Автор: Когда кто-то говорит что-то про гравитационные волны, многим остается только недоумевать и не понимать, что это вообще такое. Если вы этого не знали, расслабьтесь — даже ученые не могут дать на это развернутый ответ. Конечно, в целом они понимают, что это такое и откуда берется, но белые пятна в этой истории все равно еще остаются. Даже то, что несколько лет назад их смогли зафиксировать, не дает развернутого ответа на вопрос, что же это такое. Все из-за того, что они появляются в далеком космосе и уже потом доходят до нас. Примечательно, что предсказал их существование еще Альберт Эйнштейн, а современные ученые только сейчас начинают подбираться к их разгадке. Понимание того, откуда они берутся и что из себя представляют, пусть и примерное, очень интересно. Попробуем рассказать об этом попроще и без лишних сложных формул.
Содержание
Тяжесть Ньютона
В 1600-е годы англичанин и математик по имени Исаак Ньютон сидел под яблоней — так легенда рассказывает о нем, яблоко упало ему на голову, и он начал задаваться вопросом, почему оно было привлечено к земле в первую очередь.
Изображение DPA
Ньютон опубликовал свою «Теорию всеобщей гравитации» в 1680-х годах. В основном она выдвинула идею о том, что гравитация — это сила, которая действует на всю материю во Вселенной и является функцией как массы, так и расстояния. Теория утверждает, что каждая частица вещества притягивает каждую другую частицу с силой, которая прямо пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояние между ними.
Таким образом, чем дальше друг от друга частицы, и чем менее массивны частицы, тем меньше гравитационная сила.
Однако, когда вы имеете дело с массивными телами, такими как Земля, масса которых составляет 6^+24 килограмма, это делает гравитационную силу очень мощной. Вот почему вы сейчас не плаваете в космосе.
Сила тяжести, действующая на объект, также является весом объекта. Когда вы стоите на полу, Земля вас притягивает, и вы действуете на пол с определенной силой, равной весу. Формула для определения веса: вес = m * g, где m — масса объекта, g — ускорение силы тяжести. Ускорение силы тяжести на Земле составляет 9,8 м/с^2 — оно никогда не изменяется, независимо от массы объекта. Вот почему, если бы вы бросили камешек и книгу с крыши, они одновременно ударятся о землю.
В течение сотен лет теория гравитации Ньютона считалась самым прогрессивным объяснением сил тяжести. Это изменилось в начале 1900-х годов.
Тяжесть Эйнштейна
Альберт Эйнштейн, получивший Нобелевскую премию по физике в 1921 году, создал альтернативную теорию гравитации в начале 1900-х годов. Это была часть его знаменитой Общей Теории Относительности (ОТО), и она предложила совсем другое объяснение закона Ньютона о всеобщей гравитации. Эйнштейн не считал, что сила тяжести вообще была силой; он сказал, что это искажение в форме пространства-времени, иначе называемое четвертым измерением.
Базовая физика утверждает, что, если на объект нет действия внешних сил, объект всегда будет перемещаться по прямой линии. Соответственно, без внешней силы два объекта, проходящие вдоль параллельных путей, всегда будут оставаться параллельными. Они никогда не встретятся.
Но дело в том, что действительно они встречаются. Частицы, которые начинаются с параллельных путей, иногда оказываются сталкивающимися. Теория Ньютона говорит, что это может произойти из-за силы тяжести, силы, притягивающей эти объекты друг к другу или к одному третьему объекту. Эйнштейн также говорит, что это происходит из-за силы тяжести, но в его теории гравитация не является силой. Это кривая в пространстве-времени.
Согласно Эйнштейну, эти объекты по-прежнему движутся по прямой линии, но из-за искажения в пространстве-времени сама прямая линия теперь проходит по сферическому пути. Таким образом, два объекта, которые двигались по плоскости, теперь перемещаются по сферической поверхности. И два прямых пути вдоль этой сферы заканчиваются в одной точке.
Еще более недавние теории гравитации выражают явление в терминах частиц и волн. В одном из представлений говорится, что частицы, называемые гравитонами, заставляют объекты привлекать друг друга. Гравитоны никогда не наблюдались.
Наконец, есть область квантовой гравитации, в которой ученые пытаются примирить общую теорию относительности с квантовой теорией. Квантовая теория рассматривает, как вселенная работает на наименьших субатомных уровнях. Поле помогло ученым разработать стандартную модель физики частиц, которая детализирует большинство внутренних работ Вселенной — за одним заметным исключением. Стандартная модель не объясняет гравитацию.
Таким образом, хотя квантовая теория и теория относительности вместе объясняют большую часть наблюдаемой вселенной, они также иногда противоречат друг другу, например, при изучении черных дыр или ранней Вселенной. Неудивительно, что многочисленные ученые продолжают работать над единой теорией. Последние подтверждения существования гравитационных волн, иногда называемых гравитационным излучением, могут пролить свет на природу гравитации.
Гравитационные волны
Гравитационные волны — это «рябь» в ткани пространства-времени, вызванная одними из самых жестоких и энергичных процессов во Вселенной. Альберт Эйнштейн предсказал существование гравитационных волн в 1916 году в своей общей теории относительности. Математика Эйнштейна показала, что массивные ускоряющие объекты (такие как нейтронные звезды или черные дыры, вращающиеся вокруг друг друга) нарушают пространство-время таким образом, что «волны» искаженного пространства будут излучаться из источника (например, движение волн от камня брошенный в пруд). Кроме того, эти ряби будут перемещаться со скоростью света через Вселенную, неся с собой информацию об их катастрофическом происхождении, а также бесценные подсказки природы самого тяготения.
14 сентября 2015 года в лаборатории LIGO впервые зафиксировали искажения в пространстве-времени, вызванные прохождением гравитационных волн, создаваемых двумя сталкивающимися черными дырами, почти на расстоянии в 1,3 миллиарда световых лет! LIGO и его открытие войдут в историю как одно из величайших научных достижений человечества.
К счастью для нас, здесь, на Земле, в то время как у истока гравитационные волны могут быть чрезвычайно жестокими, к тому времени, когда волны достигают Земли, они в миллионы раз меньше и менее разрушительны. Фактически, к тому времени, когда гравитационные волны достигли LIGO, количество создаваемых пространственно-временных колебаний было в тысячи раз меньше ядра атома!
Обнаружение и анализ информации, переносимой гравитационными волнами, позволит нам наблюдать Вселенную так, как никогда раньше. Метод откроет новое окно в изучении Вселенной, даст нам более глубокое понимание природы и откроет передовые исследования в области физики, астрономии и астрофизики.
Гравитационные волны не являются электромагнитным излучением. Это совершенно другое явление, несущее информацию о космических объектах и событиях, которые не переносятся электромагнитным излучением. Например, сталкивающиеся черные дыры излучают мало или вообще не имеют электромагнитного излучения, но гравитационные волны, которые они излучают, заставят их «сиять ярко», подобно маякам на совершенно темном небе. Что еще более важно, поскольку гравитационные волны очень слабо взаимодействуют с веществом (в отличие от электромагнитного излучения), они беспрепятственно проходят через Вселенную, давая нам ясный взгляд на вселенную гравитационной волны. Они несут информацию об их происхождении, которая свободна от искажений или изменений, вызванных электромагнитным излучением, когда она проходит межгалактическое пространство. Благодаря этому совершенно новому способу изучения астрофизических объектов и явлений гравитационные волны действительно откроют новое окно во Вселенной, предоставив астрономам и другим ученым их первые проблески ранее невидимых и неприемлемых чудес и значительно добавив к нашему пониманию природы пространства и времени и гравитации.
Как все произошло?
17 августа 2017 года, в 15:41:04 по московскому времени детектор обсерватории LIGO в Хенфорде (Вашингтон) услышал рекордно длинную гравитационную волну — сигнал продолжался около ста секунд. Это очень большой промежуток времени — для сравнения, предыдущие четыре фиксации гравитационных волн длились не дольше трех секунд. Сработала автоматическая программа оповещения. Астрономы проверили данные: оказалось, что второй детектор LIGO (в Луизиане) тоже зафиксировал волну, но автоматический триггер не сработал из-за краткосрочных шумов.
На 1,7 секунды позже детектора в Хенфорде, независимо от него, сработала автоматическая система телескопов «Ферми» и «Интеграл» — космических гамма-обсерваторий, наблюдающих одни из самых высокоэнергетических событий во Вселенной. Приборы обнаружили яркую вспышку и примерно определили ее координаты. В отличие от гравитационного сигнала, вспышка длилась всего две секунды. Интересно, что российско-европейский «Интеграл» заметил гамма-всплеск «боковым зрением» — «защитными кристаллами» основного детектора. Тем не менее, это не помешало триангуляции сигнала.
Примерно через час LIGO разослал сведения о возможных координатах источника гравитационных волн в обсерватории по всему миру — установить эту область удалось благодаря тому, что сигнал не был зарегистрирован европейским гравитационным детектором Virgo. По задержкам, с которыми детекторы начали получать сигнал, стало ясно, что, вероятнее всего, источник находится в южном полушарии. Изначальная область, рекомендуемая для поиска, достигала 28 квадратных градусов, что эквивалентно сотням площадей Луны.
Следующим этапом было объединение данных гамма- и гравитационных обсерваторий воедино и поиск точного источника излучения. Так как ни гамма-телескопы, ни тем более гравитационные не позволяли найти требуемую точку с большой точностью, физики инициировали сразу несколько оптических поисков. Один из них — с помощью роботизированной системы телескопов «МАСТЕР», разработанной в ГАИШ МГУ.
Обнаружить среди тысяч возможных кандидатов нужную вспышку удалось чилийскому метровому телескопу Swope — почти через 11 часов после гравитационных волн. Астрономы зафиксировали новую светящуюся точку в галактике NGC 4993 в созвездии Гидры, ее яркость не превышала 17 звездной величины. Такой объект вполне доступен для наблюдения в полупрофессиональные телескопы.
В течение примерно часа после этого, независимо от Swope, источник нашли еще четыре обсерватории, в том числе аргентинский телескоп сети «МАСТЕР». После этого началась масштабная наблюдательная кампания, к которой присоединились телескопы Южной европейской обсерватории, «Хаббл», «Чандра», массив радиотелескопов VLA и множество других приборов — в сумме более 70 групп ученых наблюдали за развитием событий. Через девять дней астрономам удалось получить изображение в рентгеновском диапазоне, а через 16 дней — в радиочастотном. К сожалению, через некоторое время Солнце приблизилось к галактике и в сентябре наблюдения стали невозможными.
Что стало причиной взрыва?
Такая характерная картина взрыва во многих электромагнитных диапазонах была предсказана и описана уже давно. Она соответствует столкновению двух нейтронных звезд — ультракомпактных объектов, состоящих из нейтронной материи.
По словам ученых, масса нейтронных звезд составляла 1,1 и 1,6 массы Солнца (сравнительно точно определена суммарная масса — около 2,7 массы Солнца). Первые гравитационные волны возникли, когда расстояние между объектами составляло 300 километров.
Большой неожиданностью стало небольшое расстояние от этой системы до Земли — около 130 миллионов световых лет. Для сравнения, это всего в 50 раз дальше, чем от Земли до Туманности Андромеды, и почти на порядок меньше, чем расстояние от нашей планеты до черных дыр, столкновение которых фиксировали ранее LIGO и Virgo. Кроме того, столкновение стало самым близким к Земле источником короткого гамма-всплеска.
Что такое нейтронные звезды
Нейтронные звезды образуются при коллапсе гигантов и сверхгигантов с массами в 10–25 масс Солнца. Их рождение начинается так: на каком-то этапе масса ядра звезды превышает предел Чандрасекара — 1,4 солнечной массы. В этот момент нарушается равновесие между гравитацией ядра, притягивающей внешнюю оболочку звезды, и давлением электронов, препятствующим сжатию. Звезда начинает сжиматься — коллапсировать. Плотность и температура вещества в ядре резко увеличиваются, начинается захват электронов протонами и образование нейтронов (с выбросом нейтрино). Через некоторое время ядро уже практически полностью состоит из нейтронов.
Выбросы энергии от протон-электронных слияний разрывают оболочку звезды и уносят ее материал — происходит взрыв сверхновой. Все, что остается в результате — плотное нейтронное ядро с тонкой оболочкой. Плотность нейтронной звезды огромна — она определяется лишь давлением вырожденных нейтронов и достигает 4–6×1017 килограмм на кубический метр. Одна капля нейтронной материи (0,030 миллилитра) весит больше десяти миллионов тонн — как сотни полностью загруженных товарных поездов. При этом характерные размеры нейтронных звезд невелики — около 10 километров в диаметре, такую звезду можно поместить внутрь Третьего транспортного кольца Москвы.
Кроме огромной плотности, нейтронные звезды обладают мощными магнитными полями, с индукцией от тысяч до триллионов тесла. Для сравнения, магнитное поле Земли не превышает 0,065 тесла. Часть нейтронных звезд приобретают в результате взрыва большой угловой момент — так возникают пульсары.
На сегодняшний день нет единой картины того, как устроена нейтронная материя, не построено уравнение ее состояния. «Нейтронию» приписываются такие свойства, как сверхпроводимость и сверхтекучесть.
Двойные нейтронные звезды известны с 1974 года — одну из таких систем открыли нобелевские лауреаты Рассел Халс и Джозеф Тейлор. Однако до сих пор все известные двойные нейтронные звезды находились в нашей Галактике, а стабильность их орбит была достаточной, чтобы они не столкнулись в течение ближайших миллионов лет. Новая пара звезд сблизилась настолько, что началось взаимодействие и стал развиваться процесс переноса вещества
Событие получило название килоновой. Дословно это означает, что яркость вспышки была примерно в тысячу раз мощнее, чем типичные вспышки новых звезд — двойных систем, в которых компактный компаньон перетягивает на себя материю.
Что все это значит?
Полный спектр собранных данных уже позволяет ученым называть событие краеугольным камнем будущей гравитационно-волновой астрономии. По результатам обработки данных за два месяца было написано около 30 статей в крупных журналах: по семь в Nature иScience, а также работы в AstrophysicalJournalLetters и других научных изданиях. Соавторами одной из этих статей являются 4600 астрономов из различных коллабораций — это больше трети всех астрономов мира.
Вот ключевые вопросы, к ответам на которые ученым впервые удалось подойти по-настоящему.
Что запускает короткие гамма-всплески?
Гамма-всплески — это одни из самых высокоэнергетических явлений во Вселенной. Мощность одного такого всплеска достаточна, чтобы за секунды выбросить в окружающее пространство столько же энергии, сколько Солнце генерирует за 10 миллионов лет. Различают короткие и длинные гамма-всплески; при этом считается, что это различные по своему механизму явления. К примеру, источником длинных всплесков считаются коллапсы массивных звезд.
Источниками коротких гамма-всплесков предположительно являются слияния нейтронных звезд. Однако до сих пор прямых подтверждений этому не было. Новые наблюдения — самое веское на сегодняшний день доказательство существования этого механизма.
Откуда во Вселенной берутся золото и другие тяжелые элементы?
Нуклеосинтез — слияние ядер в звездах — позволяет получить огромный спектр химических элементов. Для легких ядер реакции слияния протекают с выделением энергии и в целом энергетически выгодны. Для элементов, чья масса близка к массе железа, энергетический выигрыш оказывается уже не настолько большим. Из-за этого в звездах почти не образуются элементы тяжелее железа — исключением являются взрывы сверхновых. Но их совершенно недостаточно, чтобы объяснить распространенность золота, лантанидов, урана и других тяжелых элементов во Вселенной.
В 1989 году физики предположили, что за это может отвечать r-нуклеосинтез в слияниях нейтронных звезд. Подробнее об этом можно прочитать в блоге астрофизика Марата Мусина. До сегодняшнего дня этот процесс был известен лишь в теории.
Спектральные исследования нового события показали отчетливые следы рождения тяжелых элементов. Так, благодаря спектрометрам Очень большого телескопа (VLT) и «Хаббла» астрономы обнаружили присутствие цезия, теллура, золота и платины. Также есть свидетельства образования ксенона, иода и сурьмы. По оценкам физиков, в результате столкновения была выброшена общая масса легких и тяжелых элементов, эквивалентная 40 массам Юпитера. Одного лишь золота, согласно теоретическим моделям, образуется около 10 масс Луны.
Чему равна константа Хаббла?
Оценить экспериментально скорость расширения Вселенной можно с помощью специальных «стандартных свечей». Это объекты, для которых известна абсолютная яркость, а значит, по соотношению между абсолютной и видимой яркостью можно сделать вывод о том, как далеко они находятся. Скорость расширения на данном расстоянии от наблюдателя определяется по доплеровскому смещению, например, линий водорода. Роль «стандартных свечей» играют, например, сверхновые Ia типа («взрывы» белых карликов) — кстати, именно на их выборке было доказано расширение Вселенной.
Константа Хаббла задает линейную зависимость скорости расширения Вселенной на данном расстоянии. Каждое независимое определение ее значения позволяет нам убедиться в справедливости принятой космологии.
Источники гравитационных волн тоже являются «стандартными свечами» (или, как их называют в статье, «сиренами»). По характеру гравитационных волн, которые они создают, можно независимо определить расстояние до них. Именно этим воспользовались астрономы в одной из новых работ. Результат совпал с другими независимыми измерениями — на основе реликтового излучения и наблюдения за гравитационно-линзированными объектами. Константа примерно равна 62–82 километрам в секунду на мегапарсек. Это означает, что две галактики, удаленные на 3,2 миллиона световых лет, в среднем разбегаются со скоростью 70 километров в секунду. Новые слияния нейтронных звезд помогут увеличить точность этой оценки.
Как устроена гравитация?
Общепринятая на сегодняшний день общая теория относительности в точности предсказывает поведение гравитационных волн. Однако квантовая теория гравитации до сих пор не разработана. Есть несколько гипотез о том, как она может быть устроена — это теоретические конструкции с большим количеством неизвестных параметров. Одновременное наблюдение электромагнитного излучения и гравитационных волн позволит уточнить и сузить границы для этих параметров, а также отбросить некоторые гипотезы.
К примеру, тот факт, что гравитационные волны пришли за 1,7 секунды до гамма-квантов, подтверждает то, что они и правда распространяются со скоростью света. Кроме того, сама величина задержки может быть использована для проверки принципа эквивалентности, лежащего в основе ОТО.
Как устроены нейтронные звезды?
Мы знаем строение нейтронных звезд лишь в общих чертах. У них имеются кора из тяжелых элементов и нейтронное ядро — но, к примеру, нам до сих пор не известно уравнение состояния нейтронной материи в ядре. А от этого зависит, например, ответ на такой простой вопрос: что именно образовалось при столкновении, которое наблюдали астрономы?
Как и у белых карликов, у нейтронных звезд есть понятие критической массы, при превышении которой может начаться коллапс. В зависимости от того, превзошла ли масса нового объекта критическую или нет, есть несколько сценариев дальнейшего развития событий. Если суммарная масса окажется слишком большой, то объект сразу коллапсирует в черную дыру. Если масса немного меньше, то может возникнуть неравновесная быстровращающаяся нейтронная звезда, которая тоже, впрочем, со временем коллапсирует в черную дыру. Альтернативный вариант — образование магнетара, быстровращающейся нейтронной звезды с огромным магнитным полем. По всей видимости, магнетар в столкновении не образовался — сопутствующее ему жесткое рентгеновское излучение зафиксировано не было.
По словам Владимира Липунова, руководителя сети «МАСТЕР», имеющихся сейчас данных недостаточно, чтобы выяснить, что же именно образовалось в результате слияния. Однако у астрономов уже есть ряд теорий, которые будут опубликованы в ближайшие дни. Возможно, из будущих слияний нейтронных звезд удастся определить искомую критическую массу.
В будущем мы ждем регистрации гравитационных волн и от других источников. Во-первых, это непрерывные источники излучения, во-вторых, это стохастические волны, и самое интересное — это гравитационное реликтовое излучение. Но для этого надо значительно повысить чувствительность детекторов. Кроме того, интересен поиск новых неизвестных источников».
Гравитационное взаимодействие – самое слабое из известных нам сегодня
– Кто первым пытался поймать гравитационную волну?
– Гравитационно-волновой эксперимент первым провел Джозеф Вебер из Мэрилендского университета (США). Он создал гравитационный детектор, который теперь хранится в Смитсоновском музее в Вашингтоне. В 1968-1972 году Джо Вебер провел серию наблюдений на паре пространственно разнесенных детекторов, пытаясь выделить случаи «совпадений». Прием совпадений заимствован из ядерной физики. Невысокая статистическая значимость гравитационных сигналов, полученных Вебером, вызывала критическое отношение к результатам эксперимента: не было уверенности в том, что удалось зафиксировать гравитационные волны. В дальнейшим ученые пытались увеличить чувствительность детекторов веберовского типа. На разработку детектора, чувствительность которого была адекватна астрофизическому прогнозу, ушло 45 лет.
За время начала эксперимента до фиксации прошло много других экспериментов, были зафиксированы импульсы за этот период, но у них была слишком маленькая интенсивность.
– Почему о фиксации сигнала объявили не сразу?
– Гравитационные волны были зафиксированы еще в сентябре 2015 года. Но даже если совпадение было зафиксировано, надо прежде, чем объявлять, доказать, что оно не является случайным. В сигнале, снимаемом с любой антенны, всегда есть шумовые выбросы (кратковременные всплески), и один из них случайно может произойти одновременно с шумовым всплеском на другой антенне. Доказать, что совпадение произошло не случайно можно только с помощью статистических оценок.
– Почему открытия в области гравитационных волн так важны?
– Возможность зарегистрировать реликтовый гравитационный фон и измерить его характеристики, такие как плотность, температура и т.п., позволяет подойти к началу мироздания.
Привлекательным является то, что гравитационное излучение трудно обнаружить, потому что оно очень слабо взаимодействует с веществом. Но, благодаря этому же свойству, оно и проходит без поглощений из самых далеких от нас объектов с самыми таинственными, с точки зрения материи, свойствами.
Можно сказать, что гравитационные излучения проходят без искажения. Наиболее амбициозная цель – исследовать то гравитационное излучение, которое было отделено от первичной материи в Теории Большого Взрыва, которое создалось в момент создания Вселенной.
– Исключает ли открытие гравитационных волн квантовую теорию?
Теория гравитации предполагает существование гравитационного коллапса, то есть стягивание массивных объектов в точку. В то же время, квантовая теория, которую развивала Копенгагенская школа предполагает, что, благодаря принципу неопределенности, нельзя одновременно указать точно такие параметры как координата, скорость и импульс тела. Здесь есть принцип неопределенности, нельзя определить точно траекторию, потому что траектория – это и координата, и скорость и т. д. Можно определить только некий условный доверительный коридор в пределах этой ошибки, которая связана с принципами неопределенности. Квантовая теория категорически отрицает возможность точечных объектов, но описывает их статистически вероятностным образом: не конкретно указывает координаты, а указывает вероятность того, что она имеет определенные координаты.
Вопрос об объединении квантовой теории и теории гравитации – один из фундаментальных вопросов создания единой теории поля.
Над ним сейчас продолжают работать, и слова «квантовая гравитация» означают совершенно передовую область науки, границу знаний и незнаний, где сейчас работают все теоретики мира.
– Что может дать открытие в будущем?
Гравитационные волны неизбежно должны лечь в фундамент современной науки как одна из составляющих нашего знания. Им отводится существенная роль в эволюции Вселенной и с помощью этих волн Вселенную следует изучать. Открытие способствует общему развитию науки и культуры.
Если решиться выйти за рамки сегодняшней науки, то допустимо представить себе линии телекоммуникационной гравитационной связи, реактивные аппараты на гравитационной радиации, гравитационно-волновые приборы интроскопии.
Итальянский детектор гравитационных волн VIRGO с плечами длиной 3 км сооружался с 1996-го и введен в строй в 2003 году.
– Имеют ли отношение гравитационные волны к экстрасенсорике и телепатии?
Не имеют. Описанные эффекты — это эффекты квантового мира, эффекты оптики.
Несостоявшаяся сенсация
Гравитационные волны уже «открывали», правда, неудачно. В конце 1969 года профессор физики Мэрилендского университета Джозеф Вебер (Joseph Weber) заявил, что обнаружил волны тяготения космического происхождения. До того времени ни один ученый не выступал с подобным заявлением, да и сама возможность детектирования таких волн считалась далеко не очевидной. Однако Вебер слыл авторитетом в своей области, поиском гравитационных волн он занимался более десяти лет, и посему коллеги восприняли его сообщение (вскоре последовали и другие) с полной серьезностью.
Однако вскоре наступило отрезвление. Амплитуды волн, якобы зарегистрированных Вебером, в миллионы раз превышали теоретически разумную величину. Вебер утверждал, что эти волны пришли из закрытого пылевыми облаками центра нашей Галактики, о котором тогда было мало что известно. Астрофизики тут же предположили, что там скрывается гигантская черная дыра, которая ежегодно пожирает тысячи звезд и выбрасывает часть поглощенной энергии в виде гравитационного излучения, а астрономы занялись тщетным поиском более явственных следов этого космического каннибализма (сейчас доказано, что хотя дыра там и имеется, ведет она себя вполне скромно). Физики из США, СССР, Франции, Германии, Англии и Италии приступили к экспериментам на детекторах того же типа и ничего не добились. К концу 1972 года мало кто сомневался в том, что веберовские результаты можно объяснить чем угодно, но только не воздействием гравитационных волн.
Ученые и доселе не знают, чему приписать странные показания приборов Вебера. Однако его усилия стимулировали создание более чувствительных детекторов волн тяготения, к числу которых принадлежит LIGO, MiniGrail и др. К сожалению, Джозеф Вебер не дожил даже до начала работы LIGO — в сентябре 2000 года он скончался от рака.
Природа гравитационных волн
Часто говорят, что гравитационные волны — это распространяющиеся в пространстве возмущения поля тяготения. Такое определение правильно, но неполно. Согласно Общей теории относительности, тяготение возникает из-за искривления пространственно-временного континуума. Его структура описывается метрическим тензором, определяющим расстояния между бесконечно близкими точками пространства-времени по всем возможным направлениям. Волны тяготения — это флуктуации пространственно-временной метрики, которые проявляют себя как колебания гравитационного поля. По этой-то причине их часто называют пространственно-временной рябью — сравнение образное, хотя и сильно заезженное.
Источником гравитационных волн служат любые движения материальных тел, приводящие к неоднородному изменению силы тяготения в окружающем пространстве. Движущееся с постоянной скоростью тело ничего не излучает, поскольку характер его поля тяготения не изменяется. Для испускания волн тяготения необходимо ускорение, однако отнюдь не всякое. Цилиндр, который вращается вокруг своей главной оси, испытывает ускорение (вспомним школьный курс физики), однако его гравитационное поле остается повсюду однородным, и волны тяготения не возникают. А вот если раскрутить этот цилиндр вокруг другой оси, поле начнет осциллировать, и от цилиндра во все стороны побегут гравитационные волны.
Тот, кто помнит, что такое квадрупольный момент, сразу догадается, что в этой ситуации он не останется постоянным. Таково проявление общего правила — система масс, квадрупольный момент которой меняется со временем, всегда излучает гравитационные волны. Поэтому, в частности, гравитационные волны излучают любые два космических объекта, обращающиеся вокруг общего центра тяжести.
Волны тяготения обладают множеством интереснейших свойств, ограничимся основными.
- В пустом пространстве они распространяются со скоростью света. Более того, эта скорость практически всегда сохраняется при встрече с материальными объектами, так что гравитационные волны не претерпевают преломления. Экстремально сверхплотное вещество способно уменьшить скорость гравитационных волн, но в прочих случаях этот эффект пренебрежимо мал. Амплитуды волн тяготения угасают при удалении от источника, однако вовсе не падают до нуля. Можно сказать, что единожды возникшая волна тяготения обречена на вечную жизнь. В частности, Вселенная должна быть пронизана реликтовыми волнами тяготения, унаследованными от инфляционной фазы. В них закодирована информация о строении «зародышевой» Вселенной, которую, правда, еще надо умудриться расшифровать.
- Волны тяготения поперечны. Это означает, что такая волна искажает структуру пространства в плоскости, перпендикулярной вектору ее распространения. Твердое тело, попавшее в область волнового гравитационного фронта, будет испытывать деформации именно в этой плоскости (какие именно, зависит от характера волны). В простейшем случае пространство периодически растягивается и сжимается вдоль двух взаимно перпендикулярных направлений, лежащих в этой плоскости.
- Гравитационные волны уносят энергию, которую они отбирают у излучающей материи. Поэтому со временем звезды двойной системы сближаются друг с другом, и продолжительность их оборотов вокруг общего центра уменьшается.
Гравитационное излучение от земных источников чрезвычайно слабо. Возьмем стальную колонну массой 10 тыс. тонн, подвесим за центр в горизонтальной плоскости и раскрутим вокруг вертикальной оси до десяти оборотов в секунду (намного быстрее не получится — сталь начнет рваться). Мощность гравитационного излучения такой гигантской вертушки составит примерно 10–24 ватта. Поэтому единственная надежда обнаружить волны тяготения в сколько-нибудь близком будущем — это найти источник гравитационного излучения, пришедшего из космоса.
В этом плане весьма перспективны тесные двойные звезды, пары звезд, разделенных небольшой дистанцией. Причина проста: мощность гравитационного излучения такой системы растет в обратной пропорции к пятой степени ее поперечника. Еще лучше, если траектории звезд сильно вытянуты, так как при этом возрастает скорость изменения квадрупольного момента. Совсем хорошо, если двойная система состоит из компактных релятивистских объектов — белых карликов, нейтронных звезд или черных дыр.
Черные дыры искажают пространство-время (желтые линии) и излучают гравитационные волны (изображение: Henze/NASA)
Гравитационное излучение также порождается коллапсом массивной звезды, исчерпавшей свое термоядерное топливо. Однако деформация звезды должна быть асимметричной, иначе излучение не возникнет. Во время коллапса гравитационные волны могут унести с собой до десятой части полной энергии светила, той, которая определяется эйнштейновской формулой E=mс2. Мощность гравитационного излучения в этом случае по порядку величины составляет 1050 ватт. Много больше энергии выделяется при слиянии нейтронных звезд, здесь пиковая мощность достигает 1052 ватт. Но самый лучший источник излучения — столкновение черных дыр, поскольку их массы могут превышать массы нейтронных звезд не только в разы, но и в миллионы и даже миллиарды раз. В марте 2006 года американские астрофизики опубликовали очень впечатляющие результаты компьютерной симуляции гравитационных волн, порожденных при таком слиянии, которые теперь были использованы первооткрывателями гравитационных волн. Необходимо отметить, что гравитационное излучение двойной системы имеет периодический характер, а при коллапсах и столкновениях оно высвобождается в виде коротких всплесков.
Гравитационные резонаторы: Вебер и другие
В первой половине прошлого века физики, включая Эйнштейна, не верили в возможность детектирования гравитационных волн. Впервые ее обосновал в 1957 году английский физик Феликс Пирани (Felix Pirani), на работы которого опирался Вебер. Он скончался 31 декабря 2015 года, возможно, так и не успев узнать о торжестве своей идеи.
Вебер использовал в качестве детекторов сплошные алюминиевые цилиндры метровой длины с пьезоэлектрическими датчиками на торцах. Их помещали в вакуумную камеру и с максимальной тщательностью изолировали от внешних механических воздействий. Два таких цилиндра Вебер установил в бункере на поле для гольфа Мэрилендского университета и один в Аргоннской национальной лаборатории неподалеку от Чикаго.
Идея этого эксперимента предельно проста. Пространство под действием гравитационных волн сжимается и растягивается, так что цилиндр вибрирует в продольном направлении, выступая в качестве гравитационно-волновой антенны. Пьезоэлектрические кристаллы отвечают на вибрацию электрической поляризацией, которую не слишком сложно измерить. Любое прохождение цуга космических волн тяготения одновременно действует на детекторы, разнесенные на тысячу километров, что позволяет отфильтровать гравитационные импульсы от различного рода шумов. И измерения, и обработку результатов можно производить по нескольким схемам (что Вебер и делал), однако общий принцип остается неизменным.
Веберовские датчики были в состоянии заметить смещения торцов цилиндра, равные всего 10–15 его длины — в данном случае 10–13 см. Именно такие колебания Веберу удалось обнаружить, о чем он впервые и сообщил в 1969 году на страницах Physical Review Letters. Все попытки повторить эти результаты оказались тщетными. Данные Вебера к тому же противоречили теоретическим выкладкам, которые практически не позволяли ожидать относительных смещений выше 10–18 (причем гораздо вероятней значения менее 10–20). Не исключено, что Вебер напутал при статистической обработке результатов, но это всего лишь гипотеза. Короче говоря, первая попытка обнаружить гравитационное излучение закончилась неудачей.
В дальнейшем гравитационно-волновые антенны значительно усовершенствовали. В 1967 году американский физик Уильям Фэрбенк (William Martin Fairbank) предложил охлаждать их в жидком гелии. Это не только позволило избавиться от большей части тепловых шумов, но и открыло возможность применения сквидов — точнейших сверхпроводящих датчиков электрического тока, использующих эффект Джозефсона. Реализация этой идеи оказалась сопряжена со множеством технических сложностей, и сам Фэрбенк до нее не дожил. К началу 1980-х годов физики из Стэнфордского университета построили установку с чувствительностью порядка 10–18, однако волн не зарегистрировали. Сейчас в ряде стран действуют ультракриогенные вибрационные детекторы волн тяготения, работающие при температурах, лишь на десятые и сотые доли градуса выше абсолютного нуля. Такова, например, установка AURIGA (Antenna Ultracriogenica Risonante per l’Indagine Gravitazionale Astronomica) в итальянском городе Падуе. Антенной для нее служит трехметровый цилиндр из алюминиево-магниевого сплава, диаметр которого составляет 60 см, а вес 2,3 тонны. Он подвешен в вакуумной камере, охлаждаемой до 0,1 кельвина. Его сотрясения (с частотой порядка 1000 герц) передаются на вспомогательный резонатор массой в 1 кг, который колеблется с такой же частотой, но много большей амплитудой. Эти вибрации регистрируются измерительной аппаратурой и анализируются с помощью компьютера. Чувствительность комплекса AURIGA лежит в интервале 10–20–10–21.
Астрономы не дремлют
Рассел Халс в своей лаборатории в Принстоне («Википедия»)
Первое — и еще только косвенное — доказательство существования волн тяготения связано с работами американского радиоастронома Джозефа Тейлора (Joseph Hooton Taylor) и его студента Рассела Халса (Russell Alan Hulse). В 1974 году они впервые обнаружили пару обращающихся друг вокруг друга нейтронных звезд PSR B1913+16, что само по себе было серьезным астрономическим открытием. Точнее, сначала они выявили излучающую в радиодиапазоне нейтронную звезду (радиопульсар), а потом нашли у нее молчаливую компаньонку. Пульсар вращается вокруг своей оси со стабильной угловой скоростью (что бывает далеко не всегда) и поэтому служит исключительно точными часами. Эта особенность и позволила чрезвычайно точно измерить массы обеих звезд и выяснить характер их орбитального движения. Оказалось, что период этой двойной системы, который сейчас составляет 3 часа 45 мин, ежегодно сокращается на 70 микросекунд. Эта величина хорошо согласуется с решениями уравнений Общей теории относительности, описывающих потерю энергии звездной пары, обусловленную гравитационным излучением. Впрочем, столкновение звезд случится не скоро, через 300 млн лет. В 1993 году Тейлор и Халс были удостоены за это открытие Нобелевской премии. Любопытно, что открытия первого двойного радиопульсара пришлось ждать еще долго, он был обнаружен учеными из Австралии, Британии, Италии и США лишь в конце 2003 года. Ему осталось жить «всего ничего», каких-нибудь 85 млн лет.
Интерферометры
Еще один способ детектирования волн тяготения основан на отказе от массивных резонаторов в пользу световых лучей. Первыми в 1962 году его предложили советские физики М.Е. Герценштейн и В.И. Пустовойт, а двумя годами позже и Вебер. В начале 1970-х сотрудник исследовательских лабораторий корпорации «Хьюз Эйркрафт» Роберт Форвард (Robert L. Forward), в прошлом аспирант Вебера, в дальнейшем весьма известный писатель-фантаст, построил первый такой детектор с вполне приличной чувствительностью. Тогда же Райнер Вайсс выполнил очень глубокий теоретический анализ возможностей оптических методов регистрации гравитационных волн.
Эти методы предполагают использование аналогов вошедшего в историю физики прибора, с помощью которого 125 лет назад американский физик Альберт Майкельсон доказал, что скорость света строго одинакова по всем направлениям. В этой установке, интерферометре Майкельсона, параллельный пучок света попадает на полупрозрачную пластинку и разделяется на два взаимно перпендикулярных луча, которые отражаются от зеркал, расположенных на одинаковом расстоянии от пластинки. Затем световые пучки опять сливаются и падают на экран, где возникает интерференционная картина (светлые и темные полосы и линии). Если скорость света зависит от его направления, то при повороте всей установки эта картинка должна измениться, если нет — остаться такой же, что и раньше.
Интерференционный детектор волн тяготения работает сходным образом. Проходящая волна деформирует пространство и тем изменяет длину каждого плеча интерферометра (пути, по которому свет идет от делителя до зеркала), растягивая одно и сжимая другое. В результате интерференционная картинка меняется, и это-то изменение и нужно зарегистрировать. К сожалению, практическое воплощение этой идеи сопряжено с гигантскими техническими трудностями. Вот одна из них, причем не главная. Если ожидаемое относительное изменение длины плеч интерферометра составляет 10–20, то при настольных размерах прибора (как у Майкельсона) оно оборачивается осцилляциями протяженностью порядка 10–18 см (волны видимого света в 10 трлн раз длиннее). Можно увеличить протяженность плеч до нескольких километров, однако проблемы всё равно остаются. Лазерный источник света должен быть одновременно и достаточно мощным, и чрезвычайно стабильным по частоте, зеркала — идеально плоскими и идеально отражающими, вакуум в трубах, по которым распространяется свет, — максимально глубоким, механическая стабилизация всей системы — воистину совершенной. Короче говоря, интерференционный детектор гравитационных волн — прибор дорогой и громоздкий.
Сегодня самая большая установка этого рода — американский комплекс LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Он состоит из двух обсерваторий, разнесенных на 3 тыс. км. Одна из них находится на Тихоокеанском побережье США в Ханфорде в штате Вашингтон, а другая — в Ливингстоне в штате Луизиана. Измерения производят с помощью трех интерферометров (два в Ханфорде, один в Ливингстоне) с плечами четырехкилометровой длины. Установка снабжена зеркальными накопителями света, которые увеличивают ее чувствительность.
Парный детекторный комплекс LIGO начал действовать в 2002 году и работал до 2010 года. Он был в состоянии регистрировать смещения зеркал на фантастически малые расстояния — примерно 4 х 10–16 см. Однако тогда сигналов от гравитационных волн зарегистрировать не удалось. Затем эксперимент был остановлен для глубокой модернизации комплекса, которая обошлась в 205 млн долл. Там были установлены твердотельные лазеры, излучающие на длине волны в 1 микрометр, новые системы гидравлической и электромагнитной стабилизации зеркал и усовершенствованные детекторы. Это позволило существенно снизить уровень низкочастотных шумов и привело к многократному увеличению чувствительности приборов (в 3–5 раз для колебаний в диапазоне 100–300 герц, и более чем в 10 раз для колебаний с частотой менее 60 герц). До модернизации предел чувствительности на частотах порядка 100 герц составлял 10–21, а после нее снизился менее чем до 10–22. Это позволило регистрировать смещения зеркал на 10–17 см, что в 10 тыс. раз меньше диаметра протона.
Усовершенствованный комплекс, Advanced LIGO, приступил к работе в начале осени 2015 года. Всего через три дня, ранним утром 14 сентября, на нем был детектирован сигнал, который участники коллаборации после тщательного анализа и отсечки альтернативных интерпретаций интерпретировали как всплеск гравитационного излучения, рожденный слиянием двух черных дыр. Его начальная частота равнялась 35 герц, а максимальная — 250 герц. Разница во времени между приходом сигнала на детекторы составила 7 миллисекунд. Примерно этого и надо было ожидать, принимая во внимание дистанцию между интерферометрами и то обстоятельство, что гравитационные волны согласно ОТО распространяются со скоростью света. Достоверность сделанных выводов очень высока — более 5,1σ.
Два наложенных сигнала от двух установок. Картинка из презентации
Собранные данные позволили определить массы столкнувшихся дыр, 29 и 36 масс Солнца, и их удаленность от Земли — около 1,3 млрд световых лет. В результате этого катаклизма образовалась быстро вращающаяся черная дыра в 62 солнечных массы. Энергетический эквивалент трех солнечных масс унесло гравитационное излучение, которое через 1300 млн лет дошло до Земли.
Участники коллаборации LIGO получили и другие важные результаты. Они заново оценили комптоновскую длину волны гравитона, кванта гравитационного поля. Согласно этой оценке, она превышает 1013 км. Отсюда следует, что верхняя граница массы гравитона составляет 1,2 х 10–22 эВ. Этот результат уточняет аналогичные оценки, сделанные на основе изучения двойных пульсаров. Кроме того, теперь доказано существование черных дыр звездного происхождения (то есть возникших в результате коллапса звезд, израсходовавших свое термоядерное топливо), чьи массы превышают 25 солнечных масс. Теперь также можно с уверенностью сказать, что за время существования нашей Вселенной в ней возникло множество двойных черных дыр, что раньше было не вполне очевидно. Наконец, исследователи подсчитали, что за год в области пространства объемом в один кубический гигапарсек происходит от двух до четырехсот слияний спаренных черных дыр.
Настольный детектор гравитационных волн
Новаторский детектор, предназначенный для отслеживания высокочастотных гравитационных волн, был создан исследователями из Центра передового опыта ARC по физике частиц темной материи (CDM) и Университета Западной Австралии.
За первые 153 дня его работы были обнаружены два события, которые в принципе могли быть высокочастотными гравитационными волнами, которые ранее не регистрировались учеными. Такие высокочастотные гравитационные волны могли быть созданы первичной черной дырой или облаком частиц темной материи.
Как и первоначально предположил Альберт Эйнштейн, движение астрономических объектов может вызвать волны искривления пространства-времени, которые будут распространяться по Вселенной, почти как волны, которую образуются, когда кидаешь камешки в пруд. Исследователи полагают, что низкочастотные гравитационные волны вызываются двумя черными дырами, вращающимися и сливающимися друг с другом, или звездой, исчезающей в черной дыре.
С тех пор началась новая эра исследований гравитационных волн, но нынешнее поколение активных детекторов обладает высокой чувствительностью только к низкочастотным сигналам; обнаружение высокочастотных гравитационных волн остается неизученным и чрезвычайно сложным направлением в астрономии.
Несмотря на то, что наибольшее внимание уделяется низкочастотным гравитационным волнам, существует значительное количество теоретических предложений для высокочастотных источников гравитационных волн, а также, например, первичных черных дыр. Как пишет портал Scitechdaily, детектор, разработанный исследовательской группой для улавливания высокочастотных гравитационных волн, построен на основе кварцевого резонатора объемных акустических волн (BAW).
Как устроен новый детектор высокочастотных гравитационных волн
В основе этого устройства лежит диск из кварцевого кристалла, который может вибрировать на высоких частотах из-за акустических волн, проходящих через его толщину. Эти волны затем индуцируют электрический заряд по всему устройству, который можно обнаружить, разместив проводящие пластины на внешних поверхностях кварцевого диска.
Затем устройство BAW было подключено к сверхпроводящему квантовому интерференционному устройству под названием SQUID, которое действует как чрезвычайно чувствительный усилитель для сигнала низкого напряжения от кварцевого BAW. Эта сборка была помещена в несколько радиационных экранов для защиты от рассеянных электромагнитных полей и охлаждена до низкой температуры, чтобы с помощью усилителя SQUID можно было регистрировать акустические колебания кварцевого кристалла с низкой энергией в виде больших напряжений.
Весь детектор, помимо прочего, помещен в вакуумную камеру, защищенную от излучения, чтобы предотвратить как можно больше помех. С помощью этой установки команда провела два прогона наблюдений и сделала обнаружение во время каждого прогона – первый 12 мая 2019 года, а второй 27 ноября 2019 года. Команда, в которую входили доктор Максим Горячев, профессор Майкл Тобар, Уильям Кэмпбелл, Ик Сионг Хенг, Серж Галлиу и профессор Евгений Иванов, теперь будет работать над определением природы сигнала, потенциально подтверждающего обнаружение высокочастотных гравитационных волн.
Гравитационный телескоп
Для этого и создавался детектор LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory – Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория). LIGO представляет из себя два тоннеля по четыре километра длиной, расположенных перпендикулярно друг к другу. На краях тоннелей расположены зеркала, между которыми бегает луч лазера. Два луча от двух тоннелей сводят и образуется интерференционная картинка. Если вдруг одно из зеркал по каким-то причинам двинется, то одно из плеч станет короче, соответствующий луч лазера пробежит меньшее или большее расстояние, и интерференционная картинка нарушится. Таким образом, нарушение этой картинки будет означать либо движение зеркал, либо укорачивание тоннеля, как при прохождении гравитационной волны.
Для исключения любого вида движений зеркал по сторонним причинам, например, из-за тепловых колебаний, их охлаждают до температуры в несколько микрокельвин – то есть сильно меньше одного градуса по шкале Кельвина, очень близко к абсолютному нулю. Однако остаются и сторонние причины нарушения интерференционной картинки, такие как подземные толчки или даже большегрузные машины, проезжающие мимо. Для исключения этих эффектов LIGO сделало два детектора, на расстоянии 3000 км друг от друга. Один из них находится в Ливингстоне (штат Луизиана), другой — в Хэнфорде (штат Вашингтон). Если два независимых детектора на большом расстоянии друг от друга видят одни и те же колебания зеркал – то в таком случае можно смело говорить о детектировании некоего глобального возмущения.
Гравитационная волна от слияния чёрных дыр была поймана 14 сентября 2015 года после перезапуска проекта LIGO, — в обсерватории была повышена чувствительность детекторов и проект стал называться Advanced LIGO. После сопоставления сигналов от детекторов в Хенфорде и в Ливингстоне стало понятно, что, как выразился инициатор создания LIGO Кип Торн, «мы больше не глухи к гравитационным волнам».
Учёные из коллаборации LIGO считают, что открыли новую страницу в истории наблюдений Вселенной. О значении их открытия мы расспросили Вячеслава Муханова
— одного из самых известных космологов, изучающих пространство-время и гравитацию, работающего последние двадцать лет в Мюнхенском университете имени Людвига — Максимилиана
Танец гигантов
— Итак, мы наконец обнаружили гравитационные волны?
— В принципе, гравитационные волны находили и до этого. В общем-то за это даже давали Нобелевскую премию – Тейлору и Халсу. Они наблюдали системы двойных нейтронных звезд и увидели, что у них период обращения друг вокруг друга слегка изменяется. Теоретически двойные системы должны были терять энергию за счёт излучения гравитационных волн – и это изменение периода обращения как раз соответствовало теоретической модели. За этот результат, который в каком-то смысле и был открытием гравитационных волн, они и получили Нобелевку. Сейчас конечно, мы их поймали в более прямом смысле. Но всё-таки, точный момент открытия вещь относительная, раньше для меня и данные от двойных систем были достаточно убедительными, чтобы говорить об открытии гравитационных волн.
Важно то, что сейчас построили обсерваторию для измерения гравитационных волн, своеобразный «гравитационный телескоп». Теперь у нас есть возможность их «видеть» — наблюдать астрофизические объекты с помощью гравитационных волн. Конечно, так можно узнать об этих объектах гораздо больше, чем без гравитационных волн. То же слияние черных дыр, вы бы вообще не увидели, несмотря на то, что при этом выделяется три Солнца энергии – но все в виде гравитационных волн. Поэтому наблюдение таких объектов – это фактически рождение новой области астрономии. Астрономии гравитационных волн. И если всё подтвердится, то при следующих запусках LIGO мы должны увидеть еще кучу интересных объектов.
— А насколько уникальны события слияния чёрных дыр или взаимодействия нейтронных звёзд?
— Мы не знаем точно, есть конкурирующие модели устройства Вселенной, ответ на ваш вопрос зависит от параметров той или иной модели. Надо знать, сколько чёрных дыр рождалось во Вселенной и как это вообще происходит. Как появляются нейтронные звезды, сейчас более-менее ясно: сверхновая взрывается, и в ее ядре оседает нейтронная звезда. А как образуются большие чёрные дыры? Тоже есть куча гипотез, но никто пока не может сказать это на 100%. Но есть достаточно надёжные оценки некоторых событий. Чувствительность LIGO потому и повысили, что были расчеты и надежды что-то увидеть.
— Мы наблюдали именно за этим объектом? То есть мы заранее знали, что в этом месте будет происходить слияние черных дыр?
— Нет, просто увидели сигнал, когда LIGO посмотрел в определённом направлении.
— А можно что-то новое сказать про образовавшуюся «черную сверхдыру», имея теперь на руках данные гравитационных волн от этого события?
— Можно проверить наши теории. Существует, например, теория слияния чёрных дыр, — она правильная или неправильная? Можно ещё много чего изучить в этом объекте: попытаться, например, ответить на вопросы как образовались эти дыры, как они образовали двойную систему, как сливались в результате потери энергии.
Техник проверяет зеркала «гравитационного телескопа» — малейшее загрязнение может свести всю работу на нет
Бесконечные поиски и проверки
— А они точно нашли эти волны? Насколько «железобетонны» аргументы астрофизиков из LIGO?
— Это станет ясно в течение ближайшего года. Потому что если это настоящий сигнал, и если все оценки правильные это подтвердится дальнейшими наблюдениями. У Advanced LIGO существенно возросла чувствительность, мы сумели заползти как раз в ту область частот, где, по предварительным оценкам, должны ожидаться сигналы от компактных двойных систем. Конечно, объявлено, что сигнал реальный с огромной степенью вероятности (пять сигма). Но чтобы убедиться на 100%, надо немного подождать.
— Это открытие было ожидаемо у научном мире?
— Еще бы, конечно оно было ожидаемо! Гравитационные волны ищут с 1970-х. Об этом было море работ, и детекторов разных немало построили. Владимир Брагинский, разработавший несколько детекторов гравитационных волн, посвятил их поиску практически всю жизнь. Много было разных идей о том, как их детектировать. Кристаллы, например, пытались использовать, волна приходит, возмущает кристалл при очень низкой температуре, там появляются частички, которые называются фононами, и их регистрируют. Но в итоге оказалось, что все-таки самый многообещающий метод – это использовать лазерную интерферометрию как в LIGO, или как в детекторе GEO600 в Германии рядом с Ганновером.
Сейчас строятся и другие «гравитационные телескопы». Есть, например, еще проект под названием LISA, в рамках которого собираются запустить три спутника и создать с их помощью лазерный интерферометр в космосе. В конце прошлого года послали в космос протестировать аппаратуру, и, если все будет нормально, то сам эксперимент через 20 лет будут делать. В таких проектах речь идёт о десятилетиях.
— Почему их раньше не обнаружили, если так долго искали?
— Это неудивительно – просто не так давно появились расчеты, показывающие, при каком уровне чувствительности детекторов можно ожидать из засечь — и стало ясно, что раньше чувствительность была абсолютно недостаточной для того, чтобы такие сигналы увидеть.
— Сигнал почему-то зафиксирован на частоте человеческого голоса, его даже можно послушать в сети. От чего вообще зависит частота гравитационной волны?
— Частота зависит от того, с какой скоростью вращается двойная система. Частоты определяются характеристиками системы, которая излучает эти гравитационные волны. Такими, как характерное время изменения в системе — это время, которое требуется двум объектам, обращающиеся вокруг друг друга, чтобы поменяться местами. А то, что сигнал зафиксирован на частоте человеческого голоса, — я думаю, случайно получилось. Вряд ли тут стоит искать глубокий мистический смысл.
Что дальше
— Что можно увидеть, «наблюдая» гравитацию?
— Хотелось бы увидеть какие-то новые, невиданные ранее объекты во Вселенной. Гравитационные телескопы не дадут заглянуть очень далеко, но мы многое сможем увидеть, в близлежащих областях Вселенной, отстоящих не дальше, чем на 10 миллиардов световых лет.
— Как вам кажется, в перспективе возможно ли будет создать искусственный источник гравитационных волн, или антигравитационных?
— Я думаю, что нет. Гравитационные волны – это очень слабенькие вещи. Для того, чтобы у нас не Земле эту амплитуду получить, надо чтобы 30 солнечных масс слилось. Естественно, когда у нас на Земле вы двигаете рукой, то рука тоже гравитационные волны излучает. Но я не вижу в ближайшей перспективе возможности детектировать или как-то использовать эти гравитационные волны.
— Значит, это открытие не изменит будущее человечества?
— Кто же знает? Это фундаментальная наука. Никто никогда не знает, какие плоды принесет фундаментальная наука. Для заботы об улучшении человеческой жизни существует прикладная наука. А фундаментальная наука должна заботиться о том, чтобы открывать новые перспективы, и чтобы как можно больше узнать о мире, в котором мы живём. Не вся жизнь сводится к тому, чтобы есть, пить и извлекать из всего пользу.
— Есть гравитационные волны от астрофизических объектов вроде двойных систем, а есть первичные гравитационные волны, которые были в начале рождения нашей Вселенной. Можно ли использовать эту технологию, чтобы их поймать?
— Нет, с помощью этих детекторов первичные гравитационные волны увидеть ни как нельзя. Опять же, потому что у детекторов на этих частотах недостаточная чувствительность. И, к сожалению, нет перспектив и возможности опустить чувствительность на столько порядков величины, чтобы можно было наблюдать первичные гравитационные волны. В позапрошлом году пытались засечь первичные гравитационные волны другим способом – не с помощью интерферометров, а с помощью их влияния на флуктуации реликтового излучения. И даже поторопились объявить об их открытии, как потом оказалось, ошибочно.
— Гравитационные волны были предсказаны 100 лет назад. Бозон Хиггса — 50 лет назад. Какое следующее давно предсказанное открытие нас ждёт?
— Честно говоря, трудно представить. Сейчас, по крайней мере, ничего не строится такого, чтобы было рассуждать про следующий шаг. Бозон Хиггса был открыт на ускорителе в Церне, который ведь немало времени строили. И на эксперименты по открытию гравитационных волн пришлось потратить несколько десятилетий. Надеюсь, что хоть эти огромные усилия окончательно увенчались успехом!
Высокочастотные гравитационные волны и другие открытия
Авторы нового исследования отмечают, что высокочастотные гравитационные волны – одни из возможных обнаруженных кандидатов, но другими объяснениями может быть как присутствие заряженных частиц или накопление механического напряжения, так и метеоритное событие или внутренний атомный процесс. Более того, авторам научной работы впервые удалось продемонстрировать, что подобные устройства могут быть использованы в качестве высокочувствительных детекторов гравитационных волн.
В мире в настоящий момент проводится всего два эксперимента, которые занимаются поиском высокочастотных гравитационных волн на этих частотах, и у нас есть планы расширить охват до еще более высоких частот, где раньше не проводилось никаких других экспериментов и исследований, – сообщают физики.
Интересно, что следующее поколение эксперимента будет включать в себя создание клона детектора и детектора мюонов, чувствительного к этим космическим частицам. Подробнее о том, что такое мюон и как их обнаруживали, я рассказывала в этой статье, рекомендую к прочтению. Ну а если два новых детектора обнаружат присутствие гравитационных волн, то это будет по-настоящему захватывающее событие.