Гравітаційне випромінювання. Відкриття гравітаційних хвиль

У четвер, 11 лютого, група вчених із міжнародного проекту LIGO Scientific Collaboration заявили, що їм вдалося, існування яких ще в 1916 році передбачив Альберт Ейнштейн. За твердженням дослідників, 14 вересня 2015 року вони зафіксували гравітаційну хвилю, яка була викликана зіткненням двох чорних дірок масою у 29 та 36 разів більше за масу Сонця, після чого вони злилися в одну велику чорну діру. За їхніми словами, це сталося приблизно 1,3 мільярда років тому на відстані 410 мегапарсеків від нашої галактики.

Детально про гравітаційні хвилі та масштабне відкриття ЛІГА.net розповів Богдан Гнатик, український вчений, астрофізик, доктор фізико-математичних наук, провідний науковий співробітник Астрономічної обсерваторії Київського національного університету імені Тараса Шевченка, який очолював обсерваторію з 2001 по 2004 рік.

Теорія простою мовою

Фізика вивчає взаємодію між тілами. Встановлено, що між тілами існує чотири види взаємодії: електромагнітна, сильна та слабка ядерна взаємодія та гравітаційна взаємодія, яку ми всі відчуваємо. Внаслідок гравітаційної взаємодії планети обертаються навколо Сонця, тіла мають вагу та падають на землю. З гравітаційною взаємодією людина стикається постійно.

У 1916 році, 100 років тому, Альберт Ейнштейн побудував теорію гравітації, яка покращувала ньютонівську теорію гравітації, зробила її математично правильною: вона стала відповідати всім вимогам фізики, почала враховувати те, що гравітація поширюється з дуже великою, але кінцевою швидкістю. Це по праву одне з найграндіозніших досягнень Ейнштейна, оскільки він побудував теорію гравітації, яка відповідає всім явищам фізики, які ми сьогодні спостерігаємо.

Ця теорія також передбачала існування гравітаційних хвиль. Основою цього передбачення було те, що гравітаційні хвилі існують у результаті гравітаційної взаємодії, що виникає внаслідок злиття двох масивних тіл.

Що таке гравітаційна хвиля

Складною мовою це збудження метрики простору-часу. "Скажімо, простір має певну пружність і ним можуть бігти хвилі. Це схоже на те, коли ми у воду кидаємо камінчиків і від нього розбігаються хвилі", - розповів ЛІГА.net доктор фізико-математичних наук.

Вченим вдалося експериментально довести, що подібне коливання мало місце у Всесвіті та у всіх напрямках пробігла гравітаційна хвиля. "Астрофізичним способом вперше було зафіксовано явище такої катастрофічної еволюції подвійної системи, коли зливаються два об'єкти в один, а це злиття призводить до дуже інтенсивного виділення гравітаційної енергії, яка потім у вигляді гравітаційних хвиль поширюється у просторі", - пояснив учений.

Ці гравітаційні хвилі дуже слабкі і щоб вони похитнули простір-час, потрібна взаємодія дуже великих і масивних тіл, щоб напруженість гравітаційного поля була великою в місці генерування. Але, незважаючи на їхню слабкість, спостерігач через певний час (рівний відстані до взаємодії розділеного на швидкість проходження сигналу) зареєструє цю гравітаційну хвилю.

Наведемо приклад: якби Земля впала на Сонце, то сталася б гравітаційна взаємодія: виділилася б гравітаційна енергія, утворилася б гравітаційна сферично-симетрична хвиля і спостерігач міг би її зареєструвати. "Тут сталося аналогічне, але унікальне, з погляду астрофізики, явище: зіткнулися два масивні тіла - дві чорні дірки", - зазначив Гнатик.

Повернемося до теорії

Чорна діра - це ще одне пророцтво загальної теорії відносності Ейнштейна, яке передбачає, що тіло, яке має величезну масу, але ця маса сконцентрована в малому обсязі, здатне суттєво спотворювати простір навколо себе, аж до його замикання. Тобто передбачалося, що коли досягається критична концентрація маси цього тіла - така, що розмір тіла буде меншим, ніж так званий гравітаційний радіус, то навколо цього тіла простір замкнеться і топологія його буде такою, що ніякий сигнал з нього за межі замкнутого простору поширитися не зможе.

"Тобто чорна діра, простими словами, це масивний об'єкт, який настільки важкий, що замикає навколо себе простір-час", - каже вчений.

І ми, за його словами, можемо надсилати будь-які сигнали цьому об'єкту, а він нам – ні. Тобто ніякі сигнали не можуть виходити за межі чорної діри.

Чорна діра живе за звичайними фізичними законами, але внаслідок сильної гравітації, жодне матеріальне тіло, навіть фотон, не здатне вийти за межі цієї критичної поверхні. Чорні дірки утворюються в ході еволюції звичайних зірок, коли відбувається колапс центрального ядра і частина речовини зірки, колапсуючи, перетворюється на чорну дірку, а інша частина зірки викидається у вигляді оболонки Наднової зірки, перетворюючись на так званий "спалах" Наднової зірки.

Як ми побачили гравітаційну хвилю

Наведемо приклад. Коли на поверхні води у нас є два поплавці і вода спокійна – то відстань між ними постійна. Коли приходить хвиля, вона зміщує ці поплавці і відстань між поплавцями зміниться. Хвиля пройшла – і поплавці повертаються на свої колишні позиції, а відстань між ними відновлюється.

Аналогічним чином поширюється і гравітаційна хвиля у просторі-часі: вона стискає та розтягує тіла та об'єкти, що зустрічаються на її шляху. "Коли на шляху хвилі зустрічається якийсь об'єкт – він деформується вздовж своїх осей, а після її проходження – повертається до колишньої форми. Під дією гравітаційної хвилі всі тіла деформуються, але ці деформації – дуже незначні", – каже Гнатик.

Коли пройшла хвиля, яку зафіксували вчені, то відносний розмір тіл у просторі змінився на величину порядку 1 помножити на 10 мінус 21-го ступеня. Наприклад, якщо взяти метрову лінійку, то вона стиснулася на таку величину, яка становила її розмір, помножений на 10 мінус 21-го ступеня. Це дуже мізерна величина. І проблема полягала в тому, що вченим треба було навчитися виміряти цю відстань. Звичайні методи давали точність порядку 1 до 10 9 ступеня мільйонам, а тут необхідна набагато більш висока точність. І тому створили звані гравітаційні антени (детектори гравітаційних хвиль).

Антена, яка зафіксувала гравітаційні хвилі, побудована таким чином: існує дві труби приблизно по 4 кілометри в довжину, розташовані у формі літери "Г", але з однаковими плечима і під прямим кутом. Коли на систему падає гравітаційна хвиля, вона деформує крила антени, але в залежності від її орієнтації вона деформує одне більше, а друге - менше. І тоді виникає різниця ходу, інтерференційна картина сигналу змінюється – виникає сумарна позитивна чи негативна амплітуда.

"Тобто проходження гравітаційної хвилі аналогічне хвилі на воді, що проходить між двома поплавцями: якби ми міряли відстань між ними під час і після проходження хвилі, то ми б побачили, що відстань змінилася б, а потім знову стала колишньою", - розповів Гнатик.

Тут же вимірюється відносна зміна відстані двох крил інтерферометра, кожне з яких має близько 4 кілометрів у довжину. І лише дуже точні технології та системи дозволяють виміряти таке мікроскопічне зміщення крил, викликане гравітаційною хвилею.

На межі Всесвіту: звідки прийшла хвиля

Вчені зафіксували сигнал за допомогою двох детекторів, які у США розташовані у двох штатах: Луїзіані та Вашингтон на відстані близько 3 тис кілометрів. Вченим вдалося оцінити, звідки і з якої відстані прийшов цей сигнал. Оцінки показують, що сигнал прийшов з відстані 410 мегапарсеків. Мегапарсек – це відстань, яка світло проходить за три мільйони років.

Щоб було легше уявити: найближча до нас активна галактика із надмасивною чорною діркою в центрі - Центавр А, яка знаходиться від нашої на відстані чотири Мегапарсеки, водночас Туманність Андромеди знаходиться на відстані 0,7 Мегапарсеків. "Тобто відстань, з якої прийшов сигнал гравітаційної хвилі настільки велика, що сигнал йшов до Землі приблизно 1,3 млрд. років. Це космологічні відстані, які досягають близько 10% горизонту нашого Всесвіту", - розповів учений.

На такій відстані в якійсь далекій галактиці відбулося злиття двох чорних дірок. Ці дірки, з одного боку, були відносно малими за розмірами, а з іншого боку, велика сила сигналу амплітуди свідчить, що вони були дуже важкі. Встановлено, що їх маси були відповідно 36 і 29 мас Сонця. Маса Сонця, як відомо, становить величину, яка дорівнює 2 помножити на 10 до 30 ступеня кілограм. Після злиття ці два тіла злилися і тепер на їх місці утворилася одна чорна діра, яка має масу, що дорівнює 62 мас Сонця. При цьому приблизно три маси Сонця виплеснулися у вигляді енергії гравітаційної хвилі.

Хто і коли зробив відкриття

Виявити гравітаційну хвилю вдалося вченим із міжнародного проекту LIGO 14 вересня 2015 року. LIGO (Laser Interferometry Gravitation Observatory)- це міжнародний проект, в якому беруть участь низка держав, які здійснили певний фінансовий та науковий внесок, зокрема США, Італія, Японія, які є передовими у сфері цих досліджень.

Була зафіксована наступна картина: відбулося усунення крил гравітаційного детектора, внаслідок реального проходження гравітаційної хвилі через нашу планету та через цю установку. Про це не повідомили тоді, бо сигнал потрібно було обробити, "почистити", знайти його амплітуду та перевірити. Це стандартна процедура: від реального відкриття до оголошення про відкриття – проходить кілька місяців для того, щоб видати обґрунтовану заяву. "Ніхто не хоче псувати свою репутацію. Це все секретні дані, до оприлюднення яких – про них ніхто не знав, ходили лише чутки", – зазначив Гнатик.

Історія

Гравітаційні хвилі досліджуються з 70-х років минулого століття. За цей час було створено низку детекторів та проведено низку фундаментальних досліджень. У 80-х роках американський вчений Джозеф Вебер побудував першу гравітаційну антену у вигляді алюмінієвого циліндра, який мав розмір близько кількох метрів, оснащений п'єзо-датчиками, які мали зафіксувати проходження гравітаційної хвилі.

Чутливість цього приладу була в мільйон разів гірша, ніж нинішні детектори. І, звичайно, він тоді реально зафіксувати хвилю не міг, хоч і Вебер заявив, що він це зробив: преса про це написала і стався "гравітаційний бум" - у світі одразу почали будувати гравітаційні антени. Вебер стимулював інших учених зайнятися гравітаційними хвилями та продовжувати експерименти над цим явищем, завдяки чому вдалося в мільйон разів підняти чутливість детекторів.

Проте саме явище гравітаційних хвиль було зареєстровано ще минулого століття, коли вчені виявили подвійний пульсар. Це була непряма реєстрація факту, що гравітаційні хвилі існують, доведені завдяки астрономічним спостереженням. Пульсар був відкритий Расселом Халсом та Джозефом Тейлором у 1974 році, під час проведення спостережень на радіотелескопі обсерваторії Аресібо. Вчені були удостоєні Нобелівської премії у 1993 році "за відкриття нового типу пульсарів, що дало нові можливості у вивченні гравітації".

Дослідження у світі та Україні

На території Італії близький до завершення аналогічний проект, який має назву Virgo. Японія також має намір за рік запустити аналогічний детектор, Індія також готує такий експеримент. Тобто у багатьох точках світу існують подібні детектори, але вони ще не вийшли на той режим чутливості, щоб можна було говорити про фіксацію гравітаційних хвиль.

"Офіційно Україна не входить до LIGO і також не бере участі в італійському та японському проектах. Серед таких фундаментальних напрямів Україна зараз бере участь у проекті LHC (БАК - Великий адронний колайдер) та в CERN" (офіційно станемо учасником тільки після сплати вступного внеску) ", – розповів ЛІГА.net доктор фізико-математичних наук Богдан Гнатик.

За його словами, Україна з 2015 року є повноправним членом міжнародної колаборації CTA (МЧТ-масив черенківських телескопів), яка будує сучасний телескоп мульти ТеВного гамма діапазону (з енергіями фотонів до 1014 еВ). "Основними джерелами таких фотонів якраз і є околиці надмасивних чорних дірок, гравітаційне випромінювання яких вперше зафіксував детектор LIGO. Тому відкриття нових вікон в астрономії - гравітаційно-хвильового та мульти ТеВного електромагнітного обіцяє нам ще багато відкриттів у майбутньому", - додає вчений.

Що далі та як нові знання допоможуть людям? Вчені розходяться у думках. Одні кажуть, що це лише черговий щабель у розумінні механізмів Всесвіту. Інші бачать у цьому перші кроки на шляху до нових технологій переміщення крізь час та простір. Так чи інакше - це відкриття вкотре довело, як мало ми розуміємо і як багато ще доведеться дізнатися.

Гравітаційні хвилі нарешті відкриті

Коливання у просторі-часі відкриті через сторіччя після того, як їх передбачив Ейнштейн. Починається нова епоха в астрономії.

Вченим вдалося виявити коливання в просторі-часі, викликані злиттям чорних дірок. Це сталося через сто років після того, як Альберт Ейнштейн у своїй загальній теорії відносності передбачив ці «гравітаційні хвилі» і через сто років після того, як фізики зайнялися їхніми пошуками.

Про це знакове відкриття повідомили сьогодні дослідники з Лазерної інтерферометричної гравітаційно-хвильової обсерваторії LIGO. Вони підтвердили чутки, які кілька місяців оточували аналіз першого набору зібраних ними даних. Астрофізики кажуть, що відкриття гравітаційних хвиль дозволяє по-новому поглянути на всесвіт і дає можливість розпізнавати далекі події, які неможливо побачити в оптичні телескопи, але можна відчути і навіть почути слабке тремтіння, що доноситься до нас через космос.

«Ми виявили гравітаційні хвилі. Ми зробили це!" — оголосив виконавчий директор наукового колективу з тисячі чоловік Девід Рейце (David Reitze), виступаючи сьогодні на прес-конференції у Вашингтоні в Національному науковому фонді.

Гравітаційні хвилі — це, мабуть, найважче явище з прогнозів Ейнштейна, на цю тему вчений дискутував із сучасниками протягом десятиліть. Відповідно до його теорії, простір і час формують матерію, що розтягується, яка викривляється під впливом важких об'єктів. Відчути гравітацію означає потрапити у вигини цієї матерії. Але чи може цей простір-час тремтіти подібно до шкіри барабана? Ейнштейн був збентежений, він не знав, що означають його рівняння. І неодноразово змінював свою точку зору. Але навіть найстійкіші прихильники його теорії вважали, що гравітаційні хвилі у будь-якому разі надто слабкі і не піддаються спостереженню. Вони розходяться каскадом назовні після певних катаклізмів, і в міру руху поперемінно розтягують і стискають простір-час. Але на той час, як ці хвилі досягають Землі, вони розтягують і стискають кожен кілометр простору на незначну частку діаметра атомного ядра.

© REUTERS, Hangout Детектор обсерваторії LIGO в Ханфорді, Вашингтон

Щоб засікти ці хвилі, знадобилося терпіння та обережність. Обсерваторія LIGO запускала лазерні промені туди й назад уздовж розташованих під прямим кутом чотирикілометрових колін двох детекторів, один у Ханфорді, штат Вашингтон, а інший у Лівінгстоні, штат Луїзіана. Робилося це у пошуках співпадаючих розширень і скорочень цих систем під час проходження гравітаційних хвиль. Використовуючи найсучасніші стабілізатори, вакуумні прилади та тисячі датчиків, вчені вимірювали зміни в довжині цих систем, що становлять лише одну тисячну від розміру протона. Така чутливість приладів була немислима сто років тому. Неймовірною вона здавалася і в 1968 році, коли Райнер Вайс (Rainer Weiss) з Массачусетського технологічного інституту задумав експеримент, який отримав назву LIGO.

«Це велике диво, що зрештою їм усе вдалося. Вони зуміли засікти ці крихітні вібрації!» — сказав теоретичний фізик з Арканзаського університету Деніел Кеннефік (Daniel Kennefick), який написав у 2007 році книгу Traveling at the Speed ​​of Thought: Einstein and the Quest for Gravitational Waves (Подорожуючи зі швидкістю думки. Ейнштейн та пошуки гравіт.

Це відкриття започаткувало нову епоху астрономії гравітаційних хвиль. Є надія, що в нас з'являться точніші уявлення про формування, склад і галактичну роль чорних дірок — цих надщільних куль маси, які спотворюють простір-час настільки різко, що звідти не може вийти навіть світло. Коли чорні дірки зближуються один з одним і зливаються, вони породжують імпульсний сигнал — просторово-часові коливання, які наростають за амплітудою та тоном, а потім різко закінчуються. Ті сигнали, які може фіксувати обсерваторія, перебувають у звуковому діапазоні — правда, вони надто слабкі, і неозброєним вухом їх не почути. Можна відтворити цей звук, пробігши пальцями клавішами фортепіано. «Починайте з найнижчої ноти і сягаєте третьої октави, — сказав Вайс. - Це те, що ми чуємо».

Фізики вже дивуються тій кількості та силі сигналів, які зафіксовані на даний момент. Це означає, що у світі більше чорних дірок, ніж передбачалося раніше. «Нам пощастило, але я завжди розраховував на таке щастя, - сказав астрофізик Кіп Торн (Kip Thorne), який працює в Каліфорнійському технологічному інституті і створив LIGO спільно з Вайсом і Рональдом Дрівером (Ronald Drever), які теж з Калтеха. — Зазвичай таке трапляється тоді, коли у всесвіті відкривається нове вікно».

Підслухавши гравітаційні хвилі, ми можемо сформувати зовсім інші уявлення про космос, а можливо, відкриємо неймовірні космічні явища.

«Я можу порівняти це з моментом, коли ми вперше направили в небо телескоп, — сказала теоретичний астрофізик Жанна Левін (Janna Levin) із Барнард-коледжу Колумбійського університету. — Люди зрозуміли, що там є щось, і це можна побачити, але вони не могли передбачити той неймовірний набір можливостей, які існують у всесвіті». Аналогічним чином, зауважила Левін, відкриття гравітаційних хвиль може показати, що у всесвіті «повно темної матерії, яку ми не можемо просто так визначити за допомогою телескопа».

Історія відкриття першої гравітаційної хвилі розпочалася у понеділок вранці у вересні, і почалася вона з бавовни. Сигнал був такий чіткий і гучний, що Вайс подумав: Ні, це нісенітниця, нічого з цього не вийде.

Загострення пристрастей

Ця перша гравітаційна хвиля прокотилася детекторами модернізованої LIGO — спочатку в Лівінгстоні, а через сім мілісекунд у Ханфорді — під час імітаційного прогону рано вранці 14 вересня, за два дні до офіційного початку збору даних.

Детектори проходили «обкатку» після модернізації, яка тривала п'ять років і коштувала 200 мільйонів доларів. Їх оснастили новими дзеркальними підвісками для шумоподавлення та системою активного зворотного зв'язку для придушення сторонніх коливань у режимі реального часу. Модернізація дала вдосконаленій обсерваторії вищий рівень чутливості порівняно зі старою LIGO, яка в період з 2002 по 2010 роки виявила «абсолютний і чистий нуль», як сказав Вайс.

Коли у вересні прийшов потужний сигнал, вчені в Європі, де в той момент був ранок, почали швидко засипати своїх американських колег повідомленнями електронною поштою. Коли прокинулася решта гурту, новина поширилася дуже швидко. За словами Вайса, практично всі поставилися до цього скептично, особливо коли побачили сигнал. Це була справжня класика, як із підручника, і тому дехто подумав, що це підробка.

Помилкові твердження в процесі пошуку гравітаційних хвиль звучали багато разів, починаючи з кінця 1960-х років, коли Джозеф Вебер (Joseph Weber) з Мерілендського університету вважав, що він виявив резонансні коливання в алюмінієвому циліндрі з датчиками у відповідь на хвилі. У 2014 році відбувся експеримент під назвою BICEP2, за результатами якого було оголошено про виявлення споконвічних гравітаційних хвиль — просторово-часових коливань від Великого вибуху, які наразі розтягнулися та на постійній основі застигли у геометрії всесвіту. Вчені з групи BICEP2 оголосили про своє відкриття з великою помпою, але потім їх результати зазнали незалежної перевірки, в ході якої з'ясувалося, що вони неправі, і що цей сигнал прийшов від космічного пилу.

Коли космолог з Університету штату Арізона Лоуренс Краус (Lawrence Krauss) почув про відкриття команди LIGO, він спочатку подумав, що це «сліпе вкидання». Під час роботи старої обсерваторії змодельовані сигнали потай вставляли в потоки даних для перевірки реакції, і більшість колективу про це не знала. Коли Краус від знаючого джерела дізнався, що цього разу це не «сліпий вкид», він ледве зміг стримати радісне збудження.

25 вересня він повідомив своїх 200 тисяч передплатникам у Твіттері: «Чутки про виявлення гравітаційної хвилі на детекторі LIGO. Вражаюче, якщо правда. Повідомлю деталі, якщо це не липа». Потім слідує запис від 11 січня: «Колишні чутки про LIGO підтверджені незалежними джерелами. Слідкуйте за новинами. Можливо, відкриті гравітаційні хвилі!»

Офіційна позиція вчених була такою: не поширюватися про отриманий сигнал, доки не буде стовідсоткової впевненості. Торн, по руках і ногах, пов'язаний цим зобов'язанням зберігати таємницю, навіть дружині нічого не сказав. "Я відсвяткував поодинці", - заявив він. Для початку вчені вирішили повернутися в самий початок і проаналізувати все до дрібних деталей, щоб дізнатися, як поширювався сигнал через тисячі каналів вимірювання різних детекторів, і зрозуміти, чи не було чогось дивного в момент виявлення сигналу. Вони не знайшли нічого надзвичайного. Вони також виключили хакерів, які найкраще мали знати про тисячі потоків даних під час експерименту. «Навіть тоді, коли команда здійснює сліпі вкидання, вони недостатньо досконалі, і залишають по собі безліч слідів, — сказав Торн. — А тут жодних слідів не було».

Наступні тижні вони почули ще один, слабший сигнал.

Вчені аналізували перші два сигнали, а до них надходили нові. У січні вони представили матеріали свого дослідження у журналі Physical Review Letters. Цей номер виходить у інтернет-версії сьогодні. За їхніми оцінками, статистична значимість першого, найпотужнішого сигналу перевищує «5-sigma», а це означає, що дослідники на 99,9999% упевнені у його справжності.

Слухаючи гравітацію

Рівняння загальної відносності Ейнштейна настільки складні, що більшість фізиків пішли 40 років на те, щоб погодитися: так, гравітаційні хвилі існують, і їх можна засікти — навіть теоретично.

Спочатку Ейнштейн думав, що об'єкти що неспроможні виділяти енергію як гравітаційного випромінювання, але потім змінив свою думку. У своїй історичній роботі, написаній у 1918 році, він показав, які об'єкти можуть це робити: гантелеподібні системи, які одночасно обертаються навколо двох осей, наприклад, подвійні та наднові зірки, що вибухають подібно до хлопавок. Вони й можуть породжувати хвилі у просторі-часі.

© REUTERS, Handout Комп'ютерна модель, що ілюструє природу гравітаційних хвиль у Сонячній системі

Але Ейнштейн та його колеги продовжували вагатися. Деякі фізики стверджували, що навіть якщо хвилі існують, світ вагатиметься разом з ними, і відчути їх буде неможливо. І лише 1957 року Річард Фейнман (Richard Feynman) закрив це питання, продемонструвавши під час уявного експерименту, що й гравітаційні хвилі існують, теоретично їх можна знайти. Але ніхто не знав, наскільки поширені ці гантелеподібні системи в космічному просторі, і наскільки сильні або слабкі хвилі, що виникають. «Зрештою, питання звучало так: чи зможемо ми колись їх виявити?» - сказав Кеннефік.

У 1968 Райнер Вайс був молодим викладачем Массачусетського технологічного інституту, і йому доручили вести курс загальної теорії відносності. Як експериментатор, він мало що знав про неї, але раптом з'явилися новини про відкриття Вебером гравітаційних хвиль. Вебер побудував з алюмінію три резонансні детектори розміром з письмовий стіл і розмістив їх у різних американських штатах. Наразі він повідомив, що у всіх трьох детекторах зафіксовано «звучання гравітаційних хвиль».

Учні Вайса попросили пояснити природу гравітаційних хвиль і висловити свою думку про повідомлення, що прозвучало. Вивчаючи деталі, він був уражений складністю математичних розрахунків. «Я не міг зрозуміти, якого біса робить Вебер, як датчики взаємодіють з гравітаційною хвилею. Я довго сидів і запитував себе: «Яку я можу придумати найпримітивнішу річ, щоб вона виявляла гравітаційні хвилі?» І тут мені на думку спала ідея, яку я називаю концептуальною основою LIGO».

Уявіть собі три предмети у просторі-часі, скажімо, дзеркала у кутах трикутника. «Посилайте світловий сигнал від одного до іншого, – розповідав Вебер. — Дивіться, скільки часу йде на перехід від однієї маси до іншої, і перевіряйте, чи час змінився». Виявляється, зазначив учений, це можна зробити швидко. «Я доручив це своїм студентам як наукове завдання. Буквально вся група спромоглася зробити ці розрахунки».

У наступні роки, коли інші дослідники намагалися повторити результати експерименту Вебера з резонансним детектором, але постійно зазнавали невдачі (незрозуміло, що спостерігав він, але це були не гравітаційні хвилі), Вайс почав готувати набагато точніший і амбітніший експеримент: гравітаційно-хвильовий інтерферометр. Лазерний промінь відбивається від трьох дзеркал, встановлених у формі літери «Г» і формує два промені. Інтервал піків і провалів світлових хвиль точно вказує на довжину колін літери «Г», які створюють осі Х та Y простору-часу. Коли шкала нерухома, дві світлові хвилі відбиваються від кутів і гасять одна одну. Сигнал у детекторі виходить нульовим. Але якщо Землю проходить гравітаційна хвиля, вона розтягує довжину одного плеча літери «Г» і стискає довжину іншого (і навпаки по черзі). Розбіжність двох світлових променів створює сигнал у детекторі, показуючи легкі коливання простору-часу.

Спочатку колеги-фізики виявляли скептицизм, але незабаром експеримент отримав підтримку в особі Торна, чия група теоретиків з Калтеха досліджувала чорні дірки та інші потенційні джерела гравітаційних хвиль, а також сигнали, що їх породжували. Торна надихнув експеримент Вебера та аналогічні зусилля російських учених. Поговоривши 1975 року на конференції з Вайсом, «я почав вірити, що виявлення гравітаційних хвиль пройде успішно», сказав Торн. «І я хотів, щоб Калтех у цьому також брав участь». Він домовився з інститутом, щоб той узяв на роботу шотландського експериментатора Рональда Дрівера, який також заявляв, що збудує гравітаційно-хвильовий інтерферометр. Згодом Торн, Дрівер та Вайс почали працювати як одна команда, і кожен із них вирішував свою частку незліченних завдань у рамках підготовки практичного експерименту. Це тріо в 1984 році створило LIGO, а коли були побудовані досвідчені зразки і почалася співпраця в рамках колективу, що постійно збільшувався, вони на початку 1990-х отримали від Національного наукового фонду фінансування в розмірі 100 мільйонів доларів. Було складено креслення для будівництва пари гігантських детекторів Г-подібної форми. Через десятиліття детектори запрацювали.

У Ханфорді та Лівінгстоні в центрі кожного з чотирикілометрових колін детекторів знаходиться вакуум, завдяки якому лазер, його пучок та дзеркала максимально ізольовані від постійних коливань планети. Щоб ще більше застрахуватися, вчені LIGO стежать за своїми детекторами під час їхньої роботи за допомогою тисяч приладів, вимірюючи все що можна: сейсмічну активність, атмосферний тиск, блискавки, появу космічних променів, вібрацію обладнання, звуки в районі лазерного променя тощо. Потім вони відфільтровують дані від цих сторонніх фонових шумів. Мабуть, головне в тому, що у них два детектори, а це дозволяє здобувати отримані дані, перевіряючи їх на наявність сигналів, що збігаються.

Контекст

Гравітаційні хвилі: завершено те, що Ейнштейн розпочав у Берні

Як вмирають чорні дірки

У наступні два роки вчені продовжать удосконалювати чутливість детекторів модернізованої Лазерної інтерферометричної гравітаційно-хвильової обсерваторії LIGO. А в Італії почне працювати третій інтерферометр під назвою Advanced Virgo. Одна з відповідей, яка допоможуть дати отримані дані, це як формуються чорні дірки. Чи є вони продуктом схлопування ранніх масивних зірок, або вони з'являються в результаті зіткнень всередині щільних зіркових кластерів? "Це тільки два припущення, я вважаю, їх буде більше, коли всі заспокояться", - каже Вайс. Коли в ході майбутньої роботи LIGO почне накопичувати нові статистичні дані, вчені почнуть слухати історії про походження чорних дірок, які їм нашіптуватиме космос.

Судячи за формою і розміром, перший, найгучніший імпульсний сигнал виник у 1,3 мільярда світлових років від того місця, де після повільності танцю, що тривав вічність, під впливом взаємного гравітаційного тяжіння нарешті злилися дві чорні діри, кожна приблизно в 30 разів більша за сонячну масу. Чорні дірки кружляли все швидше і швидше, подібно до виру, поступово зближаючись. Потім сталося злиття, і вони миттю випустили гравітаційні хвилі з енергією, порівнянної енергії трьох Сонців. Це злиття стало найпотужнішим енергетичним явищем із коли-небудь зафіксованих.

"Ніби ми ніколи не бачили океан під час шторму", - сказав Торн. Він чекав на цей шторм у просторі-часі з 1960-х років. Те почуття, яке Торн відчув у момент, коли накотили ці хвилі, не можна назвати хвилюванням, каже він. Це було щось інше: почуття глибокого задоволення.

Матеріали ІноСМІ містять оцінки виключно закордонних ЗМІ та не відображають позицію редакції ІноСМІ.

Змахніть рукою - і по всьому Всесвіту побіжать гравітаційні хвилі.
С. Попов, М. Прохоров. Примарні хвилі Всесвіту

В астрофізиці сталася подія, на яку чекали десятиліття. Після півстоліття пошуків відкриті гравітаційні хвилі, коливання самого простору-часу, передбачені Ейнштейном сто років тому. 14 вересня 2015 року оновлена ​​обсерваторія LIGO зареєструвала гравітаційно-хвильовий сплеск, породжений злиттям двох чорних дірок з масами 29 та 36 сонячних мас у далекій галактиці на відстані приблизно 1,3 млрд світлових років. Гравітаційно-хвильова астрономія стала повноправним поділом фізики; вона відкрила нам новий спосіб спостерігати Всесвіт і дозволить вивчати недоступні раніше ефекти сильної гравітації.

Гравітаційні хвилі

Теорії гравітації можна вигадувати різні. Всі вони однаково добре описуватимуть наш світ, поки ми обмежуємося одним-єдиним її проявом - ньютонівським законом всесвітнього тяжіння. Але є й інші, більш тонкі гравітаційні ефекти, експериментально перевірені на масштабах сонячної системи, і вони вказують на одну конкретну теорію - загальну теорію відносності (ОТО).

ОТО - це не просто набір формул, це важливий погляд на суть гравітації. Якщо у звичайній фізиці простір служить лише тлом, вмістилищем для фізичних явищ, то ОТО воно саме стає явищем, динамічною величиною, яка змінюється відповідно до законами ОТО. Ось ці спотворення простору-часу щодо рівного тла - або, мовою геометрії, спотворення метрики простору-часу - і відчуваються як гравітація. Говорячи коротко, ВТО розкриває геометричне походження гравітації.

У ВТО є найважливіше передбачення: гравітаційні хвилі. Це спотворення простору-часу, який здатний «відірватися від джерела» і, самопідтримуючись, відлетіти геть. Це гравітація сама собою, нічия, своя власна. Альберт Ейнштейн остаточно сформулював ОТО в 1915 році і майже відразу зрозумів, що отримані рівняння допускають існування таких хвиль.

Як і для будь-якої чесної теорії, таке чітке передбачення ОТО має бути перевірено експериментально. Випромінювати гравітаційні хвилі можуть будь-які рухомі тіла: і планети, і кинутий вгору камінь, і помах руки. Проблема, однак, у тому, що гравітаційна взаємодія така слабка, що ніякі експериментальні установки не здатні помітити випромінювання гравітаційних хвиль від звичайних «випромінювачів».

Щоб «погнати» потужну хвилю, потрібно дуже сильно спотворити простір-час. Ідеальний варіант - дві чорні діри, що обертаються одна навколо одної в тісному танці, на відстані порядку їх гравітаційного радіусу (рис. 2). Спотворення метрики будуть настільки сильними, що помітна частина енергії цієї пари випромінюватиметься у гравітаційні хвилі. Втрачаючи енергію, пара зближуватиметься, кружляючи все швидше, спотворюючи метрику все сильніше і породжуючи ще сильніші гравітаційні хвилі, - поки, нарешті, не відбудеться кардинальна перебудова всього гравітаційного поля цієї пари і дві чорні діри не зіллються в одну.

Таке злиття чорних дірок - вибух грандіозної потужності, але тільки йде вся ця випромінювана енергія над світло, над частинки, а коливання простору. Випромінена енергія складе помітну частину від вихідної маси чорних дірок, і виплеснеться це випромінювання за частки секунди. Аналогічні коливання породжуватимуть і злиття нейтронних зірок. Трохи слабший гравітаційно-хвильовий викид енергії супроводжує й інші процеси, наприклад колапс ядра наднової.

Гравітаційно-хвильовий сплеск від злиття двох компактних об'єктів має дуже конкретний профіль, що добре обчислюється, показаний на рис. 3. Період коливань визначається орбітальним рухом двох об'єктів один навколо одного. Гравітаційні хвилі забирають енергію; як наслідок, об'єкти зближуються і крутяться швидше - і це видно як щодо прискорення коливань, так і посилення амплітуди. В якийсь момент відбувається злиття, викидається остання сильна хвиля, а потім слідує високочастотний «післядзвін» ( ringdown) - тремтіння чорної діри, що утворилася, яка «скидає» з себе всі несферичні спотворення (ця стадія на картинці не показана). Знання цього характерного профілю допомагає фізикам шукати слабкий сигнал від такого злиття сильно зашумлених даних детекторів.

Коливання метрики простору-часу - гравітаційно-хвильова луна грандіозного вибуху - розлетяться по Всесвіту на всі боки від джерела. Їхня амплітуда слабшає з відстанню, за аналогією з тим, як падає яскравість точкового джерела при віддаленні від нього. Коли сплеск з далекої галактики долетить до Землі, коливання метрики будуть близько 10 -22 і навіть менше. Іншими словами, відстань між фізично не пов'язаними один з одним предметами періодично збільшуватиметься і зменшуватиметься на таку відносну величину.

Порядок величини цього числа легко одержати з масштабних міркувань (див. статтю В. М. Липунова). У момент злиття нейтронних зірок або чорних дірок зоряних мас спотворення метрики прямо поряд з ними дуже великі – близько 0,1, на те це сильна гравітація. Таке суворе спотворення торкається області порядку розмірів цих об'єктів, тобто кілька кілометрів. При віддаленні джерела амплітуда коливання падає назад пропорційно відстані. Це означає, що з відривом 100 Мпк = 3·10 21 км амплітуда коливань впаде на 21 лад і стане близько 10 −22 .

Звичайно, якщо злиття відбудеться в нашій рідній галактиці, тремтіння простору-часу, що дійшло до Землі, буде набагато сильнішим. Але такі події відбуваються раз на кілька тисяч років. Тому по-справжньому розраховувати варто лише на такий детектор, який здатний відчути злиття нейтронних зірок або чорних дірок на відстані в десятки-сотні мегапарсек, а значить, охопить багато тисяч і мільйонів галактик.

Тут треба додати, що непряма вказівка ​​на існування гравітаційних хвиль вже була виявлена, і за неї навіть присудили Нобелівську премію з фізики за 1993 рік. Багаторічні спостереження за пульсаром у подвійній системі PSR B1913+16 показали, що період обігу зменшується такими темпами, які передбачає ВТО з урахуванням втрат енергії на гравітаційне випромінювання. З цієї причини практично ніхто з учених насправді гравітаційних хвиль не сумнівається; питання лише тому, як їх зловити.

Історія пошуків

Пошуки гравітаційних хвиль стартували приблизно півстоліття тому - і майже одразу обернулися сенсацією. Джозеф Вебер з Мерілендського університету сконструював перший резонансний детектор: цілісний двометровий алюмінієвий циліндр із чутливими п'єзодатчиками з боків та гарною віброізоляцією від сторонніх коливань (рис. 4). При проходженні гравітаційної хвилі циліндр зрезонує в такт спотворень простору-часу, що повинні зареєструвати датчики. Вебер побудував кілька таких детекторів, і в 1969 році, проаналізувавши їх свідчення в ході одного з сеансів, він прямо текст повідомив, що зареєстрував «звучання гравітаційних хвиль» відразу в декількох детекторах, рознесених один від одного на два кілометри (J. Weber, 1969 .Evidence for Discovery of Gravitational Radiation). Заявлена ​​їм амплітуда коливань виявилася неправдоподібно великою, близько 10 -16, тобто в мільйон разів більше за типове очікуване значення. Повідомлення Вебера зустріли наукове співтовариство з великим скепсисом; до того ж, інші експериментальні групи, озброївшись схожими детекторами, не змогли надалі зловити жодного подібного сигналу.

Однак зусилля Вебера дали поштовх усієї цієї галузі досліджень і запустили полювання за хвилями. З 1970-х років, зусиллями Володимира Брагінського та його колег із МДУ, у цю гонку вступив і СРСР (див. про відсутність гравітаційно-хвильових сигналів). Цікава розповідь про ті часи є в есе Якщо дівчина потрапить у дірку... . Брагінський, до речі, - один із класиків усієї теорії квантових оптичних вимірювань; він першим прийшов до поняття стандартної квантової межі вимірів – ключового обмеження в оптичних вимірах – і показав, як їх у принципі можна долати. Резонансна схема Вебера удосконалювалася, і завдяки глибокому охолодженню установки шуми вдалося різко знизити (див. список та історію цих проектів). Однак точність таких суцільнометалевих детекторів все ще була недостатня для надійного детектування очікуваних подій, та й до того ж вони налаштовані резонувати лише на дуже вузькому діапазоні частот поблизу кілогерця.

Набагато перспективнішими здавалися детектори, в яких використовується не один об'єкт, що резонує, а відстежується відстань між двома не пов'язаними один з одним, незалежно підвішеними тілами, наприклад двома дзеркалами. Через коливання простору, викликаного гравітаційною хвилею, відстань між дзеркалами буде трохи більше, то трохи менше. При цьому чим більша довжина плеча, тим більший абсолютний зсув викличе гравітаційна хвиля заданої амплітуди. Ці коливання зможе відчути лазерний промінь, що бігає між дзеркалами. Така схема здатна реєструвати коливання в широкому діапазоні частот, від 10 герц до 10 кілогерц, і це саме той інтервал, в якому будуть випромінювати зливаються пари нейтронних зірок або чорних дір зіркових мас.

Сучасна реалізація цієї ідеї з урахуванням інтерферометра Майкельсона виглядає так (рис. 5). У двох довгих, завдовжки кілька кілометрів, перпендикулярних один одному вакуумних камерах підвішуються дзеркала. На вході в установку лазерний промінь розщеплюється, йде по обох камерах, відбивається від дзеркал, повертається назад і знову з'єднується в дзеркалі напівпрозорого. Добротність оптичної системи виключно висока, тому лазерний промінь не просто проходить один раз туди-назад, а затримується в цьому оптичному резонаторі надовго. У «спокійному» стані довжини підібрані так, щоб два промені після возз'єднання гасили один одного в напрямку датчика, і тоді фотодетектор виявляється у тіні. Але варто лише дзеркалам під дією гравітаційних хвиль зміститися на мікроскопічну відстань, як компенсація двох променів стане неповною і фотодетектор вловить світло. І що сильніше зміщення, то яскравіше світло побачить фотодатчик.

Слова «мікроскопічне усунення» навіть близько не передають всієї тонкості ефекту. Зміщення дзеркал на довжину хвилі світла, тобто мікрон, помітити найпростіше навіть без будь-яких хитрощів. Але при довжині плеча 4 км це відповідає коливанням простору-часу з амплітудою 10-10. Помітити зміщення дзеркал на діаметр атома теж не є проблемами - достатньо запустити лазерний промінь, який пробіжить туди-сюди тисячі разів і отримає потрібний набіг фази. Але це дає від сили 10 −14 . А нам потрібно спуститися за шкалою усунення ще в мільйони разів, тобто навчитися реєструвати зсув дзеркала навіть не на один атом, а на тисячні частки атомного ядра!

На шляху до цієї воістину разючої технології фізикам довелося долати безліч труднощів. Деякі з них чисто механічні: потрібно повісити масивні дзеркала на підвісі, що висить на іншому підвісі, той на третьому підвісі і так далі - і все для того, щоб максимально позбутися сторонньої вібрації. Інші проблеми також інструментальні, але оптичні. Наприклад, чим потужніший промінь, що циркулює в оптичній системі, тим слабше зміщення дзеркал можна буде помітити фотодатчиком. Але занадто потужний промінь нерівномірно нагріватиме оптичні елементи, що згубно позначиться на властивостях самого променя. Цей ефект треба якось компенсувати, і для цього в 2000-х роках була запущена ціла дослідницька програма з цього приводу (Оповідання про це дослідження див. ). Нарешті, є суто фундаментальні фізичні обмеження, пов'язані з квантовою поведінкою фотонів у резонаторі та принципом невизначеності. Вони обмежують чутливість датчика величиною, яка називається стандартна квантова межа . Однак фізики за допомогою хитро приготованого квантового стану лазерного світла вже навчилися долати і його (J. Aasi et al., 2013).

У гонці за гравітаційними хвилями бере участь цілий перелік країн; своя установка є і в Росії, в Баксанській обсерваторії, і про неї, до речі, розповідається в документальному науково-популярному фільмі Дмитра Завільгельського «Чекаючи хвиль і частинок». Лідерами цієї гонки зараз є дві лабораторії – американський проект LIGO та італійський детектор Virgo. LIGO включає два однакові детектори, розташованих в Ханфорді (штат Вашингтон) і в Лівінгстоні (штат Луїзіана) і рознесених один від одного на 3000 км. Наявність двох установок важлива відразу з двох причин. По-перше, сигнал буде вважатися зареєстрованим, тільки якщо його побачать обидва детектори одночасно. А по-друге, по різниці приходу гравітаційно-хвильового сплеску на дві установки - вона може досягати 10 мілісекунд - можна приблизно визначити, з якої частини неба цей сигнал прийшов. Щоправда, із двома детекторами похибка буде дуже великою, але коли в роботу вступить Virgo, точність помітно підвищиться.

Строго кажучи, вперше ідея інтерферометричного детектування гравітаційних хвиль була запропонована радянськими фізикам М. Є. Герценштейном та В. І. Пустовойтом у далекому 1962 році. Тоді тільки-но був придуманий лазер, а Вебер приступав до створення своїх резонансних детекторів. Однак ця стаття не була помічена на заході і, правду кажучи, не вплинула на розвиток реальних проектів (див. історичний огляд Physics of gravitational wave detection: resonant and interferometric detectors).

Створення гравітаційної обсерваторії LIGO було ініціативою трьох учених з Массачусетського технологічного інституту (MIT) та Каліфорнійського технологічного інституту (Калтеха). Це Райнер Вайсс (Rainer Weiss), який реалізував ідею інтерферометричного гравітаційно-хвильового детектора, Рональд Дрівер (Ronald Drever), який досяг достатньої для реєстрації стабільності лазерного світла, і Кіп Торн, теоретик-натхненник проекту, нині добре відомий. фільму «Інтерстелар». Про ранню історію створення LIGO можна прочитати в недавньому інтерв'ю Райнера Вайсса та у спогадах Джона Прескілла.

Діяльність, пов'язана з проектом інтерферометричного детектування гравітаційних хвиль, почалася наприкінці 1970-х років, і спочатку реальність цієї витівки теж у багатьох викликала сумніви. Однак після демонстрації ряду прототипів було написано та схвалено нинішній проект LIGO. Його будували протягом останнього десятиліття XX століття.

Хоча початковий імпульс проекту задали США, обсерваторія LIGO є по-справжньому міжнародним проектом. У нього вклалися, фінансово та інтелектуально, 15 країн, і членами колаборації вважаються понад тисячу людей. Важливу роль реалізації проекту відіграли радянські та російські фізики. З самого початку активну участь у реалізації проекту LIGO брала вже згадана група Володимира Брагінського з МДУ, а пізніше до колаборації приєднався Інститут прикладної фізики з Нижнього Новгорода.

Обсерваторія LIGO запрацювала у 2002 році та аж до 2010 року на ній пройшло шість наукових сеансів спостережень. Жодних гравітаційно-хвильових сплесків достовірно не виявлено, і фізики змогли лише встановити обмеження зверху на частоту таких подій. Це, втім, не надто їх дивувало: оцінки показували, що в тій частині Всесвіту, який тоді прослуховував детектор, ймовірність досить потужного катаклізму була невелика: приблизно один раз на кілька десятків років.

Фінішна пряма

З 2010 до 2015 року колаборації LIGO і Virgo кардинально модернізували апаратуру (Virgo, втім, ще в процесі підготовки). І ось тепер довгоочікувана мета перебувала у прямій видимості. LIGO - а точніше, aLIGO ( Advanced LIGO) – тепер була готова відловлювати сплески, породжені нейтронними зірками, на відстані 60 мегапарсек, та чорними дірками – у сотні мегапарсек. Обсяг Всесвіту, відкритий для гравітаційно-хвильового прослуховування, виріс у порівнянні з минулими сеансами в десятки разів.

Звичайно, не можна передбачити, коли і де буде наступний гравітаційно-хвильовий «бабах». Але чутливість оновлених детекторів дозволяла розраховувати на кілька злиттів нейтронних зірок на рік, тому перший сплеск можна було очікувати вже під час першого чотиримісячного сеансу спостережень. Якщо ж говорити про весь проект aLIGO тривалістю кілька років, то вердикт був ясним: або сплески посиплються один за одним, або щось в ЗТО принципово не працює. І те, й інше стане великим відкриттям.

З 18 вересня 2015 року по 12 січня 2016 року відбувся перший сеанс спостережень aLIGO. Протягом усього цього часу по інтернету гуляли чутки про реєстрацію гравітаційних хвиль, але колаборація мовчала: «ми набираємо і аналізуємо дані і поки не готові повідомити про результати». Додаткову інтригу створювало те, що у процесі аналізу самі члени колаборації неможливо повністю впевнені, що вони бачать реальний гравітаційно-хвильовий сплеск. Справа в тому, що в LIGO в потік реальних даних рідко штучно впроваджується згенерований на комп'ютері сплеск. Він називається «сліпий вкидання», blind injection , і з усієї групи лише три людини (!) мають доступ до системи, яка здійснює його у довільний момент часу. Колектив повинен відстежити цей сплеск, відповідально проаналізувати його, і лише на останніх етапах аналізу «відкриваються карти» і члени колаборації дізнаються, чи це була реальна подія чи перевірка на пильність. Між іншим, в одному такому випадку у 2010 році справа навіть дійшла до написання статті, але виявлений тоді сигнал виявився саме «сліпим кидком».

Ліричний відступ

Щоб ще раз відчути урочистість моменту, я пропоную подивитись цю історію з іншого боку, зсередини науки. Коли складне, неприступне наукове завдання не піддається кілька років – це звичайний робочий момент. Коли вона не піддається протягом більш ніж одного покоління, вона сприймається зовсім інакше.

Школярем ти читаєш науково-популярні книжки і дізнаєшся про цю складну для вирішення, але дуже цікаву наукову загадку. Студентом ти вивчаєш фізику, робиш доповіді, і іноді, до місця чи ні, люди довкола тебе нагадують про її існування. Потім ти сам займаєшся наукою, працюєш в іншій галузі фізики, але регулярно чуєш про безуспішні спроби її вирішити. Ти, звичайно, розумієш, що десь ведеться активна діяльність з її вирішення, але підсумковий результат для тебе як людини залишається незмінним. Проблема сприймається як статичний фон, як декорація, як вічне і майже незмінне на масштабах твого наукового життя елемент фізики. Як завдання, яке завжди було і буде.

А потім – її вирішують. І різко, на масштабах кількох днів, ти відчуваєш, що фізична картина світу змінилася і тепер її треба формулювати в інших висловлюваннях і ставити інші питання.

Для людей, які безпосередньо працюють над пошуком гравітаційних хвиль, це завдання, зрозуміло, не залишалося незмінним. Вони бачать мету, знають, чого треба досягти. Вони, звичайно, сподіваються, що природа їм теж піде назустріч і підкине в якійсь близькій галактиці потужний сплеск, але одночасно вони розуміють, що навіть якщо природа не буде такою прихильною, їй від учених уже не сховатися. Питання лише в тому, коли саме вони зможуть досягти поставлених технічних цілей. Розповідь про це відчуття від людини, яка кілька десятиліть займалася пошуком гравітаційних хвиль, можна почути у згаданому вже фільмі «Чекаючи хвиль і частинок».

Відкриття

На рис. 7 показаний головний результат: профіль сигналу, зареєстрованого обома детекторами. Видно, що на тлі шумів спочатку слабко проступає, а потім наростає за амплітудою і частотою коливання потрібної форми. Порівняння з результатами чисельного моделювання дозволило з'ясувати, злиття яких об'єктів ми спостерігали: це були чорні діри з масами приблизно 36 і 29 сонячних мас, які злилися в одну чорну дірку масою 62 сонячних маси (похибка всіх цих чисел, що відповідає 90-відсотковому довірчому і складає 4 сонячні маси). Автори мимохідь помічають, що чорна діра, що вийшла, - найважча з коли-небудь спостерігалися чорних дір зіркових мас. Різниця між сумарною масою двох вихідних об'єктів та кінцевою чорною діркою становить 3±0,5 сонячних мас. Цей гравітаційний дефект мас приблизно за 20 мілісекунд повністю перейшов в енергію випромінюваних гравітаційних хвиль. Розрахунки показали, що пікова гравітаційно-хвильова потужність досягала 3,6 10 56 ерг/с, або, в перерахунку на масу, приблизно 200 сонячних мас в секунду.

Статистична значимість виявленого сигналу становить 5,1? Іншими словами, якщо припустити, що ці статистичні флуктуації наклалися одна на одну і суто випадково видали подібний сплеск, такої події довелося б чекати 200 тисяч років. Це дозволяє впевнено заявити, що виявлений сигнал не є флуктуацією.

Тимчасова затримка між двома детекторами становила приблизно 7 мілісекунд. Це дозволило оцінити напрямок приходу сигналу (рис. 9). Оскільки детекторів лише два, локалізація вийшла дуже приблизною: відповідна за параметрами область небесної сфери становить 600 квадратних градусів.

Колаборація LIGO не обмежилася лише констатацією факту реєстрації гравітаційних хвиль, але й провела перший аналіз того, які це спостереження має наслідки для астрофізики. У статті Astrophysical implications of the binary black hole merger GW150914, опублікованій того ж дня в журналі The Astrophysical Journal Letters, автори оцінили, з якою частотою відбуваються такі злиття чорних дірок. Вийшло як мінімум одне злиття в кубічному гігапарсеку за рік, що сходиться з прогнозами найоптимістичніших у цьому плані моделей.

Про що розкажуть гравітаційні хвилі

Відкриття нового явища після десятиліть пошуків - це завершення, лише початок нового розділу фізики. Звичайно, реєстрація гравітаційних хвиль від злиття чорних двох важлива сама собою. Це прямий доказ і існування чорних дірок, і існування подвійних чорних дірок, і реальності гравітаційних хвиль, і, якщо говорити взагалі, доказ правильності геометричного підходу до гравітації, на якому базується ОТО. Але для фізиків не менш цінним є те, що гравітаційно-хвильова астрономія стає новим інструментом досліджень, що дозволяє вивчати те, що раніше було недоступно.

По-перше, це новий спосіб розглядати Всесвіт і вивчати космічні катаклізми. Для гравітаційних хвиль немає перешкод, вони без проблем проходять взагалі крізь усе у Всесвіті. Вони самодостатні: їх профіль несе інформацію про їхній процес. Нарешті, якщо один грандіозний вибух породить і оптичний, і нейтринний, і гравітаційний сплеск, можна спробувати зловити їх, зіставити одне з одним, і розібратися в недоступних раніше деталях, що там сталося. Вміти ловити і порівнювати такі різні сигнали від однієї події – головна мета всесигнальної астрономії.

Коли детектори гравітаційних хвиль стануть ще більш чутливими, вони зможуть реєструвати тремтіння простору-часу не в момент злиття, а за кілька секунд до нього. Вони автоматично пошлють свій сигнал-попередження в загальну мережу спостережних станцій, астрофізичні супутники-телескопи, обчисливши координати передбачуваного злиття, встигнуть за ці секунди повернутися в потрібному напрямку і почати зйомку неба до початку оптичного сплеску.

По-друге, гравітаційно-хвильовий сплеск дозволить дізнатися нове про нейтронні зірки. Злиття нейтронних зірок - це, фактично, останній і екстремальний експеримент над нейтронними зірками, який природа може поставити для нас, а нам як глядачам залишиться тільки спостерігати результати. Наглядові наслідки такого злиття можуть бути різноманітними (рис. 10), і, набравши їхню статистику, ми зможемо краще розуміти поведінку нейтронних зірок у таких екзотичних умовах. Огляд сучасного стану справ у цьому напрямі можна знайти у недавній публікації S. Rosswog, 2015. Multi-messenger picture of compact binary mergers .

По-третє, реєстрація сплеску, що прийшов від наднової, і зіставлення його з оптичними спостереженнями дозволить нарешті розібратися в деталях, що там відбувається всередині, на самому початку колапсу. Зараз у фізиків, як і раніше, залишаються складнощі з чисельним моделюванням цього процесу.

По-четверте, у фізиків, котрі займаються теорією гравітації, з'являється жадана «лабораторія» вивчення ефектів сильної гравітації. Досі всі ефекти ОТО, які ми могли безпосередньо спостерігати, стосувалися гравітації у слабких полях. Про те, що відбувається в умовах сильної гравітації, коли спотворення простору-часу починають сильно взаємодіяти самі з собою, ми могли здогадуватися лише по непрямих проявах через оптичний відлуння космічних катастроф.

По-п'яте, з'являється нова можливість для перевірки екзотичних теорій гравітації. Таких теорій у сучасній фізиці вже багато, див. наприклад, присвячену їм главу з популярної книги А. Н. Петрова «Гравітація». Деякі з цих теорій нагадують звичайну ОТО межі слабких полів, але можуть сильно від неї відрізнятися, коли гравітація стає дуже сильною. Інші допускають існування у гравітаційних хвиль нового типу поляризації і передбачають швидкість, що трохи відрізняється від швидкості світла. Нарешті, є й теорії, які включають додаткові просторові виміри. Що можна буде сказати з їх приводу на основі гравітаційних хвиль - питання відкрите, але ясно, що деякою інформацією тут можна буде поживитись. Рекомендуємо також почитати думку самих астрофізиків про те, що зміниться з відкриттям гравітаційних хвиль у добірці на Постнауці.

Плани на майбутнє

Перспективи гравітаційно-хвильової астрономії - найбільше надихаючі. Наразі завершився лише перший, найкоротший спостережний сеанс детектора aLIGO – і вже за цей короткий час було спіймано чіткий сигнал. Точніше сказати так: перший сигнал був спійманий ще до офіційного старту, і колаборація поки що не звітувала про всі чотири місяці роботи. Хто знає, може, там вже є кілька додаткових сплесків? Так чи інакше, але далі, у міру збільшення чутливості детекторів і розширення доступної для гравітаційно-хвильових спостережень частини Всесвіту, кількість зареєстрованих подій зростатиме лавиноподібно.

Очікуваний розклад сеансів мережі LIGO-Virgo показано на рис. 11. Другий, шестимісячний, сеанс розпочнеться наприкінці цього року, третій сеанс займе майже весь 2018 рік, і на кожному етапі чутливість детектора зростатиме. У районі 2020 року aLIGO має вийти на заплановану чутливість, яка дозволить детектору промацувати Всесвіт щодо злиття нейтронних зірок, віддалених від нас на відстані до 200 Мпк. Для ще більш енергетичних подій злиття чорних дірок чутливість може добивати мало не до гігапарсека. Так чи інакше, доступний для спостереження обсяг Всесвіту зросте в порівнянні з першим сеансом ще в десятки разів.

Наприкінці цього року у гру також вступить і оновлена ​​італійська лабораторія Virgo. У неї чутливість трохи менша, ніж у LIGO, але теж цілком пристойна. За рахунок методу тріангуляції, трійка рознесених у просторі детекторів дозволить набагато краще відновлювати стан джерел на небесній сфері. Якщо зараз, із двома детекторами, область локалізації досягає сотень квадратних градусів, то три детектори дозволять зменшити її до десятків. Крім того, в Японії зараз будується аналогічна гравітаційно-хвильова антена KAGRA, яка розпочне роботу за два-три роки, а в Індії, в районі 2022 року, планується запустити детектор LIGO-India. В результаті через кілька років працюватиме і регулярно реєструватиме сигнали ціла мережа гравітаційно-хвильових детекторів (рис. 13).

Нарешті, існують плани щодо виведення гравітаційно-хвильових інструментів у космос, зокрема, проект eLISA. Два місяці тому запустили на орбіту перший, пробний супутник, завданням якого буде перевірка технологій. До реального детектування гравітаційних хвиль тут ще далеко. Але коли ця група супутників почне збирати дані, вона відкриє ще одне вікно у Всесвіт через низькочастотні гравітаційні хвилі. Такий всехвильовий підхід до гравітаційних хвиль - головна мета цієї галузі у далекій перспективі.

Паралелі

Відкриття гравітаційних хвиль стало вже третім за останні роки випадком, коли фізики нарешті пробилися через усі перешкоди і дісталися незвіданих раніше тонкощів устрою нашого світу. У 2012 році було відкрито хіггсівський бозон - частка, передбачена майже за півстоліття від цього. У 2013 році нейтринний детектор IceCube довів реальність астрофізичних нейтрино і почав «розглядати всесвіт» абсолютно новим, недоступним раніше способом – через нейтрино високих енергій. І ось зараз природа піддалася людині ще раз: відкрилося гравітаційно-хвильове вікно для спостережень всесвіту і, одночасно з цим, стали доступні для прямого вивчення ефекти сильної гравітації.

Треба сказати, ніде тут не було жодної халяви з боку природи. Пошуки велися дуже довго, але вона не піддавалася тому, що тоді, десятиліття тому, апаратура не дотягувала до результату енергії, масштабів, або чутливості. Призвів до мети саме неухильне, цілеспрямоване розвиток технологій, розвиток, який зупинили ні технічні складності, ні негативні результати минулих років.

І у всіх трьох випадках сам собою факт відкриття став не завершенням, а, навпаки, початком нового напряму досліджень, став новим інструментом промацування нашого світу. Властивості хіггсовського бозона стали доступні виміру – і в цих даних фізики намагаються розглянути ефекти Нової фізики. Завдяки збільшеній статистиці нейтрино високих енергій, нейтринна астрофізика робить перші кроки. Як мінімум те саме зараз очікується і від гравітаційно-хвильової астрономії, і для оптимізму є всі підстави.

Джерела:
1) LIGO Scientific Coll. і Virgo Coll. Observation of Gravitational Waves from Binary Black Hole Merger // Phys. Rev. Lett. Published 11 February 2016.
2) Detection Papers – список технічних статей, що супроводжують основну статтю про відкриття.
3) Е. Берті. Viewpoint: The First Sounds of Merging Black Holes // Physics. 2016. V. 9. N. 17.

Оглядові матеріали:
1) David Blair та ін. Gravitational wave astronomy: current status // arXiv:1602.02872 .
2) Benjamin P. Abbott і LIGO Scientific Collaboration і 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. Щасливий, сучасний і природний резонантний масив Gravitational Wave Detectors // Res. Astron. Astrophys. 2011. V. 11. N. 1.
4) The search for gravitational waves – добірка матеріалів на сайті журналу Scienceз пошуку гравітаційних хвиль.
5) Matthew Pitkin, Stuart Reid, Sheila Rowan, Jim Hough. Gravitational Wave Detection by Interferometry (Ground and Space) // arXiv:1102.3355 .
6) Ст Б. Брагінський. Гравітаційно-хвильова астрономія: нові методи вимірів // УФН. 2000. Т. 170. С. 743-752.
7) Peter R. Saulson.

Група вчених із 16 країн вперше отримала доказ існування гравітаційних хвиль на практиці. У цьому їм допомогли дві чорні дірки, які з'єдналися в одну 1,3 мільярда років тому. У процесі стався такий викид енергії, який змусив Землю трястись, як желе. «Фонтанка» спробувала розібратися у поданих доказах.

Джерело: LIGO

"Ми зафіксували гравітаційну хвилю", - заявив на прес-конференції у Вашингтоні виконавчий директор лазерно-інтерферометричної гравітаційно-хвильової обсерваторії LIGO Девід Рейтс. Його слова викликали шквал оплесків. Все ж таки не так часто фундаментальна наука радує відкриттями світового масштабу.

Дослідження справді виходить за межі планети. Джерело коливань, яке вдалося виявити вченим, знаходиться десь у південній частині зоряного неба. Хвиля прийшла з боку Магелланових Хмар, які є галактиками-супутниками Чумацького шляху. Можливе розташування джерела з різною ймовірністю відмічено на карті нижче.

Близько 1,3 млрд років тому, вважають науковці, там розвивалися фантастичні події, коли дві чорні дірки потрапили під вплив один одного і почали зближуватися. Нагадаємо, «чорні дірки» – умовна назва для космічних об'єктів, які притягують до себе все, що знаходиться поряд. Сила тяжіння настільки велика, що навіть світло не може вирватися за їхні межі. Через це на тлі яскравих зірок і освітлюваних ними об'єктів «чорні дірки» виглядають абсолютно темними.

І ось два таких об'єкти почали притягуватися один до одного, рухаючись равликом. Тим самим вони створювали обурення у гравітаційному полі, і від їхнього руху почали розходитися гравітаційні хвилі. Процес завершився логічно: поєднанням в один космічний об'єкт. Візуально це схоже на поділ клітини, який знайомий усім із підручника з біології, запущений у зворотному напрямку.

Дослідники LIGO відзначають критичний момент за мілісекунду до остаточного з'єднання двох «чорних дірок» в одну, коли відбувся викид енергії, що в 50 разів перевищує енергію всіх зірок у Всесвіті.

Джерело: LIGO

Своєрідний «дев'ятий вал» пройшовся Всесвітом і докотився до Землі. Хвиля вдарила в планету та вплинула на її гравітаційне поле. Для наочності вчені пояснили, що ефект був схожий на те, що буде, якщо тицьнути чимось желе і воно почне трястись. Втім, для планети такі струси безпечні, і нічим, крім надчутливих приладів, вони не зафіксовані. Співзасновник LIGO Райнер Вейс при цьому наочно продемонстрував, як саме хвиля проходить через гравітаційне поле.

На той час, як хвиля дійшла Землі, експериментальні дослідження у пошуках гравітаційних хвиль велися вже чверть століття. Треба сказати, що теоретична можливість існування гравітаційних хвиль згадується у кількох теоріях. Наприклад, відповідно до загальної теорії відносності Ейнштейна швидкість поширення гравітаційної хвилі дорівнює швидкості світла лінійному наближенні.

Проте експериментально спростувати чи підтвердити жодну з теорій було неможливо, оскільки виявити гравітаційну хвилю дуже складно. Щоб зрозуміти масштаб такого явища, треба знати, що у Сонячній системі найпотужнішими джерелами гравітаційних хвиль є, власне, Сонце та Юпітер. І потужність цих хвиль становить незначні, порівняно з кінетичною енергією цих тіл, 5 кіловат.

Проте 14 вересня 2015 року одразу двом гравітаційно-хвильовим обсерваторіям у США вдалося зафіксувати коливання, які згодом ідентифікували вчені як гравітаційні хвилі. Спочатку коливання зафіксували у місті Хенфорд штату Вашингтон, а через 7 мілісекунд у Лівінгстоні штату Луїзіана. Перевірка всіх даних зайняла ще близько півроку. Після цього вчені змогли розповісти, як їм удалося зловити гравітаційну хвилю.

Для вимірювання використовувався лазерний інтерферометр. Суть його роботи полягає у поділі лазерного променя на два, що відрізняються інтенсивністю. Кожен із них далі доходить до дзеркала, де відбивається та повертається в систему, а вже звідти прямує на спеціальний фотодетектор. Принцип роботи системи зображено нижче.

Джерело: LIGO

Дзеркала знаходяться на значній відстані від лазера та ізольовані від сторонніх коливань. Коли гравітаційна хвиля проходить крізь Землю, змінюється її форма, отже, і відстань дзеркал від джерела випромінювання. В результаті, після відображення лазерного променя від дзеркала, променю потрібна більша або менша відстань, щоб дійти до фотодетектора. Мікроскопічна різниця в попаданні лазера на фотодетектор якраз і є способом визначення гравітаційної хвилі.

Для наочності вчені визначили кольором амплітуду гравітаційної хвилі. Представник LIGO з Університету Луїзіани Габріела Гонсалес також заявила, що гравітаційна хвиля знаходиться в діапазоні, який може вловити людське вухо. «Ми буквально можемо почути гравітаційну хвилю, ми можемо почути Всесвіт. Однак ця хвиля настільки коротка, що ми почуємо лише звук, схожий на «плюк!», – пояснила Гонсалес.

Читачам «Фонтанки» також пропонуємо почути гравітаційну хвилю, яка з'явилася близько 1,3 млрд років тому в результаті з'єднання двох «чорних дірок» у далекій галактиці.

Буквально кілька годин тому прийшла звістка, яку давно чекали у науковому світі. Група вчених із кількох країн, що працюють у складі міжнародного проекту LIGO Scientific Collaboration, заявляють, що за допомогою кількох обсерваторій-детекторів їм вдалося зафіксувати гравітаційні хвилі в лабораторних умовах.

Вони займаються аналізом даних, що надходять із двох лазерно-інтерферометричних гравітаційно-хвильових обсерваторій (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory - LIGO), розташованих у штатах Луїзіана та Вашингтон у США.

Як говорилося на прес-конференції проекту LIGO, гравітаційні хвилі були зареєстровані 14 вересня 2015 спочатку на одній обсерваторії, а потім через 7 мілісекунд на іншій.

На основі аналізу отриманих даних, яким займалися вчені з багатьох країн, у тому числі і з Росії, було встановлено, що гравітаційна хвиля була викликана зіткненням двох чорних дірок масою у 29 та 36 разів більше за масу Сонця. Після цього вони злилися в одну велику чорну дірку.

Це сталося 1,3 мільярда років тому. Сигнал прийшов до Землі з боку сузір'я Магелланової хмари.

Сергій Попов (астрофізик Державного астрономічного інституту Штернберга МДУ) пояснив, що таке гравітаційні хвилі та чому так важливо їх вимірювати.

Сучасні теорії гравітації - це геометричні теорії гравітації, більш-менш, починаючи з теорії відносності. Геометричні властивості простору впливають на рух тіл або таких об'єктів як світловий промінь. І навпаки — розподіл енергії (це те саме, що й маса у просторі) впливає на геометричні властивості простору. Це дуже здорово, тому що це просто візуалізувати — вся ця еластична площина, що розлинула в клітину, має під собою якийсь фізичний зміст, хоча, зрозуміло не так все буквально.

Фізики використовують слово "метрика". Метрика це те, що описує геометричні властивості простору. І ось у нас із прискоренням рухаються тіла. Найпростіше - обертається огірок. Важливо, щоб це була, наприклад, не кулька і не сплюснутий диск. Легко уявити, що коли такий огірок крутиться на еластичній площині, від нього побіжить бриж. Уявіть собі, що ви стоїте десь і огірок то одним кінцем до вас повернеться, то іншим. Він по-різному впливає на простір та час, біжить гравітаційна хвиля.

Отже, гравітаційна хвиля - це бриж, що біжить по метриці простору-часу.

Намисто в космосі

Це фундаментальна властивість наших базових уявлень про те, як влаштовано гравітацію, і люди сто років хочуть це перевірити. Хочуть переконатися, що ефект є і що він видно в лабораторії. У природі це побачили вже близько трьох десятків років тому. Як у побуті мають проявляти себе гравітаційні хвилі?

Найпростіше це проілюструвати так: якщо кинути в космосі намисто, щоб вони лягли гуртком, і коли гравітаційна хвиля проходитиме перпендикулярно їх площині, то вони почнуть перетворюватися на еліпс, стиснутий то в один бік, то в інший. Справа в тому, що простір навколо них буде обурений, і вони це відчуватимуть.

"Г" на Землі

Приблизно таку штуку люди роблять, тільки не в космосі, а на Землі.

На відстані чотирьох кілометрів один від одного висять дзеркала у вигляді літери «г».

Бігають лазерні промені – це інтерферометр, добре зрозуміла річ. Сучасні технології дозволяють виміряти фантастично малий ефект. Я досі не те щоб не вірю, я вірю, але просто в голові не вкладається — зсув дзеркал, що висять на відстані чотирьох кілометрів один від одного, становить менше, ніж розмір атомного ядра. Це мало навіть у порівнянні із довжиною хвилі цього лазера. У цьому й була проблема: гравітація — найслабша взаємодія, і тому зміщення дуже малі.

Потрібно було дуже багато часу, люди намагалися це робити з 1970-х років, витратили життя на пошуки гравітаційних хвиль. І зараз тільки технічні можливості дозволяють отримати реєстрацію гравітаційної хвилі в лабораторних умовах, тобто вона тут прийшла, і дзеркала змістилися.

Напрям

Протягом року якщо все буде добре, то у світі працюватимуть уже три детектори. Три детектори — це дуже важливо, тому що ці штуки дуже погано визначають напрямок сигналу. Приблизно так само, як і ми на слух погано визначаємо напрям джерела. "Звук звідкись праворуч" - ці детектори приблизно так відчувають. Але якщо стоять віддалік один від одного три людини, і один чує звук праворуч, інший ліворуч, а третій ззаду, то дуже точно можемо визначити напрям звуку. Чим більше буде детекторів, чим більше вони будуть розкидані земною кулею, тим точніше ми зможемо визначити напрямок на джерело, і тоді почнеться астрономія.

Адже кінцеве завдання як підтвердити загальну теорію відносності, а й отримати нове астрономічне знання. Ось уявіть, що є чорна діра вагою десять мас Сонця. І вона стикається з іншою чорною діркою вагою десять мас Сонця. Зіткнення відбувається на швидкості світла. Енергія прорву. Це правда. Її фантастично багато. І її ніяк не ... Це тільки брижі простору і часу. Я б сказав, що детектування злиття двох чорних дірок на довгий час стане найнадійнішим підтвердженням того, що чорні дірки — це приблизно такі чорні дірки, про які ми думаємо.

Давайте пройдемося з питань та явищ, які вона могла б розкрити.

Чи існують чорні дірки насправді?

Сигнал, який очікується від анонсу LIGO, можливо, був зроблений двома чорними дірами, що зливаються. Подібні події – найенергетичніші з відомих; сила гравітаційних хвиль, випромінюваних ними, може ненадовго затьмарити всі зірки Всесвіту в сумі. Чорні діри, що зливаються, також дуже просто інтерпретувати по дуже чистих гравітаційних хвиль.

Злиття чорних дірок відбувається, коли дві чорні дірки обертаються по спіралі один щодо одного, випромінюючи енергію у вигляді гравітаційних хвиль. Ці хвилі мають характерний звук (ЛЧМ), який можна використовувати для вимірювання маси цих двох об'єктів. Після цього чорні дірки зазвичай зливаються.

«Уявіть два мильні бульбашки, які підходять так близько, що утворюють одну бульбашку. Деформується більша бульбашка», - говорить Тібальд Дамур, гравітаційний теоретик з Інституту передових наукових досліджень поблизу Парижа. Остаточна чорна діра буде ідеально сферичної форми, але попередньо має випустити гравітаційні хвилі передбачуваного типу.

Одним із найважливіших наукових наслідків виявлення злиття чорних дірок буде підтвердження існування чорних дірок - принаймні ідеально круглих об'єктів, що складаються з чистого, порожнього, викривленого простору-часу, як передбачає загальна теорія відносності. Інший наслідок – злиття проходить так, як пророкували вчені. У астрономів є маса непрямих підтверджень цього феномена, але це були спостереження зірок і перегрітого газу на орбіті чорних дірок, а не самих чорних дірок.

«Наукова спільнота, включаючи мене, недолюблює чорні дірки. Ми приймаємо їх як належне, - каже Франс Преторіус, фахівець із симуляцій ОТО у Прінстонському університеті в Нью-Джерсі. - Але якщо задуматися про те, яке це дивовижне пророцтво, нам потрібний воістину дивовижний доказ».

Чи рухаються гравітаційні хвилі зі швидкістю світла?

Коли вчені починають порівнювати спостереження LIGO із спостереженнями інших телескопів, перше, що вони перевіряють, чи в один час прибув сигнал. Фізики вважають, що гравітація передається частинками-гравітонами, гравітаційним аналогом фотонів. Якщо, як у фотонів, у цих частинок немає маси, то гравітаційні хвилі рухатимуться зі швидкістю світла, відповідаючи передбаченню швидкості гравітаційних хвиль у класичній теорії відносності. (На їх швидкість може впливати розширення Всесвіту, що прискорюється, але це повинно проявлятися на дистанціях, що значно перевершують ті, що покриває LIGO).

Цілком можливо, втім, що гравітони мають невелику масу, а значить, гравітаційні хвилі рухатимуться зі швидкістю менше світлової. Так що, наприклад, якщо LIGO і Virgo виявлять гравітаційні хвилі та з'ясують, що хвилі прибутку на Землю пізніше пов'язані з космічною подією гамма-променів, це може мати доленосні наслідки для фундаментальної фізики.

Чи складається простір-час із космічних струн?

Ще дивніше відкриття може статися, якщо сплески гравітаційних хвиль будуть виявлені «космічних струн», що виходять. Ці гіпотетичні дефекти кривизни простору-часу, які можуть бути, а можуть і не бути пов'язані з теоріями струн, повинні бути нескінченно тонкими, але розтягнутими на космічні відстані. Вчені прогнозують, що космічні струни, якщо вони існують, можуть випадково перегинатися; якщо струна перегнеться, вона викликає гравітаційний сплеск, який могли б виміряти детектори на зразок LIGO або Virgo.

Чи нейтронні зірки можуть бути нерівними?

Нейтронні зірки - це залишки великих зірок, які колапсували під власною вагою і стали настільки щільними, що електрони та протони почали плавитись у нейтрони. Вчені погано розуміють фізику нейтронних дірок, але гравітаційні хвилі могли б багато про них розповісти. Наприклад, інтенсивна гравітація з їхньої поверхні призводить до того, що нейтронні зірки стають майже ідеально сферичними. Але деякі вчені припустили, що на них можуть бути також «гори» - заввишки кілька міліметрів - які роблять ці щільні об'єкти діаметром в 10 кілометрів, не більше, злегка асиметричними. Нейтронні зірки зазвичай крутяться дуже швидко, тому асиметричний розподіл маси деформуватиме простір-час і вироблятиме постійний гравітаційно-хвильовий сигнал у формі синусоїди, сповільнюючи обертання зірки та випромінюючи енергію.

Пари нейтронних зірок, які обертаються одна навколо одної, також роблять постійний сигнал. Подібно до чорних дірок, ці зірки рухаються по спіралі і в кінцевому рахунку зливаються з характерним звуком. Але його специфіка відрізняється від специфіки звуку чорних дірок.

Чому вибухають зірки?

Чорні дірки та нейтронні зірки утворюються, коли масивні зірки перестають світити і колапсують самі в себе. Астрофізики думають, що цей процес лежить в основі всіх поширених типів вибухів наднових типу ІІ. Моделювання таких наднових поки не показало, чому вони запалюються, але прослуховування гравітаційно-хвильових сплесків, що випускаються справжньою надновою, як вважають, може дати відповідь. Залежно від того, на що схожі хвилі сплесків, наскільки вони гучні, як часто відбуваються і як корелюють із надновими, за якими стежать електромагнітні телескопи, ці дані можуть допомогти виключити купу існуючих моделей.

Як швидко розширюється Всесвіт?

Розширення Всесвіту означає, що далекі об'єкти, які віддаляються від нашої галактики, виглядають більш червоними, ніж є насправді, оскільки світло, що випромінюється ними, розтягується в міру їх руху. Космологи оцінюють темпи розширення Всесвіту, порівнюючи червоне зміщення галактик з тим, наскільки далекі вони від нас. Але ця відстань зазвичай оцінюється за яскравістю наднових типу Ia, і ця методика залишає купу невизначеностей.

Якщо кілька детекторів гравітаційних хвиль по всьому світу виявлять сигнали від злиття тих самих нейтронних зірок, разом вони можуть абсолютно точно оцінити гучність сигналу, а разом з тим і відстань, на якій відбулося злиття. Вони також зможуть оцінити напрямок, а з ним і виявити галактику, в якій сталася подія. Порівнюючи червоне зміщення цієї галактики з відстанню до зірок, що зливаються, можна отримати незалежний темп космічного розширення, можливо, більш точний, ніж дозволяють сучасні методи.