Гравитационные волны. Инструкция для "чайников"

Напомним, на днях ученые LIGO объявили о крупном прорыве в области физики, астрофизики и нашего изучения Вселенной: открытие гравитационных волн, предсказанных еще Альбертом Эйнштейном 100 лет назад. Ресурсу Gizmodo удалось найти доктора Эмбер Ставер из обсерватории Ливингстона в Луизиане, коллаборации LIGO, и подробно расспросить о том, что это значит для физики. Понимаем, что за несколько статей к глобальному пониманию нового способа постигать наш мир прийти будет сложновато, но будем стараться.

Была проведена огромная работа по обнаружению одной-единственной гравитационной волны к настоящему времени, и это стало крупным прорывом. Похоже, открывается масса новых возможностей для астрономии - но является ли это первое обнаружение «простым» доказательством того, что обнаружение возможно само по себе, или вы уже можете извлекать из него дальнейшие научные достижения? Что вы надеетесь получить от этого в будущем? Появятся ли методы обнаружения этих волн попроще в будущем?

Это действительно первое обнаружение, прорыв, но целью всегда было использовать гравитационные волны, чтобы делать новую астрономию. Вместо того чтобы искать во Вселенной видимый свет, теперь мы можем чувствовать едва заметные изменения в гравитации, которые вызываются крупнейшими, сильнейшими и (на мой взгляд) наиболее интересными вещами во Вселенной - включая и те, информацию о которых мы никогда не смогли бы получить с помощью света.

Мы смогли применить этот новый тип астрономии к волнам первого обнаружения. Используя то, что мы уже знаем об ОТО (общей теории относительности), мы смогли предсказать, на что похожи гравитационные волны объектов вроде черных дыр или нейтронных звезд. Сигнал, который мы обнаружили, соответствует предсказанному для пары черных дыр, одна из которых в 36, а другая в 29 раз массивнее Солнца, закручивающихся по мере приближения друг к другу. Наконец, они сливаются в одну черную дыру. Так что это не только первое обнаружение гравитационных волн, но и первое прямое наблюдение черных дыр, ведь их нельзя наблюдать с помощью света (только по веществу, которое вращается вокруг них).

Почему вы уверены, что посторонние эффекты (вроде вибрации) не влияют на результаты?

В LIGO мы записываем гораздо больше данных, связанных с нашей окружающей средой и оборудованием, чем данных, которые могут содержать гравитационно-волновой сигнал. Причина этого в том, что мы хотим быть максимально уверены в том, что нас не водят за нос посторонние эффекты и не вводят в заблуждение относительно обнаружения гравитационной волны. Если в момент обнаружения сигнала гравитационной волны мы почувствуем ненормальную почву, скорее всего, мы откажемся от этого кандидата.

Видео: Вкратце о гравитационных волнах

Другая мера, которую мы предпринимаем, чтобы не увидеть что-то случайное, заключается в том, что оба детектора LIGO должны увидеть один и тот же сигнал с промежутком времени, которое необходимо для перемещения гравитационной волны между двумя объектами. Максимальное время для такого путешествия - примерно 10 миллисекунд. Чтобы убедиться в возможном обнаружении, мы должны увидеть сигналы одной формы, почти в одно время, и данные, которые мы собираем о нашей окружающей среде, должны быть лишены аномалий.

Есть много других тестов, которые проходит кандидат, но это основные.

Существует ли практический способ генерировать гравитационные волны, которые могут быть обнаружены с помощью подобных устройств? Сможем ли мы построить гравитационное радио или лазер?

Вы предлагаете то же, что Генрих Герц сделал в конце 1880-х для обнаружения электромагнитных волн в форме радиоволн. Но гравитация - самая слабая из фундаментальных сил, которые удерживают Вселенную вместе. По этой причине, движение масс в лаборатории или на другом объекте с целью создания гравитационных волн будет слишком слабым, чтобы его мог уловить даже такой детектор, как LIGO. Чтобы создать достаточно сильные волны, нам придется раскрутить гантель с такой скоростью, что она разорвет любой известный материал. Но во Вселенной много крупных объемов массы, которая движется чрезвычайно быстро, поэтому мы строим детекторы, которые будут заниматься их поиском.

Изменит ли это подтверждение наше будущее? Сможем ли мы использовать силу этих волн для исследования космического пространства? Будет ли возможность общаться с помощью этих волн?

Из-за количества массы, которая должна двигаться с чрезвычайной скоростью, чтобы производить гравитационные волны, которые способны обнаружить детекторы вроде LIGO, единственным известным механизмом этого являются пары нейтронных звезд или черных дыр, вращающихся перед слиянием (могут быть и другие источники). Шансы того, что это некая продвинутая цивилизация манипулирует веществом, чрезвычайно малы. Лично я не думаю, что будет прекрасно обнаружить цивилизацию, способную использовать гравитационные волны как средство общения, поскольку она сможет играючи прикончить нас.

Когерентны ли гравитационные волны? Можно ли сделать их когерентными? Можно ли сфокусировать их? Что будет с массивным объектом, на который воздействует сфокусированный пучок гравитации? Можно ли использовать этот эффект для улучшения ускорителей частиц?

Некоторые виды гравитационных волн могут быть когерентны. Представим нейтронную звезду, которая почти идеально сферическая. Если она вращается быстро, небольшие деформации менее дюйма будут производить гравитационные волны определенной частоты, что будет делать их когерентными. Но сфокусировать гравитационные волны весьма трудно, поскольку Вселенная прозрачна для них; гравитационные волны проходят через материю и выходят неизменными. Вам нужно изменить путь по меньшей мере части гравитационных волн, чтобы их сфокусировать. Возможно, экзотическая форма гравитационного линзирования сможет хотя бы частично сфокусировать гравитационные волны, но будет сложно, если вообще возможно, их использовать. Если их можно будет сфокусировать, они по-прежнему будут настолько слабыми, что я не представляю никакого практического применения оных. Но также говорили и о лазерах, которые по сути просто сфокусированный когерентный свет, так что кто его знает.

Какова скорость гравитационной волны? Есть ли у нее масса? Если нет, может ли она двигаться быстрее скорости света?

Гравитационные волны, как полагают, движутся со скоростью света. Это скорость, ограниченная общей теорией относительности. Но эксперименты вроде LIGO должны это проверить. Возможно, они движутся чуть медленнее скорости света. Если так, то теоретическая частица, которую ассоциируют с гравитацией, гравитон, будет обладать массой. Поскольку гравитация сама по себе действует между массами, это добавит теории сложности. Но не невозможности. Мы используем бритву Оккама: простейшее объяснение, как правило, является самым верным.

Как далеко нужно быть от слияния черных дыр, чтобы суметь о них рассказать?

В случае с нашими бинарными черными дырами, которые мы обнаружили по гравитационным волнам, они произвели максимальное изменение длины наших 4-километровых рукавов на 1х10 -18 метра (это 1/1000 диаметра протона). Мы также считаем, что эти черные дыры в 1,3 миллиарда световых лет от Земли.

Теперь предположим, что наш рост два метра и мы плаваем на расстоянии Земли до Солнца от черной дыры. Думаю, вы испытали бы попеременное сплющивание и растяжение примерно на 165 нанометров (ваш рост изменяется на большее значение в течение суток). Это можно пережить.

Если использовать новый способ услышать космос, что больше всего интересует ученых?

Потенциал до конца неизвестен, в том смысле, что может быть куда больше мест, чем мы думали. Чем больше мы узнаем о Вселенной, тем лучше мы сможем отвечать на ее вопросы при помощи гравитационных волн. К примеру, на эти:

• Что является причиной гамма-всплесков?
• Как вещество ведет себя в экстремальных условиях коллапсирующей звезды?
• Какими были первые мгновения после Большого Взрыва?
• Как ведет себя вещество в нейтронных звездах?

Но мне больше интересно, что из неожиданного можно обнаружить с помощью гравитационных волн. Каждый раз, когда люди наблюдали Вселенную по-новому, мы открывали много неожиданных вещей, которые переворачивали наше представление о Вселенной. Я хочу найти эти гравитационные волны и обнаружить что-то, о чем мы понятия не имели раньше.

Поможет ли это нам сделать настоящий варп-двигатель?

Поскольку гравитационные волны слабо взаимодействуют с веществом, их вряд ли можно использовать для движения этого вещества. Но даже если бы вы могли, гравитационная волна движется всего лишь со скоростью света. Для варп-двигателя они не подойдут. Хотя было бы круто.

Как насчет антигравитационных устройств?

Чтобы создать антигравитационное устройство, нам нужно превратить силу притяжения в силу отталкивания. И хотя гравитационная волна распространяет изменения гравитации, это изменение никогда не будет отталкивающим (или отрицательным).

Гравитация всегда притягивает, поскольку отрицательной массы, похоже, не существует. В конце концов, существует положительный и отрицательный заряд, северный и южный магнитный полюс, но только положительная масса. Почему? Если бы отрицательная масса существовала, шар вещества падал бы вверх, а не вниз. Он бы отталкивался от положительной массы Земли.

Что это означает для возможности путешествий во времени и телепортации? Можем ли мы найти практическое применение этому явлению, кроме изучения нашей Вселенной?

Сейчас лучший способ путешествия во времени (и только в будущее) - это путешествовать с околосветовой скоростью (вспомним парадокс близнецов в ОТО) либо отправиться в область с повышенной гравитацией (такого рода путешествие во времени было продемонстрировано в «Интерстелларе»). Поскольку гравитационная волна распространяет изменения в гравитации, будут рождаться и очень малые флуктуации в скорости времени, но поскольку гравитационные волны по сути слабые, слабые также и временные флуктуации. И хотя я не думаю, что можно применить это к путешествиям во времени (или телепортации), никогда не говори никогда (спорю, у вас перехватило дыхание).

Настанет ли день, когда мы перестанем подтверждать Эйнштейна и снова начнем поиски странных вещей?

Конечно! Поскольку гравитация самая слабая из сил, с ней также трудно экспериментировать. До сих пор каждый раз, когда ученые подвергали ОТО проверке, они получали точно спрогнозированные результаты. Даже обнаружение гравитационных волн в очередной раз подтвердило теорию Эйнштейна. Но я полагаю, когда мы начнем проверять мельчайшие детали теории (может, с гравитационными волнами, может, с другим), мы будем находить «забавные» вещи, вроде не совсем точного совпадения результата эксперимента с прогнозом. Это не будет означать ошибочность ОТО, лишь необходимость уточнения ее деталей.

Видео: Как гравитационные волны взорвали интернет?

Каждый раз, когда мы отвечаем на один вопрос о природе, появляются новые. В конце концов, у нас появятся вопросы, которые будет круче, чем ответы, которые может позволить ОТО.

Можете ли вы объяснить, как это открытие может быть связано или повлияет на теорию единого поля? Мы оказались ближе к ее подтверждению или же развенчанию?

Сейчас результаты сделанного нами открытия в основном посвящают проверке и подтверждению ОТО. Единая теория поля ищет способ создать теорию, которая объяснит физику очень малого (квантовая механика) и очень большого (общая теория относительности). Сейчас эти две теории можно обобщить, чтобы объяснить масштабы мира, в котором мы живем, но не более. Поскольку наше открытие сосредоточено на физике очень большого, само по себе оно мало продвинет нас в направлении единой теории. Но вопрос не в этом. Сейчас только-только родилась область гравитационно-волновой физики. Когда мы узнаем больше, мы обязательно расширим наши результаты и в области единой теории. Но перед пробежкой нужно пройтись.

Теперь, когда мы слушаем гравитационные волны, что должны услышать ученые, чтобы буквально выс*ать кирпич? 1) Неестественные паттерны/структуры? 2) Источники гравитационных волн из регионов, которые мы считали пустыми? 3) Rick Astley - Never gonna give you up?

Когда я прочитала ваш вопрос, я сразу вспомнила сцену из «Контакта», в которой радиотелескоп улавливает паттерны простых чисел. Вряд ли такое можно встретить в природе (насколько нам известно). Так что ваш вариант с неестественным паттерном или структурой был бы наиболее вероятен.

Не думаю, что мы когда-то будем уверены в пустоте в определенном регионе космоса. В конце концов, система черных дыр, которую мы обнаружили, была изолирована, и из этого региона не приходил никакой свет, но мы все равно обнаружили там гравитационные волны.

Что касается музыки… Я специализируюсь на отделении сигналов гравитационных волн от статического шума, который мы постоянно измеряем на фоне окружающей среды. Если бы я нашла в гравитационной волне музыку, особенно которую слышала раньше, это был бы розыгрыш. Но музыка, которую на Земле никогда не слышали… Это было бы как с простыми случаями из «Контакта».

Раз эксперимент регистрирует волны по изменению расстояния между двумя объектами, амплитуда одного направления больше, чем другого? В противном случае не означают ли считываемые данные, что Вселенная меняется в размерах? И если так, подтверждает ли это расширение или что-нибудь неожиданное?

Нам нужно увидеть множество гравитационных волн, приходящих из множества разных направлений во Вселенной, прежде чем мы сможем ответить на этот вопрос. В астрономии это создает модель популяции. Как много различных типов вещей существует? Это главный вопрос. Как только мы заимеем много наблюдений и начнем видеть неожиданные паттерны, к примеру, что гравитационные волны определенного типа приходят из определенной части Вселенной и больше ниоткуда, это будет крайне интересный результат. Некоторые паттерны могли бы подтвердить расширение (в котором мы весьма уверены), либо другие явления, о которых мы пока не знали. Но сначала нужно увидеть много больше гравитационных волн.

Мне совершенно непонятно, как ученые определили, что измеренные ими волны принадлежат двум сверхмассивным черным дырам. Как можно с такой точностью определить источник волн?

Методы анализа данных используют каталог предсказанных сигналов гравитационных волн для сравнения с нашими данными. Если имеется сильная корреляция с одним из таких прогнозов, или шаблонов, то мы не только знаем, что это гравитационная волна, но и знаем, какая система ее образовала.

Каждый отдельный способ создания гравитационной волны, будь то слияние черных дыр, вращение или смерть звезд, все волны имеют разные формы. Когда мы обнаруживаем гравитационную волну, мы используем эти формы, как предсказывала ОТО, чтобы определить их причину.

Откуда мы знаем, что эти волны произошли из столкновения двух черных дыр, а не какого-нибудь другого события? Возможно ли предсказать, где или когда произошло такое событие, с любой степенью точности?

Как только мы узнаем, какая система произвела гравитационную волну, мы можем предсказать, насколько сильной была гравитационная волна вблизи от места своего рождения. Измеряя ее силу по мере достижения Земли и сравнивая наши измерения с предсказанной силой источника, мы можем рассчитать, как далеко находится источник. Поскольку гравитационные волны движутся со скоростью света, мы также можем рассчитать, как долго гравитационные волны двигались к Земле.

В случае с обнаруженной нами системой черных дыр, мы измерили максимальное изменение длины рукавов LIGO на 1/1000 диаметра протона. Эта система расположена в 1,3 миллиарда световых лет. Гравитационная волна, обнаруженная в сентябре и анонсированная на днях, двигалась к нам 1,3 миллиарда лет. Это произошло до того, как на Земле образовалась животная жизнь, но уже после возникновения многоклеточных.

Во время объявления было заявлено, что другие детекторы будут искать волны с более длинным периодом - некоторые из них будут вовсе космическими. Что вы можете рассказать об этих крупных детекторах?

В разработке действительно находится космический детектор. Он называется LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Поскольку он будет в космосе, он будет достаточно чувствительным к низкочастотным гравитационным волнам, в отличие от земных детекторов, вследствие естественных вибраций Земли. Будет сложно, поскольку спутники придется разместить дальше от Земли, чем бывал человек. Если что-то пойдет не так, мы не сможем отправить астронавтов на ремонт, как с Хабблом в 1990-х. Чтобы проверить необходимые технологии, в декабре запустили миссию LISA Pathfinder. Пока что она справилась со всеми поставленными задачами, но миссия еще далека от завершения.

Можно ли преобразовать гравитационные волны в звуковые? И если да, на что они будут похожи?

Можно. Конечно, вы не услышите просто гравитационную волну. Но если взять сигнал и пропустить через динамики, то услышать можно.

Что нам делать с этой информацией? Излучают ли эти волны другие астрономические объекты с существенной массой? Можно ли использовать волны для поиска планет или простых черных дыр?

При поиске гравитационных значений имеет значение не только масса. Также ускорение, которое присуще объекту. Обнаруженные нами черные дыры вращались друг вокруг друга со скоростью в 60% световой, когда сливались. Поэтому мы смогли обнаружить их во время слияния. Но теперь от них больше не поступает гравитационных волн, поскольку они слились в одну малоподвижную массу.

Так что все, что обладает большой массой и движется очень быстро, создает гравитационные волны, которые можно уловить.

Экзопланеты вряд ли будут обладать достаточной массой или ускорением, чтобы создать обнаружимые гравитационные волны. (Я не говорю, что они их не создают вообще, только то, что они будут недостаточно сильными или с другой частотой). Даже если экзопланета будет достаточно массивной, чтобы производить нужные волны, ускорение разорвет ее на части. Не забывайте, что самые массивные планеты, как правило, представляют собой газовых гигантов.

Насколько верна аналогия волн в воде? Можем ли мы «оседлать» эти волны? Существуют ли гравитационные «пики», как уже известные «колодцы»?

Поскольку гравитационные волны могут двигаться через вещество, нет никакого способа оседлать их или использовать их для движения. Так что никакого гравитационно-волнового серфинга.

«Пики» и «колодцы» - это прекрасно. Гравитация всегда притягивает, поскольку не существует отрицательной массы. Мы не знаем почему, но ее никогда не наблюдали в лаборатории или во Вселенной. Поэтому гравитацию обычно представляют в виде «колодца». Масса, которая движется вдоль этого «колодца», будет сваливаться вглубь; так работает притяжение. Если у вас будет отрицательная масса, то вы получите отталкивание, а вместе с ним и «пик». Масса, которая движется на «пике», будет изгибаться от него. Так что «колодцы» существуют, а «пики» нет.

Аналогия с водой прекрасна, пока мы говорим о том, что сила волны уменьшается вместе с пройденным расстоянием от источника. Водяная волна будет становиться меньше и меньше, а гравитационная волна - слабее и слабее.

Как это открытие повлияет на наше описание инфляционного периода Большого Взрыва?

На данный момент это открытие пока практически никак не затрагивает инфляцию. Чтобы делать заявления вроде этого, необходимо наблюдать реликтовые гравитационные волны Большого Взрыва. Проект BICEP2 полагал, что косвенно наблюдал эти гравитационные волны, но оказалось, что виной всему космическая пыль. Если он получит нужные данные, вместе с ними подтвердится и существование короткого периода инфляции вскоре после Большого Взрыва.

LIGO сможет непосредственно увидеть эти гравитационные волны (это также будет самый слабый тип гравитационных волн, который мы надеемся обнаружить). Если мы их увидим, то сможем заглянуть глубоко в прошлое Вселенной, как не заглядывали раньше, и по полученным данным судить об инфляции.

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.

Вчера мир потрясла сенсация: ученые наконец-то обнаружили гравитационные волны, существование которых предсказывал Эйнштейн еще сто лет назад. Это прорыв. Искажение пространства-времени (это и есть гравитационные волны - сейчас объясним, что к чему) обнаружили в обсерватории ЛИГО, а одним из ее основателей является - кто бы вы думали? - Кип Торн, автор книги .

Рассказываем, почему открытие гравитационных волн так важно, что сказал Марк Цукерберг и, конечно, делимся историей от первого лица. Кип Торн как никто другой знает, как устроен проект, в чем его необычность и какое значение ЛИГО имеет для человечества. Да-да, все так серьезно.

Открытие гравитационных волн

Научный мир навсегда запомнит дату 11 февраля 2016. В этот день участники проекта ЛИГО (LIGO) объявили: после стольких тщетных попыток гравитационные волны найдены. Это реальность. На самом деле их обнаружили немного раньше: в сентябре 2015 года, но вчера открытие было признано официально. В The Guardian считают, что ученые непременно получат Нобелевскую премию по физике.

Причина гравитационных волн - столкновение двух черных дыр, которое произошло аж… в миллиарде световых лет от Земли. Представляете, насколько огромна наша Вселенная! Так как черные дыры - очень массивные тела, они пускают «рябь» по пространству-времени, немного его искажая. Вот и появляются волны, похожие на те, которые распространяются от камня, брошенного в воду.

Вот так можно представить гравитационные волны, идущие к Земле, например, от червоточины. Рисунок из книги «Интерстеллар. Наука за кадром»

Полученные колебания преобразовали в звук. Интересно, что сигнал от гравитационных волн приходит примерно на той же частоте, что и наша речь. Так что мы можем своими ушами услышать, как сталкиваются черные дыры. Послушайте, как звучат гравитационные волны .

И знаете что? Совсем недавно , что черные дыры устроены не так, как считалось раньше. Но ведь доказательств того, что они в принципе существуют, не было вовсе. А теперь есть. Черные дыры действительно «живут» во Вселенной.

Так, по мнению ученых, выглядит катастрофа – слияние черных дыр, — .

11 февраля состоялась грандиозная конференция, куда съехались больше тысячи ученых из 15 стран. Российские ученые тоже присутствовали. И, конечно, не обошлось без Кипа Торна. «Это открытие - начало изумительного, великолепного квеста для людей: поиска и исследования искривленной стороны Вселенной - объектов и явлений, созданных из искаженного пространства-времени. Столкновение черных дыр и гравитационные волны - наши первые замечательные образцы», - сказал Кип Торн.

Поиск гравитационных волн был одной из главных проблем физики. Теперь они найдены. И гений Эйнштейна подтвержден вновь.

В октябре мы взяли интервью у Сергея Попова, отечественного астрофизика и известного популяризатора науки. Он как в воду глядел! Осенью : «Мне кажется, что сейчас мы стоим на пороге новых открытий, что в первую очередь связано с работой детекторов гравитационных волн LIGO и VIRGO (Кип Торн как раз внес большой вклад в создание проекта LIGO)». Удивительно, правда?

Гравитационные волны, детекторы волн и LIGO

Что ж, а теперь немного физики. Для тех, кто действительно хочется разобраться в том, что такое гравитационные волны. Вот художественное изображение тендекс-линий двух черных дыр, которые вращаются по орбитам друг вокруг друга, против часовой стрелки, и затем сталкиваются. Тендекс-линии порождают приливную гравитацию. Идем дальше. Линии, которые исходят из двух наиболее удаленных друг от друга точек на поверхностях пары черных дыр, растягивают все на своем пути, включая попавшую на рисунок подругу художницы. Линии же, исходящие из области столкновения, все сжимают.

Когда дыры вращаются одна вокруг другой, они увлекают следом свои тендекс-линии, которые походят на струи воды из крутящейся поливалки на газоне. На рисунке из книги «Интерстеллар. Наука за кадром» - пара черных дыр, которые сталкиваются, вращаясь одна вокруг другой против часовой стрелки, и их тендекс-линии.

Черные дыры объединяются в одну большую дыру; она деформирована и вращается против часовой стрелки, увлекая за собой тендекс-линии. Неподвижный наблюдатель, находящийся вдали от дыры, почувствует колебания, когда через него будут проходить тендекс-линии: растяжение, затем сжатие, затем растяжение - тендекс-линии стали гравитационной волной. По мере распространения волн деформация черной дыры постепенно уменьшается, и волны также ослабевают.

Когда эти волны достигают Земли, они имеют вид, показанный в верхней части рисунка ниже. Они растягивают в одном направлении и сжимают в другом. Растяжения и сжатия колеблются (от красного вправо-влево, к синему вправо-влево, к красному вправо-влево и т. д.) по мере того, как волны проходят через детектор в нижней части рисунка.

Гравитационные волны, проходящие через детектор ЛИГО.

Детектор представляет собой четыре больших зеркала (40 килограммов, 34 сантиметра в диаметре), которые закреплены на концах двух перпендикулярных труб, называемых плечами детектора. Тендекс-линии гравитационных волн растягивают одно плечо, сжимая при этом второе, а затем, наоборот, сжимают первое и растягивают второе. И так снова и снова. При периодическом изменении длины плеч зеркала смещаются друг относительно друга, и эти смещения отслеживаются с помощью лазерных лучей способом, который называется интерферометрией. Отсюда и название ЛИГО: Лазерно-интерферометрическая гравитационноволновая обсерватория.

Центр управления ЛИГО, откуда отправляют команды детектору и следят за полученными сигналами. Гравитационные детекторы ЛИГО расположены в Хэнфорде, штат Вашингтон, и Ливингстоне, штат Луизиана. Фото из книги «Интерстеллар. Наука за кадром»

Сейчас ЛИГО - интернациональный проект, в котором участвует 900 ученых из разных стран, со штабом, расположенным в Калифорнийском технологическом институте.

Искривленная сторона Вселенной

Черные дыры, червоточины, сингулярности, гравитационные аномалии и измерения высшего порядка связаны с искривлениями пространства и времени. Поэтому Кип Торн называет их «искривленной стороной Вселенной». У человечества до сих пор очень мало экспериментальных и наблюдательных данных с искривленной стороны Вселенной. Вот почему мы столько внимания отдаем гравитационным волнам: они состоят из искривленного пространства и предоставляют наиболее доступный для нас способ исследовать искривленную сторону.

Представьте, что вам приходилось видеть океан, только когда он спокоен. Вы бы знать не знали о течениях, водоворотах и штормовых волнах. Это напоминает наши сегодняшние знания об искривлении пространства и времени.

Мы почти ничего не знаем о том, как искривленное пространство и искривленное время ведут себя «в шторм» - когда форма пространства бурно колеблется и когда колеблется скорость течения времени. Это необыкновенно манящий рубеж знаний. Ученый Джон Уилер придумал для этих изменений термин «геометродинамика»

Особый интерес в области геометродинамики представляет столкновение двух черных дыр.

Столкновение двух невращающихся черных дыр. Модель из книги «Интерстеллар. Наука за кадром»

На рисунке выше изображен момент столкновения двух черных дыр. Как раз такое событие позволило ученым зафиксировать гравитационные волны. Эта модель построена для невращающихся черных дыр. Сверху: орбиты и тени дыр, вид из нашей Вселенной. Посередине: искривленное пространство и время, вид из балка (многомерного гиперпространства); стрелками показано, как пространство вовлекается в движение, а изменяющимися цветами - как искривляется время. Снизу: форма испускаемых гравитационных волн.

Гравитационные волны от Большого взрыва

Слово Кипу Торну. «В 1975 году Леонид Грищук, мой добрый приятель из России, сделал сенсационное заявление. Он сказал, что в момент Большого взрыва возникло множество гравитационных волн, причем механизм их возникновения (прежде неизвестный) был таков: квантовые флуктуации (случайные колебания - прим. ред) гравитационного поля при Большом взрыве были многократно усилены первоначальным расширением Вселенной и так стали изначальными гравитационными волнами. Эти волны, если их удастся обнаружить, могут рассказать нам, что происходило в момент зарождения нашей Вселенной».

Если ученые найдут первоначальные гравитационные волны, мы узнаем, как зародилась Вселенная.

Люди разгадали далеко на все загадки Вселенной. Все еще впереди.

В последующие годы, по мере того как совершенствовались наши представления о Большом взрыве, стало очевидно: эти изначальные волны должны быть сильными на длинах волн, соизмеримых с величиной видимой Вселенной, то есть на длинах в миллиарды световых лет. Представляете, сколько это?.. А на длинах волн, которые охватывают детекторы ЛИГО (сотни и тысячи километров), волны, скорее всего, окажутся слишком слабыми, чтобы их распознать.

Команда Джейми Бока построила аппарат BICEP2 , с помощью которого был обнаружен след изначальных гравитационных волн. Аппарат, находящийся на Северном полюсе, показан здесь во время сумерек, которые бывают там лишь дважды в год.

Аппарат BICEP2 . Изображение из книги «Интерстеллар. Наука за кадром»

Он окружен щитами, экранирующими аппарат от излучения окружающего ледяного покрова. В правом верхнем углу показан обнаруженный в реликтовом излучении след - поляризационный узор. Линии электрического поля направлены вдоль коротких светлых штрихов.

След начала Вселенной

В начале девяностых космологи поняли, что эти гравитационные волны длиной в миллиарды световых лет должны были оставить уникальный след в электромагнитных волнах, наполняющих Вселенную, - в так называемом космическом микроволновом фоне, или реликтовом излучении. Это положило начало поискам святого Грааля. Ведь если обнаружить этот след и вывести из него свойства изначальных гравитационных волн, можно узнать, как зарождалась Вселенная.

В марте 2014 года, когда Кип Торн писал эту книгу, команда Джеми Бока, космолога из Калтеха, кабинет которого находится рядом с кабинетом Торна, наконец обнаружила этот след в реликтовом излучении.

Это совершенно потрясающее открытие, но есть один спорный момент: след, найденный командой Джеми, мог быть вызван не гравитационными волнами, а чем-то еще.

Если действительно найден след гравитационных волн, возникших при Большом взрыве, значит, произошло космологическое открытие такого уровня, какие случаются, быть может, раз в полвека. Оно дает шанс прикоснуться к событиям, которые происходили спустя триллионную от триллионной от триллионной доли секунды после рождения Вселенной.

Это открытие подтверждает теории, гласящие, что расширение Вселенной в тот миг было чрезвычайно быстрым, на сленге космологов - инфляционно быстрым. И возвещает наступление новой эры в космологии.

Гравитационные волны и «Интерстеллар»

Вчера на конференции по поводу открытия гравитационных волн Валерий Митрофанов, руководитель московской коллаборации ученых LIGO, в которую входят 8 ученых из МГУ, отметил, что сюжет фильма «Интерстеллар» хоть и фантастичен, но не так далек от действительности. А все потому, что научным консультантом был Кип Торн. Сам же Торн выразил надежду, что верит в будущие пилотируемые полеты человека к черной дыре. Пусть они случатся не так скоро, как хотелось бы, и все же сегодня это намного реальнее, чем было раньше.

Не так уж и далек день, когда люди покинут пределы нашей галактики.

Событие всколыхнуло умы миллионов людей. Небезызвестный Марк Цукерберг написал: «Обнаружение гравитационных волн - самое большое открытие в современной науке. Альберт Эйнштейн - один из моих героев, поэтому я воспринял открытие так близко. Столетие назад в рамках Общей Теории Относительности (ОТО) он предсказал существование гравитационных волн. А ведь они так малы, чтобы их обнаружить, что пришло искать их в истоках таких событий, как Большой взрыв, взрывы звезд и столкновения черных дыр. Когда ученые проанализируют полученные данные, перед нами откроется совершенной новый взгляд на космос. И, возможно, это прольет свет на происхождение Вселенной, рождение и процесс развития черных дыр. Это очень вдохновляет - думать о том, сколько жизней и усилий было положено на то, чтобы сорвать покров с этой тайны Вселенной. Этот прорыв стал возможным благодаря таланту блистательных ученых и инженеров, людей разных национальностей, а также новейшим компьютерным технологиям, которые появились только недавно. Поздравляю всех причастных. Эйнштейн бы вами гордился».

Такая вот речь. И это человек, который просто интересуется наукой. Можно себе представить, какая буря эмоций захлестнула ученых, которые внесли свою лепту в открытие. Кажется, мы стали свидетелями новой эры, друзья. Это поразительно.

P.S.: Понравилось? Подписывайтесь на нашу рассылку по кругозору . Раз в неделю присылаем познавательные письма и дарим скидки на книги МИФа.

«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!»

Свободная поверхность жидкости, находящейся в равновесии в поле тяжести, - плоская. Если под влиянием какого-либо внешнего воздействия поверхность жидкости в каком-нибудь месте выводится из ее равновесного положения, то в жидкости возникает движение. Это движение будет распространяться вдоль всей поверхности жидкости в виде волн, называемых гравитационными, поскольку они обусловливаются действием поля тяжести. Гравитационные волны происходят в основном на поверхности жидкости, захватывая внутренние ее слои тем меньше, чем глубже эти слои расположены.

Мы будем рассматривать здесь такие гравитационные волны, в которых скорость движущихся частиц жидкости настолько мала, что в уравнении Эйлера можно пренебречь членом по сравнению с Легко выяснить, что означает это условие физически. В течение промежутка времени порядка периода колебаний, совершаемых частицами жидкости в волне, эти частицы проходят расстояние порядка амплитуды а волны, поэтому скорость их движения - порядка Скорость v заметно меняется на протяжении интервалов времени порядка и на протяжении расстояний порядка вдоль направления распространения волны ( - длина волны). Поэтому производная от скорости по времени - порядка а по координатам - порядка Таким образом, условие эквивалентно требованию

т. е. амплитуда колебаний в волне должна быть мала по сравнению с длиной волны. В § 9 мы видели, что если в уравнении движения можно пренебречь членом то движение жидкости потенциально. Предполагая жидкость несжимаемой, мы можем воспользоваться поэтому уравнениями (10,6) и (10,7). В уравнении (10,7) мы можем теперь пренебречь членом содержащим квадрат скорости; положив и введя в поле тяжести член получим:

(12,2)

Ось выбираем, как обычно, вертикально вверх, а в качестве плоскости х, у выбираем равновесную плоскую поверхность жидкости.

Будем обозначать - координату точек поверхности жидкости посредством ; является функцией координат х, у и времени t. В равновесии так что есть вертикальное смещение жидкой поверхности при ее колебаниях.

Пусть на поверхность жидкости действует постоянное давление Тогда имеем на поверхности согласно (12,2)

Постоянную можно устранить переопределением потенциала (прибавлением к нему независящей от координат величины Тогда условие на поверхности жидкости примет вид

Малость амплитуды колебаний в волне означает, что смещение мало. Поэтому можно считать, в том же приближении, что вертикальная компонента скорости движения точек поверхности совпадает с производной по времени от смещения Но так что имеем:

В силу малости колебаний можно в этом условии взять значения производных при вместо Таким образом, получаем окончательно следующую систему уравнений, определяющих движение в гравитационной волне:

Будем рассматривать волны на поверхности жидкости, считая эту поверхность неограниченной. Будем также считать, что длина волны мала по сравнению с глубиной жидкости; тогда можно рассматривать жидкость как бесконечно глубокую. Поэтому мы не пишем граничных условий на боковых границах и на дне жидкости.

Рассмотрим гравитационную волну, распространяющуюся вдоль оси и однородную вдоль оси в такой волне все величины не зависят от координаты у. Будем искать решение, являющееся простой периодической функцией времени и координаты х:

где ( - циклическая частота (мы будем говорить о ней просто как о частоте), k - волновой вектор волны, - длина волны. Подставив это выражение в уравнение получим для функции уравнение

Его решение, затухающее в глубь жидкости (т. е. при ):

Мы должны еще удовлетворить граничному условию (12,5), Подставив в него (12,5), найдем связь между частотой b волновым вектором (или, как говорят, закон дисперсии волн):

Распределение скоростей в жидкости получается дифференцированием потенциала по координатам:

Мы видим, что скорость экспоненциально падает по направлению в глубь жидкости. В каждой заданной точке пространства (т. е. при заданных х, z) вектор скорости равномерно вращается в плоскости х, оставаясь постоянным по своей величине.

Определим еще траекторию частиц жидкости в волне. Обозначим временно посредством х, z координаты движущейся частицы жидкости (а не координаты неподвижной точки в пространстве), а посредством - значения х, для равновесного положения частицы. Тогда а в правой части (12,8) можно приближенно написать вместо , воспользовавшись малостью колебаний. Интегрирование по времени дает тогда:

Таким образом, частицы жидкости описывают окружности вокруг точек с радиусом, экспоненциально убывающим по направлению в глубь жидкости.

Скорость U распространения волны равна, как будет показано в § 67, Подставив сюда находим, что скорость распространения гравитационных волн на неограниченной поверхности бесконечно глубокой жидкости равна

Она растет при увеличении длины волны.

Длинные гравитационные волны

Рассмотрев гравитационные волны, длина которых мала по сравнению с глубиной жидкости, остановимся теперь на противоположном предельном случае волн, длина которых велика по сравнению с глубиной жидкости.

Такие волны называются длинными.

Рассмотрим сначала распространение длинных волн в канале. Длину канала (направленную вдоль оси х) будем считать неограниченной Сечение канала может иметь произвольную форму и может меняться вдоль его длины. Площадь поперечного сечения жидкости в канале обозначим посредством Глубина и ширина канала предполагаются малыми по сравнению с длиной волны.

Мы будем рассматривать здесь продольные длинные волны, в которых жидкость движется вдоль канала. В таких волнах компонента скорости вдоль длины канала велика по сравнению с компонентами

Обозначив просто как v и опуская малые члены, мы можем написать -компоненту уравнения Эйлера в виде

а -компоненту - в виде

(квадратичные по скорости члены опускаем, поскольку амплитуда волны по-прежнему считается малой). Из второго уравнения имеем, замечая, что на свободной поверхности ) должно быть

Подставляя это выражение в первое уравнение, получаем:

Второе уравнение для определения двух неизвестных можно вывести методом, аналогичным выводу уравнения непрерывности. Это уравнение представляет собой по существу уравнение непрерывности применительно к рассматриваемому случаю. Рассмотрим объем жидкости, заключенный между двумя плоскостями поперечного сечения канала, находящимися на расстоянии друг от друга. За единицу времени через одну плоскость войдет объем жидкости, равный а через другую плоскость выйдет объем Поэтому объем жидкости между обеими плоскостями изменится на