Открытие гравитационных волн: Нобелевская премия. Гравитационная волна открытие
Гравитационные волны наконец-то открыты | Наука | ИноСМИ
Ученым удалось обнаружить колебания в пространстве-времени, вызываемые слиянием черных дыр. Это произошло через сто лет после того, как Альберт Эйнштейн в своей общей теории относительности предсказал эти «гравитационные волны», и через сто лет после того, как физики занялись их поисками.
Об этом знаковом открытии сообщили сегодня исследователи из Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории LIGO. Они подтвердили слухи, которые уже несколько месяцев окружали анализ первого набора собранных ими данных. Астрофизики говорят, что открытие гравитационных волн позволяет по-новому взглянуть на вселенную и дает возможность распознавать далекие события, которые невозможно увидеть в оптические телескопы, но можно почувствовать и даже услышать их слабое дрожание, доносящееся до нас через космос.
«Мы обнаружили гравитационные волны. Мы сделали это!» — объявил исполнительный директор научного коллектива из одной тысячи человек Дэвид Рейце (David Reitze), выступая сегодня на пресс-конференции в Вашингтоне в Национальном научном фонде.
Гравитационные волны — это, пожалуй, самое трудноуловимое явление из прогнозов Эйнштейна, на эту тему ученый дискутировал с современниками на протяжении десятилетий. Согласно его теории, пространство и время формируют растягивающуюся материю, которая искривляется под воздействием тяжелых объектов. Почувствовать гравитацию значит попасть в изгибы этой материи. Но может ли это пространство-время дрожать подобно шкуре барабана? Эйнштейн был в замешательстве, он не знал, что означают его уравнения. И неоднократно менял свою точку зрения. Но даже самые стойкие сторонники его теории полагали, что гравитационные волны в любом случае слишком слабы и не поддаются наблюдению. Они расходятся каскадом наружу после определенных катаклизмов, и по мере движения попеременно растягивают и сжимают пространство-время. Но к тому времени, как эти волны достигают Земли, они растягивают и сжимают каждый километр пространства на ничтожную долю диаметра атомного ядра.
Чтобы засечь эти волны, понадобилось терпение и осторожность. Обсерватория LIGO запускала лазерные лучи туда и обратно вдоль расположенных под прямым углом четырехкилометровых колен двух детекторов, — один в Ханфорде, штат Вашингтон, а другой в Ливингстоне, штат Луизиана. Делалось это в поисках совпадающих расширений и сокращений этих систем при прохождении гравитационных волн. Используя самые современные стабилизаторы, вакуумные приборы и тысячи датчиков, ученые измеряли изменения в длине этих систем, составляющие всего одну тысячную от размера протона. Такая чувствительность приборов была немыслима сто лет тому назад. Невероятной она казалась и в 1968 году, когда Райнер Вайс (Rainer Weiss) из Массачусетского технологического института задумал эксперимент, получивший название LIGO.
«Это великое чудо, что в конечном итоге им все удалось. Они сумели засечь эти крохотные вибрации!» — сказал теоретический физик из Арканзасского университета Дэниел Кеннефик (Daniel Kennefick), написавший в 2007 году книгу Traveling at the Speed of Thought: Einstein and the Quest for Gravitational Waves (Путешествуя со скоростью мысли. Эйнштейн и поиски гравитационных волн).
Это открытие положило начало новой эре астрономии гравитационных волн. Есть надежда, что у нас появятся более точные представления о формировании, составе и галактической роли черных дыр — этих сверхплотных шаров массы, которые искажают пространство-время настолько резко, что оттуда не может выйти даже свет. Когда черные дыры сближаются друг с другом и сливаются, они порождают импульсный сигнал — пространственно-временные колебания, которые нарастают по амплитуде и тону, а затем резко заканчиваются. Те сигналы, которые может фиксировать обсерватория, находятся в звуковом диапазоне — правда, они слишком слабые, и невооруженным ухом их не услышать. Можно воссоздать этот звук, пробежав пальцами по клавишам фортепьяно. «Начинайте с самой низкой ноты и доходите до третьей октавы, — сказал Вайс. — Это то, что мы слышим».
Физики уже удивляются тому количеству и силе сигналов, которые зафиксированы на данный момент. Это значит, что в мире больше черных дыр, чем предполагалось ранее. «Нам повезло, но я всегда рассчитывал на такое везение, — сказал астрофизик Кип Торн (Kip Thorne), работающий в Калифорнийском технологическом институте и создавший LIGO совместно с Вайсом и Рональдом Дривером (Ronald Drever), которые тоже из Калтеха. — Обычно такое случается тогда, когда во вселенной открывается совершенно новое окно».
Подслушав гравитационные волны, мы можем сформировать совсем другие представления о космосе, а возможно, откроем невообразимые космические явления.
«Я могу сравнить это с моментом, когда мы впервые направили в небо телескоп, — сказала теоретический астрофизик Жанна Левин (Janna Levin) из Барнард-колледжа Колумбийского университета. — Люди поняли, что там что-то есть, и это можно увидеть, но они не могли предугадать тот невероятный набор возможностей, которые существуют во вселенной». Аналогичным образом, заметила Левин, открытие гравитационных волн может показать, что во вселенной «полно темной материи, которую мы не в состоянии просто так определить при помощи телескопа».
История открытия первой гравитационной волны началась в понедельник утром в сентябре, и началась она с хлопка. Сигнал был такой четкий и громкий, что Вайс подумал: «Нет, это ерунда, ничего из этого не выйдет».
Накал страстей
Эта первая гравитационная волна прокатилась по детекторам модернизированной LIGO — сначала в Ливингстоне, а спустя семь миллисекунд в Ханфорде — во время имитационного прогона рано утром 14 сентября, за два дня до официального начала сбора данных.
Детекторы проходили «обкатку» после модернизации, длившейся пять лет и стоившей 200 миллионов долларов. Их оснастили новыми зеркальными подвесками для шумоподавления и системой активной обратной связи для подавления посторонних колебаний в режиме реального времени. Модернизация дала усовершенствованной обсерватории более высокий уровень чувствительности по сравнению со старой LIGO, которая в период с 2002 по 2010 годы обнаружила «абсолютный и чистый ноль», как выразился Вайс.
Когда в сентябре пришел мощный сигнал, ученые в Европе, где в тот момент было утро, начали спешно засыпать своих американских коллег сообщениями по электронной почте. Когда проснулась остальная группа, новость распространилась очень быстро. По словам Вайса, практически все отнеслись к этому скептически, особенно когда увидели сигнал. Это была настоящая классика, как из учебника, и поэтому кое-кто подумал, что это подделка.
Когда космолог из Университета штата Аризона Лоуренс Краусс (Lawrence Krauss) услышал об открытии команды LIGO, он сначала подумал, что это «слепой вброс». Во время работы старой обсерватории смоделированные сигналы тайком вставляли в потоки данных для проверки реакции, и большая часть коллектива об этом не знала. Когда Краусс от знающего источника узнал, что на сей раз это не «слепой вброс», он с трудом смог сдержать радостное возбуждение.
25 сентября он сообщил своим 200 тысячам подписчикам в Твиттере: «Слухи об обнаружении гравитационной волны на детекторе LIGO. Поразительно, если правда. Сообщу детали, если это не липа». Затем следует запись от 11 января: «Прежние слухи о LIGO подтверждены независимыми источниками. Следите за новостями. Возможно, открыты гравитационные волны!»
Официальная позиция ученых была такова: не распространяться о полученном сигнале, пока не будет стопроцентной уверенности. Торн, по рукам и ногам связанный этим обязательством хранить тайну, даже жене ничего не сказал. «Я отпраздновал в одиночку», — заявил он. Для начала ученые решили вернуться в самое начало и проанализировать все до мельчайших деталей, чтобы узнать, как распространялся сигнал через тысячи каналов измерения различных детекторов, и понять, не было ли чего-то странного в момент обнаружения сигнала. Они не нашли ничего необычного. Они также исключили хакеров, которые лучше всех должны были знать о тысячах потоков данных в ходе эксперимента. «Даже тогда, когда команда осуществляет слепые вбросы, они недостаточно совершенны, и оставляют после себя множество следов, — сказал Торн. — А здесь никаких следов не было».
В последующие недели они услышали еще один, более слабый сигнал.
Ученые анализировали первые два сигнала, а к ним поступали все новые. В январе они представили материалы своего исследования в журнале Physical Review Letters. Этот номер выходит в интернет-версии сегодня. По их оценкам, статистическая значимость первого, наиболее мощного сигнала превышает «5-sigma», а это значит, что исследователи на 99,9999% уверены в его подлинности.
Слушая гравитацию
Уравнения общей относительности Эйнштейна настолько сложны, что у большинства физиков ушло 40 лет на то, чтобы согласиться: да, гравитационные волны существуют, и их можно засечь — даже теоретически.
Сначала Эйнштейн думал, что объекты не могут выделять энергию в виде гравитационного излучения, но потом поменял свою точку зрения. В своей исторической работе, написанной в 1918 году, он показал, какие объекты могут это делать: гантелевидные системы, которые одновременно вращаются вокруг двух осей, например, двойные и сверхновые звезды, взрывающиеся подобно хлопушкам. Они-то и могут порождать волны в пространстве-времени.
Но Эйнштейн и его коллеги продолжали колебаться. Некоторые физики утверждали, что даже если волны существуют, мир будет колебаться вместе с ними, и ощутить их будет невозможно. И лишь в 1957 году Ричард Фейнман (Richard Feynman) закрыл этот вопрос, продемонстрировав в ходе мысленного эксперимента, что если гравитационные волны существуют, теоретически их можно обнаружить. Но никто не знал, насколько распространены эти гантелевидные системы в космическом пространстве, и насколько сильны или слабы возникающие в результате волны. «В конечном итоге, вопрос звучал так: сможем ли мы когда-нибудь их обнаружить?» — сказал Кеннефик.
В 1968 году Райнер Вайс был молодым преподавателем Массачусетского технологического института, и ему поручили вести курс общей теории относительности. Будучи экспериментатором, он мало что знал о ней, но вдруг появились новости об открытии Вебером гравитационных волн. Вебер построил из алюминия три резонансных детектора размером с письменный стол и разместил их в разных американских штатах. Теперь он сообщил, что во всех трех детекторах зафиксировано «звучание гравитационных волн».
Ученики Вайса попросили объяснить природу гравитационных волн и высказать свое мнение о прозвучавшем сообщении. Изучая детали, он был поражен сложностью математических расчетов. «Я не мог понять, какого черта делает Вебер, как датчики взаимодействуют с гравитационной волной. Я подолгу сидел и спрашивал себя: „Какую я могу придумать самую примитивную вещь, чтобы она обнаруживала гравитационные волны?“ И тут мне в голову пришла идея, которую я называю концептуальной основой LIGO».
Представьте себе три предмета в пространстве-времени, скажем, зеркала в углах треугольника. «Посылайте световой сигнал от одного к другому, — рассказывал Вебер. — Смотрите, сколько времени уходит на переход от одной массы к другой, и проверяйте, изменилось ли время». Оказывается, отметил ученый, это можно сделать быстро. «Я поручил это своим студентам в качестве научного задания. Буквально вся группа смогла сделать эти расчеты».
В последующие годы, когда другие исследователи пытались повторить результаты эксперимента Вебера с резонансным детектором, но постоянно терпели неудачу (непонятно, что наблюдал он, но это были не гравитационные волны), Вайс начал готовить гораздо более точный и амбициозный эксперимент: гравитационно-волновой интерферометр. Лазерный луч отражается от трех зеркал, установленных в форме буквы «Г» и формирует два луча. Интервал пиков и провалов световых волн точно указывает длину колен буквы «Г», которые создают оси Х и Y пространства-времени. Когда шкала неподвижна, две световые волны отражаются от углов и гасят друг друга. Сигнал в детекторе получается нулевой. Но если через Землю проходит гравитационная волна, она растягивает длину одного плеча буквы «Г» и сжимает длину другого (и наоборот поочередно). Несовпадение двух световых лучей создает сигнал в детекторе, показывая легкие колебания пространства-времени.
Сначала коллеги-физики проявляли скептицизм, но вскоре эксперимент обрел поддержку в лице Торна, чья группа теоретиков из Калтеха исследовала черные дыры и прочие потенциальные источники гравитационных волн, а также порождаемые ими сигналы. Торна вдохновил эксперимент Вебера и аналогичные усилия российских ученых. Поговорив в 1975 году на конференции с Вайсом, «я начал верить, что обнаружение гравитационных волн пройдет успешно», сказал Торн. «И я хотел, чтобы Калтех в этом тоже участвовал». Он договорился с институтом, чтобы тот взял на работу шотландского экспериментатора Рональда Дривера, который также заявлял, что построит гравитационно-волновой интерферометр. Со временем Торн, Дривер и Вайс начали работать как одна команда, и каждый из них решал свою долю бесчисленных задач в рамках подготовки практического эксперимента. Это трио в 1984 году создало LIGO, а когда были построены опытные образцы и началось сотрудничество в рамках постоянно увеличивавшегося коллектива, они в начале 1990-х получили от Национального научного фонда финансирование в размере 100 миллионов долларов. Были составлены чертежи для строительства пары гигантских детекторов Г-образной формы. Спустя десятилетие детекторы заработали.
В Ханфорде и Ливингстоне в центре каждого из четырехкилометровых колен детекторов находится вакуум, благодаря которому лазер, его пучок и зеркала максимально изолированы от постоянных колебаний планеты. Чтобы еще больше застраховаться, ученые LIGO следят за своими детекторами во время их работы при помощи тысяч приборов, измеряя все что можно: сейсмическую активность, атмосферное давление, молнии, появление космических лучей, вибрацию оборудования, звуки в районе лазерного луча и так далее. Затем они отфильтровывают свои данные от этих посторонних фоновых шумов. Пожалуй, главное в том, что у них два детектора, а это позволяет сличать полученные данные, проверяя их на наличие совпадающих сигналов.
В предстоящие два года ученые продолжат совершенствовать чувствительность детекторов модернизированной Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории LIGO. А в Италии начнет работать третий интерферометр под названием Advanced Virgo. Один из ответов, который помогут дать полученные данные, это как формируются черные дыры. Являются ли они продуктом схлопывания самых ранних массивных звезд, или они появляются в результате столкновений внутри плотных звездных кластеров? «Это только два предположения, я полагаю, их будет больше, когда все успокоятся», — говорит Вайс. Когда в ходе предстоящей работы LIGO начнет накапливать новые статистические данные, ученые начнут слушать истории о происхождении черных дыр, которые им будет нашептывать космос.
Судя по форме и размеру, первый, самый громкий импульсный сигнал возник в 1,3 миллиарда световых лет от того места, где после длившегося вечность медленного танца под влиянием взаимного гравитационного притяжения наконец слились две черные дыры, каждая примерно в 30 раз больше солнечной массы. Черные дыры кружили все быстрее и быстрее, подобно водовороту, постепенно сближаясь. Потом произошло слияние, и они в мгновение ока выпустили гравитационные волны с энергией, сопоставимой энергии трех Солнц. Это слияние стало самым мощным энергетическим явлением из когда-либо зафиксированных.
«Как будто мы никогда не видели океан во время шторма», — сказал Торн. Он ждал этого шторма в пространстве-времени с 1960-х годов. То чувство, которое Торн испытал в момент, когда накатили эти волны, нельзя назвать волнением, говорит он. Это было нечто иное: чувство глубочайшего удовлетворения.
Материалы ИноСМИ содержат оценки исключительно зарубежных СМИ и не отражают позицию редакции ИноСМИ.
inosmi.ru
Что означает открытие гравитационных волн для обычного человека?
11 февраля ученые объявили о фиксации гравитационных волн. Волны удалось зафиксировать спустя десятилетия после начала всех исследований при помощи высокоточной аппаратуры. Столкновение двух массивных черных дыр в миллиарде световых лет от Земли ученые поймали, используя два гигантских детектора LIGO — один в Ливингстоне, штат Луизиана, а другой в Хэнфорде, штат Вашингтон. Доктор физико-математических наук, профессор физического факультета МГУ Валентин Руденко помог разобраться в том, что такое гравитационные волны, почему так важно их зафиксировать и приблизились ли мы к раскрытию тайны создания Вселенной.
Профессор Валентин Руденко. Фото: polymus.ru
Валентин Николаевич Руденко делится историей своего визита в город Кашина (Италия), где он провел неделю на тогда еще только что построенной «гравитационной антенне» – оптическом интерферометре Майкельсона. По дороге к месту назначения таксист интересуется, для чего построена установка. «Тут люди думают, что это для разговора с Богом», – признается водитель.
– Что такое гравитационные волны?
– Гравитационная волна один из «переносчиков астрофизической информации». Существуют видимые каналы астрофизической информации, особая роль в «дальнем видении» принадлежит телескопам. Астрономы освоили также низкочастотные каналы – микроволновой и инфракрасный, и высокочастотные – рентгеновские и гамма-. Кроме электромагнитного излучения, мы можем регистрировать потоки частиц из Космоса. Для этого используют нейтринные телескопы – крупногабаритные детекторы космических нейтрино – частиц, которые слабо взаимодействуют с веществом и поэтому трудно регистрируются. Почти все теоретически предсказанные и лабораторно-исследованные виды «переносчиков астрофизической информации» надежно освоены на практике. Исключение составляла гравитация – самое слабое взаимодействие в микромире и самая мощная сила в макромире.
Гравитация – это геометрия. Гравитационные волны – геометрические волны, то есть волны, которые меняют геометрические характеристики пространства, когда проходят по этому пространству. Грубо говоря, это – волны, деформирующие пространство. Деформация – это относительное изменение расстояния между двумя точками. Гравитационное излучение отличается от всех других типов излучений именно тем, что они геометрические.
– Гравитационные волны предсказал Эйнштейн?
– Формально считается, что гравитационные волны предсказал Эйнштейн, как одно из следствий его общей теории относительности, но фактически их существование становится очевидным уже в специальной теории относительности.
Теория относительности предполагает, что из-за гравитационного притяжения возможен гравитационный коллапс, то есть стягивание объекта в результате коллапсирования, грубо говоря, в точку. Тогда гравитация такая сильная, что из нее даже не может выйти свет, поэтому такой объект образно называется черной дырой.
– В чем заключается особенность гравитационного взаимодействия?
Особенностью гравитационного взаимодействия является принцип эквивалентности. Согласно ему динамическая реакция пробного тела в гравитационном поле не зависит от массы этого тела. Проще говоря, все тела падают с одинаковым ускорением.
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.
Джозеф Вебер налаживает один из первых детекторов гравитационных волн. Фото: «Вокруг Света» № 02/2007
– 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.
Фото: forum.relogos.org
– 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. Фото: scisne.net
– Имеют ли отношение гравитационные волны к экстрасенсорике и телепатии?
Не имеют. Описанные эффекты – это эффекты квантового мира, эффекты оптики.
Беседовала Анна Уткина
www.pravmir.ru
Что такое гравитационная волна?
Официальным днем открытия (детектирования) гравитационных волн считается 11 февраля 2016 года. Именно тогда, на состоявшейся в Вашингтоне пресс-конференции, руководителями коллаборации LIGO было объявлено, что коллективу исследователей удалось впервые в истории человечества зафиксировать это явление.
Пророчества великого Эйнштейна
О том, что гравитационные волны существуют, еще в начале прошлого века (1916 г.) предположил Альберт Эйнштейн в рамках сформулированной им Общей теории относительности (ОТО). Остается только поражаться гениальным способностям знаменитого физика, который при минимуме реальных данных смог сделать такие далеко идущие выводы. Среди множества прочих предсказанных физических явлений, нашедших подтверждение в последующее столетие (замедление течения времени, изменение направления электромагнитного излучения в гравитационных полях и пр.) практически обнаружить наличие этого типа волнового взаимодействия тел до последнего времени не удавалось.
Гравитация - иллюзия?
Вообще, в свете Теории относительности гравитацию сложно назвать силой. Это следствие возмущения или искривления пространственно-временного континуума. Хорошим примером, иллюстрирующим данный постулат, может служить натянутый кусок ткани. Под тяжестью размещенного на такой поверхности массивного предмета образуется углубление. Прочие объекты при движении вблизи этой аномалии будут изменять траекторию своего движения, как бы "притягиваясь". И чем больше вес предмета (больше диаметр и глубина искривления), тем выше "сила притяжения". При его движении по ткани, можно наблюдать возникновение расходящейся "ряби".
Нечто подобное происходит и в мировом пространстве. Любая ускоренно движущаяся массивная материя является источником флуктуаций плотности пространства и времени. Гравитационная волна с существенной амплитудой, образуется телами с чрезвычайно большими массами или при движении с огромными ускорениями.
Физические характеристики
Колебания метрики пространство-время проявляют себя, как изменения поля тяготения. Это явление иначе называют пространственно-временной рябью. Гравитационная волна воздействует на встреченные тела и объекты, сжимая и растягивая их. Величины деформации очень незначительны - порядка 10-21 от первоначального размера. Вся трудность обнаружения этого явления заключалась в том, что исследователям необходимо было научиться измерять и фиксировать подобные изменения с помощью соответствующей аппаратуры. Мощность гравитационного излучения также чрезвычайно мала - для всей Солнечной системы она составляет несколько киловатт.
Скорость распространения гравитационных волн незначительно зависит от свойств проводящей среды. Амплитуда колебаний с удалением от источника постепенно уменьшается, но никогда не достигает нулевого значения. Частота лежит в диапазоне от нескольких десятков до сотен герц. Скорость гравитационных волн в межзвездной среде приближается к скорости света.
Косвенные доказательства
Впервые теоретическое подтверждение существования волн тяготения удалось получить американскому астроному Джозефу Тейлору и его ассистенту Расселу Халсу в 1974 году. Изучая просторы Вселенной с помощью радиотелескопа обсерватории Аресибо (Пуэрто-Рико), исследователи открыли пульсар PSR B1913+16, представляющий собой двойную систему нейтронных звезд, вращающихся вокруг общего центра масс с постоянной угловой скоростью (довольно редкий случай). Ежегодно период обращения, изначально составляющий 3,75 часа, сокращается на 70 мс. Это значение вполне соответствует выводам из уравнений ОТО, предсказывающих увеличение скорости вращения подобных систем вследствие расходования энергии на генерацию гравитационных волн. В дальнейшем было обнаружено несколько двойных пульсаров и белых карликов с аналогичным поведением. Радиоастрономам Д. Тейлору и Р. Халсу в 1993 году была присуждена Нобелевская премия по физике за открытие новых возможностей изучения полей тяготения.
Ускользающая гравитационная волна
Первое заявление о детектировании волн тяготения поступило от ученого Мэрилендского университета Джозефа Вебера (США) в 1969 году. Для этих целей он использовал две гравитационные антенны собственной конструкции, разнесенные на расстояние в два километра. Резонансный детектор представлял собой хорошо виброизолированный цельный двухметровый цилиндр из алюминия, оснащенный чувствительными пьезодатчиками. Амплитуда, якобы зафиксированных Вебером колебаний оказалась более чем в миллион раз выше ожидаемого значения. Попытки других ученых с помощью подобного оборудования повторить "успех" американского физика положительных результатов не принесли. Через несколько лет работы Вебера в данной области были признаны несостоятельными, но дали толчок развития "гравитационному буму", привлекшему в эту область исследований многих специалистов. Кстати, сам Джозеф Вебер до конца своих дней был уверен, что принимал гравитационные волны.
Совершенствование приемного оборудования
В 70-х годах ученый Билл Фэйрбанк (США) разработал конструкцию гравитационно-волновой антенны, охлаждаемой жидким гелием с применением сквидов - сверхчувствительных магнитомеров. Существующие на тот момент технологии не позволили увидеть изобретателю свое изделие, реализованное в "металле".
По такому принципу выполнен гравитационный детектор Auriga в Национальной леньярской лаборатории (Падуя, Италия). В основе конструкции алюминиево-магниевый цилиндр, длиной 3 метра и диаметром 0,6 м. Приемное устройство массой 2,3 тонны подвешено в изолированной, охлажденной почти до абсолютного нуля вакуумной камере. Для фиксации и детектирования сотрясений используется вспомогательный килограммовый резонатор и измерительный комплекс на основе ЭВМ. Заявленная чувствительность оборудования 10-20.
Интерферометры
В основу функционирования интерференционных детекторов гравитационных волн заложены те же принципы, по которым работает интерферометр Майкельсона. Испускаемый источником лазерный луч делится на два потока. После многократных отражений и путешествий по плечам устройства потоки вновь сводятся воедино, и по итоговому интерференционному изображению судят о том, воздействовали ли на ход лучей какие-либо возмущения (например, гравитационная волна). Подобное оборудование создано во многих странах:
- GEO 600 (Ганновер, Германия). Длина вакуумных тоннелей 600 метров.
- ТАМА (Япония) с плечами в 300 м.
- VIRGO (Пиза, Италия) - совместный франко-итальянский проект, запущенный в 2007 году с трехкилометровыми тоннелями.
- LIGO (США, Тихоокеанское побережье), ведущий охоту за волнами тяготения с 2002 года.
Последний стоит рассмотреть более подробно.
LIGO Advanced
Проект был создан по инициативе ученых Массачусетского и Калифорнийского технологических институтов. Включает в себя две обсерватории, разнесенные на 3 тыс. км, в штатах Луизиана и Вашингтон (города Ливингстон и Хэнфорд) с тремя идентичными интерферометрами. Длина перпендикулярных вакуумных тоннелей составляет 4 тыс. метров. Это самые большие на сегодняшний момент действующие подобные сооружения. До 2011 года многочисленные попытки обнаружения волн тяготения никаких результатов не принесли. Проведенная существенная модернизация (Advanced LIGO) повысила чувствительность оборудования в диапазоне 300-500 Гц более чем в пять раз, а в низкочастотной области (до 60 Гц) почти на порядок, достигнув столь вожделенной величины в 10-21. Обновленный проект стартовал в сентябре 2015 года, и усилия более чем тысячи сотрудников коллаборации были вознаграждены полученными результатами.
Гравитационные волны обнаружены
14 сентября 2015 года усовершенствованные детекторы LIGO с интервалом в 7 мс зафиксировали дошедшие до нашей планеты гравитационные волны от крупнейшего явления, произошедшего на окраинах наблюдаемой Вселенной - слияния двух крупных черных дыр с массами в 29 и 36 раз превышающими массу Солнца. В ходе процесса, состоявшегося более 1,3 млрд лет назад, за считанные доли секунды на излучение волн тяготения было израсходовано около трех солнечных масс вещества. Зафиксированная начальная частота гравитационных волн составляла 35 Гц, а максимальное пиковое значение достигло отметки в 250 Гц.
Полученные результаты неоднократно подвергались всесторонней проверке и обработке, тщательно отсекались альтернативные интерпретации полученных данных. Наконец, 11 февраля прошлого года о прямой регистрации предсказанного Эйнштейном явления было объявлено мировому сообществу.
Факт, иллюстрирующий титаническую работу исследователей: амплитуда колебаний размеров плеч интерферометров составила 10-19м - эта величина во столько же раз меньше диаметра атома, во сколько он сам меньше апельсина.
Дальнейшие перспективы
Сделанное открытие еще раз подтверждает, что Общая теория относительности - не просто набор абстрактных формул, а принципиально новый взгляд на суть гравитационных волн и гравитации в целом.
В дальнейших исследованиях ученые большие надежды возлагают на проект ELSA: создание гигантского орбитального интерферометра с плечами около 5 млн км, способного обнаружить даже незначительные возмущения полей тяготения. Активизация работ в этом направлении способна поведать много нового об основных этапах развития Вселенной, о процессах, наблюдение которых в традиционных диапазонах затруднено или невозможно. Несомненно, что и черные дыры, гравитационные волны которых будут зафиксированы в будущем, многое расскажут о своей природе.
Для изучения реликтового гравитационного излучения, способного рассказать о первых мгновениях нашего мира после Большого Взрыва, потребуются более чувствительные космические инструменты. Такой проект существует (Big Bang Observer), но его реализация, по заверениям специалистов, возможна не ранее, чем через 30-40 лет.
fb.ru
Гравитационные волны — открыты! • Игорь Иванов • Новости науки на «Элементах» • Астрофизика, Черные дыры, Физика
Взмахните рукой — и по всей Вселенной побегут гравитационные волны. С. Попов, М. Прохоров. Призрачные волны Вселенной
В астрофизике произошло событие, которого ждали десятилетия. После полувека поисков наконец-то открыты гравитационные волны, колебания самого пространства-времени, предсказанные Эйнштейном сто лет назад. 14 сентября 2015 года обновленная обсерватория LIGO зарегистрировала гравитационно-волновой всплеск, порожденный слиянием двух черных дыр с массами 29 и 36 солнечных масс в далекой галактике на расстоянии примерно 1,3 млрд световых лет. Гравитационно-волновая астрономия стала полноправным разделом физики; она открыла нам новый способ наблюдать за Вселенной и позволит изучать недоступные ранее эффекты сильной гравитации.
Гравитационные волны
Теории гравитации можно придумывать разные. Все они будут одинаково хорошо описывать наш мир, пока мы ограничиваемся одним-единственным ее проявлением — ньютоновским законом всемирного тяготения. Но существуют и другие, более тонкие гравитационные эффекты, которые были экспериментально проверены на масштабах солнечной системы, и они указывают на одну конкретную теорию — общую теорию относительности (ОТО).
ОТО — это не просто набор формул, это принципиальный взгляд на суть гравитации. Если в обычной физике пространство служит лишь фоном, вместилищем для физических явлений, то в ОТО оно само становится явлением, динамической величиной, которая меняется в согласии с законами ОТО. Вот эти искажения пространства-времени относительно ровного фона — или, на языке геометрии, искажения метрики пространства-времени — и ощущаются как гравитация. Говоря кратко, ОТО вскрывает геометрическое происхождение гравитации.
У ОТО есть важнейшее предсказание: гравитационные волны. Это искажения пространства-времени, которые способны «оторваться от источника» и, самоподдерживаясь, улететь прочь. Это гравитация сама по себе, ничья, своя собственная. Альберт Эйнштейн окончательно сформулировал ОТО в 1915 году и почти сразу понял, что полученные им уравнения допускают существование таких волн.
Как и для всякой честной теории, такое четкое предсказание ОТО должно быть проверено экспериментально. Излучать гравитационные волны могут любые движущиеся тела: и планеты, и брошенный вверх камень, и взмах руки. Проблема, однако, в том, что гравитационное взаимодействие столь слабое, что никакие экспериментальные установки не способны заметить излучение гравитационных волн от обычных «излучателей».
Чтобы «погнать» мощную волну, нужно очень сильно исказить пространство-время. Идеальный вариант — две черные дыры, вращающиеся друг вокруг друга в тесном танце, на расстоянии порядка их гравитационного радиуса (рис. 2). Искажения метрики будут столь сильными, что заметная часть энергии этой пары будет излучаться в гравитационные волны. Теряя энергию, пара будет сближаться, кружась всё быстрее, искажая метрику всё сильнее и порождая еще более сильные гравитационные волны, — пока, наконец, не произойдет кардинальная перестройка всего гравитационного поля этой пары и две черных дыры не сольются в одну.
Такое слияние черных дыр — взрыв грандиозной мощности, но только уходит вся эта излученная энергия не в свет, не в частицы, а в колебания пространства. Излученная энергия составит заметную часть от исходной массы черных дыр, и выплеснется это излучение за доли секунды. Аналогичные колебания будут порождать и слияния нейтронных звезд. Чуть более слабый гравитационно-волновой выброс энергии сопровождает и другие процессы, например коллапс ядра сверхновой.
Гравитационно-волновой всплеск от слияния двух компактных объектов имеет очень конкретный, хорошо вычисляемый профиль, показанный на рис. 3. Период колебаний задается орбитальным движением двух объектов друг вокруг друга. Гравитационные волны уносят энергию; как следствие, объекты сближаются и крутятся быстрее — и это видно как по убыстрению колебаний, так и по усилению амплитуды. В какой-то момент происходит слияние, выбрасывается последняя сильная волна, а затем следует высокочастотный «послезвон» (ringdown) — дрожание образовавшейся черной дыры, которая «сбрасывает» с себя все несферические искажения (эта стадия на картинке не показана). Знание этого характерного профиля помогает физикам искать слабый сигнал от такого слияния в сильно зашумленных данных детекторов.
Колебания метрики пространства-времени — гравитационно-волновое эхо грандиозного взрыва — разлетятся по Вселенной во все стороны от источника. Их амплитуда ослабевает с расстоянием, по аналогии с тем, как падает яркость точечного источника при удалении от него. Когда всплеск из далекой галактики долетит до Земли, колебания метрики будут порядка 10−22 или даже меньше. Иными словами, расстояние между физически не связанными друг с другом предметами будет периодически увеличиваться и уменьшаться на такую относительную величину.
Порядок величины этого числа легко получить из масштабных соображений (см. статью В. М. Липунова «Гравитационно-волновое небо»). В момент слияния нейтронных звезд или черных дыр звездных масс искажения метрики прямо рядом с ними очень большие — порядка 0,1, на то это и сильная гравитация. Столь суровое искажение затрагивает область порядка размеров этих объектов, то есть несколько километров. При удалении от источника амплитуда колебания падает обратно пропорционально расстоянию. Это значит, что на расстоянии 100 Мпк = 3·1021 км амплитуда колебаний упадет на 21 порядок и станет порядка 10−22.Конечно, если слияние произойдет в нашей родной галактике, дошедшая до Земли дрожь пространства-времени будет куда сильнее. Но такие события происходят раз в несколько тысяч лет. Поэтому по-настоящему рассчитывать стоит лишь на такой детектор, который способен будет почувствовать слияние нейтронных звезд или черных дыр на расстоянии в десятки-сотни мегапарсек, а значит, охватит многие тысячи и миллионы галактик.
Здесь надо добавить, что косвенное указание на существование гравитационных волн уже было обнаружено, и за него даже присудили Нобелевскую премию по физике за 1993 год. Многолетние наблюдения за пульсаром в двойной системе PSR B1913+16 показали, что период обращения уменьшается ровно такими темпами, которые предсказывает ОТО с учетом потерь энергии на гравитационное излучение. По этой причине практически никто из ученых в реальности гравитационных волн не сомневается; вопрос лишь в том, как их поймать.
История поисков
Поиски гравитационных волн стартовали примерно полвека назад — и почти сразу обернулись сенсацией. Джозеф Вебер из Мэрилендского университета сконструировал первый резонансный детектор: цельный двухметровый алюминиевый цилиндр с чувствительными пьезодатчиками по бокам и хорошей виброизоляцией от посторонних колебаний (рис. 4). При прохождении гравитационной волны цилиндр срезонирует в такт искажениям пространства-времени, что и должны зарегистрировать датчики. Вебер построил несколько таких детекторов, и в 1969 году, проанализировав их показания в ходе одного из сеансов, он прямым текстом сообщил, что зарегистрировал «звучание гравитационных волн» сразу в нескольких детекторах, разнесенных друг от друга на два километра (J. Weber, 1969. Evidence for Discovery of Gravitational Radiation). Заявленная им амплитуда колебаний оказалась неправдоподобно большой, порядка 10−16, то есть в миллион раз больше типичного ожидаемого значения. Сообщение Вебера было встречено научным сообществом с большим скепсисом; к тому же другие экспериментальные группы, вооружившись похожими детекторами, не смогли в дальнейшем поймать ни одного подобного сигнала.
Однако усилия Вебера дали толчок всей этой области исследований и запустили охоту за волнами. С 1970-х годов, усилиями Владимира Брагинского и его коллег из МГУ, в эту гонку вступил и СССР (см. статью 1972 года об отсутствии гравитационно-волновых сигналов). Интересный рассказ о тех временах есть в эссе Если девушка попадет в дыру.... Брагинский, кстати, — один из классиков всей теории квантовых оптических измерений; он первым пришел к понятию стандартного квантового предела измерений — ключевому ограничению в оптических измерениях — и показал, как их в принципе можно преодолевать. Резонансная схема Вебера совершенствовалась, и благодаря глубокому охлаждению установки шумы удалось резко снизить (см. список и историю этих проектов). Однако точность таких цельнометаллических детекторов всё еще была недостаточна для надежного детектирования ожидаемых событий, да и к тому же они настроены резонировать лишь на очень узком диапазоне частот вблизи килогерца.
Намного более перспективными казались детекторы, в которых используется не один резонирующий объект, а отслеживается расстояние между двумя не связанными друг с другом, независимо подвешенными телами, например двумя зеркалами. Из-за колебания пространства, вызванного гравитационной волной, расстояние между зеркалами будет то чуть больше, то чуть меньше. При этом чем больше длина плеча, тем большее абсолютное смещение вызовет гравитационная волна заданной амплитуды. Эти колебания сможет почувствовать лазерный луч, бегающий между зеркалами. Такая схема способна регистрировать колебания в широком диапазоне частот, от 10 герц до 10 килогерц, и это именно тот интервал, в котором будут излучать сливающиеся пары нейтронных звезд или черных дыр звездных масс.
Современная реализация этой идеи на основе интерферометра Майкельсона выглядит следующим образом (рис. 5). В двух длинных, длиной в несколько километров, перпендикулярных друг другу вакуумных камерах подвешиваются зеркала. На входе в установку лазерный луч расщепляется, идет по обеим камерам, отражается от зеркал, возвращается обратно и вновь соединяется в полупрозрачном зеркале. Добротность оптической системы исключительно высока, поэтому лазерный луч не просто проходит один раз туда-обратно, а задерживается в этом оптическом резонаторе надолго. В «спокойном» состоянии длины подобраны так, чтобы два луча после воссоединения гасили друг друга в направлении датчика, и тогда фотодетектор оказывается в полной тени. Но стоит лишь зеркалам под действием гравитационных волн сместиться на микроскопическое расстояние, как компенсация двух лучей станет неполной и фотодетектор уловит свет. И чем сильнее смещение, тем более яркий свет увидит фотодатчик.
Слова «микроскопическое смещение» даже близко не передают всей тонкости эффекта. Смещение зеркал на длину волны света, то есть микрон, заметить проще простого даже без каких-либо ухищрений. Но при длине плеча 4 км это отвечает колебаниям пространства-времени с амплитудой 10−10. Заметить смещение зеркал на диаметр атома тоже не представляет проблем — достаточно запустить лазерный луч, который пробежит туда-сюда тысячи раз и получит нужный набег фазы. Но и это дает от силы 10−14. А нам нужно спуститься по шкале смещений еще в миллионы раз, то есть научиться регистрировать сдвиг зеркала даже не на один атом, а на тысячные доли атомного ядра!
На пути к этой поистине поразительной технологии физикам пришлось преодолевать множество трудностей. Некоторые из них чисто механические: требуется повесить массивные зеркала на подвесе, который висит на другом подвесе, тот на третьем подвесе и так далее — и всё для того, чтобы максимально избавиться от посторонней вибрации. Другие проблемы тоже инструментальные, но оптические. Например, чем мощнее луч, циркулирующий в оптической системе, тем более слабое смещение зеркал можно будет заметить фотодатчиком. Но слишком мощный луч будет неравномерно нагревать оптические элементы, что пагубно скажется на свойствах самого луча. Этот эффект надо как-то компенсировать, и для этого в 2000-х годах была запущена целая исследовательская программа по этому поводу (рассказ об этом исследовании см. в новости Преодолено препятствие на пути к высокочувствительному детектору гравитационных волн, «Элементы», 27.06.2006). Наконец, есть чисто фундаментальные физические ограничения, связанные с квантовым поведением фотонов в резонаторе и принципом неопределенности. Они ограничивают чувствительность датчика величиной, которая называется стандартный квантовый предел. Однако физики с помощью хитро приготовленного квантового состояния лазерного света уже научились преодолевать и его (J. Aasi et al., 2013. Enhanced sensitivity of the LIGO gravitational wave detector by using squeezed states of light).
В гонке за гравитационными волнами участвует целый список стран; своя установка есть и в России, в Баксанской обсерватории, и о ней, кстати, рассказывается в документальном научно-популярном фильме Дмитрия Завильгельского «В ожидании волн и частиц». Лидерами этой гонки сейчас являются две лаборатории — американский проект LIGO и итальянский детектор Virgo. LIGO включает в себя два одинаковых детектора, расположенных в Ханфорде (штат Вашингтон) и в Ливингстоне (штат Луизиана) и разнесенных друг от друга на 3000 км. Наличие двух установок важно сразу по двум причинам. Во-первых, сигнал будет считаться зарегистрированным, только если его увидят оба детектора одновременно. А во-вторых, по разности прихода гравитационно-волнового всплеска на две установки — а она может достигать 10 миллисекунд — можно примерно определить, из какой части неба этот сигнал пришел. Правда, с двумя детекторами погрешность будет очень большой, но когда в работу вступит Virgo, точность заметно повысится.
Строго говоря, впервые идея интерферометрического детектирования гравитационных волн была предложена советскими физикам М. Е. Герценштейном и В. И. Пустовойтом в далеком 1962 году. Тогда только-только был придумал лазер, а Вебер приступал к созданию своих резонансных детекторов. Однако эта статья не была замечена на западе и, говоря по правде, не повлияла на развитие реальных проектов (см. исторический обзор Physics of gravitational wave detection: resonant and interferometric detectors).
Создание гравитационной обсерватории LIGO было инициативой трех ученых из Массачусетского технологического института (MIT) и из Калифорнийского технологического института (Калтеха). Это Райнер Вайсс (Rainer Weiss), который реализовал идею интерферометрического гравитационно-волнового детектора, Рональд Дривер (Ronald Drever), добившийся достаточной для регистрации стабильности лазерного света, и Кип Торн, теоретик-вдохновитель проекта, ныне хорошо известный широкой публике в качестве научного консультанта фильма «Интерстеллар». О ранней истории создания LIGO можно прочитать в недавнем интервью Райнера Вайсса и в воспоминаниях Джона Прескилла.
Деятельность, связанная с проектом интерферометрического детектирования гравитационных волн, началась в конце 1970-х годов, и поначалу реальность этой затеи тоже у многих вызывала сомнения. Однако после демонстрации ряда прототипов был написан и одобрен нынешний проект LIGO. Его строили в течение всего последнего десятилетия XX века.
Хотя первоначальный импульс проекту задали США, обсерватория LIGO является по-настоящему международным проектом. В него вложились, финансово и интеллектуально, 15 стран, и членами коллаборации числятся свыше тысячи человек. Важную роль в реализации проекта сыграли советские и российские физики. С самого начала активное участие в реализации проекта LIGO принимала уже упомянутая группа Владимира Брагинского из МГУ, а позже к коллаборации присоединился и Институт прикладной физики из Нижнего Новгорода.
Обсерватория LIGO заработала в 2002 году и вплоть до 2010 года на ней прошло шесть научных сеансов наблюдений. Никаких гравитационно-волновых всплесков достоверно обнаружено не было, и физики смогли лишь установить ограничения сверху на частоту таких событий. Это, впрочем, не слишком их удивляло: оценки показывали, что в той части Вселенной, которую тогда «прослушивал» детектор, вероятность достаточно мощного катаклизма была невелика: примерно один раз в несколько десятков лет.
Финишная прямая
С 2010 по 2015 годы коллаборации LIGO и Virgo кардинально модернизировали аппаратуру (Virgo, впрочем, еще в процессе подготовки). И вот теперь долгожданная цель находилась в прямой видимости. LIGO — а точнее, aLIGO (Advanced LIGO) — теперь была готова отлавливать всплески, порожденные нейтронными звездами, на расстоянии 60 мегапарсек, и черными дырами — в сотни мегапарсек. Объем Вселенной, открытой для гравитационно-волнового прослушивания, вырос по сравнению с прошлыми сеансами в десятки раз.
Конечно, нельзя предсказать, когда и где будет следующий гравитационно-волновой «бабах». Но чувствительность обновленных детекторов позволяла рассчитывать на несколько слияний нейтронных звезд в год, так что первый всплеск можно было ожидать уже в ходе первого четырехмесячного сеанса наблюдений. Если же говорить про весь проект aLIGO длительностью в несколько лет, то вердикт был предельно ясным: либо всплески посыплются один за другим, либо что-то в ОТО принципиально не работает. И то, и другое станет большим открытием.
С 18 сентября 2015 года до 12 января 2016 года прошел первый сеанс наблюдений aLIGO. В течение всего этого времени по интернету гуляли слухи о регистрации гравитационных волн, но коллаборация хранила молчание: «мы набираем и анализируем данные и пока не готовы сообщить о результатах». Дополнительную интригу создавало то, что в процессе анализа сами члены коллаборации не могут быть полностью уверены, что они видят реальный гравитационно-волновой всплеск. Дело в том, что в LIGO в поток настоящих данных изредка искусственно внедряется сгенерированный на компьютере всплеск. Он называется «слепой вброс», blind injection, и из всей группы только три человека (!) имеют доступ к системе, которая осуществляет его в произвольный момент времени. Коллектив должен отследить этот всплеск, ответственно проанализировать его, и только на самых последних этапах анализа «открываются карты» и члены коллаборации узнают, было это реальным событием или же проверкой на бдительность. Между прочим, в одном таком случае в 2010 году дело даже дошло до написания статьи, но обнаруженный тогда сигнал оказался именно «слепым вбросом».
Лирическое отступление
Чтобы еще раз почувствовать торжественность момента, я предлагаю взглянуть на эту историю с другой стороны, изнутри науки. Когда сложная, неприступная научная задача не поддается несколько лет — это обычный рабочий момент. Когда она не поддается в течение более чем одного поколения, она воспринимается совершенно иначе.
Школьником ты читаешь научно-популярные книжки и узнаешь про эту сложную для решения, но страшно интересную научную загадку. Студентом ты изучаешь физику, делаешь доклады, и иногда, к месту или нет, люди вокруг тебя напоминают о ее существовании. Потом ты сам занимаешься наукой, работаешь в другой области физики, но регулярно слышишь про безуспешные попытки ее решить. Ты, конечно, понимаешь, что где-то ведется активная деятельность по ее решению, но итоговый результат для тебя как человека со стороны остается неизменным. Проблема воспринимается как статичный фон, как декорация, как вечный и почти неизменный на масштабах твоей научной жизни элемент физики. Как задача, которая всегда была и будет.
А потом — ее решают. И резко, на масштабах нескольких дней, ты чувствуешь, что физическая картина мира поменялась и что теперь ее надо формулировать в других выражениях и задавать другие вопросы.
Для людей, которые непосредственно работают над поиском гравитационных волн, эта задача, разумеется, не оставалась неизменной. Они видят цель, они знают, чего надо достигнуть. Они, конечно, надеются, что природа им тоже пойдет навстречу и подкинет в какой-нибудь близкой галактике мощный всплеск, но одновременно они понимают, что, даже если природа не будет так благосклонна, ей от ученых уже не спрятаться. Вопрос лишь в том, когда именно они смогут достичь поставленные технические цели. Рассказ об этом ощущении от человека, который несколько десятилетий занимался поиском гравитационных волн, можно услышать в упомянутом уже фильме «В ожидании волн и частиц».
Открытие
11 февраля всё открылось. Коллаборация LIGO провела пресс-конференцию, и одновременно с этом в журнале Physical Review Letters вышла совместная статья коллабораций LIGO и Virgo Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger, прямым текстом сообщающая об открытии гравитационных волн. Причем любопытно, что событие, получившее рядовое обозначение GW150914, было зарегистрировано еще 14 сентября, то есть за четыре дня до официального старта наблюдательного сеанса, когда детекторы уже находились в полностью рабочем режиме и завершались последние технические проверки. Полный любопытных подробностей рассказ о том, что творилось в те дни в самой коллаборации LIGO, читайте в заметке Here’s the first person to spot those gravitational waves.
На рис. 7 показан главный результат: профиль сигнала, зарегистрированного обоими детекторами. Видно, что на фоне шумов сначала слабо проступает, а потом нарастает по амплитуде и по частоте колебание нужной формы. Сравнение с результатами численного моделирования позволило выяснить, слияние каких объектов мы наблюдали: это были черные дыры с массами примерно 36 и 29 солнечных масс, которые слились в одну черную дыру массой 62 солнечных массы (погрешность всех этих чисел, отвечающая 90-процентному доверительному интервалу, составляет 4 солнечных массы). Авторы мимоходом замечают, что получившаяся черная дыра — самая тяжелая из когда-либо наблюдавшихся черных дыр звездных масс. Разница между суммарной массой двух исходных объектов и конечной черной дырой составляет 3±0,5 солнечных масс. Этот гравитационный дефект масс примерно за 20 миллисекунд полностью перешел в энергию излученных гравитационных волн. Расчеты показали, что пиковая гравитационно-волновая мощность достигала 3,6·1056 эрг/с, или, в пересчете на массу, примерно 200 солнечных масс в секунду.
Статистическая значимость обнаруженного сигнала составляет 5,1σ. Иными словами, если предположить, что это статистические флуктуации наложились друг на друга и чисто случайно выдали подобный всплеск, такого события пришлось бы ждать 200 тысяч лет. Это позволяет с уверенностью заявить, что обнаруженный сигнал не является флуктуацией.
Максимальная амплитуда колебаний в этом всплеске составила 10−21. Зная массы исходных объектов, можно вычислить излученную мощность, и, сравнив с этой амплитудой, выяснить, как далеко произошло это слияние. Оценка расстояния до него — примерно 1,3 млрд св. лет, (\(410^{+160}_{-180}\) Мпк, красное смещение \(z = 0.09^{+0.03}_{-0.04}\)). Из сравнения с моделированием были также получены ограничения на вращение черной дыры. Детальное обсуждение профиля GW150914, погрешностей измерения, и сравнения с моделированием приводится в сопровождающих статьях. На сайте коллаборации выложена также подробная информация по этому событию.
Временная задержка между двумя детекторами составила примерно 7 миллисекунд. Это позволило оценить направление прихода сигнала (рис. 9). Поскольку детекторов только два, локализация вышла очень приблизительной: подходящая по параметрам область небесной сферы составляет 600 квадратных градусов.
Коллаборация LIGO не ограничилась одной лишь констатацией факта регистрации гравитационных волн, но и провела первый анализ того, какие это наблюдение имеет последствия для астрофизики. В статье Astrophysical implications of the binary black hole merger GW150914, опубликованной в тот же день в журнале The Astrophysical Journal Letters, авторы оценили, с какой частотой происходят такие слияния черных дыр. Получилось как минимум одно слияние в кубическом гигапарсеке за год, что сходится с предсказаниями наиболее оптимистичных в этом отношении моделей.
О чем расскажут гравитационные волны
Открытие нового явления после десятилетий поисков — это не завершение, а лишь начало нового раздела физики. Конечно, регистрация гравитационных волн от слияния черных двух важна сама по себе. Это прямое доказательство и существования черных дыр, и существования двойных черных дыр, и реальности гравитационных волн, и, если говорить вообще, доказательство правильности геометрического подхода к гравитации, на котором базируется ОТО. Но для физиков не менее ценно то, что гравитационно-волновая астрономия становится новым инструментом исследований, позволяет изучать то, что раньше было недоступно.
Во-первых, это новый способ рассматривать Вселенную и изучать космические катаклизмы. Для гравитационных волн нет препятствий, они без проблем проходят вообще сквозь всё во Вселенной. Они самодостаточны: их профиль несет информацию о породившем их процессе. Наконец, если один грандиозный взрыв породит и оптический, и нейтринный, и гравитационный всплеск, то можно попытаться поймать все их, сопоставить друг с другом, и разобраться в недоступных ранее деталях, что же там произошло. Уметь ловить и сравнивать такие разные сигналы от одного события — главная цель всесигнальной астрономии.
Когда детекторы гравитационных волн станут еще более чувствительными, они смогут регистрировать дрожание пространства-времени не в сам момент слияния, а за несколько секунд до него. Они автоматически пошлют свой сигнал-предупреждение в общую сеть наблюдательных станций, и астрофизические спутники-телескопы, вычислив координаты предполагаемого слияния, успеют за эти секунды повернуться в нужном направлении и начать съемку неба до начала оптического всплеска.
Во-вторых, гравитационно-волновой всплеск позволит узнать новое про нейтронные звезды, самые интересные объекты во Вселенной. Слияние нейтронных звезд — это, фактически, самый последний и самый экстремальный эксперимент над нейтронными звездами, который природа может поставить для нас, а нам как зрителям останется только наблюдать результаты. Наблюдательные последствия такого слияния могут быть разнообразными (рис. 10), и, набрав их статистику, мы сможем лучше понимать поведение нейтронных звезд в таких экзотических условиях. Обзор современного состояния дел в этом направлении можно найти в недавней публикации S. Rosswog, 2015. Multi-messenger picture of compact binary mergers.
В-третьих, регистрация всплеска, пришедшего от сверхновой, и сопоставление его с оптическими наблюдениями позволит наконец-то разобраться в деталях, что же там происходит внутри, в самом начале коллапса. Сейчас у физиков по-прежнему остаются сложности с численным моделированием этого процесса.
В-четвертых, у физиков, занимающихся теорией гравитации, появляется вожделенная «лаборатория» по изучению эффектов сильной гравитации. До сих пор все эффекты ОТО, которые мы могли непосредственно наблюдать, относились к гравитации в слабых полях. О том, что происходит в условиях сильной гравитации, когда искажения пространства-времени начинают сильно взаимодействовать сами с собой, мы могли догадываться лишь по косвенным проявлениям, через оптический отголосок космических катастроф.
В-пятых, появляется новая возможность для проверки экзотических теорий гравитации. Таких теорий в современной физике уже много, см. например посвященную им главу из популярной книги А. Н. Петрова «Гравитация». Некоторые из этих теорий напоминают обычную ОТО в пределе слабых полей, но могут сильно от нее отличаться, когда гравитация становится очень сильной. Другие допускают существование у гравитационных волн нового типа поляризации и предсказывают скорость, слегка отличающуюся от скорости света. Наконец, есть и теории, включающие дополнительные пространственные измерения. Что можно будет сказать по их поводу на основе гравитационных волн — вопрос открытый, но ясно, что кое-какой информацией здесь можно будет поживиться. Рекомендуем также почитать мнение самих астрофизиков о том, что изменится с открытием гравитационных волн, в подборке на Постнауке.
Планы на будущее
Перспективы гравитационно-волновой астрономии — самые воодушевляющие. Сейчас завершился лишь первый, самый короткий наблюдательный сеанс детектора aLIGO — и уже за это короткое время был пойман четкий сигнал. Точнее будет сказать так: первый сигнал был пойман еще до официального старта, и коллаборация пока что не отчиталась о всех четырех месяцах работы. Кто знает, может там уже есть несколько дополнительных всплесков? Так или иначе, но дальше, по мере увеличения чувствительности детекторов и расширения доступной для гравитационно-волновых наблюдений части Вселенной, количество зарегистрированных событий будет расти лавинообразно.
Ожидаемое расписание сеансов сети LIGO-Virgo показано на рис. 11. Второй, шестимесячный, сеанс начнется в конце этого года, третий сеанс займет почти весь 2018 год, и на каждом этапе чувствительность детектора будет расти. В районе 2020 года aLIGO должна выйти на запланированную чувствительность, которая позволит детектору прощупывать Вселенную на предмет слияния нейтронных звезд, удаленных от нас на расстояния до 200 Мпк. Для еще более энергетических событий слияния черных дыр чувствительность может добивать чуть ли до гигапарсека. Так или иначе, доступный для наблюдения объем Вселенной возрастет по сравнению с первым сеансом еще в десятки раз.
В конце этого года в игру также вступит и обновленная итальянская лаборатория Virgo. У нее чувствительность чуть поменьше, чем у LIGO, но тоже вполне приличная. За счет метода триангуляции, тройка разнесенных в пространстве детекторов позволит намного лучше восстанавливать положение источников на небесной сфере. Если сейчас, с двумя детекторами, область локализации достигает сотен квадратных градусов, то три детектора позволят уменьшить ее до десятков. Кроме того, в Японии сейчас строится аналогичная гравитационно-волновая антенна KAGRA, которая начнет работу через два-три года, а в Индии, в районе 2022 года, планируется запустить детектор LIGO-India. В результате спустя несколько лет будет работать и регулярно регистрировать сигналы целая сеть гравитационно-волновых детекторов (рис. 13).
Наконец, существуют планы по выводу гравитационно-волновых инструментов в космос, в частности, проект eLISA. Два месяца назад был запущен на орбиту первый, пробный спутник, задачей которого будет проверка технологий. До реального детектирования гравитационных волн здесь еще далеко. Но когда эта группа спутников начнет собирать данные, она откроет еще одно окно во Вселенную — через низкочастотные гравитационные волны. Такой всеволновой подход к гравитационным волнам — главная цель этой области в далекой перспективе.
Параллели
Открытие гравитационных волн стало уже третьим за последние годы случаем, когда физики наконец-то пробились через все препятствия и добрались до неизведанных ранее тонкостей устройства нашего мира. В 2012 году был открыт хиггсовский бозон — частица, предсказанная почти за полвека от этого. В 2013 году нейтринный детектор IceCube доказал реальность астрофизических нейтрино и начал «разглядывать вселенную» совершенно новым, недоступном ранее способом — через нейтрино высоких энергий. И вот сейчас природа поддалась человеку еще раз: открылось гравитационно-волновое «окно» для наблюдений вселенной и, одновременно с этим, стали доступны для прямого изучения эффекты сильной гравитации.
Надо сказать, нигде здесь не было никакой «халявы» со стороны природы. Поиски велись очень долго, но она не поддавалась потому, что тогда, десятилетия назад, аппаратура не дотягивала до результата по энергии, по масштабам, или по чувствительности. Привело к цели именно неуклонное, целенаправленное развитие технологий, развитие, которое не остановили ни технические сложности, ни отрицательные результаты прошлых лет.
И во всех трех случаях сам по себе факт открытия стал не завершением, а, наоборот, началом нового направления исследований, стал новым инструментом прощупывания нашего мира. Свойства хиггсовского бозона стали доступны измерению — и в этих данных физики пытаются разглядеть эффекты Новой физики. Благодаря возросшей статистике нейтрино высоких энергий, нейтринная астрофизика делает первые шаги. Как минимум то же самое сейчас ожидается и от гравитационно-волновой астрономии, и для оптимизма есть все основания.
Источники: 1) LIGO Scientific Coll. and Virgo Coll. Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger // Phys. Rev. Lett. Published 11 February 2016. 2) Detection Papers — список технических статей, сопровождающих основную статью об открытии. 3) E. Berti. Viewpoint: The First Sounds of Merging Black Holes // Physics. 2016. V. 9. N. 17.
Обзорные материалы: 1) David Blair et al. Gravitational wave astronomy: the current status // arXiv:1602.02872 [physics.ins-det]. 2) Benjamin P. Abbott and LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration. Prospects for Observing and Localizing Gravitational-Wave Transients with Advanced LIGO and Advanced Virgo // Living Rev. Relativity. 2016. V. 19. N. 1. 3) O. D. Aguiar. The Past, Present and Future of the Resonant-Mass Gravitational Wave Detectors // Res. Astron. Astrophys. 2011. V. 11. N. 1. 4) The search for gravitational waves — подборка материалов на сайте журнала Science по поиску гравитационных волн.5) Matthew Pitkin, Stuart Reid, Sheila Rowan, Jim Hough. Gravitational Wave Detection by Interferometry (Ground and Space) // arXiv:1102.3355 [astro-ph.IM].6) В. Б. Брагинский. Гравитационно-волновая астрономия: новые методы измерений // УФН. 2000. Т. 170. С. 743–752.7) Peter R. Saulson. Physics of Gravitational Wave Detection: Resonant and Interferometric Detectors.
Видеоматериалы: 1) Пресс-конференция LIGO о регистрации гравитационных волн — видеозапись исторической пресс-конференции и специальный выпуск программы Алексея Семихатова «Вопрос науки», посвященный открытию гравитационных волн.2) «В ожидании волн и частиц», документальный и научно-популярный фильм режиссёра Дмитрия Завильгельского про поиски гравитационных волн и экзотических частиц, призер фестиваля «360 градусов», финалист национальной премии «Лавр-2015». 3) Gravitational waves explained, видеоролик с популярным объяснением гравитационных волн от создателя комиксов PhDComics. 4) Гравитационные волны // видеорассказ Сергея Попова в проекте «Постнаука» о черных дырах и гравитационных волнах.
Популярные материалы: 1) К. Постнов. Гравитационные волны, «Постнаука», 2016. 2) В. Н. Руденко. «Поиск гравитационных волн». Глава из книги, Издательство «Век 2», 2007 г. 3) А. Левин. Рябь пространства-времени // «Популярная механика», №6, 2006. 4) С. Попов, М. Прохоров. Призрачные волны Вселенной, «Вокруг света», 2007. 5) В. М. Липунов. Гравитационно-волновое небо // СОЖ, Т. 6, №4, 2000. 6) Гравитационные волны, текстовая расшифровка беседы В. Б. Брагинского и М. В. Сажина в передаче Александра Гордона. 7) О. Андреева, М. Казанович. Если девушка попадет в дыру..., «Эксперт», 2012.8) Точка зрения: Что изменит открытие гравитационных волн, «Постнаука», 12.02.2016.
Игорь Иванов
elementy.ru
Гравитационные волны: в чём суть открытия | Космос
Открытие гравитационных волн стало главной научной сенсацией 2016 года. Антон Первушин объясняет, что означает это открытие, почему его пришлось ждать сто лет и почему оно не переворачивает наши представления о вселенной, а наоборот, подтверждает их.
Сто лет назад, в 1916 году, великий Альберт Эйнштейн опубликовал первые статьи, посвящённые Общей теории относительности (ОТО). В них было показано, что гравитация вызвана деформацией самого пространства-времени под влиянием массы. Попробуем описать это наглядно. Если металлический шарик лежит на мягкой поверхности, то под ним образуется вмятина. И чем тяжелее шарик, тем вмятина глубже и обширнее. Так и космическое пространство, да и время заодно, «проминается» под массой планет, звёзд и галактик.
Хотя некоторые учёные приняли теорию Эйнштейна в штыки, она обладала важным качеством: могла предсказывать реальные наблюдаемые эффекты, а именно — деформацию пространства-времени рядом с массивными небесными телами. Собственно, Общая теория относительности и появилась как попытка объяснить наблюдаемый сдвиг перигелия Меркурия. В то время этот феномен объясняли влиянием неизвестной планеты поблизости от Солнца; ей даже придумали название — Вулкан. Пользуясь формулами Эйнштейна, можно было объяснить и математически описать этот сдвиг, не придумывая никакого Вулкана.
Несуществующий Вулкан в представлении художника
Теории требовались и другие подтверждения, и вскоре они были получены. В 1919 году Артур Эддингтон при наблюдении очередного солнечного затмения сумел зарегистрировать отклонение лучей звёзд, проходящих поблизости от нашего светила, — именно такое, как предсказывала ОТО.
В течение ХХ века было проведено много других экспериментов, которые прямо или косвенно подтверждали теорию. Например, был обнаружен эффект гравитационного линзирования, когда излучение далёких объектов усиливается или разделяется за счёт больших масс, находящихся на его пути. Поиск гравитационных линз породил целое направление в астрономии после того, как в 1979 году британские учёные на фотоснимках квазара QSO 0957+16 обнаружили не один квазар, а два одинаковых.
Есть и ещё более наглядное доказательство — так называемый «Крест Эйнштейна». Именно в виде креста из четырёх объектов с линзирующей галактикой в центре мы наблюдаем квазар QSO 2237+0305, находящийся в созвездии Пегаса на расстоянии 8 млрд. световых лет от нас.
«Крест Эйнштейна», фото NASA. На самом деле это один квазар, просто искажённый гравитационной линзой
Больше того, удалось подтвердить ещё два эффекта, предсказанные ОТО: замедление времени в гравитационном поле и слабое искривление пространства-времени, создаваемое Землёй. Прямые доказательства их существования получили с помощью космических аппаратов Gravity Probe, запущенных в 1976 и 2004 году.
После всего этого уже можно было уверенно заявить, что теория Эйнштейна работает и имеет практическое применение. Оставалась самая малость — зафиксировать предсказанные ею гравитационные волны, которые возникают в пространстве-времени при движении массивного тела, словно рябь на воде. Хотя они очень слабы, их можно зарегистрировать при наблюдении за объектами с огромной массой: квазарами, галактиками, чёрными дырами. Косвенные подтверждения их существования появлялись с начала 1990-х. И вот долгожданное открытие состоялось.
Если точнее, оно было сделано ещё 14 сентября 2015 года, но на обработку результатов ушло пять месяцев. И только вчера, 11 февраля 2016 года, ученые из международного проекта LIGO Scientific Collaboration смогли официально объявить, что им удалось зарегистрировать гравитационные волны с помощью двух лазерно-интерферометрических гравитационно-волновых обсерваторий, расположенных в штатах Луизиана и Вашингтон. Эти волны образовались в результате столкновения двух черных дыр, которое произошло 1,3 млрд лет назад.
Гравитационная обсерватория в штате Вашингтон
Сегодня об этом открытии пишут в восторженных тонах как о научной сенсации. Однако вопреки тому, что заявляют некоторые восторженные комментаторы, оно не способно «изменить мир». Скорее наоборот: предсказанный эффект лишний раз доказывает, что наши представления о Вселенной, сформировавшиеся сто лет назад благодаря Эйнштейну, пока что останутся неизменными.Так что новых технологий типа антигравитационных двигателей, о которых мечтают любители фантастики и энтузиасты освоения космоса, открытие нам не принесёт. Ведь в рамках современной версии Общей теории относительности такие двигатели попросту невозможны.
Если вы нашли опечатку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
www.mirf.ru
Открытие гравитационных волн: Нобелевская премия
БЕРЛИН. Как и ожидалось многими, Нобелевская премия по физике в 2017 году пошла к трем ученым, которые помогли обнаружить гравитационные волны, рябь в пространстве-времени, предсказанное Эйнштейном.
Премия в этом году — это открытие, которое потрясло мир
— сказал физик Торс Ханс Ханссон, объявив победителей из Стокгольма.
Половина из девяти миллионов шведских крон ($ 1,1 млн) награда будет направлена Райнер Вайс из Массачусетского технологического института. Другая половина будет идти вместе с Барри Баришем и Кипом Торном из Кальтех. Все трое были основателями гравитационно-волновой обсерватории лазерного интерферометра или LIGO, которая впервые выявила гравитационные волны в 2015 году.
14 сентября 2015 года два чрезвычайно чувствительных инструмента LIGO в штате Вашингтон и Луизиане одновременно наблюдали слабый сигнал гравитационной волны. Рябь в пространстве-времени происходила из пары двух массивных черных дыр, которые спирали друг в друга 1,3 миллиарда лет назад.
Что такое гравитационные волны
Гравитационные волны понятие, предсказанное теорией относительности Эйнштейна. Общая теория относительности утверждает, что масса искривляет пространство и время точно так же, как тяжелый шар для боулинга будет искажать батут. Однако экспериментальное доказательство таких событий ускользало от ученых на протяжении 100 лет.
Общая теория относительности утверждает, что масса искривляет пространство и время точно так же, как тяжелый шар для боулинга будет искажать батут.Когда объект ускоряется, он создает рябь в пространстве-времени, как лодка вызывает рябь в пруду (а также аналогично ускоряющийся электрический заряд создает электромагнитную волну). Эти пространства-времени рябь гравитационных волн. Они чрезвычайно слабы, поэтому очень трудно обнаружить. Как сила волны зависит от массы объекта, наши лучшие надежды на обнаружение гравитационных волн происходит от обнаружения двух черных дыр или пульсаров.
Гравитационные волны были выведены из просмотра двух пульсаров, и заметив, они замедляются, из-за потери энергии на излучение гравитационных волн.
Гравитационные волны являются важными, рассказывая нам о ранней Вселенной. Космический микроволновый фон дает нам моментальный снимок Вселенной около 380 000 лет после начала Вселенной. Внимательно смотрим на космическом микроволновом фоне видны узоры, которые могут также быть измерены в больших масштабах структуру Вселенной (так галактики и скопления) сегодня. Эти законом
tagweb.ru
дорога к открытию — Троицкий вариант — Наука
11 февраля 2016 года на пресс-конференциях в США и Европе было одновременно объявлено о крупнейшем научном достижении — первой прямой регистрации волн тяготения. Эпохальное открытие сделали члены международной коллаборации LIGO, объединяющей более тысячи ученых из пятнадцати стран. Этот проект был предложен в 1980-е годы профессорами Калифорнийского технологического института Кипом Торном (Kip Thorne) и Рональдом Древером (Ronald Drever) и профессором Массачусетского технологического института Рейнером Вейссом (Rainer Weiss). Открытие гравитационных волн произошло почти что ровно через сто лет после публикации статьи Альберта Эйнштейна Näherungsweise Integration der Feldgleichungen der Gravitation, Preussische Akademie der Wissenschaften, Sitzungsberichte, 1916 (part 1), 688–696, где было предсказано их существование.
Несостоявшаяся сенсация
Джозеф Вебер в униформе Военно-морской академии США (1940 год). Фото из «Википедии»
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 (www.newscientist.com/article/dn9012-black-holes-collide-in-the-best-simulation-yet), 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.
Владислав Иванович Пустовойт читает лекцию-доклад «О проблеме обнаружения гравитационных волн» (МИЭТ, 10 февраля 2009 года). Фото из «Википедии»
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. Все эти выводы представлены в статье B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration), Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger, Phys. Rev. Lett. 116, 061102 (published 11 February 2016).
А что дальше?
Advanced LIGO скоро обретет достойного партнера. Во второй половине нынешнего года предполагается запуск модифицированной версии детектора Virgo, расположенного в Италии неподалеку от Пизы. Это тоже интерферометр с трехкилометровыми плечами, аналогичный LIGO. Он действовал с 2007 по 2011 годы, после чего был остановлен для модернизации. В 2018 году в Японии может приступить к работе интерферометр KAGRA (Kamioka Gravitational Wave Detector), заточенный на регистрацию гравитационных волн, возникающих при слиянии нейтронных звезд; предполагается также создание еще одного детектора проекта LIGO в Индии. Европейское космическое агентство рассматривает проект космической обсерватории для поиска гравитационных волн eLISA (Evolved Laser Interferometer Space Antenna) с длиной плеч в 5 млн км, однако ее запуск, по последним данным, может состояться не ранее середины 2030-х годов.
Алексей Левин
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Связанные статьи
Оценить:
Загрузка... trv-science.ru
