Lego гравитационные волны. Открытие гравитационных волн. Есть ли прикладная ценность

Гравитационные волны

Гравитацио́нная волна́ - возмущение гравитационного поля , «рябь» ткани пространства-времени, распространяющаяся со скоростью света . Гравитационные волны предсказываются общей теорией относительности и многими другими теориями гравитации, но ввиду их чрезвычайной малости пока не зарегистрированы напрямую. Тем не менее, косвенные свидетельства их существования достаточно весомы - ОТО гравитационных волн предсказывает совпадающие с наблюдениями темпы сближения тесных систем двойных звёзд за счёт потери энергии на излучение гравитационных волн.

В рамках ОТО гравитационные волны описываются решениями уравнений Эйнштейна волнового типа , представляющими собой движущееся со скоростью света возмущение метрики пространства-времени . Проявлением этого возмущения должно являться, 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 сверхновых, слияний нейтронных звёзд, захватов звёзд чёрными дырами и т. п.) при измерениях в Солнечной системе весьма малы (h =10 −18 -10 −23). Слабая (линейная) гравитационная волна, согласно общей теории относительности, является поперечной и описывается двумя независимыми компонентами (имеет две поляризации).

Генерация гравитационных волн

Гравитационную волну излучает любая движущаяся ускоренно материя. Для возникновения волны существенной амплитуды необходимы чрезвычайно большая масса излучателя или/и огромные ускорения, амплитуда гравитационной волны прямо пропорциональна ускорению и массе генератора, то есть ~ma . 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 существенно взаимно гасятся. 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 (r - характерный размер излучателя, T - характерный период движения излучателя, c - скорость света в вакууме).

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. Такое же явление зафиксировано ещё в нескольких случаях: для пульсаров PSR J0737-3039 , PSR J0437-4715 и системы двойных белых карликов 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 теорией Эйнштейна .

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 Земли на 10 −21 - 10 −23 .

Нашу Вселенную заполняют реликтовые гравитационные волны, появившиеся в первые времена после Большого взрыва. Их регистрация позволит получить информацию о процессах в начале рождения Вселенной.

См. также

• Einstein@Home - проект распределённых вычислений для поиска гравитационных волн.
• PSR B1913+16 - двойная система - пульсар , исследование которой дало первое косвенное подтверждение существования гравитационных волн.
• PSR J0737-3039 - двойная система пульсаров , исследование которой дало весомое косвенное подтверждение существования гравитационных волн.
• MiniGrail - Детектор гравитационных волн
• LISA - Детектирование гравитационных волн при помощи космических аппаратов

Примечания

Литература

• Ландау, Л. Д. , Лифшиц, Е. М. Теория поля - Издание 7-е, исправленное. - М .: Наука , 1988. - 512 с. - («Теоретическая физика» , том II). - . - Глава XIII
• Мизнер, К. Торн, Уиллер Гравитация. Глава 34.
• Липунов В. М. В мире двойных звезд. М.: Наука, 1986.
• Липунов В. М. Все нейтронные звезды. М.: Просвещение, 1989.
• Липунов В. М. Искусственная Вселенная // . 1998. № 6. С. 82-89.
• Липунов В. М. Военная тайна астрофизики // Соросовский Образовательный Журнал . № 5. С. 83-89.
• Черепащук А. М. Черные дыры в двойных звездных системах // Соросовский Образовательный Журнал . 1997. № 3. С. 87-93.
• Шакура Н. И. Нейтронные звезды и черные дыры в двойных звездных системах. М.: Знание, 1976.
• Шкловский И. С. Звезды, их рождение, жизнь и смерть. М.: Наука, 1984.

Ссылки

• Обзор в УФН .

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Гравитационные волны" в других словарях:

Современная энциклопедия

Гравитационные волны - ГРАВИТАЦИОННЫЕ ВОЛНЫ, предсказываемое теорией тяготения переменное гравитационное поле, свободно распространяющееся в пространстве со скоростью света. До настоящего времени Гравитационные волны непосредственно не обнаружены из за их чрезвычайно… … Иллюстрированный энциклопедический словарь

Большой Энциклопедический словарь

ГРАВИТАЦИОННЫЕ ВОЛНЫ, гравитационный эквивалент электромагнитных волн, согласно общей теории ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ Эйнштейна, исходящий от тела с крупной массой, такого как взорвавшаяся или коллапсировавшая звезда, распространяется со скоростью света.… … Научно-технический энциклопедический словарь

Переменное гравитац. поле, к рое излучается ускоренно движущимися массами, «отрывается» от своего источника и, подобно эл. магн. излучению, распространяется в пространстве со скоростью света. (см. ГРАВИТАЦИОННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ). Физический… … Физическая энциклопедия

Переменное гравитационное поле, свободно распространяющееся в пространстве со скоростью света и проявляющееся в возникновении относительных ускорений тел. Гравитационные волны крайне слабо взаимодействуют с веществом и на опыте пока не обнаружены … Энциклопедический словарь

Поперечные волны, излучаемые ускоренно движущимися массами и распространяющиеся со скоростью света; см. Гравитационное излучение … Большая советская энциклопедия

Переменное гравитац. поле, свободно распространяющееся в пространстве со скоростью света и проявляющееся в возникновении относит. ускорений тел. Г. в. крайне слабо взаимодействуют с в вом и па опыте пока не обнаружены … Естествознание. Энциклопедический словарь

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.

Физики на обсерватории LIGO (Laser Interferometric Gravitational Observatory) впервые гравитационные волны - возмущения пространства-времени, предсказанные сто лет назад создателем общей теории относительности Альбертом Эйнштейном. Об открытии в ходе прямой трансляции, организованной «Лентой.ру» и Московским государственным университетом (МГУ) имени М.В. Ломоносова, ученые физического факультета, участники международной коллаборации LIGO. «Лента.ру» побеседовала с одним из них, российским физиком Сергеем Вятчаниным.

Что такое гравитационные волны?

По закону всемирного тяготения Ньютона два тела притягиваются друг к другу с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Эта теория описывает, например, вращение Земли и Луны в плоском пространстве и универсальном времени. Эйнштейн, разработав специальную теорию относительности, понял, что время и пространство - это одна субстанция, и предложил общую теорию относительности - теорию гравитации, основанную на том, что тяготение проявляется как кривизна пространства-времени, которую создает материя.

Доктор физико-математических наук Сергей Вятчанин с 2012 года возглавляет кафедру физики колебаний физического факультета МГУ. Научные интересы сосредоточены на изучении квантово-невозмущающих измерений, лазерных гравитационно-волновых антеннах, механизмах диссипации, фундаментальных шумах и нелинейных оптических эффектах. Ученый сотрудничал с Калифорнийским технологическим институтом в США и Обществом Макса Планка в Германии.

Можно представить упругий круг. Если бросить в него легкий шарик, он покатится по прямой. Если же в центр круга положить тяжелое яблоко, то траектория искривится. Из уравнений общей теории относительности Эйнштейн сразу получил, что возможны гравитационные волны. Но в то время считали (в начале ХХ века) эффект чрезвычайно слабым. Можно сказать, что гравитационные волны - это рябь пространства-времени. Плохо то, что это чрезвычайно слабое взаимодействие.

Если брать аналогичные (электромагнитные) волны, то там был опыт Герца, разместившего излучатель в одном углу комнаты, а приемник в другом. С гравитационными волнами так не получается. Слишком слабое взаимодействие. Остается полагаться только на астрофизические катастрофы.

Как работает гравитационная антенна?

Есть интерферометр Фабри-Перо, две массы, разнесенные на четыре километра. Расстояние между массами контролируется. Если волна падает сверху, то расстояние немного изменяется.

Гравитационное возмущение - это, по сути, искажение метрики?

Можно и так сказать. Математика это описывает как небольшое искривление пространства. Использовать лазер для обнаружения гравитационных волн в 1962 году предложили Герценштейн и Пустовойт. Это была такая советская статья, фантазия... Здорово, но все же полет фантазии. Американцы подумали и решили в 1990-х годах (Кип Торн, Роналд Древер и Рэйнер Вайс) сделать лазерную гравитационную антенну. Причем требуются две антенны, поскольку, если будут события, необходимо использовать схему совпадений. И тогда все началось. Это долгая история. Мы сотрудничаем с Калтехом с 1992 года, а на официальную договорную основу перешли в 1998 году.

Не кажется ли вам, что реальность гравитационных волн не вызывала сомнений?

В общем-то, научное сообщество было уверено в том, что они существуют, и обнаружить их - дело времени. Халсу и Тейлору присудили Нобелевскую премию за фактическое открытие гравитационных волн. Что они сделали? Есть двойные звезды - пульсары. Раз они крутятся, то излучают гравитационные волны. Наблюдать мы их не можем. Но если они излучают гравитационные волны, то отдают энергию. Значит, их вращение замедляется, как будто от трения. Звезды приближаются друг к другу, и можно увидеть изменение частоты. Они посмотрели - и увидели (в 1974 году - прим. «Ленты.ру» ). Это косвенное свидетельство существования гравитационных волн.

Сейчас - прямое?

Сейчас - прямое. Пришел сигнал, который зарегистрировали на двух детекторах.

Достоверность высокая?

Ее достаточно для открытия.

Каков вклад российских ученых в этот эксперимент?

Ключевой. В initial LIGO (раннем варианте антенны - прим. «Ленты.ру» ) использовались десятикилограммовые массы, и висели они на стальных нитях. Наш ученый Брагинский уже тогда высказал идею применения кварцевых нитей. Вышла работа, доказывавшая, что кварцевые нити «шумят» значительно меньше. И вот сейчас массы (в advanced LIGO, современной установке - прим. «Ленты.ру» ) висят на кварцевых нитях.

Второй вклад - экспериментальный и связан с зарядами. Массы, разнесенные на четыре километра, нужно как-то юстировать при помощи электростатических активаторов. Эта система лучше магнитной, которая использовалась ранее, но она чувствует заряд. В частности, каждую секунду через ладонь человека проходит огромное количество частиц - мюонов, которые могут оставить заряд. Сейчас с этой проблемой борются. Наша группа (Валерий Митрофанов и Леонид Прохоров) в этом экспериментально участвует и значительно поднаторела.

В начале 2000-х годов была идея использовать на advanced LIGO сапфировые нити, так как формально у сапфира добротность выше. Почему она важна? Чем выше добротность, тем меньше шум. Это общее правило. Наша группа посчитала так называемые термоупругие шумы и показала, что все же лучше использовать кварц, а не сапфир.

И еще. Чувствительность гравитационной антенны близка к квантовому пределу. Есть так называемый стандартный квантовый предел: если вы измеряете координату, то по принципу неопределенности Гейзенберга вы тут же ее и возмущаете. Если вы непрерывно измеряете координату, то вы все время ее возмущаете. Очень точно измерять координату нехорошо: будет большое обратное флуктуационное влияние. Это показал в 1968 году Брагинский. Подсчитали для LIGO. Оказалось, что для initial LIGO чувствительность выше стандартного квантового предела примерно в десять раз.

Сейчас есть надежда на то, что advanced LIGO дойдет до стандартного квантового предела. Может быть, опустится. Это вообще мечта. Можете себе это представить? У вас будет квантовый макроскопический прибор: две тяжелые массы на расстоянии четырех километров.

Гравитационные волны зарегистрированы 14 сентября 2015 года в 05:51 утра по летнему североамериканскому восточному времени (13:51 по московскому времени) на двух детекторах-близнецах лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории LIGO, расположенных в Ливингстоне (штат Луизиана) и Хэнфорде (штат Вашингтон) в США. Детекторы LIGO обнаружили относительные колебания величиною в десять в минус 19 степени метров (это примерно равно отношению диаметра атома к диаметру яблока) пар разнесенных на четыре километра пробных масс. Возмущения порождены парой черных дыр (в 29 и 36 раз тяжелее Солнца) в последние доли секунды перед их слиянием в более массивный вращающийся гравитационный объект (в 62 раза тяжелее Солнца). За доли секунды три солнечных массы превратились в гравитационные волны, максимальная мощность излучения которых была примерно в 50 раз больше, чем от всей видимой Вселенной. Слияние черных дыр произошло 1,3 миллиарда лет назад (столько времени гравитационное возмущение распространялось до Земли). Анализируя моменты прихода сигналов (детектор в Ливингстоне записал событие на семь миллисекунд раньше детектора в Хэнфорде), ученые предположили, что источник сигнала расположен в южном полушарии. Результаты ученые направили для публикации в журнал Physical Review Letters.

Такое на первый взгляд не очень совместимо.

Вот это и парадоксально. То есть получается фантастика. Вроде бы отдает шарлатанством, а на самом деле - нет, все честно. Но пока это мечты. Стандартный квантовый предел не достигнут. Там еще нужно работать и работать. Но уже видно, что это близко.

Есть надежда, что это случится?

Да. Нужно преодолевать стандартный квантовый предел, и наша группа участвовала в разработке методов того, как это сделать. Это так называемые квантовые невозмущающие измерения, какая конкретно схема измерений нужна - такая или иная... Ведь когда вы теоретически исследуете, расчеты ничего не стоят, а эксперимент - дорог. В LIGO достигнута точность десять в минус 19 степени метров.

Вспомним детский пример. Если мы уменьшим Землю до размеров апельсина, а затем его уменьшим во столько же раз, то получим размер атома. Так вот, если мы атом уменьшим во столько же раз, то мы получим десять в минус 19 степени метров. Это сумасшедшая вещь. Это достижение цивилизации.

Это очень важно, да. Так что означает для науки открытие гравитационных волн? Есть мнение, что это может изменить наблюдательные методы астрономии.

Что у нас есть? Астрономия в обычном диапазоне. Радиотелескопы, инфракрасные телескопы, рентгеновские обсерватории.

Все в электромагнитных диапазонах?

Да. Кроме того, есть нейтринные обсерватории. Есть регистрация космических частиц. Это еще один канал информации. Если гравитационная антенна будет выдавать астрофизическую информацию, то исследователи получат в свое распоряжение сразу несколько каналов наблюдения, по которым можно проверять теорию. Предложено множество космологических теорий, конкурирующих между собой. Можно будет что-то отсеять. Например, когда на Большом адронном коллайдере открыли бозон Хиггса, сразу отпало несколько теорий.

То есть это будет способствовать отбору работающих космологических моделей. Еще вопрос. Можно ли использовать гравитационную антенну для прецизионного измерения ускоренного расширения Вселенной?

Пока чувствительность очень мала.

А в перспективе?

В перспективе можно использовать и для измерения реликтового гравитационного фона. Но любой экспериментатор вам скажет: «Ай-я-яй!» То есть пока до этого далеко. Дай бог, чтобы мы зарегистрировали астрофизическую катастрофу.

Столкновение черных дыр...

Да. Ведь это же катастрофа. Не дай бог рядом там оказаться. Нас бы не было. А здесь - фончик такой... Пока... «надежды юношей питают, отраду старцам подают».

Может ли служить открытие гравитационных волн еще одним подтверждением существования черных дыр? Ведь встречаются еще те, кто не верит, что они есть.

Да. Как работают в LIGO? Идет запись сигнала, для объяснения которого ученые разрабатывают шаблоны и сравнивают их с данными наблюдений. Столкновение нейтронных звезд, нейтронная звезда падает на черную дыру, взрыв сверхновой, черная дыра сливается с черной дырой... Будем менять параметры, например соотношение масс, начальный момент... Что мы должны увидеть? Идет запись, и в момент сигнала оценивается работоспособность шаблонов. Если шаблон, разработанный для столкновения двух черных дыр, подошел к сигналу, то это - доказательство. Но не абсолютное.

Лучшего объяснения нет? Открытие гравитационных волн проще всего объясняется столкновением черных дыр?

На данный момент - да. Сейчас научное сообщество считает, что это было слияние черных дыр. Но коллективное сообщество - это мнение многих, консенсус. Конечно, если возникнут какие-то новые факторы, от него можно отказаться.

Когда удастся зарегистрировать гравитационные волны не от столь массивных объектов? Не означает ли это, что нужно строить новые и более чувствительные обсерватории?

Есть программа следующего поколения LIGO. Это - второе. Будет третье. Там очень много вариантов. Можно увеличивать расстояние, увеличивать мощность, подвес. Сейчас все это обсуждается. На уровне мозгового штурма. Если будет подтверждаться наблюдение гравитационного сигнала, то будет легче получить деньги на усовершенствование обсерватории.

Ожидается бум строительства гравитационных обсерваторий?

Не знаю. Это дорогое удовольствие (LIGO обошлось примерно в 370 миллионов долларов - прим. «Ленты.ру» ). Ведь американцы предложили Австралии построить в Южном полушарии антенну и согласились для этого предоставить все оборудование. Австралия отказалась. Слишком дорогая игрушка. Содержание обсерватории заняло бы весь научный бюджет страны.

Россия принимает финансовое участие в LIGO?

Мы сотрудничаем с американцами. Что дальше будет - непонятно. Пока у нас отношения с учеными хорошие, но политики же всем правят... Поэтому нужно смотреть. Они нас ценят. Мы выдаем результаты действительно на уровне. Но не они же решают, дружить с Россией или нет.

К сожалению, да.

Это жизнь, подождем.

Обсерватория LIGO финансируется Национальным научным фондом США. Исследования в LIGO проводятся в рамках одноименной коллаборации более чем тысячей ученых из США и 14 других стран, включая Россию, представленную двумя группами из МГУ и Института прикладной физики Российской академии наук (Нижний Новгород).

В России не планируется строительство гравитационной обсерватории?

Пока не планируется. В 1980-х годах в Государственном астрономическом институте имени Штернберга МГУ хотели построить в Баксанском ущелье такую же гравитационную антенну, только в меньшем масштабе. Но пришла перестройка, и все надолго накрылось медным тазом. Сейчас ГАИШ МГУ пытается что-то сделать, но пока антенна не заработала...

Что еще можно попробовать проверить при помощи гравитационной антенны?

Справедливость теории гравитации. Ведь большинство существующих теорий основаны на теории Эйнштейна.

Ее никто до сих пор не может опровергнуть.

Она занимает лидирующее положение. Альтернативные теории устроены так, что в основном приводят к тем же экспериментальным следствиям, что и она. И это естественно. Поэтому нужны новые факты, которые бы отметали неверные теории.

Кратко как бы вы сформулировали значение открытия?

Фактически началась гравитационная астрономия. И впервые волны кривизны пространства попались на крючок. Не косвенно, а прямо. Человек восторгается собой: ай да я, ай да сукин сын!

1,3 миллиарда лет назад, далеко-далеко от Земли, Солнечной системы и даже нашей Галактики предельно сблизились две черные дыры, одна массой в 29 Солнц, а другая — в 36. 20 миллисекунд — неуловимо мало для человека — и они сливаются в одну большую черную дыру, а избыток выделившейся при столкновении энергии заставляет пространство-время пойти рябью от места космической катастрофы. 14 сентября 2015 года, в 13:51 по московскому времени эта волна дошла до Земли и заставила колебаться разнесенные на четыре километра друг от друга зеркала гравитационных телескопов возле американских городов Ливингстона и Хэнфорда.

Правда, колебаться совсем чуть-чуть, почти незаметно: с амплитудой в 10 -19 м (это во столько раз меньше размера атома, во сколько апельсин меньше всей нашей планеты). Хитрая оптическая схема для регистрации таких возмущений, измерения на грани квантового предела точности, десятки лет теоретических работ и несколько месяцев аккуратных проверок результатов. 11 февраля на пресс-конференциях в Вашингтоне, Москве, Лондоне, Париже и других городах физики из международной коллаборации LIGO сообщили: человечество впервые зарегистрировало гравитационные волны и это не может быть ошибкой. Впереди нас ждут гравитационные телескопы, новая физика и, кто знает, может быть, даже новая реальность.

Что это такое?

Представим себе натянутую ткань и несколько камней разного веса, которые мы будем на нее класть. Чем тяжелее камень, тем больше он продавливает ткань — точно так же массивные гравитационные объекты, согласно теории относительности Эйнштейна, продавливают ткань пространства-времени, окутывающую наш мир (точнее, эта ткань и есть наш мир, но сейчас не об этом).

Проще всего объяснить воздействие массивных объектов на пространство-время на примере черных дыр — они настолько компактные и тяжелые, что продавливают пространство-время на колоссальные глубины миллиардов миллионов Марианских впадин.

Даже время в их окрестностях начинает течь медленнее, а все объекты, попавшие в гигантскую воронку, уже не могут выйти наружу. Звезды, пыль, кванты света — все остается в ловушке навечно.

Но что будет, если мы не просто положим камни, но еще начнем их вращать? По ткани пойдет рябь складок. Так и массивные гравитационные объекты, двигающиеся с переменным ускорением, порождают вокруг себя распространяющуюся рябь пространства-времени — те самые гравитационные волны, предсказанные Альбертом Эйнштейном еще сто лет назад.

Что излучает гравитационные волны?

Гравитационные волны излучает любой объект, который обладает массой и движется с переменным ускорением — от вращающейся черной дыры до тормозящей машины и читателя этого текста (вряд ли же вы смотрите на экран не моргая — и вот оно, ускорение). Просто гравитационные волны от последних двух объектов вызывают такие скромные колебания пространства, что с точки зрения современной квантовой физики их просто невозможно зарегистрировать.

Поэтому физики надеялись найти гравитационные волны только от массивных объектов, двигающихся с очень большими перепадами ускорений. А точнее, от пары таких объектов — просто по второму закону Ньютона, если одно тяжелое тело движется с большим переменным ускорением, значит, должна быть большая сила, «задающая» это движение. Проще всего этой силе появиться от воздействия какого-нибудь массивного объекта неподалеку. Идеальные кандидаты в такие пары тяжеловесов — сталкивающиеся галактики и двойные системы из «живущих» вместе черных дыр или нейтронных звезд.

Неужели гравитационные волны не пытались найти до этого?

Пытались, и не один раз. Одни из первых экспериментов по обнаружению гравитационных волн ставили еще в 70-е годы на физическом факультете МГУ в группе под руководством профессора Владимира Брагинского. Тогда прибор, установленный в подвале здания, вроде бы зарегистрировал сигнал, сильный и стабильно повторяющийся каждый вечер. Назревала сенсация. Праздник испортил сам Брагинский, который понял, что прибор регистрировал сейсмический шум от дружного захода нескольких трамваев в расположенное неподалеку депо.

Исследователи из международной коллаборации BICEP были куда менее аккуратны, чем советские физики. В прошлом году они заявили о неопровержимых следах гравитационных волн в реликтовом излучении, сохранившемся с первых мгновений после Большого взрыва. Но сенсационная древность оказалась ошибкой: при обработке данных ученые не учли влияние космической пыли.

Неоднократные попытки обнаружить гравитационные волны делались и на других гравитационных телескопах, в том числе на детекторах коллаборации LIGO.

Что такое вообще LIGO и гравитационные телескопы?

LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) — это название обсерватории и одновременно международной коллаборации ученых 14 стран. Россию в LIGO представляют два научных коллектива: группа Александра Сергеева из Института прикладной физики РАН (Нижний Новгород) и группа под руководством профессора физического факультета МГУ Валерия Митрофанова. Последнюю, кстати, до недавнего времени возглавлял тот же Владимир Брагинский.

В составе LIGO как обсерватории есть детектор и два интерферометра: один установлен в Ливингстоне (штат Луизиана, США), а другой — в Хэнфорде (штат Вашингтон, США). Гравитационные волны распространяются со скоростью света, и поэтому сигнал пришел на них лишь с небольшой задержкой в 10 миллисекунд.

Сами интерферометры представляют собой большие Г-образные антенны с плечами по четыре км. Внутри у них собраны оптические схемы высокой добротности (то есть с низким уровнем посторонних шумов), в которые запускаются лазерные пучки. Под действием гравитационной волны одно плечо должно сжаться, а другое, наоборот, растянуться. В результате лазерные пучки проходят по плечам немного разное расстояние и к выходу добираются с небольшим зазором между собой. Выйдя, они снова собираются вместе и формируют интерференционную картину, по характеристикам которой можно восстановить, как менялись плечи антенны и какова была та гравитационная волна, которая все это вызвала.

Обсерватория LIGO начала свою работу еще в 2002 году, но тогда ее точности было недостаточно для регистрации гравитационных волн. В 2010 году LIGO закрылась для модернизации и вновь заработала только в 2014 году (Advanced LIGO). Каждый элемент конструкции был в буквальном смысле отточен до предела: например, зеркала, между которыми бегают лазерные пучки (они установлены на концах каждого плеча), изготавливались на специальном заводе. Похожий телескоп параллельно с LIGO построила и европейская коллаборация VIRGO, но в сентябре прошлого года он не функционировал.

Какой сигнал зарегистрировали ученые?

Вот что рассказывает Валерий Митрофанов. «Сначала был постоянный фоновый шум, и вдруг в какой-то момент с определенной частотой стали раскачиваться пробные массы детектора, те самые зеркала. Потом — раз, и обрыв. Причем сигнал был сразу на двух детекторах: сначала гравитационная волна подошла к одному, а потом с небольшой задержкой к другому».

Частота сигнала составила 150 Гц (именно с такой частотой и амплитудой 10 -19 м колебались зеркала, которые становились то ближе, то дальше друг от друга) , а после обработки была найдена его причина: слияние двух черных дыр на расстоянии 1,3 миллиарда световых лет от Земли. Масса одной из них равнялась 29 солнечным, а другой — 36. Масса получившийся черной дыры оказалась чуть меньше: недостача энергии в три солнечные массы как раз излучилась во время столкновения в виде гравитационных волн.

Светимость (то есть полная излученная энергия) этой вспышки в 50 раз превысила светимость всей видимой Вселенной. Будь это свет, а не гравитация, в обозримом космосе стало бы ослепительно светло.

Светимость? Частота? Я окончательно запутался

Еще раз: ученые увидели гравитационные волны. Это не свет (то есть электромагнитные волны, или распространяющиеся в пространстве сцепленные колебания магнитного и электрического полей), и не звук (механические колебания в твердой, жидкой или газообразной среде, то есть распространяющиеся волны повышенного/пониженного давления). Просто все эти явления (свет, звук и гравитация) можно описать одними и теми же уравнениями и терминами волновой физики.

Так, у каждой волны есть частота колебаний, измеряемая в герцах (Гц). Человеческий слух способен воспринимать звуки на частоте 20 герц — 20 килогерц. Частота пришедшей гравитационной волны составили 150 Гц, но это не значит, что ее можно услышать, если очень хорошенько прислушаться. На пресс-конференции в Вашингтоне ученые даже включили тревожный звук от этого столкновения где-то в невообразимом далёко, но это была просто красивая интерпретация, что было бы, зарегистрируй исследователи не гравитационную волну, а точно такую же по всем параметрам (частота, амплитуда, форма) волну звуковую.

Точно так же и со светимостью. Это просто термин для определения интенсивности потока излучения, примененный в непривычном, но корректном контексте. Например, в случае лампочек: чем интенсивнее они излучают, тем ярче светятся, и тем больше их светимость. Для сталкивающихся черных дыр: чем больше была их масса и чем резче ускорения, тем более мощные гравитационные волны они запустят в пространство. Почему же тогда это событие в 50 светимостей Вселенной не сжало в гармошку всю планету Земля, а только каким-то потусторонним ветерком поколебало сложно устроенные зеркала? А потому, что гравитационное взаимодействие гораздо слабее электромагнитного (поэтому-то его так сложно обнаружить) — настолько, что мы замечаем только наше притяжение к Земле, но например, никак не к вековому дубу, как бы близко мы к нему не подходили.

А это не может быть ошибкой?

Ученые на 100% уверены в своих выводах. При этом раньше у них уже были ложные срабатывания, но посторонние об этом никогда не узнавали, так что с точки зрения аккуратности им точно можно доверять.

«Во-первых, это прямой метод регистрации гравитационных волн, — говорит Валерий Митрофанов. — А во-вторых, результаты совпали с предсказаниями теоретиков. У нас был шаблон сигнала гравитационной волны от слияния двух черных дыр, рассчитанный с помощью квантовой физики. Сигнал регистрировался, только если он попадал в этот шаблон — так и случилось 14 сентября, и именно благодаря этому шаблону мы можем восстановить массы дыр».

Кстати, утечка информации о скором объявлении результатов появилась еще в середине сентября. Тогда многие обсуждали, что среди прочего сигнал мог быть просто подмешан в данные контролирующими проект учеными для проверки его готовности. Сейчас все участники коллаборации однозначно отрицают такую возможность: событие пришлось не на рабочий пуск системы, а на тестово-инженерный, в котором ложные «впрыски» по инструкции не предполагаются.

А Росссия участвовала?

Да. Как уже сказано, от России в коллаборации LIGO принимают участие две лаборатории из Москвы и Нижнего Новгорода. Они разрабатывали конструкцию телескопа (например, именно российские физики предложили подвешивать зеркала на кварцевых нитях вместо стальных, что снизило посторонние шумы в системе) и боролись с квантовыми эффектами, искажающими сигналы сверхчувствительных антенн.

«Мы получили квантовый прибор макроскопических размеров, — рассказывает профессор МГУ Сергей Вятчанин. — Это предельное достижение цивилизации на данный момент: LIGO почти достиг квантового предела измерений. Нам удалось зарегистрировать смещение двух макроскопических объектов массой в несколько килограммов и разнесенных на несколько километров, с точностью, предрекаемой квантовой неопределенностью Гейзенберга».

Особо отмечает вклад наших физиков в исследования и один из инициаторов проекта, почетный профессор Калифорнийского технического института Кип Торн. По его словам, именно Владимир Брагинский, признанный мировой специалист в области квантовой гравитации, первым предложил искать гравитационные волны от черных дыр и первым обратил внимание на необходимость учитывать в измерениях квантовые эффекты.

Пойдем по восходящей. Сначала ученые надеются обзавестись третьим гравитационным телескопом для своей системы, который будет расположен уже не на Земле, а в космосе. Тогда по характерным задержкам сигналов гравитационных волн исследователи смогут восстанавливать точное положение источников — так же, как сейчас можно узнать свое точное положение на Земле, обменявшись сигналами с тремя спутниками GPS.

«Это начало новой, гравитационно-волновой астрономии, — говорит Валерий Митрофанов. — Древние люди наблюдали Вселенную только в видимом свете. Потом появились рентгеновские телескопы, радиотелескопы, гамма-телескопы, нейтринные наблюдения, а теперь мы увидим небо в гравитационных волнах, которые, кстати, ничем не экранируются».

«Эти волны не может остановить никакая материя, и с ними мы сможем понять о Вселенной гораздо больше, чем теперь. А загадок много — например, загадка темной материи».

Кроме того, гравитационный телескоп может сканировать сразу все небо: его не нужно настраивать в какую-то определенную точку пространства или на одну частоту. Поэтому в перспективе многие уникальные астрофизические события первыми будут фиксироваться именно на гравитационном телескопе — он сможет определить точное местоположение объектов, и дальше по этим данным будут настраивать уже другие средства наблюдения.

Не без этого. Теперь ученые надеются увидеть реликтовые гравитационные волны — те самые, которые стали распространяться по Вселенной почти сразу после Большого взрыва.
«Это позволит заглянуть в самое начало времен, — говорит профессор МГУ Фарит Халили. — Гравитационное взаимодействие раньше всех перестало взаимодействовать с веществом, и поэтому наблюдение реликтового излучения, возможно, позволит поженить гравитационные взаимодействия и электромагнитные».

Профессор говорит о давней мечте физиков — разработке стройной теории квантовой гравитации, в рамках которой едиными терминами и уравнениями описываются как электромагнитные взаимодействия, так и гравитационные. Задача-максимум на этом пути и вовсе «теория всего» или, как ее еще называют, теория великого объединения. В ней воедино сливаются уже все четыре известных физических взаимодействия (кроме гравитационного и электромагнитного есть еще слабые и сильные взаимодействия, объясняющие существование элементарных частиц).

Частью такой теории должна стать и теория относительности Эйнштейна. «Мы сможем заглянуть в ту область, где заканчивается общая теория относительности, поскольку в черной дыре она предсказывает сингулярность, — рассказывает профессор МГУ Игорь Биленко. — Возможно, мы увидим новую физику, которая включает общую теорию относительности как одну из своих составляющих, один из частных случаев».

Наконец, кое-что с этого пира может перепасть и нам, простым людям, не мечтающим о теории великого объединения. «Когда Герц открыл электромагнитные волны, он и не знал, что это приведет к линиям электропередач, мобильным телефонам и интернету, — говорит доцент МГУ Сергей Стрыгин. — Возможно, человечество когда-нибудь научится не просто детектировать гравитационные волны, но и использовать их в своих целях».

Что это будет? Передача информации сквозь время, как в фильме «Интерстеллар», научным консультантом которого был как раз Кип Торн? Путешествия во времени? Что-то невообразимо сумасшедшее? Пока мы не можем ничего предсказывать — только ждать и смотреть.

Сенсационное открытие уже назвали одним из величайших прорывов в истории физики. Объясняем, почему.

Научный мир бурлит: после 11 лет безуспешных поисков с помощью уникальных сверхточных приборов удалось «поймать» неуловимые гравитационные волны, существование которых предсказал еще Альберт Эйнштейн. Об обнаружении таинственных волн за эти годы заявляли неоднократно, но каждый раз оказывалось, что ученые выдают желаемое за действительное. Теперь же официально объявлено: открытие состоялось. Его авторам уже прочат Нобелевскую премию, а то и не одну. Почему же ученые так радуются получению очередного сигнала из космоса?

Что такое гравитационные волны?

Это колебания пространства-времени, «ткани» нашего мира, которые возникают при взаимодействии двух тел в определенных условиях. Они похожи на круги на воде, но очень и очень слабые. Засечь их на Земле можно только в том случае, если речь идет о по-настоящему огромных космических объектах, обладающих колоссальной энергией. И ученым повезло: волны, которые они нашли, возникли от столкновения и слияния двух черных дыр. Катастрофа произошла примерно 1.3 миллиарда лет назад. Гравитационные волны распространяются со скоростью света, а это значит, что грандиозное событие случилось на расстоянии в 1.3 миллиарда световых лет от нашей планеты. Его масштаб практически невозможно представить: излучение, порожденное взрывом, оказалось в 50 раз сильнее излучения всех видимых звезд.

Как открыли?

Сто лет назад Эйнштейн доказал, что гравитационные волны должны существовать. Но долгое время это было невозможно подтвердить: у науки просто не было достаточно точных приборов. И только на рубеже 20 и 21 веков удалось создать технику, которая могла бы справиться с этой задачей. В итоге сделать эпохальное открытие посчастливилось ученым из международного сообщества LIGO с помощью одноименной американской обсерватории. Это две гигантские Г-образные установки с длиной «плеча» в 4 километра, разнесенные на расстояние в 3 тысячи километров, внутри которых размещена сложнейшая аппаратура. Их строили и модернизировали на протяжении 25 лет, потратив более 370 миллионов долларов на каждую установку. Точность у них невероятная: они засекли колебания, составившие 10 в минус 19 степени. Эта величина настолько же меньше атома, насколько атом меньше яблока.

Кто открыл?

Проект LIGO финансируется Национальным научным фондом США, однако в него входят более тысячи ученых из 15 стран. Россия, к счастью, тоже «приложила руку» к открытию: в работе участвовали два наших научных коллектива – с физического факультета МГУ и из нижегородского Института прикладной физики.

В чем важность?

Во-первых, физики получили очередное и очень весомое подтверждение того, что теория относительности верна и работает во всей Вселенной. Во-вторых, гравитационные волны – прямое доказательство того, что черные дыры все-таки существуют, в чем многие ученые сомневались. Кроме того, часть этих волн возникла после Большого взрыва – если научиться их стабильно улавливать, можно узнать много нового о рождении и развитии нашей Вселенной.

Есть ли прикладная ценность?

Разумеется, в сети сейчас озвучивается масса предложений по части того, как превратить это открытие в конкретные технологии. Люди мечтают о создании антигравитационных двигателей, машины времени, «кротовых нор» для телепортации, новых средств связи и прочих фантастических вещей. Но ученые спешат огорошить нас: пока гравитационные волны интересны только теоретикам. Но в будущем изучение этих волн может принести неожиданные и очень полезные результаты, успокаивают они. «Научное значение этого открытия огромно, как и в случае электромагнитных волн мы осознаем его в полной мере через некоторое время», - говорит профессор физического факультета МГУ, руководитель Московской группы коллаборации LIGO Валерий Митрофанов. А ведь электромагнитные волны – это основа нашей современной цивилизации. Кто знает – может быть, так случится и с гравитационными волнами?