Нашим гостем є проф. Казімєж Стемпєнь з Астрономічної обсерваторії Варшавського університету, і з ним ми поговоримо про наукові досягнення минулого року, а точніше – про захоплюючі астрономічні та астрофізичні відкриття, про пізнання таємниць нашого Всесвіту.
- Пане професоре, я не знаю, чи ви пам’ятаєте, але торік, підбиваючи підсумки 2016 року, ми розпочали нашу розмову з такого досягнення, що вважалося досягненням не лише одного року. І навіть важко було передбачити, що підсумовуючи 2017 рік, ми знову муситимемо почати з гравітаційних хвиль, бо це, власне, спостереження гравітаційних хвиль було названо журналом «Science» найбільшим науковим досягненням останніх місяців. Чи ви згоджуєтеся з вердиктом редакторів цього журналу?
- Я цілковито згоджуюся це справді було щось, на що не покладали великих надій, хоч і очікували. І коли вже спостереження відбулося, коли ми зареєстрували ці хвилі…
- Це ще ті перші у 2015 році?...
- Ті перші, власне, були очікуваними, оскільки збудовані інструменти – спочатку [детектор – ред.] LIGO, потім VIRGO, можна було б оцінити, наскільки вони чутливі та як часто вони повинні фіксувати певні явища у Всесвіті. Бо прошу не забувати, що ми цього не налаштовували так, як, часом, оптичний телескоп, коли його спрямовують у небо й дивляться, що ж там можна побачити. Отже, у випадку гравітаційний хвиль було проведено дуже ретельні розрахунки – ми точно знали, як повинен виглядати сигнал, як він повинен змінюватися з часом аж до самого кінця, тобто оскільки насамперед йшлося про чорні діри, то до моменту, коли дві чорні діри зливаються в одну. І лише коли такий власне сигнал було відкрито, ми мали певність, що знайшли те, чого шукали.
- А що було б, коли б вам не вдалося чогось такого зафіксувати?
- Пам’ятаю, як колега з обсерваторії проф. Томаш Булік мав лекцію, то сказав, що це значить, що ми чогось фундаментально в Теорії відносності і фізиці не розуміємо, тож ми просто повинні це виявити. І справді, після досягнення необхідної точності інструмент LIGO зареєстрував гравітаційні хвилі, що утворювалися унаслідок зіткнення або злиття двох середньо-масивних чорних дір.
- Нагадаймо, що перше спостереження сталося у вересні 2015 року. Потім таке явище спостерігалося ще тричі. Проте минулого року, в серпні, було зафіксовано гравітаційні хвилі з нового типу джерела, і саме тому журнал «Science» це нове спостереження гравітаційних хвиль назвав науковою революцією.
- Так, звісно. Бо тут також ми спостерігаємо за конфігурацією двох нейтронних зірок, що обертаються одна довкола другої, і знаємо, що така конфігурація зірок висилає гравітаційні хвилі. З тим лише, що оскільки період обертання є довгий і складає години або навіть дні, то такий сигнал надзвичайно слабкий і його дуже важко зафіксувати. Але якщо вони надсилають гравітаційні хвилі, то це значить, що їхні орбіти зближаються, і, отже, колись вони також повинні з’єднатися одна з одною в один об’єкт. Тож, факт, що за таким явищем можна спостерігати, ми знали, натомість ніхто не очікував, що це вдасться зробити так швидко – вже на другий рік функціонування цього детектора вдалося зафіксувати це, власне, явище.
- Неначе на замовлення…
- Так, але пам’ятаймо, що пов’язані з ним гравітаційні хвилі значно слабші, ніж у випадку злиття чорних дір. Тобто нам пощастило, що таке злиття відбулося відносно недалеко від нас.
- Адже чорні діри є досить великими об’єктами. Вони можуть бути у кілька десятків разів більші за Сонце. Натомість нейтронні зірки є дуже маленькими зірками, проте дуже густими. Чи не так?
- Так, звісно. Окрім чорних дір, про густину яких важко говорити, це найгустіші об’єкти у Всесвіті. Це ситуація, в якій масу Сонця ми вміщаємо в кулю розміром із Варшаву, скажімо.
- Існує таке порівняння, що малесенький келишок матерії нейтронної зірки важить мільйони тонн…
- Так, спроба пояснення густини цієї матерії взагалі перевершує будь-яку уяву. Її можна порівняти з ядерною густиною.
- Пане професоре, перші чотири спостереження стосувалися чорних дір, розташованих дуже далеко від нашої Сонячної системи. Натомість, нейтронні зірки були близько – і це ще один додатковий фактор, що свідчить про непересічність цього останнього спостереження, здійсненого минулого року: окрім фіксації гравітаційних хвиль вдалося побачити ще щось, чи не так?
- Так, явища, які це супроводжували. Коли зливаються чорні діри, то з них жоден сигнал не походить, але велика частка енергії руху цих чорних дір перетворюється в енергію гравітаційних хвиль. Притому, такі хвилі сильні, а чорна діра, що утворюється внаслідок такого злиття, за масивністю дорівнює кільком масам Сонця. Натомість у випадку хвиль, які походять з нейтронних зірок, буває по-різному. Адже це зоряні об’єкти, з яких може походити сигнал. І також, коли вони зіллються, то внаслідок дуже сильного руху оберту частина матерії з цих двох зірок викидається у зовнішній простір. Її радше небагато, декілька відсотків. Але ці декілька відсотків матерії, а пам’ятаймо, що це нейтронна матерія, перетворюються в ядра всіх важких елементів.
- Золота, наприклад?
- Так. І в результаті є так, що відразу після виникнення такої маси елементів, тобто ядер важких хімічних елементів, відразу відбуваються різноманітні ядерні реакції. У тому числі дуже потужне гамма-випромінювання. І саме його було зафіксовано – за, приблизно, 1,5 секунди після злиття…
- Тобто ми буквально його побачили?
- Так, тобто у цей момент ми побачили, що там відбуваються процеси, в наслідок котрих відбувається гамма-випромінювання. Більше того, велика частина цих хімічних елементів, як я згадав, є радіоактивною, тож вони здійснюють різного типу випромінювання – альфа, бета і, власне, гамма, що, в свою чергу, підігріває матерію, яка оточує ці дві нейтронні зірки. Відтак ми ще оптично побачили спричинений ними ореол. Отже, ми спостерігали гравітаційні хвилі, сяйво гамма-випромінювання, і саме тому це було цілковито інакше фізичне явище, хоч на перший погляд можна сказати: і тут гравітаційні хвилі, і тут…
- Пане професоре, я гадаю, що варто нагадати, що на початку минулого сторіччя, у 1916 році Альберт Айнштайн у своїй Загальній теорії відносності передбачив існування гравітаційних хвиль, після чого у нього з’явився сумнів щодо цього. І протягом кількох десятків років різні вчені намагалися довести, що такі хвилі можуть існувати. Й лише тепер вдалося спостерігати за ними. Але чим вони є?
- Вся проблема з ними полягає у тому, що часопростір, описаний Загальною теорією відносності, є чимось фундаментально іншим, ніж нормальне, звичайне електромагнітне поле. Електромагнітні хвилі є результатом нерівномірності електромагнітного поля. Це, наприклад, світлове або радіо-випромінювання. Натомість, часопростір не є полем, що, власне, Айнштайн і відкрив. Однак, рівняння показали, що він може поводити себе, як поле, тобто певна нерівномірність чи такі собі зморшки, спричинені неоднорідним рухом мас, можуть згодом переходити у простір.
- Як це виглядає? Чи часопростір зморщується, як то часом кажуть?
- Так можна сказати, що він зморщується. Це трохи так, як звукова хвиля. Мова про зморщування приводить на думку якесь поверхневе явище. Тоді як я би радше порівняв це до звукової хвилі, тобто до того, що матеріальні об’єкти, крізь які проходить гравітаційна хвиля, легко змінюють свої просторові характеристики.
PR1/А.М.