Гравітаційні хвилі виявлено. Як вмирають чорні дірки

Валентин Миколайович Руденко ділиться історією свого візиту до міста Кашина (Італія), де він провів тиждень на тоді ще щойно побудованій «гравітаційній антені» – оптичному інтерферометрі Майкельсона. Дорогою до місця призначення таксист цікавиться, навіщо побудована установка. "Тут люди думають, що це для розмови з Богом", - зізнається водій.

– Що таке гравітаційні хвилі?

– Гравітаційна хвиля – один із «переносників астрофізичної інформації». Існують видимі канали астрофізичної інформації, особлива роль «далекому баченні» належить телескопам. Астрономи освоїли також низькочастотні канали – мікрохвильовий та інфрачервоний, і високочастотні – рентгенівські та гамма-. Крім електромагнітного випромінювання ми можемо реєструвати потоки частинок з Космосу. Для цього використовують нейтринні телескопи – великогабаритні детектори космічних нейтрино – частинок, які слабо взаємодіють із речовиною і тому важко реєструються. Майже всі теоретично передбачені та лабораторно-досліджені види «переносників астрофізичної інформації» надійно освоєні на практиці. Виняток становила гравітація - найслабша взаємодія в мікросвіті і найпотужніша сила в макросвіті.

Гравітація – це геометрія. Гравітаційні хвилі – геометричні хвилі, тобто хвилі, що змінюють геометричні характеристики простору, коли проходять по цьому простору. Грубо кажучи, це хвилі, що деформують простір. Деформація – це відносна зміна відстані між двома точками. Гравітаційне випромінювання відрізняється від інших типів випромінювань саме тим, що вони геометричні.

- Гравітаційні хвилі передбачив Ейнштейн?

– Формально вважається, що гравітаційні хвилі передбачив Ейнштейн, як один із наслідків його загальної теорії відносності, але фактично їхнє існування стає очевидним уже у спеціальній теорії відносності.

Теорія відносності передбачає, що через гравітаційне тяжіння можливий гравітаційний колапс, тобто стягування об'єкта в результаті колапсування, грубо кажучи, в крапку. Тоді гравітація така сильна, що навіть не може вийти світло, тому такий об'єкт образно називається чорною діркою.

– У чому полягає особливість гравітаційної взаємодії?

Особливістю гравітаційної взаємодії є принцип еквівалентності. Відповідно до нього динамічна реакція пробного тіла в гравітаційному полі не залежить від маси цього тіла. Простіше кажучи, всі тіла падають із однаковим прискоренням.

Гравітаційна взаємодія – найслабша з відомих нам сьогодні.

– Хто першим намагався зловити гравітаційну хвилю?

– Гравітаційно-хвильовий експеримент першим провів Джозеф Вебер із Мерілендського університету (США). Він створив гравітаційний детектор, який тепер зберігається у Смітсонівському музеї у Вашингтоні. 1968-1972 року Джо Вебер провів серію спостережень на парі просторово рознесених детекторів, намагаючись виділити випадки «збігів». Прийом збігів запозичений із ядерної фізики. Невисока статистична значимість гравітаційних сигналів, отриманих Вебером, викликала критичне ставлення до результатів експерименту: був впевненості у тому, що вдалося зафіксувати гравітаційні хвилі. Надалі вчені намагалися збільшити чутливість детекторів вебєрівського типу. На розробку детектора, чутливість якого була адекватна астрофізичному прогнозу, пішло 45 років.

За час початку експерименту до фіксації пройшло багато інших експериментів, були зафіксовані імпульси за цей період, але вони мали дуже маленьку інтенсивність.

– Чому про фіксацію сигналу оголосили не одразу?

– Гравітаційні хвилі було зафіксовано ще у вересні 2015 року. Але навіть якщо збіг був зафіксований, треба перш ніж оголошувати, довести, що він не є випадковим. У сигналі, що знімається з будь-якої антени, завжди є шумові викиди (короткочасні сплески), і один з них випадково може статися одночасно з шумовим сплеском на іншій антені. Довести, що збіг стався невипадково можна лише з допомогою статистичних оцінок.

– Чому відкриття в галузі гравітаційних хвиль такі важливі?

– Можливість зареєструвати реліктове гравітаційне тло та виміряти його характеристики, такі як щільність, температура тощо, дозволяє підійти до початку світобудови.

Привабливим є те, що гравітаційне випромінювання важко виявити, тому що воно дуже слабко взаємодіє із речовиною. Але, завдяки цій же властивості, воно і проходить без поглинань з найдальших від нас об'єктів з найтаємничішими, з погляду матерії, властивостями.

Можна сміливо сказати, що гравітаційні випромінювання проходять без спотворення. Найбільш амбітна мета – дослідити те гравітаційне випромінювання, яке відокремлено від первинної матерії в Теорії Великого Вибуху, яке створилося в момент створення Всесвіту.

- Чи виключає відкриття гравітаційних хвиль квантову теорію?

Теорія гравітації передбачає існування гравітаційного колапсу, тобто стягування потужних об'єктів у крапку. У той же час квантова теорія, яку розвивала Копенгагенська школа передбачає, що завдяки принципу невизначеності не можна одночасно вказати точно такі параметри як координата, швидкість та імпульс тіла. Тут є принцип невизначеності, не можна визначити точно траєкторію, тому що траєкторія - це і координата, і швидкість і т. д. Можна визначити лише умовний довірчий коридор в межах цієї помилки, яка пов'язана з принципами невизначеності. Квантова теорія категорично заперечує можливість точкових об'єктів, але визначає їх статистично вероятностным чином: конкретно вказує координати, а показує можливість, що вона має певні координати.

Питання про поєднання квантової теорії та теорії гравітації – одне з фундаментальних питань створення єдиної теорії поля.

Над ним зараз продовжують працювати, і слова "квантова гравітація" означають абсолютно передову галузь науки, межу знань та незнань, де зараз працюють усі теоретики світу.

– Що може дати відкриття у майбутньому?

Гравітаційні хвилі неминуче повинні лягти у фундамент сучасної науки як один із складових нашого знання. Їм відводиться істотна роль еволюції Всесвіту і з допомогою цих хвиль Всесвіт слід вивчати. Відкриття сприяє загальному розвитку науки та культури.

Якщо зважитися вийти за рамки сьогоднішньої науки, то припустимо уявити лінії телекомунікаційного гравітаційного зв'язку, реактивні апарати на гравітаційній радіації, гравітаційно-хвильові прилади інтроскопії.

– Чи мають відношення гравітаційні хвилі до екстрасенсорики та телепатії?

Не мають. Описані ефекти – ефекти квантового світу, ефекти оптики.

Розмовляла Ганна Уткіна

Вільна поверхня рідини, що знаходиться в рівновазі в полі тяжкості, - пласка. Якщо під впливом будь-якого зовнішнього впливу поверхню рідини у якомусь місці виводиться з її рівноважного становища, то рідини виникає рух. Цей рух буде поширюватися вздовж усієї поверхні рідини у вигляді хвиль, які називають гравітаційними, оскільки вони обумовлюються дією поля тяжіння. Гравітаційні хвилі відбуваються в основному на поверхні рідини, захоплюючи її внутрішні шари тим менше, чим глибше ці шари розташовані.

Ми будемо розглядати тут такі гравітаційні хвилі, в яких швидкість частинок рідини, що рухаються, настільки мала, що в рівнянні Ейлера можна знехтувати членом порівняно з Легко з'ясувати, що означає ця умова фізично. Протягом проміжку часу порядку періоду коливань, що здійснюються частинками рідини в хвилі, ці частинки проходять відстань порядку амплітуди а хвилі, тому швидкість їх руху - порядку Швидкість v помітно змінюється протягом інтервалів часу порядку і протягом відстаней порядку вздовж напрямку поширення хвилі ( - довжина хвилі). Тому похідна від швидкості за часом - порядку а за координатами - порядку Таким чином, умова еквівалентна вимогі

тобто амплітуда коливань у хвилі має бути мала в порівнянні з довжиною хвилі. У § 9 ми бачили, що якщо в рівнянні руху можна знехтувати членом, то рух рідини потенційно. Припускаючи рідину несжимаемой, ми можемо скористатися рівняннями (10,6) і (10,7). У рівнянні (10,7) ми можемо тепер знехтувати членом, що містить квадрат швидкості; поклавши і ввівши в поле тяжкості член отримаємо:

(12,2)

Ось вибираємо, як завжди, вертикально вгору, а як площину х, у вибираємо рівноважну плоску поверхню рідини.

Будемо позначати - координату точок поверхні рідини за допомогою; є функцією координат х, у та часу t. У рівновазі так що є вертикальне усунення рідкої поверхні при її коливаннях.

Нехай на поверхню рідини діє постійний тиск. Тоді маємо на поверхні згідно (12,2)

Постійну можна усунути перевизначенням потенціалу (додаванням до нього незалежної від координат величини. Тоді умова на поверхні рідини набуде вигляду

Трохи амплітуди коливань у хвилі означає, що зміщення мало. Тому можна вважати, у тому ж наближенні, що вертикальна компонента швидкості руху точок поверхні збігається з похідною за часом від зміщення. Але так що маємо:

Таким чином, отримуємо остаточно наступну систему рівнянь, що визначають рух у гравітаційній хвилі:

Розглянемо хвилі на поверхні рідини, вважаючи цю поверхню необмеженою. Будемо також вважати, що довжина хвилі мала порівняно з глибиною рідини; тоді можна розглядати рідину як нескінченно глибоку. Тому ми не пишемо граничних умов на бічних кордонах та на дні рідини.

Розглянемо гравітаційну хвилю, що поширюється вздовж осі і однорідну вздовж осі у такій хвилі всі величини не залежать від координати у. Будемо шукати рішення, яке є простою періодичною функцією часу та координати х:

де ( - циклічна частота (ми говоритимемо про неї просто як про частоту), k - хвильовий вектор хвилі, - довжина хвилі. Підставивши цей вираз у рівняння отримаємо для функції рівняння

Його рішення, що загасає в глиб рідини (тобто при):

Ми повинні ще задовольнити граничну умову (12,5), підставивши в нього (12,5), знайдемо зв'язок між частотою b хвильовим вектором (або, як кажуть, закон дисперсії хвиль):

Розподіл швидкостей у рідині виходить диференціюванням потенціалу за координатами:

Ми бачимо, що швидкість експоненційно падає у напрямку в глибину рідини. У кожній заданій точці простору (тобто при заданих x, z) вектор швидкості рівномірно обертається в площині x, залишаючись постійним за своєю величиною.

Визначимо ще траєкторію частинок рідини у хвилі. Позначимо тимчасово за допомогою х, z координати частинки рідини, що рухається (а не координати нерухомої точки в просторі), а за допомогою - значення х, для рівноважного положення частинки. Тоді а в правій частині (12,8) можна приблизно написати замість , скориставшись дещицею коливань. Інтегрування за часом дає:

Таким чином, частинки рідини описують кола навколо точок з радіусом, що експоненційно убуває у напрямку в глиб рідини.

Швидкість U поширення хвилі дорівнює, як буде показано в § 67, Підставивши сюди знаходимо, що швидкість поширення гравітаційних хвиль на необмеженій поверхні нескінченно глибокої рідини дорівнює

Вона зростає зі збільшенням довжини хвилі.

Довгі гравітаційні хвилі

Розглянувши гравітаційні хвилі, довжина яких мала проти глибиною рідини, зупинимося тепер у протилежному граничному випадку хвиль, довжина яких велика проти глибиною рідини.

Такі хвилі називаються довгими.

Розглянемо спочатку поширення довгих хвиль у каналі. Довжину каналу (спрямовану вздовж осі х) вважатимемо необмеженою Перетин каналу може мати довільну форму і може змінюватися вздовж його довжини. Площа поперечного перерізу рідини в каналі позначимо за допомогою Глибина та ширина каналу передбачаються малими порівняно з довжиною хвилі.

Ми розглядатимемо тут довгі довгі хвилі, в яких рідина рухається вздовж каналу. У таких хвилях компонента швидкості вздовж довжини каналу велика порівняно з компонентами

Позначивши просто як і опускаючи малі члени, ми можемо написати -компоненту рівняння Ейлера у вигляді

а -компоненту - у вигляді

(квадратичні за швидкістю члени опускаємо, оскільки амплітуда хвилі, як і раніше, вважається малою). З другого рівняння маємо, зауважуючи, що на вільній поверхні ) має бути

Підставляючи цей вислів у перше рівняння, отримуємо:

Друге рівняння визначення двох невідомих можна вивести методом, аналогічним висновку рівняння безперервності. Це рівняння є по суті рівняння безперервності стосовно даного випадку. Розглянемо обсяг рідини, укладений між двома площинами поперечного перерізу каналу, що знаходяться на відстані один від одного. За одиницю часу через одну площину увійде об'єм рідини, рівний а через іншу площину вийде об'єм. Тому об'єм рідини між обома площинами зміниться на

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.

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.

Офіційним днем ​​відкриття (детектування) гравітаційних хвиль вважається 11 лютого 2016 року. Саме тоді, на прес-конференції, що відбулася у Вашингтоні, керівниками колаборації LIGO було оголошено, що колективу дослідників вдалося вперше в історії людства зафіксувати це явище.

Пророцтва великого Ейнштейна

Про те, що гравітаційні хвилі існують, ще на початку минулого століття (1916) припустив Альберт Ейнштейн в рамках сформульованої ним Загальної теорії відносності (ОТО). Залишається тільки дивуватися геніальним здібностям знаменитого фізика, який при мінімумі реальних даних зміг зробити такі далекосяжні висновки. Серед безлічі інших передбачуваних фізичних явищ, що знайшли підтвердження в наступне століття (уповільнення перебігу часу, зміна напряму електромагнітного випромінювання в гравітаційних полях тощо) практично виявити наявність цього хвильової взаємодії тіл до останнього часу не вдавалося.

Гравітація – ілюзія?

Взагалі, у світлі Теорії відносності гравітацію важко назвати силою. обурення чи викривлення просторово-часового континууму Хорошим прикладом, що ілюструє цей постулат, може бути натягнутий шматок тканини. Під вагою розміщеного на такій поверхні масивного предмета утворюється поглиблення. Інші об'єкти під час руху поблизу цієї аномалії змінюватимуть траєкторію свого руху, як би "притягуючись". І що більше вага предмета (більше діаметр і глибина викривлення), то вище " сила тяжіння " . При його русі по тканині, можна спостерігати виникнення розбіжної "брижі".

Щось подібне відбувається і у світовому просторі. Будь-яка прискорено рухається масивна матерія є джерелом флуктуацій щільності простору та часу. Гравітаційна хвиля з істотною амплітудою, утворюється тілами з надзвичайно великими масами або під час руху з величезними прискореннями.

Фізичні характеристики

Коливання метрики простір-час проявляють себе як зміни поля тяжіння. Це явище інакше називають просторово-часовою брижами. Гравітаційна хвиля впливає на зустрінуті тіла та об'єкти, стискаючи та розтягуючи їх. Величини деформації дуже незначні - близько 10 -21 від первісного розміру. Вся труднощі виявлення цього полягала в тому, що дослідникам необхідно було навчитися вимірювати і фіксувати подібні зміни за допомогою відповідної апаратури. Потужність гравітаційного випромінювання також надзвичайно мала - для всієї Сонячної системи вона становить кілька кіловат.

Швидкість поширення гравітаційних хвиль трохи залежить від властивостей провідного середовища. Амплітуда коливань з віддаленням від джерела поступово зменшується, але ніколи не досягає нульового значення. Частота лежить у діапазоні від кількох десятків до сотень герц. Швидкість гравітаційних хвиль у міжзоряному середовищі наближається до швидкості світла.

Непрямі докази

Вперше теоретичне підтвердження існування хвиль тяжіння вдалося отримати американському астроному Джозефу Тейлору та його помічнику Расселу Халсу в 1974 році. Вивчаючи простори Всесвіту за допомогою радіотелескопа обсерваторії Аресібо (Пуерто-Ріко), дослідники відкрили пульсар PSR B1913+16, що є подвійною системою нейтронних зірок, що обертаються навколо загального центру мас з постійною кутовою швидкістю (досить рідкісний випадок). Щорічно період звернення, що спочатку становить 3,75 години, скорочується на 70 мс. Це значення цілком відповідає висновкам із рівнянь ОТО, що передбачають збільшення швидкості обертання подібних систем внаслідок витрачання енергії на генерацію гравітаційних хвиль. Надалі було виявлено кілька подвійних пульсарів та білих карликів з аналогічною поведінкою. Радіоастрономам Д. Тейлору та Р. Халсу у 1993 році було присуджено Нобелівську премію з фізики за відкриття нових можливостей вивчення полів тяжіння.

Гравітаційна хвиля, що вислизає

Перша заява про детектування хвиль тяжіння надійшла від вченого Мерілендського університету Джозефа Вебера (США) у 1969 році. Для цього він використовував дві гравітаційні антени власної конструкції, рознесені на відстань у два кілометри. Резонансний детектор був добре віброізольованим цілісним двометровим циліндром з алюмінію, оснащений чутливими п'єзодатчиками. Амплітуда, нібито зафіксованих Вебером коливань виявилася більш ніж у мільйон разів вищою за очікуване значення. Спроби інших вчених за допомогою такого обладнання повторити "успіх" американського фізика позитивних результатів не дали. Через кілька років роботи Вебера в цій галузі були визнані неспроможними, але дали поштовх розвитку "гравітаційному буму", що залучив до цієї галузі досліджень багатьох фахівців. До речі, сам Джозеф Вебер до кінця своїх днів був певен, що приймав гравітаційні хвилі.

Удосконалення приймального обладнання

У 70-х роках вчений Білл Фейрбанк (США) розробив конструкцію гравітаційно-хвильової антени, що охолоджується із застосуванням сквідів – надчутливих магнітомірів. Існуючі на той момент технології не дозволили побачити винахіднику свій виріб, реалізований у "металі".

За таким принципом виконано гравітаційний детектор Auriga у Національній леньярській лабораторії (Падуя, Італія). В основі конструкції алюмінієво-магнієвий циліндр, довжиною 3 метри та діаметром 0,6 м. Приймальний пристрій масою 2,3 тонни підвішено в ізольованій, охолодженій майже до абсолютного нуля вакуумній камері. Для фіксації та детектування струсів використовується допоміжний кілограмовий резонатор та вимірювальний комплекс на основі ЕОМ. Заявлена ​​чутливість обладнання 10-20.

Інтерферометри

В основу функціонування інтерференційних детекторів гравітаційних хвиль закладені ті самі принципи, за якими працює інтерферометр Майкельсона. Лазерний промінь, що випускається джерелом, ділиться на два потоки. Після багаторазових відбиття і подорожей по плечах пристрою потоки знову зводяться воєдино, і за підсумками судять про те, чи впливали на хід променів будь-які обурення (наприклад, гравітаційна хвиля). Подібне обладнання створено у багатьох країнах:

• GEO 600 (Ганновер, Німеччина). Довжина вакуумних тунелів 600 метрів.
• ТАМА (Японія) із плечима в 300 м.
• VIRGO (Піза, Італія) – спільний франко-італійський проект, запущений у 2007 році з трикілометровими тунелями.
• LIGO (США, Тихоокеанське узбережжя), що веде полювання за хвилями тяжіння з 2002 року.

Останній варто розглянути докладніше.

LIGO Advanced

Проект було створено з ініціативи вчених Массачусетського та Каліфорнійського технологічних інститутів. Включає дві обсерваторії, рознесені на 3 тис. км, і Вашингтон (міста Лівінгстон і Хенфорд) з трьома ідентичними інтерферометрами. Довжина перпендикулярних вакуумних тунелів сягає 4 тис. метрів. Це найбільші на сьогоднішній момент подібні споруди, що діють. До 2011 року численні спроби виявлення хвиль тяжіння жодних результатів не дали. Проведена істотна модернізація (Advanced LIGO) підвищила чутливість обладнання в діапазоні 300-500 Гц більш ніж у п'ять разів, а в низькочастотній області (до 60 Гц) майже на порядок, досягнувши такої омріяної величини в 10-21. Оновлений проект стартував у вересні 2015 року, і зусилля понад тисячі співробітників колаборації були винагороджені отриманими результатами.

Гравітаційні хвилі виявлено

14 вересня 2015 року вдосконалені детектори LIGO з інтервалом в 7 мс зафіксували гравітаційні хвилі, що дійшли до нашої планети, від найбільшого явища, що сталося на околицях спостережуваного Всесвіту - злиття двох великих чорних дірок з масами в 29 і 36 разів вище. У ході процесу, що відбувся понад 1,3 млрд років тому, за лічені частки секунди на випромінювання хвиль тяжіння було витрачено близько трьох сонячних мас речовини. Зафіксована початкова частота гравітаційних хвиль становила 35 Гц, а максимальне пікове значення досягло позначки 250 Гц.

Отримані результати неодноразово зазнавали всебічної перевірки та обробки, ретельно відсікалися альтернативні інтерпретації отриманих даних. Нарешті, минулого року про пряму реєстрацію передбачуваного Ейнштейном явища було оголошено світовій спільноті.

Факт, що ілюструє титанічну роботу дослідників: амплітуда коливань розмірів плечей інтерферометрів становила 10 -19 м - ця величина в стільки ж разів менше діаметра атома, скільки він сам менше апельсина.

Подальші перспективи

Зроблене відкриття ще раз підтверджує, що Загальна теорія відносності – не просто набір абстрактних формул, а принципово новий погляд на суть гравітаційних хвиль та гравітації загалом.

У подальших дослідженнях вчені великі надії покладають на проект ELSA: створення гігантського орбітального інтерферометра з плечима близько 5 млн км, здатного виявити навіть незначні збурення полів тяжіння. Активізація робіт у цьому напрямі здатна розповісти багато нового про основні етапи розвитку Всесвіту, про процеси, спостереження яких у традиційних діапазонах утруднено чи неможливо. Безперечно, що й чорні дірки, гравітаційні хвилі яких будуть зафіксовані в майбутньому, багато розкажуть про свою природу.

Для вивчення реліктового гравітаційного випромінювання, здатного розповісти про перші миті нашого світу після Великого Вибуху, будуть потрібні чутливіші космічні інструменти. Такий проект існує ( Big Bang Observer), але його реалізація, як запевняють фахівці, можлива не раніше, ніж через 30-40 років.