообще.

Братья, но не близнецы

«Вращение, а особенно неправильное вращение, помогает нам понять, как эти штуки образуются», говорит Карл Родригес из Массачусетского технологического института. Изучение свойств этих объектов, а не просто их обнаружение, превращается в «новую ветвь астрономии».

Двойные черные дыры формируются одним или двумя способами: две черные дыры либо рождаются вместе из пары взаимно обращающихся звезд, либо формируются отдельно в плотном звездном скоплении и позднее сходятся в его центре. В первом случае пара должна вращаться в направлении орбиты, как это делают бинарные звезды; во втором, говорит Родригес, «они смотрят в том направлении, в котором им угодно».

Хотя вторая бинарная черная дыра, обнаруженная LIGO в декабре 2015 года, если судить по нашим ограниченным данным, появилась из черных дыр, которые родились одновременно, новые черные дыры могли появиться отдельно.

По крайней мере одна из них, похоже, вращается в направлении, противоположном ходу орбиты. Тот факт, что это отличается от предыдущего случая, указывает на возможность обоих сценариев, хотя нам нужны дополнительные наблюдения, чтобы определить, какой из вариантов более распространен.

Поскольку новая бинарная черная дыра в 3 миллиардах световых лет от нас — в два раза дальше, чем другие, увиденные нами — гравитационная волна должна пройти больше расстояния, прежде чем достигнет Земли. Это дополнительно расстояние поможет нам найти возможные отклонения от общей теории относительности Эйнштейна.

Общая теория относительности утверждает, что все гравитационные волны должны двигаться с одной скоростью — скоростью света. Поскольку волны в данном случае так себя и ведут, даже на большом расстоянии, они поддерживают космическое правило Эйнштейна.

Расширение горизонтов

Помимо особенностей того, что может сказать нам эта конкретная бинарная черная дыра, она стала шагом к использованию гравитационных волн для изучения общей популяции бинарных и других массивных объектов.

В конечном счете LIGO сможет увидеть другие типы космических событий, но больше обнаруженных событий одного типа — в данном случае бинарные черные дыры — тоже необходимо для получения подробных научных результатов.

Уже с тремя обнаружениями ученые выяснили, что существует популяция бинарных черных дыр с массой, в 25 раз превышающей наше Солнце. Об этой группе мы ничего не знали до начала экспериментов LIGO.

Может показаться, что LIGO уже поднаторела в поиске гравитационных волн, но очарование пока не спало, говорит Лаура Кадонати из Технологического института Джорджии в Атланте, работающая в LIGO. «Я знаю, что мы находим их не первый раз, но каждый раз чувствую восторг от того, что мы снова это сделали».

Есть порог, за который мы не можем выйти, есть вещи, которых мы никогда не узнаем. Но кое-что мы знаем, и у нас есть мощные инструменты: наука, воображение, анализ. 13,8 миллиарда лет назад Вселенная, какой мы ее знаем, родилась в горячем Большом Взрыве. Со временем пространство расширилось, материя прошла через гравитационное притяжение и получилось то, что получилось. Но всему, что мы видим, есть предел. На определенном расстоянии галактики исчезают, звезды меркнут и никакие сигналы далекой Вселенной увидеть нельзя. Что лежит за этим пределом? Если Вселенная ограничена в объеме, есть ли у нее граница? Достижима ли она? На что похож край Вселенной?

Чтобы ответить на этот вопрос, нужно начать с того, где мы находимся сейчас, и попытаться заглянуть так далеко, как сможем.

Вселенная полна звезд буквально у нас под боком. Но если пройти больше 100 000 световых лет, вы покинете Млечный Путь. За ним будет море галактик: возможно, два триллиона галактик в общей сложности можно найти в нашей наблюдаемой Вселенной. Они представлены в большом разнообразии типов, форм, размеров и масс. Но когда вы заглядываете все дальше и дальше, вы начинаете подмечать кое-что необычное: чем дальше галактика, тем вероятнее, что она будет меньше, легче и ее звезды будут голубоватыми.

Это обретает смысл в контексте того, что у Вселенной было начало: рождение. День рождения Вселенной — это Большой Взрыв. Галактика, которая относительно близка к нам, будет близка по возрасту к самой Вселенной. Но если мы смотрим на галактику за миллиарды световых лет, свет от нее должен был пройти миллиарды лет, чтобы достичь наших глаз. Галактика, свет которой будет идти к нам 13 миллиардов лет, будет возрастом меньше миллиарда лет, поэтому чем дальше мы смотрим, тем дальше назад во времени мы заглядываем.

Снимок выше представляет собой Hubble eXtreme Deep Field (XDF), самое глубокое изображение далекой Вселенной. На этом снимке тысячи галактик, находящихся на огромном расстоянии от нас и друг от друга. Но чего не увидишь обычным взглядом, так это того, что у каждой галактики есть ассоциированный с ней спектр, в котором облако газа поглощает свет определенной длины волны в зависимости от физики атома. По мере расширения Вселенной длины волн растягиваются, поэтому далекие галактики кажутся краснее, чем являются на самом деле. Эта физика позволяет нам определять расстояние до них, и когда мы определяем расстояния, самые далекие галактики оказываются самыми юными и маленькими.

Помимо галактик мы ожидаем найти там первые звезды, а затем ничего, кроме нейтрального газа, потому что Вселенной не хватало времени, чтобы сбить вещество в достаточно плотное состояние для формирования звезд. Миллионы лет назад излучение во Вселенной было настолько горячим, что нейтральные атомы не могли образоваться, и фотоны непрерывно отскакивали от заряженных частиц. Когда сформировались нейтральные атомы, свет просто тек по прямой вечно, не подвластный ничему, кроме расширения Вселенной. Открытие этого послесвечения — космического микроволнового фона — более 50 лет назад стало окончательным подтверждением Большого Взрыва.

Там, где мы сейчас, мы можем смотреть в любом направлении, которое выберем, и видеть там одну и ту же разворачивающуюся космическую историю. Сегодня, спустя 13,8 миллиарда лет после Большого Взрыва, мы имеем звезды и галактики в их нынешней форме. Раньше галактики были меньше, синее, моложе и менее развитыми. До них были первые звезды, а еще раньше — просто нейтральные атомы. До нейтральных атомов была ионизированная плазма, а еще раньше — свободные протоны и нейтроны, спонтанное создание материи и антиматерии, свободные кварки и глюоны, все нестабильные частицы Стандартной модели и, наконец, момент самого Большого Взрыва. Смотреть дальше в космос — значит, смотреть дальше назад во времени.

Хотя это определяет нашу наблюдаемую Вселенную — с теоретической границей Большого Взрыва, расположенной в 46,1 светового года от нашего нынешнего положения — реальной границей космоса это не является. Вместо этого мы имеем просто границу во времени; есть предел тому, что мы можем видеть, поскольку скорость света позволила информации продвинуться только на это расстояние за 13,8 миллиарда лет. Это расстояние превышает 13,8 миллиарда световых лет, потому что ткань Вселенной расширилась (и продолжает расширяться), но все еще ограничена. Но как насчет того, что было до Большого Взрыва? Что вы увидели бы, если бы каким-то образом заглянули на крошечную долю секунды до того, как Вселенная оказалась на пике своей самой высокой энергии, горячей и плотной, полной материи, антиматерии и излучения?

Вы увидели бы, что существовало состояние космической инфляции: когда Вселенная расширялась очень быстро и в ней преобладала энергия, присущая самому пространству. Пространство расширялось экспоненциально в это время, когда оно было вытянуто плоским, когда оно имело везде одни и те же свойства, когда флуктуации квантовых полей, присущих пространству, пронизывали всю Вселенную. Когда инфляция завершилась, горячий Большой Взрыв наполнил Вселенную материей и излучением, породив ту часть Вселенной — наблюдаемую Вселенную — которую мы видим сегодня. 13,8 миллиарда лет спустя мы здесь.

Но стоит отметить, что нет ничего особенного в нашем месте, ни в пространстве, ни во времени. Тот факт, что мы можем видеть за 46 миллиардов лет, не делает эту границу или место чем-то особенным; это просто предел того, что мы можем видеть, сам по себе. Если бы мы могли каким-то образом сделать «снимок» всей Вселенной, выйти за пределы наблюдаемой части, мы увидели бы все то же самое, что имеет наша Вселенная. Мы увидели бы большую космическую паутину галактик, скоплений, нитей и космических пустот, выходящих далеко за пределы относительно небольшого региона, который мы можем видеть. Любой наблюдатель в любой области увидели бы точно такую же Вселенную, что и мы.

Отдельные детали будут, конечно, разными. Будет другая солнечная система, галактика, местная группа и так далее. Но Вселенная сама по себе не является ограниченной в объеме; ограничена только наблюдаемая часть. Именно граница во времени — Большой Взрыв — отделяет нас от всего остального. Мы можем подойти к этой границе только с применением телескопов (которые могут увидеть раннюю Вселенную) и теории. Пока мы не выясним, как обойти стремящийся вперед поток времени, это будет нашим единственным подходом, способом увидеть «край» Вселенной. Но космос безграничен.