1,3 миллиарда лет назад, далеко-далеко от Земли, Солнечной системы и даже нашей Галактики предельно сблизились две черные дыры, одна массой в 29 Солнц, а другая — в 36. 20 миллисекунд — неуловимо мало для человека — и они сливаются в одну большую черную дыру, а избыток выделившейся при столкновении энергии заставляет пространство-время пойти рябью от места космической катастрофы. 14 сентября 2015 года, в 13:51 по московскому времени эта волна дошла до Земли и заставила колебаться разнесенные на четыре километра друг от друга зеркала гравитационных телескопов возле американских городов Ливингстона и Хэнфорда.
Правда, колебаться совсем чуть-чуть, почти незаметно: с амплитудой в 10 -19 м (это во столько раз меньше размера атома, во сколько апельсин меньше всей нашей планеты). Хитрая оптическая схема для регистрации таких возмущений, измерения на грани квантового предела точности, десятки лет теоретических работ и несколько месяцев аккуратных проверок результатов. 11 февраля на пресс-конференциях в Вашингтоне, Москве, Лондоне, Париже и других городах физики из международной коллаборации LIGO сообщили: человечество впервые зарегистрировало гравитационные волны и это не может быть ошибкой. Впереди нас ждут гравитационные телескопы, новая физика и, кто знает, может быть, даже новая реальность.
Что это такое?
Представим себе натянутую ткань и несколько камней разного веса, которые мы будем на нее класть. Чем тяжелее камень, тем больше он продавливает ткань — точно так же массивные гравитационные объекты, согласно теории относительности Эйнштейна, продавливают ткань пространства-времени, окутывающую наш мир (точнее, эта ткань и есть наш мир, но сейчас не об этом).
Проще всего объяснить воздействие массивных объектов на пространство-время на примере черных дыр — они настолько компактные и тяжелые, что продавливают пространство-время на колоссальные глубины миллиардов миллионов Марианских впадин.
Даже время в их окрестностях начинает течь медленнее, а все объекты, попавшие в гигантскую воронку, уже не могут выйти наружу. Звезды, пыль, кванты света — все остается в ловушке навечно.
Но что будет, если мы не просто положим камни, но еще начнем их вращать? По ткани пойдет рябь складок. Так и массивные гравитационные объекты, двигающиеся с переменным ускорением, порождают вокруг себя распространяющуюся рябь пространства-времени — те самые гравитационные волны, предсказанные Альбертом Эйнштейном еще сто лет назад.
Что излучает гравитационные волны?
Гравитационные волны излучает любой объект, который обладает массой и движется с переменным ускорением — от вращающейся черной дыры до тормозящей машины и читателя этого текста (вряд ли же вы смотрите на экран не моргая — и вот оно, ускорение). Просто гравитационные волны от последних двух объектов вызывают такие скромные колебания пространства, что с точки зрения современной квантовой физики их просто невозможно зарегистрировать.
Поэтому физики надеялись найти гравитационные волны только от массивных объектов, двигающихся с очень большими перепадами ускорений. А точнее, от пары таких объектов — просто по второму закону Ньютона, если одно тяжелое тело движется с большим переменным ускорением, значит, должна быть большая сила, «задающая» это движение. Проще всего этой силе появиться от воздействия какого-нибудь массивного объекта неподалеку. Идеальные кандидаты в такие пары тяжеловесов — сталкивающиеся галактики и двойные системы из «живущих» вместе черных дыр или нейтронных звезд.
Неужели гравитационные волны не пытались найти до этого?
Пытались, и не один раз. Одни из первых экспериментов по обнаружению гравитационных волн ставили еще в 70-е годы на физическом факультете МГУ в группе под руководством профессора Владимира Брагинского. Тогда прибор, установленный в подвале здания, вроде бы зарегистрировал сигнал, сильный и стабильно повторяющийся каждый вечер. Назревала сенсация. Праздник испортил сам Брагинский, который понял, что прибор регистрировал сейсмический шум от дружного захода нескольких трамваев в расположенное неподалеку депо.
Исследователи из международной коллаборации BICEP были куда менее аккуратны, чем советские физики. В прошлом году они заявили о неопровержимых следах гравитационных волн в реликтовом излучении, сохранившемся с первых мгновений после Большого взрыва. Но сенсационная древность оказалась ошибкой: при обработке данных ученые не учли влияние космической пыли.
Неоднократные попытки обнаружить гравитационные волны делались и на других гравитационных телескопах, в том числе на детекторах коллаборации LIGO.
Что такое вообще LIGO и гравитационные телескопы?
LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) — это название обсерватории и одновременно международной коллаборации ученых 14 стран. Россию в LIGO представляют два научных коллектива: группа Александра Сергеева из Института прикладной физики РАН (Нижний Новгород) и группа под руководством профессора физического факультета МГУ Валерия Митрофанова. Последнюю, кстати, до недавнего времени возглавлял тот же Владимир Брагинский.
В составе LIGO как обсерватории есть детектор и два интерферометра: один установлен в Ливингстоне (штат Луизиана, США), а другой — в Хэнфорде (штат Вашингтон, США). Гравитационные волны распространяются со скоростью света, и поэтому сигнал пришел на них лишь с небольшой задержкой в 10 миллисекунд.
Сами интерферометры представляют собой большие Г-образные антенны с плечами по четыре км. Внутри у них собраны оптические схемы высокой добротности (то есть с низким уровнем посторонних шумов), в которые запускаются лазерные пучки. Под действием гравитационной волны одно плечо должно сжаться, а другое, наоборот, растянуться. В результате лазерные пучки проходят по плечам немного разное расстояние и к выходу добираются с небольшим зазором между собой. Выйдя, они снова собираются вместе и формируют интерференционную картину, по характеристикам которой можно восстановить, как менялись плечи антенны и какова была та гравитационная волна, которая все это вызвала.
Обсерватория LIGO начала свою работу еще в 2002 году, но тогда ее точности было недостаточно для регистрации гравитационных волн. В 2010 году LIGO закрылась для модернизации и вновь заработала только в 2014 году (Advanced LIGO). Каждый элемент конструкции был в буквальном смысле отточен до предела: например, зеркала, между которыми бегают лазерные пучки (они установлены на концах каждого плеча), изготавливались на специальном заводе. Похожий телескоп параллельно с LIGO построила и европейская коллаборация VIRGO, но в сентябре прошлого года он не функционировал.
Какой сигнал зарегистрировали ученые?
Вот что рассказывает Валерий Митрофанов. «Сначала был постоянный фоновый шум, и вдруг в какой-то момент с определенной частотой стали раскачиваться пробные массы детектора, те самые зеркала. Потом — раз, и обрыв. Причем сигнал был сразу на двух детекторах: сначала гравитационная волна подошла к одному, а потом с небольшой задержкой к другому».
Частота сигнала составила 150 Гц (именно с такой частотой и амплитудой 10 -19 м колебались зеркала, которые становились то ближе, то дальше друг от друга) , а после обработки была найдена его причина: слияние двух черных дыр на расстоянии 1,3 миллиарда световых лет от Земли. Масса одной из них равнялась 29 солнечным, а другой — 36. Масса получившийся черной дыры оказалась чуть меньше: недостача энергии в три солнечные массы как раз излучилась во время столкновения в виде гравитационных волн.
Светимость (то есть полная излученная энергия) этой вспышки в 50 раз превысила светимость всей видимой Вселенной. Будь это свет, а не гравитация, в обозримом космосе стало бы ослепительно светло.
Светимость? Частота? Я окончательно запутался
Еще раз: ученые увидели гравитационные волны. Это не свет (то есть электромагнитные волны, или распространяющиеся в пространстве сцепленные колебания магнитного и электрического полей), и не звук (механические колебания в твердой, жидкой или газообразной среде, то есть распространяющиеся волны повышенного/пониженного давления). Просто все эти явления (свет, звук и гравитация) можно описать одними и теми же уравнениями и терминами волновой физики.
Так, у каждой волны есть частота колебаний, измеряемая в герцах (Гц). Человеческий слух способен воспринимать звуки на частоте 20 герц — 20 килогерц. Частота пришедшей гравитационной волны составили 150 Гц, но это не значит, что ее можно услышать, если очень хорошенько прислушаться. На пресс-конференции в Вашингтоне ученые даже включили тревожный звук от этого столкновения где-то в невообразимом далёко, но это была просто красивая интерпретация, что было бы, зарегистрируй исследователи не гравитационную волну, а точно такую же по всем параметрам (частота, амплитуда, форма) волну звуковую.
Точно так же и со светимостью. Это просто термин для определения интенсивности потока излучения, примененный в непривычном, но корректном контексте. Например, в случае лампочек: чем интенсивнее они излучают, тем ярче светятся, и тем больше их светимость. Для сталкивающихся черных дыр: чем больше была их масса и чем резче ускорения, тем более мощные гравитационные волны они запустят в пространство. Почему же тогда это событие в 50 светимостей Вселенной не сжало в гармошку всю планету Земля, а только каким-то потусторонним ветерком поколебало сложно устроенные зеркала? А потому, что гравитационное взаимодействие гораздо слабее электромагнитного (поэтому-то его так сложно обнаружить) — настолько, что мы замечаем только наше притяжение к Земле, но например, никак не к вековому дубу, как бы близко мы к нему не подходили.
А это не может быть ошибкой?
Ученые на 100% уверены в своих выводах. При этом раньше у них уже были ложные срабатывания, но посторонние об этом никогда не узнавали, так что с точки зрения аккуратности им точно можно доверять.
«Во-первых, это прямой метод регистрации гравитационных волн, — говорит Валерий Митрофанов. — А во-вторых, результаты совпали с предсказаниями теоретиков. У нас был шаблон сигнала гравитационной волны от слияния двух черных дыр, рассчитанный с помощью квантовой физики. Сигнал регистрировался, только если он попадал в этот шаблон — так и случилось 14 сентября, и именно благодаря этому шаблону мы можем восстановить массы дыр».
Кстати, утечка информации о скором объявлении результатов появилась еще в середине сентября. Тогда многие обсуждали, что среди прочего сигнал мог быть просто подмешан в данные контролирующими проект учеными для проверки его готовности. Сейчас все участники коллаборации однозначно отрицают такую возможность: событие пришлось не на рабочий пуск системы, а на тестово-инженерный, в котором ложные «впрыски» по инструкции не предполагаются.
А Росссия участвовала?
Да. Как уже сказано, от России в коллаборации LIGO принимают участие две лаборатории из Москвы и Нижнего Новгорода. Они разрабатывали конструкцию телескопа (например, именно российские физики предложили подвешивать зеркала на кварцевых нитях вместо стальных, что снизило посторонние шумы в системе) и боролись с квантовыми эффектами, искажающими сигналы сверхчувствительных антенн.
«Мы получили квантовый прибор макроскопических размеров, — рассказывает профессор МГУ Сергей Вятчанин. — Это предельное достижение цивилизации на данный момент: LIGO почти достиг квантового предела измерений. Нам удалось зарегистрировать смещение двух макроскопических объектов массой в несколько килограммов и разнесенных на несколько километров, с точностью, предрекаемой квантовой неопределенностью Гейзенберга».
Особо отмечает вклад наших физиков в исследования и один из инициаторов проекта, почетный профессор Калифорнийского технического института Кип Торн. По его словам, именно Владимир Брагинский, признанный мировой специалист в области квантовой гравитации, первым предложил искать гравитационные волны от черных дыр и первым обратил внимание на необходимость учитывать в измерениях квантовые эффекты.
Пойдем по восходящей. Сначала ученые надеются обзавестись третьим гравитационным телескопом для своей системы, который будет расположен уже не на Земле, а в космосе. Тогда по характерным задержкам сигналов гравитационных волн исследователи смогут восстанавливать точное положение источников — так же, как сейчас можно узнать свое точное положение на Земле, обменявшись сигналами с тремя спутниками GPS.
«Это начало новой, гравитационно-волновой астрономии, — говорит Валерий Митрофанов. — Древние люди наблюдали Вселенную только в видимом свете. Потом появились рентгеновские телескопы, радиотелескопы, гамма-телескопы, нейтринные наблюдения, а теперь мы увидим небо в гравитационных волнах, которые, кстати, ничем не экранируются».
«Эти волны не может остановить никакая материя, и с ними мы сможем понять о Вселенной гораздо больше, чем теперь. А загадок много — например, загадка темной материи».
Кроме того, гравитационный телескоп может сканировать сразу все небо: его не нужно настраивать в какую-то определенную точку пространства или на одну частоту. Поэтому в перспективе многие уникальные астрофизические события первыми будут фиксироваться именно на гравитационном телескопе — он сможет определить точное местоположение объектов, и дальше по этим данным будут настраивать уже другие средства наблюдения.
Не без этого. Теперь ученые надеются увидеть реликтовые гравитационные волны — те самые, которые стали распространяться по Вселенной почти сразу после Большого взрыва.
«Это позволит заглянуть в самое начало времен, — говорит профессор МГУ Фарит Халили. — Гравитационное взаимодействие раньше всех перестало взаимодействовать с веществом, и поэтому наблюдение реликтового излучения, возможно, позволит поженить гравитационные взаимодействия и электромагнитные».
Профессор говорит о давней мечте физиков — разработке стройной теории квантовой гравитации, в рамках которой едиными терминами и уравнениями описываются как электромагнитные взаимодействия, так и гравитационные. Задача-максимум на этом пути и вовсе «теория всего» или, как ее еще называют, теория великого объединения. В ней воедино сливаются уже все четыре известных физических взаимодействия (кроме гравитационного и электромагнитного есть еще слабые и сильные взаимодействия, объясняющие существование элементарных частиц).
Частью такой теории должна стать и теория относительности Эйнштейна. «Мы сможем заглянуть в ту область, где заканчивается общая теория относительности, поскольку в черной дыре она предсказывает сингулярность, — рассказывает профессор МГУ Игорь Биленко. — Возможно, мы увидим новую физику, которая включает общую теорию относительности как одну из своих составляющих, один из частных случаев».
Наконец, кое-что с этого пира может перепасть и нам, простым людям, не мечтающим о теории великого объединения. «Когда Герц открыл электромагнитные волны, он и не знал, что это приведет к линиям электропередач, мобильным телефонам и интернету, — говорит доцент МГУ Сергей Стрыгин. — Возможно, человечество когда-нибудь научится не просто детектировать гравитационные волны, но и использовать их в своих целях».
Что это будет? Передача информации сквозь время, как в фильме «Интерстеллар», научным консультантом которого был как раз Кип Торн? Путешествия во времени? Что-то невообразимо сумасшедшее? Пока мы не можем ничего предсказывать — только ждать и смотреть.
Гравитационные волны, теоретически предсказанные Эйнштейном еще в 1917 году, все еще дожидаются своего первооткрывателя.
Алексей Левин
В конце 1969 года профессор физики Мэрилендского университета Джозеф Вебер сделал сенсационное заявление. Он объявил, что обнаружил волны тяготения, пришедшие на Землю из глубин космоса. До того времени ни один ученый не выступал с подобными претензиями, да и сама возможность детектирования таких волн считалась далеко не очевидной. Однако Вебер слыл авторитетом в своей области, и посему коллеги восприняли его сообщение с полной серьезностью.
Однако вскоре наступило разочарование. Амплитуды волн, якобы зарегистрированных Вебером, в миллионы раз превышали теоретическую величину. Вебер утверждал, что эти волны пришли из закрытого пылевыми облаками центра нашей Галактики, о котором тогда было мало что известно. Астрофизики 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 черная дыра там действительно есть, но ведет она себя вполне пристойно). Физики из США, СССР, Франции, Германии, Англии и Италии приступили к экспериментам на детекторах того же типа — и не добились ничего.
Ученые до сих пор не знают, чему приписать странные показания приборов Вебера. Однако его усилия не пропали даром, хотя гравитационные волны до сих пор так и не обнаружены. Несколько установок для их поиска уже построены или строятся, а лет через десять такие детекторы будут выведены и в космос. Вполне возможно, что в не столь отдаленном будущем гравитационное излучение станет такой же наблюдаемой физической реальностью, как и электромагнитные колебания. К сожалению, Джозеф Вебер этого уже не узнает — он умер в сентябре 2000 года.
Что такое волны тяготения
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. Волны тяготения — это флуктуации пространственно-временной метрики, которые проявляют себя как колебания гравитационного поля, поэтому их часто образно называют пространственно-временной рябью. Гравитационные волны были в 1917 году теоретически предсказаны Альбертом Эйнштейном. В существовании их никто не сомневается, но гравитационные волны все еще дожидаются своего первооткрывателя.
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 необходимы ускорения, но не любые. Цилиндр, который вращается вокруг своей оси симметрии, испытывает ускорение, однако его гравитационное поле остается однородным, и волны тяготения не возникают. А вот если раскрутить этот цилиндр вокруг другой оси, поле станет осциллировать и от цилиндра во все стороны побегут гравитационные волны.
Этот вывод относится к любому телу (или системе тел), несимметричному относительно оси вращения (в таких случаях говорят, что тело имеет квадрупольный момент). Система масс, квадрупольный момент которой меняется со временем, всегда излучает гравитационные волны.
Гравитационные маяки космоса
Гравитационное излучение земных источников чрезвычайно слабо. Стальная колонна массой 10 000 тонн, подвешенная за центр в горизонтальной плоскости и раскрученная вокруг вертикальной оси до 600 об./мин, излучает мощность примерно 10 -24 Вт. Поэтому единственная надежда обнаружить волны тяготения — найти космический источник гравитационного излучения.
В этом плане весьма перспективны тесные двойные звезды. 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 нейтронных звезд или черных дыр. Такие системы подобны гравитационным маякам в космосе — их излучение имеет периодический характер.
В космосе существуют и «импульсные» источники, порождающие короткие, но чрезвычайно мощные гравитационные всплески. Подобное происходит при коллапсе массивной звезды, предшествующем взрыву сверхновой. Однако деформация звезды должна быть асимметричной, иначе излучение не возникнет. Во время коллапса гравитационные волны могут унести с собой до 10% полной энергии светила! Мощность гравитационного излучения в этом случае составляет порядка 10 50 Вт. Еще больше энергии выделяется при слиянии нейтронных звезд, здесь пиковая мощность достигает 10 52 Вт. Превосходный источник излучения — столкновение черных дыр: их массы могут превышать массы нейтронных звезд в миллиарды раз.
Еще один источник гравитационных волн — космологическая инфляция. Сразу после Большого взрыва Вселенная начала чрезвычайно быстро расширяться, и меньше чем за 10 -34 секунды ее поперечник увеличился с 10 -33 см до макроскопического размера. Этот процесс неизмеримо усилил гравитационные волны, существовавшие до его начала, и их потомки сохранились до сих пор.
Косвенные подтверждения
Первое доказательство существования волн тяготения связано с работами американского радиоастронома Джозефа Тейлора и его студента Расселла Халса. В 1974 году они обнаружили пару обращающихся друг вокруг друга нейтронных звезд (излучающий в радиодиапазоне пульсар с молчаливым компаньоном). Пульсар вращался вокруг своей оси со стабильной угловой скоростью (что бывает далеко не всегда) и поэтому служил исключительно точными часами. Эта особенность позволила измерить массы обеих звезд и выяснить характер их орбитального движения. Оказалось, что период обращения этой двойной системы (около 3 ч 45 мин) ежегодно сокращается на 70 мкс. Эта величина хорошо согласуется с решениями уравнений общей теории относительности, описывающих потерю энергии звездной пары, обусловленную гравитационным излучением (впрочем, столкновение этих звезд случится нескоро, через 300 млн. лет). В 1993 году Тейлор и Халс были удостоены за это открытие Нобелевской премии.
Гравитационно-волновые антенны
Как обнаружить гравитационные волны экспериментально? Вебер использовал в качестве детекторов сплошные алюминиевые цилиндры метровой длины с пьезодатчиками на торцах. Их с максимальной тщательностью изолировали от внешних механических воздействий в вакуумной камере. Два таких цилиндра Вебер установил в бункере под полем для гольфа Мэрилендского университета, и один — в Аргоннской национальной лаборатории.
Идея эксперимента проста. Пространство под действием гравитационных волн сжимается и растягивается. Благодаря этому цилиндр вибрирует в продольном направлении, выступая в качестве гравитационно-волновой антенны, а пьезоэлектрические кристаллы переводят вибрации в электрические сигналы. Любое прохождение космиче-ских волн тяготения практически одновременно действует на детекторы, разнесенные на тысячу километров, что позволяет отфильтровать гравитационные импульсы от различного рода шумов.
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 1959 году на страницах Physical Review Letters. Все попытки повторить эти результаты оказались тщетными. Данные Вебера к тому же противоречат теории, которая практически не позволяет ожидать относительных смещений выше 10 -18 (причем гораздо вероятнее значения менее 10 -20). Не исключено, что Вебер напутал при статистической обработке результатов. Первая попытка экспериментально обнаружить гравитационное излучение закончилась неудачей.
В дальнейшем гравитационно-волновые антенны значительно усовершенствовали. В 1967 году американский физик Билл Фэйрбанк предложил охлаждать их в жидком гелии. Это не только позволило избавиться от большей части тепловых шумов, но и открыло возможность применения сквидов (сверхпроводящих квантовых интерферометров), точнейших сверхчувствительных магнитометров. Реализация этой идеи оказалась сопряжена с множеством технических трудностей, и сам Фэйрбанк до нее не дожил. К началу 1980-х годов физики из Стэнфордского университета построили установку с чувствительностью 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 в Падуе. Антенной для нее служит трехметровый цилиндр из алюминиево-магниевого сплава, диаметр которого составляет 60 см, а вес — 2,3 т. Он подвешен в вакуумной камере, охлаждаемой до 0,1 К. Его сотрясения (с частотой порядка 1000 Гц) 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 — около 10 -20 -10 -21 .
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 Михаил Герценштейн и Владислав Пустовойт, а двумя годами позже и Вебер. В начале 1970-х сотрудник исследовательской лаборатории корпорации Hughes Aircraft Роберт Форвард (в прошлом аспирант Вебера, в дальнейшем весьма известный писатель-фантаст) построил первый такой детектор с вполне приличной чувствительностью. Тогда же профессор Массачусетсского технологического института (MIT) Райнер Вайсс выполнил очень глубокий теоретический анализ возможностей регистрации гравитационных волн с помощью оптических методов.
Эти методы предполагают использование аналогов прибора, с помощью которого 125 лет назад физик Альберт Майкельсон доказал, что скорость света строго одинакова по всем направлениям. В этой установке, интерферометре Майкельсона, пучок света попадает на полупрозрачную пластинку и разделяется на два взаимно перпендикулярных луча, которые отражаются от зеркал, расположенных на одинаковом расстоянии от пластинки. Затем пучки опять сливаются и падают на экран, где возникает интерференционная картина (светлые и темные полосы и линии). Если скорость света зависит от его направления, то при повороте всей установки эта картинка должна измениться, если нет — остаться такой же, что и раньше.
Интерференционный детектор волн тяготения работает сходным образом. Проходящая волна деформирует пространство и изменяет длину каждого плеча интерферометра (пути, по которому свет идет от делителя до зеркала), растягивая одно плечо и сжимая другое. Интерференционная картинка меняется, и это можно зарегистрировать. Но это непросто: если ожидаемое относительное изменение длины плеч интерферометра составляет 10 -20 , то при настольных размерах прибора (как у Майкельсона) оно оборачивается колебаниями амплитудой порядка 10 -18 см. Для сравнения: волны видимого света в 10 трлн. раз длиннее! Можно увеличить протяженность плеч до нескольких километров, однако проблемы все равно останутся. Лазерный источник света должен быть и мощным, и 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 такого рода — американский комплекс LIGO (Light Interferometer Gravitational Waves Observatory). Он состоит из двух обсерваторий, одна из которых находится на тихоокеанском побережье США, а другая — неподалеку от Мексиканского залива. Измерения производят с помощью трех интерферометров (два в штате Вашингтон, один в Луизиане) с плечами четырехкилометровой длины. Установка снабжена зеркальными накопителями света, которые увеличивают ее чувствительность. «С ноября 2005 года все три наших интерферометра работают в нормальном режиме, — рассказал «Популярной механике» представитель комплекса LIGO Питер Солсон, профессор физики Сиракузского университета. — Мы постоянно обмениваемся данными с другими обсерваториями, пытающимися обнаружить гравитационные волны частотой в десятки и сотни герц, возникшие при самых мощных взрывах сверхновых и слиянии нейтронных звезд и черных дыр. Сейчас в строю находится немецкий интерферометр GEO 600 (длина плеч — 600 м), расположенный в 25 км от Ганновера. 300-метровый японский прибор TAMA в настоящее время модернизируется. Трехкилометровый детектор Virgo в окрестностях Пизы подключится к общим усилиям в начале 2007-го, причем на частотах менее 50 Гц он сможет превзойти LIGO. Установки с ультракриогенными резонаторами действуют с возрастающей эффективностью, хотя их чувствительность все же несколько меньше нашей».
1. 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 не падают до нуля: единожды возникшая волна тяготения в определенном смысле обречена на вечную жизнь. В частности, Вселенная должна быть пронизана реликтовыми волнами, унаследованными от инфляционной фазы. В них закодирована информация о строении «зародышевой» Вселенной, которую, правда, еще надо умудриться расшифровать.
2. Волны тяготения — поперечные. Такая волна искажает структуру пространства в плоскости, перпендикулярной вектору ее распространения. Твердое тело, попавшее в область фронта гравитационной волны, будет испытывать деформации именно в этой плоскости (какие именно, зависит от характера волны).
3. Гравитационные волны уносят энергию, которую они отбирают у излучающей их материи. Поэтому со временем звезды двойной системы сближаются и период их обращения вокруг общего центра масс уменьшается.
Перспективы
Что же ожидает методы обнаружения гравитационных волн в ближайшем будущем? Об этом «Популярной механике» рассказал профессор Райнер Вайсс: «Через несколько лет в обсерваториях комплекса LIGO установят более мощные лазеры и более совершенные детекторы, что приведет к 15-кратному увеличению чувствительности. Сейчас она составляет 10 -21 (на частотах порядка 100 Гц), а после модернизации превысит 10 -22 . Модернизированный комплекс, Advanced LIGO, в 15 раз увеличит глубину проникновения в космос. В этом проекте активно участвует профессор МГУ Владимир Брагинский, один из пионеров изучения гравитационных волн.
На середину следующего десятилетия запланирован запуск космического интерферометра LISA (Laser Interferometer Space Antenna) с длиной плеч в 5 миллионов километров, это совместный проект NASA и Европейского космического агентства. Чувствительность этой обсерватории будет в сотни раз выше, чем возможности наземных инструментов. Она в первую очередь предназначена для поиска низкочастотных (10 -4 -10 -1 Гц) гравитационных волн, которые невозможно уловить на поверхности Земли из-за атмосферных и сейсмических помех. Такие волны испускают двойные звездные системы, вполне типичные обитатели Космоса. LISA также сможет регистрировать волны тяготения, возникшие при поглощении черными дырами обыкновенных звезд. А вот для детектирования реликтовых гравитационных волн, несущих информацию о состоянии материи в первые мгновения после Большого взрыва, скорее всего, потребуются более продвинутые космические инструменты. Такая установка, Big Bang Observer, сейчас обсуждается, однако вряд ли ее удастся создать и запустить ранее чем через 30−40 лет».
МОСКВА, 18 фев — РИА Новости. Экспериментальное подтверждение существования гравитационных волн - "ряби" пространства-времени — стало грандиозным успехом мировой астрофизики и своеобразным подарком Альберту Эйнштейну к 100-летию его общей теории относительности, считают участники Московской группы коллаборации LIGO.
Индия построит лабораторию для изучения гравитационных волн В рамках проекта, который будет реализован в сотрудничестве с обсерваторией LIGO в США, специалисты, в частности, построят восьмикилометровую лучевую трубку в сверхвысоком вакууме.Гравитационные волны были впервые в истории зафиксированы 14 сентября 2015 года детекторами гравитационной обсерватории LIGO в американских штатах Луизиана и Вашингтон. Ученым из Массачусетского и Калифорнийского технологических институтов удалось зафиксировать "рябь" пространства-времени от катастрофического столкновения двух черных дыр в дальнем космосе.
Масса этих черных дыр в 29 и 36 раз превышала массы Солнца, а само слияние произошло 1,3 миллиарда лет назад, но двигающаяся со скоростью света гравитационная волна дошла до Земли лишь сейчас.
Новый прорыв
Одно из главных достижений проекта по обнаружению гравитационных волн - это то, что теоретические данные полностью совпали с реальным экспериментом. Ученые сумели показать, что излучение гравитационных волн произошло именно в результате слияния двух черных дыр, заявил РИА Новости заведующий кафедрой физики колебаний физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова доктор физико-математических наук Сергей Вятчанин.
"Поймали, во-первых, на двух антеннах (двух детекторах, которые разделяет 3 тысячи километров), а во-вторых сформулировали сценарий, и он "лег", так сказать. Вот это огромное достижение… Это черные дыры, 30 солнечных масс, слились, … и последняя агония этого слияния и дала этот огромный всплеск", — сказал ученый.
Профессор физического факультета МГУ, руководитель Московской группы коллаборации LIGO Валерий Митрофанов отметил, что существование гравитационных волн уже давно не ставилось научным сообществом под сомнение.
Многие ученые, которые занимаются другими темами, уже думали над тем, как данное явление может быть использовано в их исследованиях, хотя экспериментальное подтверждение существования волн гравитации состоялось только в сентябре 2015 года, отметил профессор.
Еще полгода ушли на тщательнейшую проверку полученных данных, и когда стало ясно, что ошибка практически исключена (на 100% она исключена не может быть, в принципе), было объявлено об открытии - без сомнений, одном из крупнейших в истории астрофизики.
Технологии появятся нескоро
Регистрация гравитационных волн открывает новые возможности для развития науки, однако практические технологии на основе данного явления появятся нескоро, считают физики.
"Очень трудно рассчитывать на то, что открытие гравитационных волн будет способствовать повышению комфорта жизни", — иронизирует Вятчанин.
С другой стороны, он привел в пример открытие электромагнитных волн в XIX веке - когда оно было сделано, мало кто мог представить, что чуть ли не все технические новации XX века будут базироваться на этом явлении.
По словам Митрофанова, тема создания прикладных технологий, основанных на гравитационных волнах, очень интересная, и "может неожиданно сыграть" в будущем. Но в настоящее время трудно представить, когда и в какой форме эти технологии будут реализованы.
История Вселенной
Задача обнаружения реликтовых гравитационных волн, которые стали следствием событий, произошедших сразу после зарождения Вселенной, на порядок сложнее, чем детекция сигнала от такого большого и катастрофического события, как слияние черных дыр. Однако, по мнению российских ученых, в конце концов, эта задача будет решена, что позволит совершить значительный шаг в изучении истории Вселенной.
"Гравитационные волны не поглощаются материей, мы можем заглянуть в самые-самые начальные моменты после Большого взрыва, так скажем, когда, собственно, началась Вселенная и начала развиваться", — пояснил Митрофанов.
Вятчанин отметил, что обнаружение реликтового гравитационного фона - "значительно более сумасшедшая" задача, чем та, которая была решена коллаборацией LIGO. Однако в отдаленной перспективе человечество сможет создать достаточно чувствительные приборы, которые смогут "поймать" реликтовые гравитационные волны, что позволит "просеять" космологические теории и отделить те, которые не соответствуют полученным данным, указал профессор.
Темная материя
Одна из тайн Вселенных, в разгадке которой может помочь открытие, касается темной материи - загадочного вещества, которое, по расчетам, должно вместе с темной энергией составлять большую часть состава Вселенной, но при текущем уровне развития технологий не может быть обнаружено.
По словам Митрофанова, темная материя, возможно, способна испускать гравитационные волны и взаимодействовать с ними, но пока никаких указаний на это нет. Тем не менее, исследования на стыке изучения гравитационных волн и темной материи способны дать интересные результаты. Однако значимым открытиям будет предшествовать период накопления данных и обработки полученной информации, указал исследователь.
Сергей Вятчанин также придерживается мнения, что гравитационные волны можно использовать для изучения темной материи. Но ученый отметил, что к настоящему моменту не разработаны сценарии, которые бы описывали излучение гравитационных волн темной материей.
Проект LIGO — система из двух одинаковых детекторов, тщательно настроенных для детектирования невероятно малых смещений метрики пространства-времени от прохождения гравитационных волн. Детекторы расположены в 3 тысячах километров друг от друга.
Исследования осуществляются в рамках научной коллаборации LIGO (LSC — LIGO Scientific Collaboration) коллективом из более чем тысячи ученых из университетов США и 14 других стран, включая РФ. Россия представлена двумя научными коллективами: группой физического факультета Московского университета и группой академического Института прикладной физики (Нижний Новгород).
Гравитационные волны, теоретически предсказанные Эйнштейном еще в 1917 году, всё еще дожидаются своего первооткрывателя.
В конце 1969 года профессор физики Мэрилендского университета Джозеф Вебер сделал сенсационное заявление. Он объявил, что обнаружил волны тяготения, пришедшие на Землю из глубин космоса. До того времени ни один ученый не выступал с подобными претензиями, да и сама возможность детектирования таких волн считалась далеко не очевидной. Однако Вебер слыл авторитетом в своей области, и посему коллеги восприняли его сообщение с полной серьезностью.
Однако вскоре наступило разочарование. Амплитуды волн, якобы зарегистрированных Вебером, в миллионы раз превышали теоретическую величину. Вебер утверждал, что эти волны пришли из закрытого пылевыми облаками центра нашей Галактики, о котором тогда было мало что известно. Астрофизики 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 черная дыра там действительно есть, но ведет она себя вполне пристойно). Физики из США, СССР, Франции, Германии, Англии и Италии приступили к экспериментам на детекторах того же типа - и не добились ничего.
Ученые до сих пор не знают, чему приписать странные показания приборов Вебера. Однако его усилия не пропали даром, хотя гравитационные волны до сих пор так и не обнаружены. Несколько установок для их поиска уже построены или строятся, а лет через десять такие детекторы будут выведены и в космос. Вполне возможно, что в не столь отдаленном будущем гравитационное излучение станет такой же наблюдаемой физической реальностью, как и электромагнитные колебания. К сожалению, Джозеф Вебер этого уже не узнает - он умер в сентябре 2000 года.
Что такое волны тяготения
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. Волны тяготения - это флуктуации пространственно-временной метрики, которые проявляют себя как колебания гравитационного поля, поэтому их часто образно называют пространственно-временной рябью. Гравитационные волны были в 1917 году теоретически предсказаны Альбертом Эйнштейном. В существовании их никто не сомневается, но гравитационные волны всё еще дожидаются своего первооткрывателя.
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 необходимы ускорения, но не любые. Цилиндр, который вращается вокруг своей оси симметрии, испытывает ускорение, однако его гравитационное поле остается однородным, и волны тяготения не возникают. А вот если раскрутить этот цилиндр вокруг другой оси, поле станет осциллировать, и от цилиндра во все стороны побегут гравитационные волны.
Этот вывод относится к любому телу (или системе тел), несимметричному относительно оси вращения (в таких случаях говорят, что тело имеет квадрупольный момент). Система масс, квадрупольный момент которой меняется со временем, всегда излучает гравитационные волны.
Основные свойства гравитационных волн
Астрофизики предполагают, что именно излучение гравитационных волн, отбирая энергию, ограничивает скорость вращения массивного пульсара при поглощении вещества соседней звезды.
Гравитационные маяки космоса
Гравитационное излучение земных источников чрезвычайно слабо. Стальная колонна массой 10 000 тонн, подвешенная за центр в горизонтальной плоскости и раскрученная вокруг вертикальной оси до 600 об./мин, излучает мощность примерно 10 -24 Вт. Поэтому единственная надежда обнаружить волны тяготения - найти космический источник гравитационного излучения.
В этом плане весьма перспективны тесные двойные звезды. 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 нейтронных звезд или черных дыр. Такие системы подобны гравитационным маякам в космосе - их излучение имеет периодический характер.
В космосе существуют и «импульсные» источники, порождающие короткие, но чрезвычайно мощные гравитационные всплески. Подобное происходит при коллапсе массивной звезды, предшествующем взрыву сверхновой. Однако деформация звезды должна быть асимметричной, иначе излучение не возникнет. Во время коллапса гравитационные волны могут унести с собой до 10% полной энергии светила! Мощность гравитационного излучения в этом случае составляет порядка 10 50 Вт. Еще больше энергии выделяется при слиянии нейтронных звезд, здесь пиковая мощность достигает 10 52 Вт. Превосходный источник излучения - столкновение черных дыр: их массы могут превышать массы нейтронных звезд в миллиарды раз.
Еще один источник гравитационных волн - космологическая инфляция. Сразу после Большого взрыва Вселенная начала чрезвычайно быстро расширяться, и меньше чем за 10 -34 секунды ее поперечник увеличился с 10 -33 см до макроскопического размера. Этот процесс неизмеримо усилил гравитационные волны, существовавшие до его начала, и их потомки сохранились до сих пор.
Косвенные подтверждения
Первое доказательство существования волн тяготения связано с работами американского радиоастронома Джозефа Тейлора и его студента Расселла Халса. В 1974 году они обнаружили пару обращающихся друг вокруг друга нейтронных звезд (излучающий в радиодиапазоне пульсар с молчаливым компаньоном). Пульсар вращался вокруг своей оси со стабильной угловой скоростью (что бывает далеко не всегда) и поэтому служил исключительно точными часами. Эта особенность позволила измерить массы обеих звезд и выяснить характер их орбитального движения. Оказалось, что период обращения этой двойной системы (около 3 ч 45 мин) ежегодно сокращается на 70 мкс. Эта величина хорошо согласуется с решениями уравнений общей теории относительности, описывающих потерю энергии звездной пары, обусловленную гравитационным излучением (впрочем, столкновение этих звезд случится нескоро, через 300 млн лет). В 1993 году Тейлор и Халс были удостоены за это открытие Нобелевской премии.
Гравитационно-волновые антенны
Как обнаружить гравитационные волны экспериментально? Вебер использовал в качестве детекторов сплошные алюминиевые цилиндры метровой длины с пьезодатчиками на торцах. Их с максимальной тщательностью изолировали от внешних механических воздействий в вакуумной камере. Два таких цилиндра Вебер установил в бункере под полем для гольфа Мэрилендского университета, и один - в Аргоннской национальной лаборатории.
Идея эксперимента проста. Пространство под действием гравитационных волн сжимается и растягивается. Благодаря этому цилиндр вибрирует в продольном направлении, выступая в качестве гравитационно-волновой антенны, а пьезоэлектрические кристаллы переводят вибрации в электрические сигналы. Любое прохождение космических волн тяготения практически одновременно действует на детекторы, разнесенные на тысячу километров, что позволяет отфильтровать гравитационные импульсы от различного рода шумов.
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 1959 году на страницах Physical Review Letters . Все попытки повторить эти результаты оказались тщетными. Данные Вебера к тому же противоречат теории, которая практически не позволяет ожидать относительных смещений выше 10 -18 (причем гораздо вероятнее значения менее 10 -20). Не исключено, что Вебер напутал при статистической обработке результатов. Первая попытка экспериментально обнаружить гравитационное излучение закончилась неудачей.
В дальнейшем гравитационно-волновые антенны значительно усовершенствовали. В 1967 году американский физик Билл Фэйрбанк предложил охлаждать их в жидком гелии. Это не только позволило избавиться от большей части тепловых шумов, но и открыло возможность применения сквидов (сверхпроводящих квантовых интерферометров), точнейших сверхчувствительных магнитометров. Реализация этой идеи оказалась сопряжена с множеством технических трудностей, и сам Фэйрбанк до нее не дожил. К началу 1980-х годов физики из Стэнфордского университета построили установку с чувствительностью 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 в Падуе. Антенной для нее служит трехметровый цилиндр из алюминиево-магниевого сплава, диаметр которого составляет 60 см, а вес - 2,3 т. Он подвешен в вакуумной камере, охлаждаемой до 0,1 К. Его сотрясения (с частотой порядка 1000 Гц) 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 - около 10 -20 -10 -21 .
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 Михаил Герценштейн и Владислав Пустовойт, а двумя годами позже и Вебер. В начале 1970-х сотрудник исследовательской лаборатории корпорации Hughes Aircraft Роберт Форвард (в прошлом аспирант Вебера, в дальнейшем весьма известный писатель-фантаст) построил первый такой детектор с вполне приличной чувствительностью. Тогда же профессор Массачусетского технологического института (MIT) Райнер Вайсс выполнил очень глубокий теоретический анализ возможностей регистрации гравитационных волн с помощью оптических методов.
Эти методы предполагают использование аналогов прибора, с помощью которого 125 лет назад физик Альберт Майкельсон доказал, что скорость света строго одинакова по всем направлениям. В этой установке, интерферометре Майкельсона, пучок света попадает на полупрозрачную пластинку и разделяется на два взаимно перпендикулярных луча, которые отражаются от зеркал, расположенных на одинаковом расстоянии от пластинки. Затем пучки опять сливаются и падают на экран, где возникает интерференционная картина (светлые и темные полосы и линии). Если скорость света зависит от его направления, то при повороте всей установки эта картинка должна измениться, если нет - остаться такой же, что и раньше.
Интерференционный детектор волн тяготения работает сходным образом. Проходящая волна деформирует пространство и изменяет длину каждого плеча интерферометра (пути, по которому свет идет от делителя до зеркала), растягивая одно плечо и сжимая другое. Интерференционная картинка меняется, и это можно зарегистрировать. Но это непросто: если ожидаемое относительное изменение длины плеч интерферометра составляет 10 -20 , то при настольных размерах прибора (как у Майкельсона) оно оборачивается колебаниями амплитудой порядка 10 -18 см. Для сравнения: волны видимого света в 10 трлн раз длиннее! Можно увеличить протяженность плеч до нескольких километров, однако проблемы всё равно останутся. Лазерный источник света должен быть и мощным, и 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 такого рода - американский комплекс LIGO (Light Interferometer Gravitational Waves Observatory ). Он состоит из двух обсерваторий, одна из которых находится на тихоокеанском побережье США, а другая - неподалеку от Мексиканского залива. Измерения производят с помощью трех интерферометров (два в штате Вашингтон, один в Луизиане) с плечами четырехкилометровой длины. Установка снабжена зеркальными накопителями света, которые увеличивают ее чувствительность. «С ноября 2005 года все три наших интерферометра работают в нормальном режиме, - рассказал «Популярной механике» представитель комплекса LIGO Питер Солсон, профессор физики Сиракузского университета. - Мы постоянно обмениваемся данными с другими обсерваториями, пытающимися обнаружить гравитационные волны частотой в десятки и сотни герц, возникшие при самых мощных взрывах сверхновых и слиянии нейтронных звезд и черных дыр. Сейчас в строю находится немецкий интерферометр GEO 600 (длина плеч - 600 м), расположенный в 25 км от Ганновера. 300-метровый японский прибор TAMA в настоящее время модернизируется. Трехкилометровый детектор Virgo в окрестностях Пизы подключится к общим усилиям в начале 2007-го, причем на частотах менее 50 Гц он сможет превзойти LIGO. Установки с ультракриогенными резонаторами действуют с возрастающей эффективностью, хотя их чувствительность всё же несколько меньше нашей».
Перспективы
Что же ожидает методы обнаружения гравитационных волн в ближайшем будущем? Об этом «Популярной механике» рассказал профессор Райнер Вайсс: «Через несколько лет в обсерваториях комплекса LIGO установят более мощные лазеры и более совершенные детекторы, что приведет к 15-кратному увеличению чувствительности. Сейчас она составляет 10 -21 (на частотах порядка 100 Гц), а после модернизации превысит 10 -22 . Модернизированный комплекс, Advanced LIGO, в 15 раз увеличит глубину проникновения в космос. В этом проекте активно участвует профессор МГУ Владимир Брагинский, один из пионеров изучения гравитационных волн.
На середину следующего десятилетия запланирован запуск космического интерферометра LISA (Laser Interferometer Space Antenna ) с длиной плеч в 5 миллионов километров, это совместный проект NASA и Европейского космического агентства. Чувствительность этой обсерватории будет в сотни раз выше, чем возможности наземных инструментов. Она в первую очередь предназначена для поиска низкочастотных (10 -4 -10 -1 Гц) гравитационных волн, которые невозможно уловить на поверхности Земли из-за атмосферных и сейсмических помех. Такие волны испускают двойные звездные системы, вполне типичные обитатели Космоса. LISA также сможет регистрировать волны тяготения, возникшие при поглощении черными дырами обыкновенных звезд. А вот для детектирования реликтовых гравитационных волн, несущих информацию о состоянии материи в первые мгновения после Большого взрыва, скорее всего, потребуются более продвинутые космические инструменты. Такая установка, Big Bang Observer , сейчас обсуждается, однако вряд ли ее удастся создать и запустить ранее чем через 30-40 лет».
