Что означает открытие гравитационных волн для обычного человека? Гравитационные волны — открыты.

11 февраля 2016-го года международная группа ученых, в том числе из России, на пресс-конференции в Вашингтоне объявила об открытии, которое рано или поздно изменит развитие цивилизации. Удалось на практике доказать гравитационные волны или волны пространства-времени. Их существование предсказал еще 100 лет назад Альберт Эйнштейн в своей .

Никто не сомневается, что это открытие будет удостоено Нобелевской премии. Учёные не торопятся говорить о его практическом применении. Но напоминают, что еще совсем недавно человечество точно также не знало, что делать с электромагнитными волнами, которые в итоге привели к настоящей научно-технической революции.

Что такое гравитационные волны простым языком

Гравитация и всемирное тяготение – это одно и то же. Гравитационные волны являются одним из решений ОТС. Распространяться они должны со скоростью света. Излучает его любое тело, движущееся с переменным ускорением.

Например, вращается по своей орбите с переменным ускорением, направленным к звезде. И это ускорение постоянно изменяется. Солнечная система излучает энергию порядка нескольких киловатт в гравитационных волнах. Это ничтожная величина, сравнимая с 3 старыми цветными телевизорами.

Другое дело – два вращающихся вокруг друг друга пульсара (нейтронных звезды). Они вращаются по очень тесным орбитам. Такая «парочка» была обнаружена астрофизиками и наблюдалась долгое время. Объекты готовы были друг на друга упасть, что косвенно свидетельствовало, что пульсары излучают волны пространства-времени, то есть энергию в их поле.

Гравитация – сила тяготения. Нас тянет к земле. А суть гравитационной волны – изменение этого поля, чрезвычайно слабое, когда до нас доходит. К примеру, возьмем уровень воды в водоёме. Напряженность гравитационного поля — ускорение свободного падения в конкретной точке. По нашему водоёму бежит волна, и вдруг меняется ускорение свободного падения, совсем чуть-чуть.

Такие опыты начались в 60-е годы прошлого столетия. В ту пору придумывали так: подвешивали огромный алюминиевый цилиндр, охлажденный во избежание внутренних тепловых колебаний. И ждали, когда до нас внезапно дойдет волна от столкновения, например, двух массивных черных дыр. Исследователи были полны энтузиазма и говорили, что весь земной шар может испытать воздействие гравитационной волны, прилетевшей из космического пространства. Планета начнет колебаться, и можно будет изучить эти сейсмические волны (сжатия, сдвига и поверхностные).

Важная статья об устройстве простым языком, и как американцы и LIGO украли идею советских учёных и построили интроферометры, позволившие сделать открытие. Никто не говорит об этом, все молчат!

Между прочим, гравитационное излучение больше интересно с позиции реликтового излучения, найти которое пытаются по изменению спектра электромагнитного излучения. Реликтовое и электромагнитное излучение появились 700 тыс. лет после Большого взрыва, затем в процессе расширения вселенной, заполненной горячим газом с бегающими ударными волнами, превратившимися позже в галактики. При этом, естественно, должны были излучаться гигантское, умопомрачительное количество волн пространства-времени, влияющих на длину волны реликтового излучения, которое в то время еще было оптическим. Отечественный астрофизик Сажин пишет и регулярно публикует статьи на эту тему.

Неверная интерпретация открытия гравитационных волн

«Висит зеркало, на него действует гравитационная волна, и оно начинает колебаться. И даже самые незначительные колебания амплитудой меньше размера атомного ядра замечаются приборами» — такая неверная интерпретация, например, используется в статье Википедии. Не поленитесь, найдите статью советских учёных 1962 года.

Во-первых, зеркало должно быть массивным, чтобы почувствовать «рябь». Во-вторых, его нужно охлаждать практически до абсолютного нуля (по Кельвину), чтобы избежать собственных тепловых колебаний. Скорее всего не то что в 21 веке, а вообще никогда не удастся обнаружить элементарную частицу — носителя гравитационных волн:

Гравитационные волны – изображение художника

Гравитационные волны - возмущения метрики пространства-времени, отрывающиеся от источника и распространяющиеся подобно волнам (так называемая «рябь пространства-времени»).

В общей теории относительности и в большинстве других современных теорий гравитации гравитационные волны порождаются движением массивных тел с переменным ускорением. Гравитационные волны свободно распространяются в пространстве со скоростью света. Ввиду относительной слабости гравитационных сил (по сравнению с прочими) эти волны имеют весьма малую величину, с трудом поддающуюся регистрации.

Поляризованная гравитационная волна

Гравитационные волны предсказываются общей теорией относительности (ОТО), многими другими . Впервые они были непосредственно обнаружены в сентябре 2015 года двумя детекторами-близнецами , на которых были зарегистрированы гравитационные волны, возникшие, вероятно, в результате слияния двух и образования одной более массивной вращающейся чёрной дыры. Косвенные свидетельства их существования были известны с 1970-х годов - ОТО предсказывает совпадающие с наблюдениями темпы сближения тесных систем за счёт потери энергии на излучение гравитационных волн. Прямая регистрация гравитационных волн и их использование для определения параметров астрофизических процессов является важной задачей современной физики и астрономии.

В рамках ОТО гравитационные волны описываются решениями уравнений Эйнштейна волнового типа, представляющими собой движущееся со скоростью света (в линейном приближении) возмущение метрики пространства-времени. Проявлением этого возмущения должно быть, в частности, периодическое изменение расстояния между двумя свободно падающими (то есть не испытывающими влияния никаких сил) пробными массами. Амплитудой h гравитационной волны является безразмерная величина - относительное изменение расстояния. Предсказываемые максимальные амплитуды гравитационных волн от астрофизических объектов (например, компактных двойных систем) и явлений (взрывов , слияний , захватов чёрными дырами и т. п.) при измерениях в весьма малы (h =10 −18 -10 −23). Слабая (линейная) гравитационная волна согласно общей теории относительности переносит энергию и импульс, двигается со скоростью света, является поперечной, квадрупольной и описывается двумя независимыми компонентами, расположенными под углом 45° друг к другу (имеет два направления поляризации).

Различные теории по-разному предсказывают скорость распространения гравитационных волн. В общей теории относительности она равна скорости света (в линейном приближении). В других теориях гравитации она может принимать любые значения, в том числе до бесконечности. По данным первой регистрации гравитационных волн их дисперсия оказалась совместимой с безмассовым гравитоном, а скорость оценена как равная скорости света.

Генерация гравитационных волн

Система из двух нейтронных звезд порождает рябь пространства-времени

Гравитационную волну излучает любая материя, движущаяся с асимметричным ускорением. Для возникновения волны существенной амплитуды необходимы чрезвычайно большая масса излучателя или/и огромные ускорения, амплитуда гравитационной волны прямо пропорциональна первой производной ускорения и массе генератора, то есть ~ . Однако если некоторый объект движется ускоренно, то это означает, что на него действует некоторая сила со стороны другого объекта. В свою очередь, этот другой объект испытывает обратное действие (по 3-му закону Ньютона), при этом оказывается, что m 1 a 1 = − m 2 a 2 . Получается, что два объекта излучают гравитационные волны только в паре, причём в результате интерференции они взаимно гасятся почти полностью. Поэтому гравитационное излучение в общей теории относительности всегда носит по мультипольности характер как минимум квадрупольного излучения. Кроме того, для нерелятивистских излучателей в выражении для интенсивности излучения имеется малый параметр где - гравитационный радиус излучателя, r - его характерный размер, T - характерный период движения, c - скорость света в вакууме.

Наиболее сильными источниками гравитационных волн являются:

• сталкивающиеся (гигантские массы, очень небольшие ускорения),
• гравитационный коллапс двойной системы компактных объектов (колоссальные ускорения при довольно большой массе). Как частный и наиболее интересный случай - слияние нейтронных звёзд. У такой системы гравитационно-волновая светимость близка к максимально возможной в природе планковской светимости.

Гравитационные волны, излучаемые системой двух тел

Два тела, движущиеся по круговым орбитам вокруг общего центра масс

Два гравитационно связанных тела с массами m 1 и m 2 , движущиеся нерелятивистски (v << c ) по круговым орбитам вокруг их общего центра масс на расстоянии r друг от друга, излучают гравитационные волны следующей энергии, в среднем за период:

Вследствие этого система теряет энергию, что приводит к сближению тел, то есть к уменьшению расстояния между ними. Скорость сближения тел:

Для Солнечной системы, например, наибольшее гравитационное излучение производит подсистема и . Мощность этого излучения примерно 5 киловатт. Таким образом, энергия, теряемая Солнечной системой на гравитационное излучение за год, совершенно ничтожна по сравнению с характерной кинетической энергией тел.

Гравитационный коллапс двойной системы

Любая двойная звезда при вращении её компонент вокруг общего центра масс теряет энергию (как предполагается - за счёт излучения гравитационных волн) и, в конце концов, сливается воедино. Но для обычных, некомпактных, двойных звёзд этот процесс занимает очень много времени, много большее настоящего возраста . Если же двойная компактная система состоит из пары нейтронных звёзд, чёрных дыр или их комбинации, то слияние может произойти за несколько миллионов лет. Сначала объекты сближаются, а их период обращения уменьшается. Затем на заключительном этапе происходит столкновение и несимметричный гравитационный коллапс. Этот процесс длится доли секунды, и за это время в гравитационное излучение уходит энергия, составляющая по некоторым оценкам более 50 % от массы системы.

Основные точные решения уравнений Эйнштейна для гравитационных волн

Объёмные волны Бонди - Пирани - Робинсона

Эти волны описываются метрикой вида . Если ввести переменную и функцию , то из уравнений ОТО получим уравнение

Метрика Такено

имеет вид , -функции, удовлетворяют тому же уравнению.

Метрика Розена

Где удовлетворяют

Метрика Переса

При этом

Цилиндрические волны Эйнштейна - Розена

В цилиндрических координатах такие волны имеют вид и выполняются

Регистрация гравитационных волн

Регистрация гравитационных волн достаточно сложна ввиду слабости последних (малого искажения метрики). Приборами для их регистрации являются детекторы гравитационных волн. Попытки обнаружения гравитационных волн предпринимаются с конца 1960-х годов. Гравитационные волны детектируемой амплитуды рождаются при коллапсе двойного . Подобные события происходят в окрестностях ориентировочно раз в десятилетие.

С другой стороны, общая теория относительности предсказывает ускорение взаимного вращения двойных звёзд из-за потери энергии на излучение гравитационных волн, и этот эффект надёжно зафиксирован в нескольких известных системах двойных компактных объектов (в частности, пульсаров с компактными компаньонами). В 1993 году «за открытие нового типа пульсаров, давшее новые возможности в изучении гравитации» открывателям первого двойного пульсара PSR B1913+16 Расселу Халсу и Джозефу Тейлору мл. была присуждена Нобелевская премия по физике. Ускорение вращения, наблюдаемое в этой системе, полностью совпадает с предсказаниями ОТО на излучение гравитационных волн. Такое же явление зафиксировано ещё в нескольких случаях: для пульсаров PSR J0737-3039, PSR J0437-4715, SDSS J065133.338+284423.37 (обычно сокращённо J0651) и системы двойных RX J0806. Например, расстояние между двумя компонентами A и B первой двойной звезды из двух пульсаров PSR J0737-3039 уменьшается примерно на 2,5 дюйма (6,35 см) в день из-за потерь энергии на гравитационные волны, причём это происходит в согласии с ОТО. Все эти данные интерпретируются как непрямые подтверждения существования гравитационных волн.

По оценкам наиболее сильными и достаточно частыми источниками гравитационных волн для гравитационных телескопов и антенн являются катастрофы, связанные с коллапсами двойных систем в ближайших галактиках. Ожидается, что в ближайшем будущем на усовершенствованных гравитационных детекторах будет регистрироваться несколько подобных событий в год, искажающих метрику в окрестности на 10 −21 -10 −23 . Первые наблюдения сигнала оптико-метрического параметрического резонанса, позволяющего обнаружить воздействие гравитационных волн от периодических источников типа тесной двойной на излучение космических мазеров, возможно, были получены на радиоастрономической обсерватории РАН, Пущино.

Ещё одной возможностью детектирования фона гравитационных волн, заполняющих Вселенную, является высокоточный тайминг удалённых пульсаров - анализ времени прихода их импульсов, которое характерным образом изменяется под действием проходящих через пространство между Землёй и пульсаром гравитационных волн. По оценкам на 2013 год, точность тайминга необходимо поднять примерно на один порядок, чтобы можно было задетектировать фоновые волны от множества источников в нашей Вселенной, и эта задача может быть решена до конца десятилетия.

Согласно современным представлениям, нашу Вселенную заполняют реликтовые гравитационные волны, появившиеся в первые моменты после . Их регистрация позволит получить информацию о процессах в начале рождения Вселенной. 17 марта 2014 года в 20:00 по московскому времени в Гарвард-Смитсоновском центре астрофизики американской группой исследователей, работающей над проектом BICEP 2, было объявлено о детектировании по поляризации реликтового излучения ненулевых тензорных возмущений в ранней Вселенной, что также является открытием этих реликтовых гравитационных волн. Однако почти сразу этот результат был оспорен, поскольку, как выяснилось, не был должным образом учтён вклад . Один из авторов, Дж. М. Ковац (Kovac J. M. ), признал, что «с интерпретацией и освещением данных эксперимента BICEP2 участники эксперимента и научные журналисты немного поторопились».

Экспериментальное подтверждение существования

Первый зафиксированный гравитационно-волновой сигнал. Слева данные с детектора в Хэнфорде (H1), справа - в Ливингстоне (L1). Время отсчитывается от 14 сентября 2015, 09:50:45 UTC. Для визуализации сигнала он отфильтрован частотным фильтром с полосой пропускания 35-350 Герц для подавления больших флуктуаций вне диапазона высокой чувствительности детекторов, также были применены полосовые режекторные фильтры для подавления шума самих установок. Верхний ряд: напряжения h в детекторах. GW150914 сначала прибыл на L1 и через 6 9 +0 5 −0 4 мс на H1; для визуального сравнения данные с H1 показаны на графике L1 в обращённом и сдвинутом по времени виде (чтобы учесть относительную ориентацию детекторов). Второй ряд: напряжения h от гравитационно-волнового сигнала, пропущенные через такой же полосный фильтр 35-350 Гц. Сплошная линия - результат численной относительности для системы с параметрами, совместимыми с найденными на базе изучения сигнала GW150914, полученный двумя независимыми кодами с результирующим совпадением 99,9. Серые толстые линии - области 90 % доверительной вероятности формы сигнала, восстановленные из данных детекторов двумя различными методами. Тёмно-серая линия моделирует ожидаемые сигналы от слияния чёрных дыр, светло-серая не использует астрофизических моделей, а представляет сигнал линейной комбинацией синусоидально-гауссовых вэйвлетов. Реконструкции перекрываются на 94 %. Третий ряд: Остаточные ошибки после извлечения отфильтрованного предсказания сигнала численной относительности из отфильтрованного сигнала детекторов. Нижний ряд: представление частотной карты напряжений, показывающее возрастание доминирующей частоты сигнала со временем.

11 февраля 2016 года коллаборациями LIGO и VIRGO. Сигнал слияния двух чёрных дыр с амплитудой в максимуме около 10 −21 был зарегистрирован 14 сентября 2015 года в 9:51 UTC двумя детекторами LIGO в Хэнфорде и Ливингстоне через 7 миллисекунд друг от друга, в области максимальной амплитуды сигнала (0,2 секунды) комбинированное отношение сигнал-шум составило 24:1. Сигнал был обозначен GW150914. Форма сигнала совпадает с предсказанием общей теории относительности для слияния двух чёрных дыр массами 36 и 29 солнечных; возникшая чёрная дыра должна иметь массу 62 солнечные и параметр вращения a = 0,67. Расстояние до источника около 1,3 миллиарда , излучённая за десятые доли секунды в слиянии энергия - эквивалент около 3 солнечных масс.

История

История самого термина «гравитационная волна», теоретического и экспериментального поиска этих волн, а также их использования для исследований явлений недоступных иными методам.

• 1900 - Лоренц предположил, что гравитация «…может распространятся со скоростью, не большей скорости света»;
• 1905 - Пуанкаре впервые ввёл термин гравитационная волна (onde gravifique). Пуанкаре, на качественном уровне, снял устоявшиеся возражения Лапласа и показал, что связанные с гравитационными волнами поправки к общепринятым законам тяготения Ньютона порядка сокращаются, таким образом, предположение о существовании гравитационных волн не противоречит наблюдениям;
• 1916 - Эйнштейн показал, что в рамках ОТО механическая система будет передавать энергию гравитационным волнам и, грубо говоря, любое вращение относительно неподвижных звёзд должно рано или поздно остановиться, хотя, конечно, в обычных условиях потери энергии порядка ничтожны и практически не поддаются измерению (в этой работе он ещё ошибочно полагал, что механическая система, постоянно сохраняющая сферическую симметрию, может излучать гравитационные волны);
• 1918 - Эйнштейн вывел квадрупольную формулу, в которой излучение гравитационных волн оказывается эффектом порядка , тем самым исправив ошибку в своей предыдущей работе (осталась ошибка в коэффициенте, энергия волны в 2 раза меньше);
• 1923 - Эддингтон - поставил под сомнение физическую реальность гравитационных волн «…распространяются… со скоростью мысли». В 1934 году, при подготовке русского перевода своей монографии «Теория относительности», Эддингтон добавил несколько глав, включая главы с двумя вариантами расчётов потерь энергии вращающимся стержнем, но отметил, что использованные методы приближенных расчётов ОТО, по его мнению, неприменимы к гравитационно связанным системам, поэтому сомнения остаются;
• 1937 - Эйнштейн совместно с Розеном исследовал цилиндрические волновые решения точных уравнений гравитационного поля. В ходе этих исследований у них возникли сомнения, что гравитационные волны, возможно, являются артефактом приближенных решений уравнений ОТО (известна переписка относительно рецензии на статью Эйнштейна и Розена «Существуют ли гравитационные волны?»). Позднее он нашёл ошибку в рассуждениях, окончательный вариант статьи с фундаментальными правками был опубликован уже в «Journal of the Franklin Institute»;
• 1957 - Герман Бонди и Ричард Фейнман предложили мысленный эксперимент «трость с бусинками» в котором обосновали существование физических последствий гравитационных волн в ОТО;
• 1962 - Владислав Пустовойт и Михаил Герценштейн описали принципы использования интерферометров для обнаружения длинноволновых гравитационных волн;
• 1964 - Филип Петерс и Джон Мэтью теоретически описали гравитационные волны, излучаемые двойными системами;
• 1969 - Джозеф Вебер, основатель гравитационно-волновой астрономии, сообщает об обнаружении гравитационных волн с помощью резонансного детектора - механической гравитационной антенны. Эти сообщения порождают бурный рост работ в этом направлении, в частности, Ренье Вайс, один из основателей проекта LIGO, начал эксперименты в то время. На настоящий момент (2015) никому так и не удалось получить надёжных подтверждений этих событий;
• 1978 - Джозеф Тейлор сообщил об обнаружении гравитационного излучения в двойной системе пульсара PSR B1913+16. Исследования Джозефа Тейлора и Рассела Халса заслужили Нобелевскую премию по физике за 1993 год. На начало 2015 года три пост-кеплеровских параметра, включающих уменьшение периода вследствие излучения гравитационных волн, было измерено, как минимум, для 8 подобных систем;
• 2002 - Сергей Копейкин и Эдвард Фомалонт произвели с помощью радиоволной интерферометрии со сверхдлинной базой измерения отклонения света в гравитационном поле Юпитера в динамике, что для некоторого класса гипотетических расширений ОТО позволяет оценить скорость гравитации - отличие от скорости света не должно превышать 20 % (данная трактовка не общепринята);
• 2006 - международная команда Марты Бургей (Обсерватория Паркса, Австралия) сообщила о существенно более точных подтверждениях ОТО и соответствия ей величины излучения гравитационных волн в системе двух пульсаров PSR J0737-3039A/B;
• 2014 - астрономы Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики (BICEP) сообщили об обнаружении первичных гравитационных волн при измерениях флуктуаций реликтового излучения. На настоящий момент (2016) обнаруженные флуктуации считаются не имеющими реликтового происхождения, а объясняются излучением пыли в Галактике;
• 2016 - международная команда LIGO сообщила об обнаружении события прохождения гравитационных волн GW150914. Впервые сообщено о прямом наблюдении взаимодействующих массивных тел в сверхсильных гравитационных полях со сверхвысокими относительными скоростями (< 1,2 × R s , v/c > 0.5), что позволило проверить корректность ОТО с точностью до нескольких постньютоновских членов высоких порядков. Измеренная дисперсия гравитационных волн не противоречит сделанным ранее измерениям дисперсии и верхней границы массы гипотетического гравитона (< 1,2 × 10 −22 эВ), если он в некотором гипотетическом расширении ОТО будет существовать.



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. 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 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 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 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, прошлого года о прямой регистрации предсказанного Эйнштейном явления было объявлено мировому сообществу.

Факт, иллюстрирующий титаническую работу исследователей: амплитуда колебаний размеров плеч интерферометров составила 10 -19 м - 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.

«Не так давно сильный интерес научной общественности вызвала серия долгосрочных экспериментов по непосредственному наблюдению гравитационных волн, — писал специалист в области теоретической физики Митио Каку в книге «Космос Эйнштейна» в 2004 году. — Проект LIGO («Лазерный интерферометр для наблюдения гравитационных волн»), возможно, окажется первым, в ходе которого удастся «увидеть» гравитационные волны, скорее всего, от столкновения двух черных дыр в дальнем космосе. LIGO — сбывшаяся мечта физика, первая установка достаточной мощности для измерения гравитационных волн».

Предсказание Каку сбылось: в четверг группа международных ученых из обсерватории LIGO объявила об открытии гравитационных волн.

Гравитационные волны — это колебания пространства-времени, которые «убегают» от массивных объектов (например, черных дыр), движущихся с ускорением. Иными словами, гравитационные волны — это распространяющееся возмущение пространства-времени, бегущая деформация абсолютной пустоты.

Черная дыра — это область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть ее не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света (и сам свет в том числе). Граница, отделяющая черную дыру от всего остального мира, называется горизонтом событий: все, что происходит внутри горизонта событий, скрыто от глаз внешнего наблюдателя.

Erin Ryan Снимок торта, выложенный в сеть Эрин Райан.

Ловить гравитационные волны ученые начали еще полвека назад: именно тогда американский физик Джозеф Вебер увлекся общей теорией относительности Эйнштейна (ОТО), взял творческий отпуск и стал изучать гравитационные волны. Вебер изобрел первое приспособление, детектирующее гравитационные волны, и вскоре заявил, что зафиксировал «звучание гравитационных волн». Впрочем, научное сообщество опровергло его сообщение.

Однако именно благодаря Джозефу Веберу множество ученых превратилось в «охотников за волнами». Сегодня Вебер считается отцом научного направления гравитационно-волновой астрономии.

«Это — начало новой эры гравитационной астрономии»

Обсерватория LIGO, в которой ученые зафиксировали гравитационные волны, состоит из трех лазерных установок в США: две находятся в штате Вашингтон и одна — в штате Луизиана. Вот как описывает работу лазерных детекторов Митио Каку: «Лазерный луч расщепляется на два отдельных луча, которые далее идут перпендикулярно друг другу. Затем, отразившись от зеркала, они вновь соединяются. Если через интерферометр (измерительный прибор) пройдет гравитационная волна, длины путей двух лазерных лучей претерпят возмущение и это отразится в их интерференционной картине. Чтобы убедиться в том, что сигнал, зарегистрированный лазерной установкой, не случаен, детекторы следует разместить в разных точках Земли.

Только под действием гигантской гравитационной волны, намного превышающей по размеру нашу планету, все детекторы сработают одновременно».

Сейчас коллаборация LIGO зафиксировала гравитационное излучение, вызванное слиянием двойной системы черных дыр с массами 36 и 29 солнечных масс в объект массой 62 массы Солнца. «Это первое прямое (очень важно, что это прямое!) измерение действия гравитационных волн, — дал комментарий корреспонденту отдела науки «Газеты.Ru» профессор физического факультета МГУ Сергей Вятчанин. — То есть принят сигнал от астрофизической катастрофы слияния двух черных дыр. И этот сигнал идентифицирован — это тоже очень важно! Понятно, что это от двух черных дыр. И это есть начало новой эры гравитационной астрономии, которая позволит получать информацию о Вселенной не только через оптические, рентгеновские, электромагнитные и нейтринные источники — но еще и через гравитационные волны.

Можно сказать, что процентов на 90 черные дыры перестали быть гипотетическими объектами. Некоторая доля сомнения остается, но все-таки сигнал, который пойман, уж больно хорошо ложится на то, что предсказывают бесчисленные моделирования слияния двух черных дыр в соответствии с общей теорией относительности.

Это является сильным доводом того, что черные дыры существуют. Другого объяснения такому сигналу пока нет. Поэтому принимается, что черные дыры существуют».

«Эйнштейн был бы очень счастлив»

Гравитационные волны в рамках своей общей теории относительности предсказал Альберт Эйнштейн (который, кстати, скептически относился к существованию черных дыр). В ОТО к трем пространственным измерениям добавляется время, и мир становится четырехмерным. Согласно теории, перевернувшей с ног на голову всю физику, гравитация — это следствие искривления пространства-времени под воздействием массы.

Эйнштейн доказал, что любая материя, движущаяся с ускорением, создает возмущение пространства-времени — гравитационную волну. Это возмущение тем больше, чем выше ускорение и масса объекта.

Из-за слабости гравитационных сил по сравнению с другими фундаментальными взаимодействиями эти волны должны иметь весьма малую величину, с трудом поддающуюся регистрации.

Объясняя ОТО гуманитариям, физики часто просят их представить натянутый лист резины, на который опускают массивные шарики. Шарики продавливают резину, и натянутый лист (который олицетворяет пространство-время) деформируется. Согласно ОТО, вся Вселенная — это резина, на которой каждая планета, каждая звезда и каждая галактика оставляют вмятины. Наша Земля вращается вокруг Солнца словно маленький шарик, пущенный кататься вокруг конуса воронки, образованной в результате «продавливания» пространства-времени тяжелым шаром.

HANDOUT/Reuters

Тяжелый шар — это и есть Солнце

Вполне вероятно, что открытие гравитационных волн, являющееся главным подтверждением теории Эйнштейна, претендует на Нобелевскую премию по физике. «Эйнштейн был бы очень счастлив», — сказала Габриэлла Гонсалез, представитель коллаборации LIGO.

По словам ученых, пока рано говорить о практической применимости открытия. «Хотя разве Генрих Герц (немецкий физик, доказавший существование электромагнитных волн. — «Газета.Ru») мог подумать, что будет мобильный телефон? Нет! Мы сейчас ничего не можем представить, — рассказал Валерий Митрофанов, профессор физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова. — Я ориентируюсь на фильм «Интерстеллар». Его критикуют, да, но вообразить ковер-самолет мог даже дикий человек. И ковер-самолет реализовался в самолет, и все. А здесь уже нужно представить что-то очень сложное. В «Интерстелларе» один из моментов связан с тем, что человек может путешествовать из одного мира в другой. Если так представить, то верите ли вы, что человек может путешествовать из одного мира в другой, что может быть много вселенных — все, что угодно? Я не могу ответить «нет». Потому что физик не может ответить на такой вопрос «нет»! Только если это противоречит каким-то законам сохранения! Есть варианты, которые не противоречат известным физическим законам. Значит, путешествия по мирам могут быть!»

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 ). 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 = 3·10 21 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. 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

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 3,6·10 56 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.

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, . 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 .
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 .
6) В. Б. Брагинский. Гравитационно-волновая астрономия: новые методы измерений // УФН . 2000. Т. 170. С. 743–752.
7) Peter R. Saulson.