Теория гравитационных волн. Мы нашли гравитационные волны. Что дальше? Бусы в космосе

Валентин Николаевич Руденко делится историей своего визита в город Кашина (Италия), где он провел неделю на тогда еще только что построенной «гравитационной антенне» – оптическом интерферометре Майкельсона. По дороге к месту назначения таксист интересуется, для чего построена установка. «Тут люди думают, что это для разговора с Богом», – признается водитель.

– Что такое гравитационные волны?

– Гравитационная волна один из «переносчиков астрофизической информации». Существуют видимые каналы астрофизической информации, особая роль в «дальнем видении» принадлежит телескопам. Астрономы освоили также низкочастотные каналы – микроволновой и инфракрасный, и высокочастотные – рентгеновские и гамма-. Кроме электромагнитного излучения, мы можем регистрировать потоки частиц из Космоса. Для этого используют нейтринные телескопы – крупногабаритные детекторы космических нейтрино – частиц, которые слабо взаимодействуют с веществом и поэтому трудно регистрируются. Почти все теоретически предсказанные и лабораторно-исследованные виды «переносчиков астрофизической информации» надежно освоены на практике. Исключение составляла гравитация – самое слабое взаимодействие в микромире и самая мощная сила в макромире.

Гравитация – это геометрия. Гравитационные волны – геометрические волны, то есть волны, которые меняют геометрические характеристики пространства, когда проходят по этому пространству. Грубо говоря, это – волны, деформирующие пространство. Деформация – это относительное изменение расстояния между двумя точками. Гравитационное излучение отличается от всех других типов излучений именно тем, что они геометрические.

– Гравитационные волны предсказал Эйнштейн?

– Формально считается, что гравитационные волны предсказал Эйнштейн, как одно из следствий его общей теории относительности, но фактически их существование становится очевидным уже в специальной теории относительности.

Теория относительности предполагает, что из-за гравитационного притяжения возможен гравитационный коллапс, то есть стягивание объекта в результате коллапсирования, грубо говоря, в точку. Тогда гравитация такая сильная, что из нее даже не может выйти свет, поэтому такой объект образно называется черной дырой.

– В чем заключается особенность гравитационного взаимодействия?

Особенностью гравитационного взаимодействия является принцип эквивалентности. Согласно ему динамическая реакция пробного тела в гравитационном поле не зависит от массы этого тела. Проще говоря, все тела падают с одинаковым ускорением.

Гравитационное взаимодействие – самое слабое из известных нам сегодня.

– Кто первым пытался поймать гравитационную волну?

– Гравитационно-волновой эксперимент первым провел Джозеф Вебер из Мэрилендского университета (США). Он создал гравитационный детектор, который теперь хранится в Смитсоновском музее в Вашингтоне. В 1968-1972 году Джо Вебер провел серию наблюдений на паре пространственно разнесенных детекторов, пытаясь выделить случаи «совпадений». Прием совпадений заимствован из ядерной физики. Невысокая статистическая значимость гравитационных сигналов, полученных Вебером, вызывала критическое отношение к результатам эксперимента: не было уверенности в том, что удалось зафиксировать гравитационные волны. В дальнейшим ученые пытались увеличить чувствительность детекторов веберовского типа. На разработку детектора, чувствительность которого была адекватна астрофизическому прогнозу, ушло 45 лет.

За время начала эксперимента до фиксации прошло много других экспериментов, были зафиксированы импульсы за этот период, но у них была слишком маленькая интенсивность.

– Почему о фиксации сигнала объявили не сразу?

– Гравитационные волны были зафиксированы еще в сентябре 2015 года. Но даже если совпадение было зафиксировано, надо прежде, чем объявлять, доказать, что оно не является случайным. В сигнале, снимаемом с любой антенны, всегда есть шумовые выбросы (кратковременные всплески), и один из них случайно может произойти одновременно с шумовым всплеском на другой антенне. Доказать, что совпадение произошло не случайно можно только с помощью статистических оценок.

– Почему открытия в области гравитационных волн так важны?

– Возможность зарегистрировать реликтовый гравитационный фон и измерить его характеристики, такие как плотность, температура и т.п., позволяет подойти к началу мироздания.

Привлекательным является то, что гравитационное излучение трудно обнаружить, потому что оно очень слабо взаимодействует с веществом. Но, благодаря этому же свойству, оно и проходит без поглощений из самых далеких от нас объектов с самыми таинственными, с точки зрения материи, свойствами.

Можно сказать, что гравитационные излучения проходят без искажения. Наиболее амбициозная цель – исследовать то гравитационное излучение, которое было отделено от первичной материи в Теории Большого Взрыва, которое создалось в момент создания Вселенной.

– Исключает ли открытие гравитационных волн квантовую теорию?

Теория гравитации предполагает существование гравитационного коллапса, то есть стягивание массивных объектов в точку. В то же время, квантовая теория, которую развивала Копенгагенская школа предполагает, что, благодаря принципу неопределенности, нельзя одновременно указать точно такие параметры как координата, скорость и импульс тела. Здесь есть принцип неопределенности, нельзя определить точно траекторию, потому что траектория – это и координата, и скорость и т. д. Можно определить только некий условный доверительный коридор в пределах этой ошибки, которая связана с принципами неопределенности. Квантовая теория категорически отрицает возможность точечных объектов, но описывает их статистически вероятностным образом: не конкретно указывает координаты, а указывает вероятность того, что она имеет определенные координаты.

Вопрос об объединении квантовой теории и теории гравитации – один из фундаментальных вопросов создания единой теории поля.

Над ним сейчас продолжают работать, и слова “квантовая гравитация” означают совершенно передовую область науки, границу знаний и незнаний, где сейчас работают все теоретики мира.

– Что может дать открытие в будущем?

Гравитационные волны неизбежно должны лечь в фундамент современной науки как одна из составляющих нашего знания. Им отводится существенная роль в эволюции Вселенной и с помощью этих волн Вселенную следует изучать. Открытие способствует общему развитию науки и культуры.

Если решиться выйти за рамки сегодняшней науки, то допустимо представить себе линии телекоммуникационной гравитационной связи, реактивные аппараты на гравитационной радиации, гравитационно-волновые приборы интроскопии.

– Имеют ли отношение гравитационные волны к экстрасенсорике и телепатии?

Не имеют. Описанные эффекты – это эффекты квантового мира, эффекты оптики.

Беседовала Анна Уткина

В четверг, 11 февраля, группа ученых из международного проекта LIGO Scientific Collaboration заявили, что им удалось , существование которых еще в 1916 году предсказал Альберт Эйнштейн. По утверждению исследователей, 14 сентября 2015 года они зафиксировали гравитационную волну, которая была вызвана столкновением двух черных дыр массой в 29 и 36 раз больше массы Солнца, после чего они слились в одну большую черную дыру. По их словам, это произошло предположительно 1,3 миллиарда лет назад на расстоянии 410 Мегапарсеков от нашей галактики.

Подробно о гравитационных волнах и масштабном открытии ЛІГА.net рассказал Богдан Гнатык , украинский ученый, астрофизик, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Астрономической обсерватории Киевского национального университета имени Тараса Шевченко, который возглавлял обсерваторию с 2001-го по 2004 год.

Теория простым языком

Физика изучает взаимодействие между телами. Установлено, что между телами существует четыре вида взаимодействия: электромагнитное, сильное и слабое ядерное взаимодействие и гравитационное взаимодействие, которое мы все ощущаем. Вследствие гравитационного взаимодействия планеты вращаются вокруг Солнца, тела имеют вес и падают на землю. С гравитационным взаимодействием человек сталкивается постоянно.

В 1916 году, 100 лет назад, Альберт Эйнштейн построил теорию гравитации, которая улучшала ньютоновскую теорию гравитации, сделала ее математически правильной: она стала отвечать всем требованиям физики, стала учитывать то, что гравитация распространяется с очень большой, но конечной скоростью. Это по праву одно из самых грандиозных достижений Эйнштейна, поскольку он построил ​​теорию гравитации, которая отвечает всем явлениям физики, которые мы сегодня наблюдаем.

Эта теория также предполагала существование гравитационных волн . Основой этого предсказания было то, что гравитационные волны существуют в результате гравитационного взаимодействия, которое возникает вследствие слияния двух массивных тел.

Что такое гравитационная волна

Сложным языком это возбуждение метрики пространства-времени. "Скажем, пространство имеет определенную упругость и по нему могут бежать волны. Это похоже на то, когда мы в воду бросаем камешек и от него разбегаются волны", - рассказал ЛІГА.net доктор физико-математических наук.

Ученым удалось экспериментально доказать, что подобное колебание имело место во Вселенной и во всех направлениях пробежала гравитационная волна. "Астрофизическим способом впервые было зафиксировано явление такой катастрофической эволюции двойной системы, когда сливаются два объекта в один, а это слияние приводит к очень интенсивному выделению гравитационной энергии, которая затем в виде гравитационных волн распространяется в пространстве", - пояснил ученый.

Как это выглядит (фото - EPA)

Эти гравитационные волны очень слабые и чтобы они поколебали пространство-время, необходимо взаимодействие очень больших и массивных тел, чтобы напряженность гравитационного поля была большая в месте генерирования. Но, несмотря на их слабость, наблюдатель через определенное время (равное расстоянию к взаимодействию разделенному на скорость прохождения сигнала) зарегистрирует эту гравитационную волну.

Приведем пример: если бы Земля упала на Солнце, то произошло бы гравитационное взаимодействие: выделилась бы гравитационная энергия, образовалась бы гравитационная сферически-симметричная волна и наблюдатель смог бы ее зарегистрировать. "Здесь же произошло аналогичное, но уникальное, с точки зрения астрофизики, явление: столкнулись два массивных тела - две черные дыры", - отметил Гнатык.

Вернемся к теории

Черная дыра - это еще одно предсказание общей теории относительности Эйнштейна, которое предусматривает, что тело, которое имеет огромную массу, но эта масса сконцентрирована в малом объеме, способно существенно искажать пространство вокруг себя, вплоть до его замыкания. То есть, предполагалось, что когда достигается критическая концентрация массы этого тела - такая, что размер тела будет меньше, чем так называемый гравитационный радиус, то вокруг этого тела пространство замкнется и топология его будет такой, что никакой сигнал с него за пределы замкнутого пространства распространиться не сможет.

"То есть, черная дыра, простыми словами, это массивный объект, который настолько тяжелый, что замыкает вокруг себя пространство-время", - говорит ученый.

И мы, по его словам, можем посылать любые сигналы этому объекту, а он нам - нет. То есть, никакие сигналы не могут выходить за пределы черной дыры.

Черная дыра живет по обычным физическим законам, но в результате сильной гравитации, ни одно материальное тело, даже фотон, не способно выйти за пределы этой критической поверхности. Черные дыры образуются в ходе эволюции обычных звезд, когда происходит коллапс центрального ядра и часть вещества звезды, коллапсируя, превращается в черную дыру, а другая часть звезды выбрасывается в виде оболочки Сверхновой звезды, превращаясь в так называемую "вспышку" Сверхновой звезды.

Как мы увидели гравитационную волну

Приведем пример. Когда на поверхности воды у нас есть два поплавка и вода спокойная - то расстояние между ними постоянное. Когда приходит волна, то она смещает эти поплавки и расстояние между поплавками изменится. Волна прошла - и поплавки возвращаются на свои прежние позиции, а расстояние между ними восстанавливается.

Аналогичным образом распространяется и гравитационная волна в пространстве-времени: она сжимает и растягивает тела и объекты, которые встречаются на ее пути. "Когда на пути волны встречается некий объект - он деформируется вдоль своих осей, а после ее прохождения - возвращается к прежней форме. Под действием гравитационной волны все тела деформируются, но эти деформации - очень незначительны", - говорит Гнатык.

Когда прошла волна, которую зафиксировали ученые, то относительный размер тел в пространстве изменился на величину порядка 1 умножить на 10 в минус 21-ой степени. Например, если взять метровую линейку, то она сжалась на такую ​​величину, которая составляла ее размер, умноженный на 10 в минус 21-ой степени. Это очень мизерная величина. И проблема заключалась в том, что ученым нужно было научиться это расстояние измерить. Обычные методы давали точность порядка 1 к 10 в 9 степени милионнам, а здесь необходима гораздо более высокая точность. Для этого создали так называемые гравитационные антенны (детекторы гравитационных волн).

Обсерватория LIGO (фото - EPA)

Антенна, которая зафиксировала гравитационные волны, построена таким образом: существует две трубы, примерно по 4 километра в длину, расположенные в форме буквы "Г", но с одинаковыми плечами и под прямым углом. Когда на систему падает гравитационная волна, она деформирует крылья антенны, но в зависимости от ее ориентации, она деформирует одно больше, а второе - меньше. И тогда возникает разность хода, интерференционная картина сигнала меняется - возникает суммарная положительная или отрицательная амплитуда.

"То есть, прохождение гравитационной волны аналогично волне на воде, проходящей между двумя поплавками: если бы мы мерили расстояние между ними во время и после прохождения волны, то мы бы увидели, что расстояние изменилось бы, а потом снова стало прежним", - рассказал Гнатык.

Здесь же измеряется относительное изменение расстояния двух крыльев интерферометра, из которых каждое имеет около 4 километров в длину. И только очень точные технологии и системы позволяют измерить такое микроскопическое смещение крыльев, вызванное гравитационной волной.

На границе Вселенной: откуда пришла волна

Ученые зафиксировали сигнал с помощью двух детекторов, которые в США расположены в двух штатах: Луизиане и Вашингтон на расстоянии около 3 тыс километров. Ученым удалось оценить, откуда и с какого расстояния пришел этот сигнал. Оценки показывают, что сигнал пришел с расстояния, которое составляет 410 Мегапарсеков. Мегапарсек - это расстояние, которое свет проходит за три миллиона лет.

Чтобы было легче представить: ближайшая к нам активная галактика со сверхмассивной черной дырой в центре - Центавр А, которая находится от нашей на расстоянии четыре Мегапарсека, в то же время Туманность Андромеды находится на расстоянии 0,7 Мегапарсеков. "То есть расстояние, с которого пришел сигнал гравитационной волны настолько велико, что сигнал шел к Земле примерно 1,3 млрд лет. Это космологические расстояния, которые достигают около 10% горизонта нашей Вселенной", - рассказал ученый.

На таком расстоянии в какой-то далекой галактике произошло слияние двух черных дыр. Эти дыры, с одной стороны, были относительно малыми по размерам, а с другой стороны, большая сила амплитуды сигнала свидетельствует, что они были очень тяжелые. Установлено, что массы их были соответственно 36 и 29 масс Солнца. Масса Солнца, как известно, составляет величину, которая равняется 2 умножить на 10 в 30 степени килограмм. После слияния эти два тела слились и теперь на их месте образовалась одна черная дыра, которая имеет массу, равную 62 массам Солнца. При этом, примерно три массы Солнца выплеснулось в виде энергии гравитационной волны.

Кто и когда сделал открытие

Обнаружить гравитационную волну удалось ученым из международного проекта LIGO 14 сентября 2015 года. LIGO (Laser Interferometry Gravitation Observatory) - это международный проект, в котором принимают участие ряд государств, осуществивших определенный финансовый и научный взнос, в частности США, Италия, Япония, которые являются передовыми в области этих исследований.

Професcоры Райнер Вайс и Кип Торн (фото - EPA)

Была зафиксирована следующая картина: произошло смещение крыльев гравитационного детектора, в результате реального прохождения гравитационной волны через нашу планету и через эту установку. Об этом не сообщили тогда, потому что сигнал нужно было обработать, "почистить", найти его амплитуду и проверить. Это стандартная процедура: от реального открытия, до объявления об открытии - проходит несколько месяцев для того, чтобы выдать обоснованное заявление. "Никто не хочет портить свою репутацию. Это все секретные данные, до обнародования которых - о них никто не знал, ходили только слухи", - отметил Гнатык.

История

Гравитационные волны исследуются с 70-х годов прошлого века. За это время был создан ряд детекторов и проведен ряд фундаментальных исследований. В 80-х годах американский ученый Джозеф Вебер построил первую гравитационную антенну в виде алюминиевого цилиндра, который имел размер порядка нескольких метров, оснащенный пьезо-датчиками, которые должны были зафиксировать прохождение гравитационной волны.

Чувствительность этого прибора была в миллион раз хуже, чем нынешние детекторы. И, конечно, он тогда реально зафиксировать волну не мог, хотя и Вебер заявил, что он это сделал: пресса об этом написала и произошел "гравитацонный бум" - в мире сразу начали строить гравитационные антенны. Вебер стимулировал других ученых заняться гравитационными волнами и продолжать эксперименты над этим явлением, благодаря чему удалось в миллион раз поднять чувствительность детекторов.

Однако само явление гравитационных волн было зарегистрировано еще в прошлом веке, когда ученые обнаружили двойной пульсар. Это была косвенная регистрация факта, что гравитационные волны существуют, доказанная благодаря астрономическим наблюдениям. Пульсар был открыт Расселом Халсом и Джозефом Тейлором в 1974 году, во время проведения наблюдений на радиотелескопе обсерватории Аресибо. Ученые были удостоены Нобелевской премии в 1993 году "за открытие нового типа пульсаров, давшее новые возможности в изучении гравитации".

Исследования в мире и Украине

На территории Италии близок к завершению аналогичный проект, которые называется Virgo. Япония также намерена через год запустить аналогичный детектор, Индия также готовит такой эксперимент. То есть, во многих точках мира существуют подобные детекторы, но они еще не вышли на тот режим чувствительности, чтобы можно было говорить о фиксации гравитационных волн.

"Официально Украина не входит в LIGO и также не участвует в итальянском и японском проектах. Среди таких фундаментальных направлений Украина сейчас принимает участие в проекте LHC (БАК - Большой адронный коллайдер) и в CERN"е (официально станем участником только после уплаты вступительного взноса)", - рассказал ЛІГА.net доктор физико-математических наук Богдан Гнатык.

По его словам, Украина с 2015 года является полноправным членом международной коллаборации CTA (МЧТ- массив черенковских телескопов), которая строит современный телескоп мультиТеВ ного гамма диапазона (с энергиями фотонов до 1014 эВ). "Основными источниками таких фотонов как раз и являются окрестности сверхмассивных черных дыр, гравитационное излучение которых впервые зафиксировал детектор LIGO. Поэтому открытие новых окон в астрономии - гравитационно-волнового и мультиТеВ ного электромагнитного обещает нам еще много открытий в будущем", - добавляет ученый.

Что дальше и как новые знания помогут людям? Ученые расходятся во мнениях. Одни говорят, что это лишь очередная ступень в понимании механизмов Вселенной. Другие видят в этом первые шаги на пути к новым технологиям перемещения сквозь время и пространство. Так или иначе - это открытие в очередной раз доказало, как мало мы понимаем и как много еще предстоит узнать.

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

Спустя сто лет после теоретического предсказания, которое в рамках общей теории относительности сделал Альберт Эйнштейн, ученым удалось подтвердить существование гравитационных волн. Начинается эра принципиально нового метода изучения далекого космоса — гравитационно-волновой астрономии.

Открытия бывают разные. Бывают случайные, в астрономии они встречаются часто. Бывают не совсем случайные, сделанные в результате тщательного «прочесывания местности», как, например, открытие Урана Вильямом Гершелем. Бывают серендипические — когда искали одно, а нашли другое: так, например, открыли Америку. Но особое место в науке занимают запланированные открытия. Они основаны на четком теоретическом предсказании. Предсказанное ищут в первую очередь для того, чтобы подтвердить теорию. Именно к таким открытиям относятся обнаружение бозона Хиггса на Большом адронном коллайдере и регистрация гравитационных волн с помощью лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории LIGO. Но для того чтобы зарегистрировать какое-то предсказанное теорией явление, нужно довольно неплохо понимать, что именно и где искать, а также какие инструменты необходимы для этого.

Гравитационные волны традиционно называют предсказанием общей теории относительности (ОТО), и это в самом деле так (хотя сейчас такие волны есть во всех моделях, альтернативных ОТО или же дополняющих ее). К появлению волн приводит конечность скорости распространения гравитационного взаимодействия (в ОТО эта скорость в точности равна скорости света). Такие волны — возмущения пространства-времени, распространяющиеся от источника. Для возникновения гравитационных волн необходимо, чтобы источник пульсировал или ускоренно двигался, но определенным образом. Скажем, движения с идеальной сферической или цилиндрической симметрией не подходят. Таких источников достаточно много, но часто у них маленькая масса, недостаточная для того, чтобы породить мощный сигнал. Ведь гравитация — самое слабое из четырех фундаментальных взаимодействий, поэтому зарегистрировать гравитационный сигнал очень трудно. Кроме того, для регистрации нужно, чтобы сигнал быстро менялся во времени, то есть имел достаточно высокую частоту. Иначе нам не удастся его зарегистрировать, так как изменения будут слишком медленными. Значит, объекты должны быть еще и компактными.

Первоначально большой энтузиазм вызывали вспышки сверхновых, происходящие в галактиках вроде нашей раз в несколько десятков лет. Значит, если удастся достичь чувствительности, позволяющей видеть сигнал с расстояния в несколько миллионов световых лет, можно рассчитывать на несколько сигналов в год. Но позднее оказалось, что первоначальные оценки мощности выделения энергии в виде гравитационных волн во время взрыва сверхновой были слишком оптимистичными, и зарегистрировать подобный слабый сигнал можно было бы только в случае, если б сверхновая вспыхнула в нашей Галактике.

Еще один вариант массивных компактных объектов, совершающих быстрые движения, — нейтронные звезды или черные дыры. Мы можем увидеть или процесс их образования, или процесс взаимодействия друг с другом. Последние стадии коллапса звездных ядер, приводящие к образованию компактных объектов, а также последние стадии слияния нейтронных звезд и черных дыр имеют длительность порядка нескольких миллисекунд (что соответствует частоте в сотни герц) — как раз то что надо. При этом выделяется много энергии, в том числе (а иногда и в основном) в виде гравитационных волн, так как массивные компактные тела совершают те или иные быстрые движения. Вот они — наши идеальные источники.

Правда, сверхновые вспыхивают в Галактике раз в несколько десятков лет, слияния нейтронных звезд происходят раз в пару десятков тысяч лет, а черные дыры сливаются друг с другом еще реже. Зато сигнал гораздо мощнее, и его характеристики можно достаточно точно рассчитать. Но теперь нам надо научиться видеть сигнал с расстояния в несколько сотен миллионов световых лет, чтобы охватить несколько десятков тысяч галактик и обнаружить несколько сигналов за год.

Определившись с источниками, начнем проектировать детектор. Для этого надо понять, что же делает гравитационная волна. Не вдаваясь в детали, можно сказать, что прохождение гравитационной волны вызывает приливную силу (обычные лунные или солнечные приливы — это отдельное явление, и гравитационные волны тут ни при чем). Так что можно взять, например, металлический цилиндр, снабдить датчиками и изучать его колебания. Это несложно, поэтому такие установки начали делать еще полвека назад (есть они и в России, сейчас в Баксанской подземной лаборатории монтируется усовершенствованный детектор, разработанный командой Валентина Руденко из ГАИШ МГУ). Проблема в том, что такой прибор будет видеть сигнал без всяких гравитационных волн. Есть масса шумов, с которыми трудно бороться. Можно (и это было сделано!) установить детектор под землей, попытаться изолировать его, охладить до низких температур, но все равно для того, чтобы превысить уровень шума, понадобится очень мощный гравитационно-волновой сигнал. А мощные сигналы приходят редко.

Поэтому был сделан выбор в пользу другой схемы, которую в 1962 году выдвинули Владислав Пусто-войт и Михаил Герценштейн. В статье, опубликованной в ЖЭТФ (Журнал экспериментальной и теоретической физики), они предложили использовать для регистрации гравитационных волн интерферометр Майкельсона. Луч лазера бегает между зеркалами в двух плечах интерферометра, а затем лучи из разных плеч складываются. Анализируя результат интерференции лучей, можно измерить относительное изменение длин плеч. Это очень точные измерения, поэтому, если победить шумы, можно достичь фантастической чувствительности.

В начале 1990-х было принято решение о строительстве нескольких детекторов по такой схеме. Первыми в строй должны были войти относительно небольшие установки, GEO600 в Европе и ТАМА300 в Японии (числа соответствуют длине плеч в метрах) для обкатки технологии. Но основными игроками должны были стать установки LIGO в США и VIRGO в Европе. Размер этих приборов измеряется уже километрами, а окончательная плановая чувствительность должна была бы позволить видеть десятки, если не сотни событий в год.

Почему нужны несколько приборов? В первую очередь для перекрестной проверки, поскольку существуют локальные шумы (например, сейсмические). Одновременная регистрация сигнала на северо-западе США и в Италии была бы прекрасным свидетельством его внешнего происхождения. Но есть и вторая причина: гравитационно-волновые детекторы очень плохо определяют направление на источник. А вот если разнесенных детекторов будет несколько, указать направление можно будет довольно точно.

Лазерные исполины

В своем первоначальном виде детекторы LIGO были построены в 2002 году, a VIRGO — в 2003-м. По плану это был лишь первый этап. Все установки поработали по несколько лет, а в 2010-2011 годах были остановлены для доработки, чтобы затем выйти на плановую высокую чувствительность. Первыми заработали детекторы LIGO в сентябре 2015 года, VIRGO должна присоединиться во второй половине 2016-го, и начиная с этого этапа чувствительность позволяет надеяться на регистрацию как минимум нескольких событий в год.

После начала работы LIGO ожидаемый темп всплесков составлял примерно одно событие в месяц. Астрофизики заранее оценили, что первыми ожидаемыми событиями должны стать слияния черных дыр. Связано это с тем, что черные дыры обычно раз в десять тяжелее нейтронных звезд, сигнал получается мощнее, и его «видно» с больших расстояний, что с лихвой компенсирует меньший темп событий в расчете на одну галактику. К счастью, долго ждать не пришлось. 14 сентября 201 5 года обе установки зарегистрировали практически идентичный сигнал, получивший наименование GW150914.

С помощью довольно простого анализа можно получить такие данные, как массы черных дыр, мощность сигнала и расстояние до источника. Масса и размер черных дыр связаны очень простым и хорошо известным образом, а по частоте сигнала сразу можно оценить размер области выделения энергии. В данном случае размер указывал на то, что из двух дыр массой 25-30 и 35-40 солнечных масс образовалась черная дыра с массой более 60 солнечных масс. Зная эти данные, можно получить и полную энергию всплеска. В гравитационное излучение перешло почти три массы Солнца. Это соответствует светимости 1023 светимостей Солнца — примерно столько же, сколько за это время (сотые доли секунды) излучают все звезды в видимой части Вселенной. А из известной энергии и величины измеренного сигнала получается расстояние. Большая масса слившихся тел позволила зарегистрировать событие, произошедшее в далекой галактике: сигнал шел к нам примерно 1,3 млрд лет.

Более детальный анализ позволяет уточнить отношение масс черных дыр и понять, как они вращались вокруг своей оси, а также определить и некоторые другие параметры. Кроме того, сигнал с двух установок позволяет примерно определить направление всплеска. К сожалению, пока тут точность не очень велика, но с вводом в строй обновленной VIRGO она возрастет. А еще через несколько лет начнет принимать сигналы японский детектор KAGRA. Затем один из детекторов LIGO (изначально их было три, одна из установок была сдвоенной) будет собран в Индии, и ожидается, что тогда будут регистрироваться многие десятки событий в год.

Эра новой астрономии

На данный момент самый важный результат работы LIGO — это подтверждение существования гравитационных волн. Кроме того, уже первый всплеск позволил улучшить ограничения на массу гравитона (в ОТО он имеет нулевую массу), а также сильнее ограничить отличие скорости распространения гравитации от скорости света. Но ученые надеются, что уже в 2016 году они смогут получать с помощью LIGO и VIRGO много новых астрофизических данных.

Во-первых, данные гравитационно-волновых обсерваторий — это новый канал изучения черных дыр. Если ранее можно было только наблюдать потоки вещества в окрестностях этих объектов, то теперь можно прямо «увидеть» процесс слияния и «успокоения» образующейся черной дыры, как колеблется ее горизонт, принимая свою окончательную форму (определяемую вращением). Наверное, вплоть до обнаружения хокинговского испарения черных дыр (пока что этот процесс остается гипотезой) изучение слияний будет давать лучшую непосредственную информацию о них.

Во-вторых, наблюдения слияний нейтронных звезд дадут много новой, крайне нужной информации об этих объектах. Впервые мы сможем изучать нейтронные звезды так, как физики изучают частицы: наблюдать за их столкновениями, чтобы понять, как они устроены внутри. Загадка строения недр нейтронных звезд волнует и астрофизиков, и физиков. Наше понимание ядерной физики и поведения вещества при сверхвысокой плотности неполно без разрешения этого вопроса. Вполне вероятно, что именно гравитационноволновые наблюдения сыграют здесь ключевую роль.

Считается, что именно слияния нейтронных звезд ответственны за короткие космологические гамма-всплески. В редких случаях удастся одновременно наблюдать событие сразу и в гамма-диапазоне, и на гравитационно-волновых детекторах (редкость связана с тем, что, во-первых, гамма-сигнал сконцентрирован в очень узкий луч, и он не всегда направлен на нас, а во-вторых, от очень далеких событий мы не зарегистрируем гравитационных волн). Видимо, понадобится несколько лет наблюдений, чтобы удалось это увидеть (хотя, как обычно, может повезти, и это произойдет прямо сегодня). Тогда, кроме всего прочего, мы сможем очень точно сравнить скорость гравитации со скоростью света.

Таким образом, лазерные интерферометры вместе будут работать как единый гравитационно-волновой телескоп, приносящий новые знания и астрофизикам, и физикам. Ну а за открытие первых всплесков и их анализ рано или поздно будет вручена заслуженная Нобелевская премия.

Ключевое отличие в том, что если звуку нужна среда, в которой он путешествует, гравитационные волны движут среду - в данном случае само пространство-время. «Они буквально раздавливают и растягивают ткань пространства-времени», - говорит Кьяра Мингарелли, астрофизик гравитационных волн в Калтехе. Для наших ушей, волны, обнаруженные LIGO, будут звучать как бульк.

Как именно будет происходить эта революция? У LIGO сейчас есть два детектора, которые выступают «ушами» для ученых, и в будущем будет еще больше детекторов. И если LIGO стала первой обнаружившей, она явно не будет единственной. Типов гравитационных волн весьма много. На самом деле, их целый спектр, подобно тому, как бывают разные типы света, с различной длиной волны, в электромагнитном спектре. Поэтому и другие коллаборации вступят в охоту на волны с частотой, на которую не рассчитана LIGO.

Мингарелли работает с коллаборацией NanoGRAV (северо-американской наногерцевой обсерваторией гравитационных волн), частью крупного международного консорциума, в который входят European Pulsar Timing Array и Parkes Pulsar Timing Array в Австралии. Как следует из названия, ученые NanoGRAV охотятся на низкочастотные гравитационные волны в режиме от 1 до 10 наногерц; чувствительность LIGO находится в килогерцевой (слышимой) части спектра, ищет очень длинные волны.


Эта коллаборация опирается на данные пульсаров, собранные обсерваторией Аресибо в Пуэрто-Рико и телескопом Грин-Бэнк в Западной Вирджинии. Пульсары это быстро вращающиеся нейтронные звезды, которые образуются, когда звезды массивнее Солнца взрываются и коллапсируют в себя. Они вращаются все быстрее и быстрее по мере сжатия, подобно тому как грузик на конце веревки крутится тем быстрее, чем короче становится веревка.

Они также испускают мощные всплески излучения по мере вращения, как маяк, которые фиксируются как импульсы света на Земле. И это периодическое вращение чрезвычайно точное - почти так же точно, как атомные часы. Оно делает их идеальными космическими детекторами гравитационных волн. Первое непрямое доказательство пришло в процессе изучения пульсаров в 1974 году, когда Джозеф Тейлор-младший и Расселл Халс обнаружили, что пульсар, вращающийся вокруг нейтронной звезды, медленно сжимается со временем - такой эффект можно было бы ожидать, если бы он преобразовывал часть своей массы в энергию в форме гравитационных волн.

В случае NanoGRAV, дымящимся пистолетом будет своего рода мерцание. Импульсы должны приходить одновременно, но если в них попадает гравитационная волна, они будут приходить чуть раньше или позже, поскольку пространство-время будет сжиматься или растягиваться по мере прохождения волны.

Массивы пульсарных временных решеток особенно чувствительны к гравитационным волнам, произведенным путем слияния сверхмассивных черных дыр в миллиард или десять миллиардов раз больше массы нашего Солнца, вроде тех, что скрываются в центре самых массивных галактик. Если две таких галактики сольются, дыры в их центрах также сольются и испустят гравитационные волны. «LIGO видит самый конец слияния, когда пары оказываются очень близко, - говорит Мингарелли. - С помощью МПВР мы могли бы видеть их в начале спиральной фазы, когда они только вступают в орбиту друг друга».

А есть еще космическая миссия LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Находящаяся на Земле LIGO прекрасно обнаруживает гравитационные волны, эквивалентные части спектра слышимого звука - вроде того, что произвели наши сливающиеся черные дыры. Но множество интересных источников этих волн выдают низкие частоты. Поэтому физики должны отправиться в космос, чтобы обнаружить их. Основная задача текущей миссии LISA Pathfinder () - проверить работу детектора. «С LIGO вы можете остановить работу инструмента, вскрыть вакуум и все починить, - говорит Скотт Хьюз из MIT. - Но в космосе ничего не вскроешь. Придется сразу нормально делать, чтоб нормально работало».

Цель LISA проста: используя лазерные интерферометры, космический аппарат попытается точно измерить относительное положение двух 1,8-дюймовых золото-платиновых кубов в состоянии свободного падения. Размещенные в отдельных электродных боксах в 15 дюймах друг от друга, тестовые объекты будут защищены от солнечного ветра и других внешних сил, так что будет возможно обнаружить крошечное движение, вызванное гравитационными волнами (будем надеяться).

Наконец, есть два эксперимента, спроектированных для поиска отпечатков, оставленных первичными гравитационными волнами в реликтовом излучении (послесвечении Большого Взрыва): BICEP2 и миссия спутника Планка. BICEP2 заявил об обнаружении таковой в 2014 году, но оказалось, что сигнал был фальшивым (виновата космическая пыль).

Обе коллаборации продолжают охоту в надежде пролить свет на раннюю историю нашей Вселенной - и, надеюсь, подтверждение ключевых прогнозов инфляционной теории. Эта теория предсказала, что вскоре после своего рождения Вселенная пережила быстрый рост, который не мог не оставить мощных гравитационных волн, оставшихся отпечатком в реликтовом излучении в форме особых световых волн (поляризации).

Каждый из четырех режимов гравитационных волн откроет астрономам четыре новых окна на Вселенную.

Но мы-то знаем, о чем вы думаете: пора запускать варп-двигатель, чуваки! Поможет ли открытие LIGO построить Звезду Смерти на следующей неделе? Конечно, нет. Но чем лучше мы поймем гравитацию, тем шире мы будем понимать, как строить подобные вещи. В конце концов, это работа ученых, этим они зарабатывают на хлеб. Понимая, как работает Вселенная, мы можем больше полагаться на свои возможности.