Детектирование гравитационных волн: Детектирование гравитационных волн. Гравитация [От хрустальных сфер до кротовых нор]

Детектирование гравитационных волн. Гравитация [От хрустальных сфер до кротовых нор]

Детектирование гравитационных волн

Я сразу узнаю удачу, едва она появится…

Жюльетта Бенцони «Марианна в огненном венке»

Из сказанного выше об астрофизических источниках можно сделать вывод, что безразмерные амплитуды гравитационных волн, которые мы имеем шанс зарегистрировать на Земле (или в окрестности Земли), h ~ 10^–21. Может быть «случайно» амплитуда окажется и больше, но ориентироваться нужно, скорее, на еще меньшую. Напомним, что h – это та характеристика, которая определяет изменение в измерении физической (реальной) длины: ?l/l ? h/2. Так вот, если такая гравитационная волна пройдет, то метровый стержень изменит свою длину всего на ?l ? 10^–19 см. Для сравнения – порядок размера атомов 10^–8 см.

Принцип обнаружения гравитационных волн основан на физическом воздействии на пробные тела. Есть два вида детекторов: твердотельные антенны и лазерные интерферометры. При прохождении гравитационной волны рабочий элемент детекторов первого типа должен деформироваться, а в детекторах второго типа должно изменяться взаимное положения свободных масс (зеркал).

Твердотельные детекторы стали создаваться с середины 1960-х годов. Пионером этих разработок по праву можно считать американского физика Джозефа Вебера (1919–2000). Вебер прожил яркую неординарную жизнь. В 1940 году закончил Военно-морскую академию США, активно участвовал во второй мировой войне на различных кораблях. На службе изучал радиоэлектронику, в 1948 году ушел в отставку и стал профессором по инженерии в Мэрилендском университете в Колледж-Парке. Но приняли его на условии, что он быстро защитит диссертацию. Так и случилось, в 1951 году Вебер защитил диссертацию «Микроволновые методы в химической кинетике». Во время этой работы была выдвинута идея о возможности получения когерентного стимулированного микроволнового излучения (мазера). Позднее эти идеи разрабатывались Николаем Басовым (1922–2001) и Александром Прохоровым (1916–2002) и американским физиком Чарльзом Таунсом. Они построили первые действующие модели мазеров и лазеров и получили Нобелевскую премию по физике 1964 года.

В 1950-х Вебер заинтересовался ОТО. В то время под сомнением было само существование гравитационных волн, которое, в основном, развеялось к 1960-м годам. Вебер построил первый тип гравитационных детекторов – резонансные антенны. Это аллюминиевые цилиндры массой около тонны; они могут колебаться, в основном, в продольном направлении, при этом деформации максимальны на торцах. Уже с конца 1960-х годов Вебер начал публиковать статьи, в которых утверждал, что обнаружил гравитационные волны. Это вызвало сенсацию, научные группы по всему миру начали строить аналогичные детекторы. Но никто не смог подтвердить эти результаты.

Наконец, утверждения Вебера были опровергнуты практически всеми другими исследователями. Вебер, однако, продолжал настаивать. Противостояние завершилось серией писем, которыми стороны обменялись в конце 1970-х. Оппонентами утверждалось, что сообщения Вебера выглядят «безумными, потому что вся энергия Вселенной должна была бы полностью перейти в гравитационное излучение примерно за 50 миллионов лет, если бы действительно детектировалось то, что детектирует Джо Вебер». Хотя утверждения Вебера о детектировании гравитационных волн не соответствовали действительности, он признается отцом направления гравитационно-волновой астрономии. В его честь названа премия в области астрономического инструментария.

Несмотря на отсутствие результата, построение и конструирование резонансных детекторов продолжается усилиями ведущих научных школ. В России их разработкой занимается группа под руководством профессора МГУ Владимира Брагинского. Его устройства также представляют собой цилиндры.

Обсудим развитие программы твердотельных антенн. Их главной особенностью является наличие резонансной частоты. Если в спектре гравитационной волны есть частоты, близкие к резонансной частоте антенны, то возбуждаемые в цилиндре акустические колебания усиливаются на этих частотах. Наиболее подходящими для изготовления цилиндров оказываются твердые материалы: алюминий, сапфир, ниобий. Цилиндры из этих материалов обладают наибольшей добротностью или «временем звона». Чем больше время затухания колебаний, тем выше чувствительность антенны, так как резонансное детектирование дает возможность накапливать сигнал.

Современные цилиндрические антенны имеют массу до нескольких тонн. Они хорошо изолированы от внешних воздействий и охлаждены до очень низких температур – около 10 мК. Понижение температуры не только снижает шумы, но и увеличивает добротность. Резонансное детектирование охватывает узкую полосу частот – от 100 Гц до 1 кГц. Полоса каждого детектора до недавнего времени была меньше 1 Гц, сейчас ее удается расширить до 10–20 Гц. Чувствительность у современных твердотельных антенн такова, что она дает возможность регистрировать сигнал с амплитудой 10^–22 за время 1 с, или с амплитудой 19^–23 за 100 с.

В настоящее время в Европе ведутся теоретические разработки новых моделей твердотельных детекторов. Предполагается, что рабочее тело будет представлять собой шар массой до 30 т, охлажденный до температур единиц мК. У такой антенны чувствительность возрастает на порядок по сравнению с действующими. Большим преимуществом является «всенаправленность» (чего нет у цилиндров).

Но пока гравитационных волн резонансными антеннами не зафиксировано. Несмотря на это, они уже давно приносят ощутимую пользу: с высокой точностью фиксируют сейсмический шум, что очень важно для геофизиков.

Интерферометры представляют собой двухплечевые интерферометры Майкельсона. Их мы уже обсуждали, когда говорили об опытах по обнаружению эфира, рис. 4.4. Можно сказать, что они возродились для решения другой задачи и на более совершенном техническом уровне. Зеркала, отражающие свет, теперь играют и роль свободных масс. Напротив каждого зеркала устанавливается еще по зеркалу, чтобы получить многократное отражение и тем самым увеличить эффективную длину плеч интерферометра. Все зеркала подвешиваются на кварцевых нитях, чтобы демпфировать возможные внешние шумы земного и техногенного происхождения. Источником излучения является мощный лазер непрерывного действия. Гравитационная волна с частотой большей, чем маятниковая частота подвешенных зеркал – это около 1 Гц – должна смещать зеркала относительно друг друга. Это приведет к изменению в разнице длин плеч интерферометра ?l. Измеряемый на фотодетекторе выходной сигнал (если он есть) прямо пропорционален ?l. Из уже неоднократно упомянутой формулы ?l/l ? h/2 ясно, что чем больше плечи, тем более слабый сигнал можно зарегистрировать. Но удлинять бесконечно плечи интерферометра нельзя из-за того, что это трубы с высоким уровнем вакуума. В современных интерферометрах они уже имеют длину несколько километров. Вспомним также, что гравитационная волна – это поперечная тензорная волна, и она действует на пробные частицы как на рис. 10.2. Тогда ясно, почему у интерферометра два плеча, а не одно. Действительно, в случае одного плеча, если волна распространяется вдоль него, то эффекта просто не будет. В случае двух ортогональных плеч эффект будет всегда, а если волна ортогональна им обоим, то эффект удваивается. Наконец, скажем, что принцип использования пары свободных масс – зеркал и лазерного интерферометра – был предложен Владиславом Пустовойтом и Михаилом Герценштейном в 1962 году.

Поиски гравитационных волн ведутся в очень широком диапазоне частот – от 10^–16 до 10⁸ Гц, их длина волны от размера горизонта Вселенной до нескольких метров. То есть частотный диапазон поисков перекрывает более чем 20 порядков. Это важно, поскольку покрываются сигналы от большинства возможных источников. Хорошая чувствительность уже достигнута в интервале частот от 10 до 10⁴ Гц, или на длинах волн от 30 тыс. км до 30 км. На этот диапазон рассчитаны наземные проекты LIGO и VIRGO. Для детектирования гравитационного излучения более низких частот – от 0.1 до 0.0001 Гц (это длины волн порядка расстояния от Земли до Солнца) готовится проект LISA – лазерная космическая антенна. К сожалению, он отложен на неопределенное время, об этом ниже.

Сначала обсудим наземные проекты. Проект LIGO (Laser Interferometer Gravitational wave Observatory) – лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория – это первоначально национальный проект США. VIRGO – название скопления галактик в созвездии Девы. Этот проект изначально был итало-французский. Фактически проект LIGO/VIRGO включает в себя сеть антенн: две антенны, собственно LIGO, – одна в Хэнфорде, другая в Ливингстоне (США) и антенну VIRGO недалеко от Пизы (Италия). К этой же сети относят меньшие по размерам (и, соответственно, по ожидаемой чувствительности) антенну в Японии (ТАМА) и в северной части Германии (GEO-600). Длина плеч американских инструментов – 4,5 км, итальянского – 4 км, детектора в Германии – 600 м, детектора в Японии – 300 м. Можно сказать, что такая сеть представляет собой единый гравитационно-волновой телескоп. Необходимо использовать именно всю информацию, которая регистрируется этими антеннами, использовать корреляцию между ними, чтобы получить максимум сведений о свойствах гравитационных волн и их источников.

Со временем проекты приобрели международный характер. Ответственность за разработку конструкций и операции на интерферометрах лежит на Калифорнийском технологическом институте. Но существует и международное научное сообщество, которое формулирует задачи, проводит исследовательские работы. В нем участвуют 250 ученых и инженеров из 25 институтов. Большую роль в этом сообществе играют профессор Брагинский и его коллеги из Московского государственного университета. Проблемы, которыми занимается группа из МГУ – это подвес зеркал и тепловые флуктуации, квантовые ограничения и квантовые невозмущающие измерения. Все это связано с наличием избыточных шумов, от которых нужно избавляться, чтобы повысить чувствительность, а это и есть основная задача для физиков, пытающихся зарегистрировать сигнал.

На настоящий момент проект LIGO достиг своей проектной чувствительности – примерно 10^–21 на частоте около 100 Гц. Это соответствует сигналу от двух сталкивающихся черных дыр с кинетической энергией порядка М_?c² (М_? – масса Солнца) и расстоянием от наземной антенны до места столкновения 30 Мпк (100 млн световых лет). Сигнала не было зафиксировано. Но вспомним, что прогноз на частоту таких событий в одной галактике крайне пессимистичен – одно событие в миллион лет, а грубая оценка показывает, что наблюдается несколько тысяч галактик.

Однако существующий проект LIGO находится в стадии существенного технического усовершенствования, названного Advanced LIGO («продвинутый» LIGO). Его чувствительность должна быть до 10 раз выше существующей. В результате новая модификация LIGO даст возможность «чувствовать» источники гравитационных волн на расстояниях в 10 раз больших, т. е. в объеме Вселенной в 1000 раз большем, чем это позволяют современные интерферометры LIGO. Число наблюдаемых галактик должно по всем оценкам превысить миллион! Вспомним, что частота слияния компактных звезд или черных дыр оценивается в одно событие в миллион лет на галактику. На этом основании многие ученые высказывают мнение, что сигнал должен быть зарегистрированы в течение года после запуска Advanced LIGO, запланированного на 2014 год.

Как детектировать сигнал от локализованных источников, более или менее ясно. Особый подход требуется для детектирования реликтового гравитационно-волнового фона, который представляет собой стохастическое излучение. Он сводится к известной задаче обнаружения «одного шума на фоне другого шума», которая имеет решение при отличии их законов распределения. Но, как предполагается, и реликтовый гравитационный фон, и собственный шум гравитационной антенны имеют одинаковый (!) гауссовый закон распределения. Поэтому остается единственная возможность – измерять взаимную функцию соответствия выходных сигналов двух совершенно одинаковых гравитационных детекторов.

Приходящий из космоса «сигнальный шум» для обеих антенн будет одинаковым по всем параметрам. Поэтому он должен оставаться на выходе и накапливаться со временем. А собственные шумы антенн, наоборот, независимы, так что их взаимная корреляция должна обнулить. Расчеты показывают, что чувствительности антенн должно хватить, чтобы зарегистрировать вариации метрического фона ~ 10^–24 за время наблюдения равное одному году. Но это при условии, что два приемника находятся в одном месте (для полной тождественности «сигнальных шумов»). На практике все антенны, наоборот, разнесены. Этого требует стратегия «алгоритма совпадений», для детектирования «разовых» событий. Самое правильное решение этой проблемы – строительство двух совершенно одинаковых детекторов в одном месте. Это уже сделано на интерферометрической антенне Хэнфорда. Там в одной вакуумной трубе параллельно смонтированы два интерферометра с плечами в 2 и 4 км. Так что, наблюдения активно проводятся.

Условно можно сказать, что каждая антенна работает более эффективно на длине волны порядка своего собственного размера. Если сливаются две нейтронные звезды, то и характерная длина волны основного всплеска будет соответствовать «размерам» этой катастрофы, то есть порядка 20 км. Значит и детектирование будет более эффективным, если размеры антенны будут километровыми. Таковыми и являются наземные антенны. Но если цель детектировать реликтовые гравитационные волны или всплески от сливающихся сверхмассивных черных дыр при столкновении ядер галактик, то они имеют размер порядка астрономической единицы и более. Поэтому будет лучше, если детекторы будут как можно больше.

Ясно, чтобы построить детекторы, эффективные для регистрации длинноволновых сигналов (низкочастотных), необходимо их вынести на орбиту. Именно с этим связано проектирование космического интерферометра LISA (Laser Interferometer Space Antenna) – лазерно-интерферометрическая антенна в космосе. Это совместный проект Европейского космического агентства (ESA) и Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства США (NASA). Схема проекта изображена на рис. 10.5. Роль свободных масс играют 6 зеркал, расположенных на трех спутниках, находящихся на специальных орбитах вокруг Земли. Расстояние между спутниками – 5 млн км. Расчетная частота – 10^-4 Гц.

Однако этот проект преследуют неудачи в смысле поддержки. В 2011 году NASA из-за финансовых проблем вышла из проекта LISA, который в результате лишился носителей. Европа имеет свои носители, но они слишком дорогие. Была идея использовать в проекте два российских «Союза». Из-за этого пришлось проект переделать, причем удалось сохранить основные технические характеристики и не превысить разумный бюджет. Измененный проект получил название NGO – New Gravitational wave Observatory. Однако недавно в ESA был конкурс очень дорогих проектов, из трех выбирали один. К сожалению, проект NGO отвергли.

Рис. 10.5. Схема проекта LISA

Проектная чувствительность LISA/NGO уверенно перекрывает сигнал от двойных звезд в нашей Галактике. В отличие от слияния компактных звезд, или от вспышек сверхновых, которые происходят «одноразово» и редко (на эти события в основном нацелен проект Advanced LIGO), двойные звезды излучают непрерывно, сигнал должен быть всегда. Также, чувствительность LISA заметно перекрывает предполагаемый сигнал от процессов, связанных со свермассивными черными дырами, а частота этих событий – 50 раз в год! Сравните: всего 1 раз в 30 лет происходит вспышка сверхновой в среднем в каждой галактике. Поэтому будет очень обидно, если проект LISA/NGO отложат надолго.

Но что делать, если частота еще меньше, чем 10^–4 Гц, то есть недоступна даже для LISA? Предложение по этому поводу принадлежит космологу из ГАИШ Михаилу Сажину. Трудность поиска гравитационных волн в низкочастотных областях от 10^–4 Гц до 10^–8 Гц заключается в том, что необходимо иметь две «пробные частицы». Для таких волн их период порядка 3 лет, тогда и пробные частицы должны находиться на расстоянии трех световых лет! В качестве таких детекторов можно использовать астрономические объекты, например пульсары, у которых чрезвычайно стабильный период пульсаций. Их электромагнитные импульсы, прежде чем попасть в земные радиотелескопы, проходят гигантские расстояния, вплоть до нескольких тысяч световых лет. Значит, два импульса одного пульсара можно считать «пробными частицами», которые пригодны для детектирования долгопериодических гравитационных волн.

Действительно, действие гравитационных волн на пути импульсов приводит к «растяжению» и «сжатию» расстояний между ними. Радиоастрономы будут фиксировать изменение времени прихода импульсов по сравнению со стандартным. Гравитационная волна с амплитудой 10^–15 приводит к смещению импульсов, отстоящих друг от друга на расстоянии 3 года, на добавочное время примерно в 100 наносекунд. Но заметить это смещение пока невозможно – не хватает точности земных часов. Чтобы зарегистрировать такие тонкие эффекты, необходимо построить новую шкалу времени, основанную на миллисекундных пульсарах. Именно такие пульсары должны стать стандартными часами – на длительных промежутках времени их точность выше точности земных часов.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Открытие электромагнитных волн

Открытие электромагнитных волн
Вернемся, однако, к Герцу. Как мы видели, в своей первой работе Герц получил быстрые электрические колебания и исследовал действие вибратора на приемный контур, особенно сильное в случае резонанса. В работе «О действии тока» Герц перешел к

Взаимодействие водяных волн

Взаимодействие водяных волн
Создадим на воде два источника одинаковых по частоте и амплитуде воли. Для этого на знакомом нам приборе заменим стерженек В горизонтальным коромыслом, а на концах коромысла прикрепим два вертикальных стерженька. Каждый стерженек, колеблясь,

Дифракция волн

Дифракция волн
Рассмотрим еще одно важное свойство волн. Мы уже упоминали о нем: волны способны огибать препятствия. Находясь за углом дома, мы хорошо слышим гудок автомобиля, проезжающего по улице. Звук — это волны уплотнений и разрежений воздуха. Если мы слышим звук,

Возбуждение электромагнитных волн

Возбуждение электромагнитных волн
Простейший способ возбудить электромагнитные волны — создать электрический разряд. Представим себе металлический стержень с шаром на конце, заряженный положительным электричеством, и другой такой же стержень, заряженный

Обнаружение электромагнитных волн

Обнаружение электромагнитных волн
Но электромагнитные волны в пространстве глазом не воспринимаются. Как же их обнаружить? И что, собственно, колеблется в этих волнах?Свойства водяных волн мы изучали, наблюдая за колебаниями пробки, па которую действовала водяная волна.

Длина волны электромагнитных волн

Длина волны электромагнитных волн
Но там, где есть периодическое колебание, которое распространяется в пространстве, там можно говорить и о длине волны. У водяных волн мы называли длиной волны расстояние между двумя ближайшими гребнями. А что такое гребень водяной волны?

МАЛЫЕ ДЛИНЫ ВОЛН

МАЛЫЕ ДЛИНЫ ВОЛН
Маленькие расстояния кажутся нам непривычными. Мы не можем узнать, что происходит на самых маленьких расстояниях, без специальных крохотных инструментов. Страница (или экран), которую вы сейчас читаете, выглядит совершенно не так, как элементы, из которых

Описание гравитационных волн

Описание гравитационных волн
Термин «гравитационные волны» ввел сам Эйнштейн вместе с публикацией ОТО. Немного позднее он опубликовал еще одну статью, уточняющую заявление о гравитационных волнах. Точно так же, как и в электродинамике, должно быть излучение, которое

Скорость распространения гравитационных взаимодействий

Скорость распространения гравитационных взаимодействий
В конце главы обсудим еще одну интересную проблему. ОТО включает две фундаментальных константы: гравитационную G и скорость света c. Присутствие первой из них очевидно и естественно – мы имеем дело с

Экспериментальное открытие электромагнитных волн

Экспериментальное открытие электромагнитных волн
Параллельно с теоретическими изучениями уравнений Максвелла проводились экспериментальные исследования по генерации электрических колебаний, получаемых при разряде обычного конденсатора в электрической цепи, и

ЛИГО засекает всплеск гравитационных волн

ЛИГО засекает всплеск гравитационных волн
В Кип-версии (позволю себе пофантазировать) за несколько десятилетий до начала событий фильма двадцатилетний Брэнд работал заместителем у директора проекта под названием ЛИГО (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory –

Гравитационные волны и детекторы волн

Гравитационные волны и детекторы волн
А теперь, прежде чем продолжить разговор об «Интерстеллар», я позволю себе удовольствие рассказать еще немного о гравитационных волнах. На рис. 16.6 – художественное изображение тендекс-линий двух черных дыр, которые вращаются

Критическая орбита: равновесие центробежных и гравитационных сил

Критическая орбита: равновесие центробежных и гравитационных сил
Прибыв на кромку кратера, «Эндюранс» в идеале должен вращаться по ней круг за кругом, с постоянной скоростью. Чтобы он не смещался ни внутрь, ни наружу, гравитационное притяжение черной дыры на кромке

Как был зафиксирован второй всплеск от слияния черных дыр

Звон от пары слипшихся черных дыр не только долетел до Земли, но и окончательно ознаменовал рождение новой астрономии — гравитационно-волновой. За рождением черных дыр и нового направления в науке наблюдала «Газета.Ru».

Окончательным рождением нового направления астрономии — гравитационно-волновой — ознаменовалось оглашение второго в истории факта детектирования гравитационных волн, которое состоялось накануне вечером. Как и в случае с первым зарегистрированным всплеском, новость об этом по правилам коллаборации LIGO не разглашалась. Cообщалось лишь, что информация будет оглашена в определенное время — в 20.15 мск.

Если в феврале российская часть коллаборации представляла открытие в офисе Rambler&Co, то в этот раз оглашение состоялось в конференц-зале Государственного астрономического института имени Штернберга (ГАИШ) МГУ.

Гравитационные волны открыты

Впервые в истории человечество зафиксировало гравитационные волны — колебания пространства-времени…

11 февраля 18:41

«Фактически это открытие эры гравитационной астрономии, и в ГАИШе это понимают лучше других. Ведь во времена Галилея астрономия была лишь оптическая, глазиком смотрели, сейчас же у нас есть много каналов информации — инфракрасные, ультрафиолетовые, рентгеновские, нейтринные детекторы и другие,

и сейчас рождается еще один. Фактически мальчик родился»,

— пояснил важность открытия член коллаборации LIGO профессор физического факультета МГУ Сергей Вятчанин.

Что же открыто на этот раз? Речь идет о том, что 26 декабря 2015 года ученые во второй раз обнаружили гравитационные волны — возмущения метрики пространства-времени. Волны были зарегистрированы сразу двумя детекторами Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO — Laser Interferometric Gravitational-Wave Observatory), расположенными в Ливингстоне, штат Луизиана, и в Хэнфорде, штат Вашингтон, США.

В отличие от сигнала, зарегистрированного при первом детектировании гравитационных волн, который был ясно виден на фоне шума, второй сигнал был слабее и не просматривался явно. Однако ученым удалось его «отфильтровать» с помощью специальной методики. Детектор в Ливингстоне записал событие на 1,1 миллисекунды раньше детектора в Хэнфорде, что позволяет дать грубую оценку расположения источника на небесной сфере — источник находился в Южном полушарии.

Проанализировав характер мельчайших колебаний пробных масс детекторов, ученые сделали вывод,

что обнаруженные гравитационные волны опять были порождены двумя черными дырами, на этот раз более легкими — массами в 14 и 8 масс Солнца.

Волны были вызваны 27 оборотами черных дыр, после чего родилась более массивная вращающаяся дыра массой в 21 массу Солнца. Как и в первом случае, масса получившейся дыры не стала равна сумме масс исходных, и примерно 1 масса Солнца превратилась в энергию, как и предполагает ОТО (общая теория относительности). Однако в этой сливающейся системе были и отличия. Если в первом случае черные дыры перед слиянием имели околонулевые собственные спины, то в этот раз удалось установить,

«Новая эра в астрономии»

Интрига с открытием гравитационных волн разрешится на этой неделе. Отдел науки «Газеты.Ru» попытался…

08 февраля 10:32

что одна из дыр имела собственный момент вращения, более 20% от максимально допустимого теорией.

«Второе детектирование гравитационных волн от сливающихся черных дыр детекторами LIGO очень важно. Фундамент для создания гравитационно-волновой астрономии становится крепче и надежнее», — заявил профессор физического факультета МГУ Валерий Митрофанов.

Первое обнаружение гравитационных волн, объявленное 11 февраля 2016 года, явилось важной вехой в развитии физики. Оно подтвердило предсказание общей теории относительности Альберта Эйнштейна, сделанное в 1915 году. Регистрация двух сигналов в течение четырех месяцев первого цикла наблюдений детекторов Advanced LIGO позволит предсказывать, насколько часто будут обнаруживаться сигналы гравитационных волн в будущем.

Кстати, два события определенной амплитуды — это уже небольшая статистика, которая в будущем обязательно наложит ограничение на частоту слияния черных дыр звездных масс во Вселенной.

Именно сотрудниками ГАИШа в 1997 году были опубликованы три основополагающие статьи, которые дают теоретические оценки таким слияниям и которые теперь можно проверить наблюдениями.

Выбор места оглашения действительно оказался символичен, ведь в этих стенах когда-то бывали и выступали крупнейшие физики — теоретики мира. «Вся эта наука (гравитационно-волновая. — «Газета.Ru») зарождалась в этом зале, если только не упоминать Эйнштейна, который предсказал гравитационные волны 100 лет назад. В этом зале неоднократно выступал Кип Торн, возможно будущий лауреат Нобелевской премии, здесь он нашел свою идею… В этом зале проходили семинары Якова Борисовича Зельдовича,

а свою идею об испарении черных дыр Стивен Хокинг придумал тут же, когда сидел примерно вот на том месте», — напомнил профессор Владимир Липунов, указав на кресло рядом с окном, на котором известный теоретик сидел во время своего визита в Москву в 1981 году.

Сегодня оба открытия стали возможными благодаря более совершенным детекторам Advanced LIGO, которые более чувствительны, чем детекторы первого поколения LIGO, и позволяют значительно увеличить объем зондируемой Вселенной. Следующий цикл наблюдений намечен на осень нынешнего года. Ожидается, что к тому времени дальнейшее улучшение чувствительности детекторов позволит LIGO увеличить объем зондируемой Вселенной в 1,5–2 раза. Также ожидается, что во второй половине этого цикла наблюдений вступит в строй детектор Virgo.

Отвечая на вопрос корреспондента «Газеты. Ru», профессор Митрофанов заявил, что уникальные технологические решения и прорывы, достигнутые в ходе создания сверхчувствительных детекторов LIGO, обязательно будут иметь отклик не только в фундаментальной науке, но и в прикладных областях.

В качестве примера может служить разработанная технология напыления зеркал и достигнутая рекордная точность в определении расстояний.

«Мы создали самое тихое место, известное человечеству»

Ученые создали в глубинах космоса самое тихое место в истории человечества. Эксперимент с золотыми кубиками…

07 июня 20:54

«К примеру, сейчас нам нужны очень большие кристаллы высокочистого кремния, так мы подняли старые технологии, которые позволяют в присутствии магнитного поля получать кристаллы размерами в 200–300 мм», — пояснил профессор.

Исследования в LIGO осуществляются в рамках научной коллаборации LSC (LIGO Scientific Collaboration) коллективом из более 1 тыс. ученых из университетов Соединенных Штатов и 14 других стран, включая Россию.

Между тем на сотрудничество в рамках коллаборации не могли не повлиять принятые в 2014 году в отношении России санкции. По информации «Газеты.Ru», введенные ограничения усложнили отправку важных компонент. К примеру, кристаллы, которые необходимо проверять в Москве,

теперь приходится отправлять не из США напрямую, а через другие страны, где бывают «наши люди».

Московскую группу физиков создал и вплоть до последнего времени возглавлял член-корреспондент РАН Владимир Борисович Брагинский — всемирно известный ученый, один из пионеров гравитационно-волновых исследований в мире. Группа участвует в проекте с 1992 года. С самого начала основные усилия были направлены на повышение чувствительности гравитационно-волновых детекторов, определение фундаментальных квантовых и термодинамических ограничений чувствительности, на разработку новых методов измерений. Теоретические и экспериментальные исследования российских ученых нашли воплощение при создании детекторов, позволивших непосредственно наблюдать гравитационные волны от слияния двух черных дыр.

В настоящее время коллектив научной группы Московского университета активно участвует в разработке гравитационно-волновых детекторов следующего поколения, которые придут на смену нынешним детекторам и обеспечат значительное увеличение их чувствительности, что позволит практически ежедневно обнаруживать гравитационно-волновые сигналы. Одним из таких проектов является LIGO-Voyager, в котором предполагается использовать 150-килограммовые пробные массы, изготовленные из монокристаллического кремния, охлаждаемые до температур около 120 К, а также значительно увеличить оптическую мощность в плечах интерферометра, использовать сжатый свет.

Ученые впервые прямо обнаружили гравитационные волны | MIT News

Сегодня, почти 100 лет назад, Альберт Эйнштейн предсказал существование гравитационных волн — ряби в ткани пространства-времени, вызванных чрезвычайно сильными космическими катаклизмами в ранней Вселенной. С его знаниями о Вселенной и технологиями, доступными в 1916 году, Эйнштейн предположил, что такие колебания будут «исчезающе малы» и их почти невозможно обнаружить. Астрономические открытия и технологические достижения прошлого века изменили эти перспективы.

Теперь впервые ученые из Научного сотрудничества LIGO, в которых заметную роль играют исследователи из Массачусетского технологического института и Калифорнийского технологического института, непосредственно наблюдали рябь гравитационных волн с помощью прибора на Земле. Тем самым они еще раз убедительно подтвердили общую теорию относительности Эйнштейна и открыли новый взгляд на Вселенную.

Но это еще не все: ученые также расшифровали сигнал гравитационной волны и определили его источник. Согласно их расчетам, гравитационная волна является продуктом столкновения двух массивных черных дыр на расстоянии 1,3 миллиарда световых лет от нас — чрезвычайно экстремального события, которое до сих пор не наблюдалось.

Исследователи обнаружили сигнал с помощью Лазерного интерферометра Гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) — двойных детекторов, тщательно сконструированных для обнаружения невероятно слабых вибраций от проходящих гравитационных волн. Как только исследователи получили гравитационный сигнал, они преобразовали его в звуковые волны и прослушали звук двух черных дыр, сближающихся по спирали, а затем сливающихся в большую единую черную дыру.

«Мы действительно слышим, как они стучат по ночам», — говорит Мэтью Эванс, доцент кафедры физики Массачусетского технологического института. «Мы получаем сигнал, который поступает на Землю, и мы можем поместить его в динамик, и мы можем услышать, как эти черные дыры издают «Упс». В этом наблюдении есть очень интуитивная связь. Вы действительно слушаете эти вещи, которые раньше были чем-то фантастическим».

Дальнейший анализ гравитационного сигнала позволил команде отследить последние миллисекунды перед столкновением черных дыр. Они определили, что черные дыры, в 30 раз массивнее нашего Солнца, вращались вокруг друг друга со скоростью, близкой к скорости света, прежде чем сливаться при столкновении и выделять огромное количество энергии, эквивалентное примерно трем солнечным массам, согласно уравнению Эйнштейна E. =mc ² — в виде гравитационных волн.

«Большая часть этой энергии высвобождается всего за несколько десятых секунды», — говорит Питер Фричель, главный исследователь LIGO и старший научный сотрудник Института астрофизики и космических исследований им. Кавли Массачусетского технологического института. «В течение очень короткого промежутка времени фактическая мощность гравитационных волн была выше, чем весь свет в видимой Вселенной».

Затем эти волны прокатились по вселенной, эффективно искажая ткань пространства-времени, прежде чем пройти через Землю более миллиарда лет спустя в виде слабых следов своего прежнего насильственного происхождения.

«Это впечатляющий сигнал, — говорит Райнер Вайс, почетный профессор физики Массачусетского технологического института. «Это сигнал, который многие из нас хотели наблюдать с тех пор, как была предложена LIGO. Он показывает динамику объектов в самых сильных гравитационных полях, которые только можно вообразить, в области, где ньютоновская гравитация вообще не работает, и для объяснения явлений нужны полностью нелинейные уравнения поля Эйнштейна. Триумф заключается в том, что форма волны, которую мы измеряем, очень хорошо представлена ​​решениями этих уравнений. Эйнштейн прав в режиме, когда его теория никогда прежде не проверялась».

Новые результаты опубликованы сегодня в журнале Physical Review Letters.

«Великолепно выровнены»

Первое свидетельство существования гравитационных волн появилось в 1974 году, когда физики Рассел Халс и Джозеф Тейлор обнаружили на расстоянии 21 000 световых лет от Земли пару нейтронных звезд, которые, казалось, вели себя любопытным образом. . Они пришли к выводу, что звезды вращаются вокруг друг друга таким образом, что должны терять энергию в виде гравитационных волн — открытие, которое принесло исследователям Нобелевскую премию по физике в 1919 году.93.

Теперь LIGO провела первое прямое наблюдение гравитационных волн с помощью прибора на Земле. Исследователи обнаружили гравитационные волны 14 сентября 2015 года в 5:51 утра по восточному поясному времени с помощью двух интерферометров LIGO, расположенных в Ливингстоне, штат Луизиана, и Хэнфорде, штат Вашингтон.

Каждый L-образный интерферометр имеет длину 4 километра и использует лазерный свет, разделенный на два луча, которые проходят вперед и назад через каждое плечо, отражаясь между точно сконфигурированными зеркалами. Каждый луч следит за расстоянием между этими зеркалами, которое, согласно теории Эйнштейна, бесконечно мало изменится, когда мимо прибора пройдет гравитационная волна.

«Вы можете почти визуализировать это так, как если бы вы бросили камень на поверхность пруда, и рябь исчезла», — говорит Нергис Малвалвала, профессор астрофизики Кертиса и Кэтлин Марбл в Массачусетском технологическом институте. «[Это] что-то, что искажает пространство-время вокруг себя, и это искажение распространяется наружу и достигает нас на Земле сотни миллионов лет спустя».

В марте прошлого года исследователи завершили масштабную модернизацию интерферометров, известную как Advanced LIGO, повысив чувствительность инструментов и позволив им обнаруживать изменение длины каждого плеча, меньше одной десятитысячной диаметра протона. К сентябрю они были готовы начать с ними наблюдения.

«Эффект, который мы измеряем на Земле, эквивалентен измерению расстояния до ближайшей звезды, Альфы Центавра, с точностью до нескольких микрон», — говорит Эванс. «Это очень сложное измерение. Эйнштейн ожидал, что это никогда не будет реализовано».

Тем не менее, сигнал прошел. Используя уравнения Эйнштейна, команда проанализировала сигнал и определила, что он возник в результате столкновения двух массивных черных дыр.

«Мы думали, что будет очень сложно доказать себе и другим, что первые несколько сигналов, которые мы увидели, были не просто случайными случайностями и случайным шумом», — говорит Дэвид Шумейкер, директор лаборатории LIGO Массачусетского технологического института. «Но природа была просто невероятно добра, доставив нам сигнал, который очень велик, чрезвычайно прост для понимания и абсолютно, великолепно согласуется с теорией Эйнштейна».

Для сотен ученых LIGO это новое обнаружение гравитационных волн знаменует собой не только кульминацию многолетних поисков, но и начало нового взгляда на Вселенную.

«Это действительно открывает совершенно новую область для астрофизики, — говорит Эванс. «Мы всегда смотрим в небо с помощью телескопов и ищем электромагнитное излучение, такое как свет, радиоволны или рентгеновские лучи. Теперь гравитационные волны — это совершенно новый способ, с помощью которого мы можем познавать вселенную вокруг нас».

Крошечное обнаружение, огромная отдача

Исследования LIGO проводятся Научной коллаборацией LIGO (LSC), группой из примерно 950 ученых из университетов США, включая Массачусетский технологический институт, и 15 других стран. Обсерватории LIGO находятся в ведении Массачусетского технологического института и Калифорнийского технологического института. Инструменты были впервые исследованы как средство обнаружения гравитационных волн в 1970-х годах Вайсом, который вместе с Кипом Торном и Рональдом Древером из Калифорнийского технологического института предложил LIGO в 1980-х годах.

«Это было 20 лет работы, а для некоторых из нас даже больше», — говорит Эванс. «Я долго работал над этими детекторами, но ничего не видел. Так что это настоящая кардинальная перемена и интересное психологическое изменение для всего сотрудничества».

«Проект представляет собой триумф исследований, финансируемых из федерального бюджета», — говорит Мария Зубер, вице-президент по исследованиям и профессор геофизики Массачусетского технологического института. «LIGO — это пример высокорисковых и высокодоходных инвестиций в науку, основанную на открытиях. В данном случае инвестиции были крупными и устойчивыми в течение многих лет, а успешный результат далеко не гарантирован. Но научная отдача обещает быть экстраординарной. Хотя открытия, о которых здесь сообщается, уже великолепны, они представляют собой верхушку айсберга того, что предстоит узнать о фундаментальной физике и природе Вселенной».

Обсерватории LIGO в ближайшем будущем будут обновлены. В настоящее время инструменты работают с одной третью от их прогнозируемой чувствительности. Как только они будут полностью оптимизированы, Шумейкер предсказывает, что ученые смогут обнаруживать гравитационные волны, исходящие «с края Вселенной».

«Через несколько лет, когда это будет полностью введено в эксплуатацию, мы должны наблюдать события от целого ряда объектов: черных дыр, нейтронных звезд, сверхновых, а также вещей, которые мы еще не могли себе представить, на частоте один раз в день или раз в неделю, в зависимости от того, сколько сюрпризов вас ждет». — говорит Шумейкер. «Это наша мечта, и пока у нас нет причин знать, что это неправда».

Что касается этого нового гравитационного сигнала, Вайс, который первым придумал элементарную конструкцию LIGO в 1970-х годах в рамках экспериментального упражнения для одного из своих курсов в Массачусетском технологическом институте, считает крошечное обнаружение огромной выгодой.

«Это первое реальное свидетельство высокой напряженности гравитационного поля, которое мы сейчас видим: чудовищные вещи, такие как звезды, движутся со скоростью света, врезаются друг в друга и заставляют геометрию пространства-времени превращаться в своего рода стиральной машины», — говорит Вайс. «И эта чудовищно сильная штука произвела в нашем аппарате очень крохотный эффект, относительное перемещение от 10 до минус 18 метров между зеркалами в плечах интерферометра. Невероятно даже думать об этом».

Это исследование финансировалось Национальным научным фондом.

Что такое гравитационная волна?

Краткий ответ:

Гравитационная волна — это невидимая (но невероятно быстрая) рябь в пространстве. Гравитационные волны распространяются со скоростью света (186 000 миль в секунду). Эти волны сжимают и растягивают все на своем пути, проходя мимо.

Гравитационная волна — это невидимая (но невероятно быстрая) рябь в пространстве.

Мы давно знаем о гравитационных волнах. Более 100 лет назад великий ученый по имени Альберт Эйнштейн выдвинул множество идей о гравитации и космосе.

Эйнштейн предсказал, что когда два тела — планеты или звезды — вращаются вокруг друг друга, происходит что-то особенное. Он считал, что такое движение может вызвать рябь в пространстве. Эта рябь будет распространяться, как рябь в пруду, когда в него бросают камень. Ученые называют эту рябь пространства 9.0027 гравитационные волны .

Гравитационные волны невидимы. Однако они невероятно быстры. Они путешествуют со скоростью света (186 000 миль в секунду). Гравитационные волны сжимают и растягивают все на своем пути, проходя мимо.

Что вызывает гравитационные волны?

Самые мощные гравитационные волны создаются, когда объекты движутся с очень высокой скоростью. Некоторые примеры событий, которые могут вызвать гравитационную волну:

• когда звезда взрывается асимметрично (называется сверхновой)
• когда две большие звезды вращаются вокруг друг друга
• когда две черные дыры вращаются вокруг друг друга и сливаются

Но эти типы объектов, которые создают гравитационные волны, находятся далеко. А иногда эти события вызывают лишь небольшие слабые гравитационные волны. Затем волны становятся очень слабыми к тому времени, когда они достигают Земли. Это затрудняет обнаружение гравитационных волн.

Откуда мы знаем, что гравитационные волны существуют?

В 2015 году ученые впервые обнаружили гравитационные волны. Они использовали очень чувствительный инструмент под названием LIGO (лазерный интерферометр гравитационно-волновой обсерватории).
Эти первые гравитационные волны возникли, когда две черные дыры столкнулись друг с другом. Столкновение произошло 1,3 миллиарда лет назад. Но рябь не доходила до Земли до 2015 года!