Гравитационные волны — первый выход

12:55 2016-02-21 80 ligo волна гравитационные волны гравитационный масса

Рейтинг 3/5, всего 8 голосов

Две черные дыры вращаются друг вокруг друга. Обе имеют около 100 км в диаметре. Масса одной в 36 раз превышает массу Солнца, второй — в 29. Так они кружат по орбите на расстоянии около километра, разгоняясь все больше, почти до скорости света. Тогда их горизонты событий соприкасаются. В момент слияния и перераспределения квинтиллионов килограммов происходит мощная встряска. А дальше тишина. За какие-то доли секунды рождается новая, большая черная дыра.

Однако она меньше, чем должна была бы быть, если ориентироваться на сумму всех составляющих. Масса, равнозначна массе трех Солнц, превратилась в энергию в форме гравитационных волн: это колебания, под действием которых растягивается и сжимается пространство-время, а следовательно, и все на их пути. За последнюю пятую долю секунды слияния двух черных дыр, изображенное на иллюстрации, они выбросили в Космос в 50 раз больше энергии, чем остальная часть Вселенной в виде света, радиоволн, рентгеновских и гамма-лучей вкупе.

А 1,3 млрд лет спустя, в сентябре 2015-го, жители маленькой планеты, вращающейся вокруг желтого карлика Солнца, на объекте, известном как лазерно-інтерферометрична гравитационно-волновая обсерватория (LIGO), зафиксировали слабое эхо тех волн. Это эхо, названное GW150914 и представлено миру 11 февраля, — первая гравитационная волна, «пойманная» непосредственно учеными. Триумф, который готовился целый век, открывает новое окно во Вселенную, через которое ученые смогут заглянуть в доселе недоступные события, возможно, вплоть до Большого взрыва.

Рука на пульсаре

Концепция гравитационных волн возникла из общей теории относительности — фундаментального эйнштейновского объяснения гравитации, выдвинутого почти за 100 лет до открытия GW150914. Эйнштейн понял, что масса искривляет пространство и время вокруг себя. Гравитация — результат этого явления. Она обусловливает движение объектов вдоль изгибов искривленного массой пространства-времени. Сама идея проста, но решить уравнение, которым она обосновывается математически, чрезвычайно трудно. Решения можно найти только с помощью определенных приближений. Одно из них и подсказала Эйнштейну странное предсказание: любая масса, ускоряясь, предопределяет колебания в пространстве-времени.

Читайте также: Новая эпоха открытий

Эйнштейн этой идеей не был доволен: то отказывался от нее, то снова брался ее доказывать, заявляя о существовании таких волн или же, решив уравнение по-новому, отрицая их. Но пока он, а впоследствии другие ученые колебались в математическом измерении исследований, экспериментаторы принялись искать гипотетические волны: начали растягивать и сжимать материю в физическом измерении.

Трудности заключались в том, что эффект, который должны были бы зафиксировать, — это кратковременная смена измерений (эквивалент примерно тысячной части диаметра протона) в кількакілометровому пространстве исследовательских лабораторий. Ранее косвенные доказательства существования гравитационных волн уже находили. Один из самых известных способов измерения радиоизлучения пар мертвых звезд — пульсаров, которые вращаются друг вокруг друга. Из этого делали выводы о том, как между ними уменьшается расстояние за время, когда они посылают гравитационные волны в Космосе. Но сами волны поймать не удавалось до сооружения LIGO.

LIGO — это интерферометр. В основе его работы лежит расщепление лазерного луча надвое и направления вдоль двух одинаково длинных туннелей, расположенных под прямым углом относительно друг друга. Когда лучи отражаются, возвращаются и возз’єднуються, видно узор интерференции (см. «Поймать волну»). Если траектории двух половинок луча не нарушены, волны достигнут детектора синхронно. Но под действием гравитационной волны эти траектории то растягиваются, то сжимаются. Сбитые с ритма половинки луча будут взаимодействовать на детекторе в соответствии с тех деформаций. Образован в результате интерференционный узор содержит разнообразную информацию об источнике волны, в том числе и массы, которые ее обусловили, и расстояние, которое волна преодолела.

Чтобы совершенно удостовериться, что увиденное — это действительно гравитационная волна, все нужно очень тщательно анализировать. Во-первых, LIGO состоит, собственно, из двух объектов: в штатах Луизиана и Вашингтон. Гравитационной волной может быть только явление, которое наблюдается почти (но не совсем) одновременно на обоих из них. А еще почти все оборудование в туннелях интерферометров подвешено для максимальной изоляции от удаленных сейсмических колебаний и вибраций от транспорта.

Читайте также: Виктор Ставнюк: «ХХІ века, несмотря на информационность, склонность к практических, прикладных наук, будет гуманитарным»

Кроме того, для достижения необходимой чувствительности каждый тоннель каждого інферометра имеет длину 4 км, и расщепленный луч отражается от зеркал в обоих концах тоннеля по 100 раз, чтобы усилить любое отклонение, когда половинки луча снова соединяются. И даже при таких условиях с 2002 года, когда LIGO открыли, и до 2010-го, когда закрыли на модернизацию, ни одной волны не зарегистрировали.

Черная дырка от бублика

Благодаря модернизации — удвоению количества зеркал, совершенствованию системы подвешивания и увеличению мощности лазера в 75 раз — чувствительность обсерватории (названной после модернизации Advanced LIGO) выросла вчетверо. И это дало плоды почти сразу. Не успели операторы системы закончить осмотр объекта и ввести его официально в действие, как было зарегистрировано GW150914 — сначала в Луизиане, а за какую-то сотую долю секунды после того, как в Вашингтоне. Такая разница дает основания предположить, что источник взрыва был где-то в южном полушарии неба. С тех пор команда, которая проверяет вычисления, на седьмом небе от счастья. Как отметили ученые в журнале Physical Review Letters, вероятность того, что этот сигнал стал результатом случайного стечения обстоятельств, ничтожно мала.

Когда один результат появляется так быстро, за ним неминуемо должны последовать и другие, тем более что собраны за четыре месяца в рамках первого официального запуска данные еще не полностью проанализированы. По приблизительным подсчетам, там может быть еще один-два других сигналы, подобных по значению к GW150914.

Для гравитационной астрономии это только начало. Вскоре LIGO уже не будет единственной такой обсерваторией. До конца года к поискам должен присоединиться гравитационно-волновая обсерватория VIRGO в Италии. Еще одну строят в Японии, ведутся переговоры о постройке четвертой в Индии. Самые грандиозные планы —создание пятой обсерватории на орбите под названием «Усовершенствованная космическая антенна лазерного интерферометра», или же e-LISA (англ. Evolved Laser Interferometer Space Antenna). Первые элементы аппарата, который должен проверить концепцию антенны e-LISA, уже выведено в Космос.

Вместе все эти объекты образуют телескоп, с помощью которого астрономы смогут точно определять источник волн, что откроет новый этап в изучении Вселенной. С усовершенствованием технологий станут доступными для обнаружения волны низшей частоты (они соответствуют событиям с объектами больших масс). В конце концов, астрономы смогут заглянуть в первые 380 000 лет после Большого взрыва — в ту историческую эпоху, которая остается недоступной остальным современных телескопов.

Однако настоящий приз — доказать, что Эйнштейн ошибался. Несмотря на всю прозорливость, теория относительности, как известно, неполна, ибо не согласуется с другой великой физической теории XX века — квантовой механикой. Многие физики подозревают, что именно там, где экстремальные условия (и откуда идут гравитационные волны), как раз и можно найти первые трещины в теории относительности, а с ними и представление уже о какую-то универсальную теорию.

Гравитационные волны (в существовании которых Эйнштейн был очень не уверен) оказали прямое доказательство существования черных дыр (которые тоже долго не давали ему покоя) и еще могут поднять завесу тайны над Большим взрывом (его теория неспособна была описать, и он это знал). А теперь они способны помочь опровергнуть его теорию. Если это так, то эпитафия теории относительности может звучать вот как: предусмотрев гравитационные волны, она предсказала этим и свой конец.

© 2011 The Economist Newspaper Limited. All rights reserved

Перевод осуществлен с оригинала «украинской неделей», оригинал статьи опубликован на www.economist.com