Який фізичний ефект дозволив виявити гравітаційні хвилі. Гравітаційний колапс подвійної системи

Учора світ вразила сенсація: вчені нарешті виявили гравітаційні хвилі, існування яких передбачав Ейнштейн ще сто років тому. Це прорив. Спотворення простору-часу (це і є гравітаційні хвилі – зараз пояснимо, що до чого) виявили в обсерваторії ЛІГО, а одним із її засновників є – хто б ви думали? - Кіп Торн, автор книги.

Розповідаємо, чому відкриття гравітаційних хвиль таке важливе, що сказав Марк Цукерберг і, звичайно, ділимося історією від першої особи. Кіп Торн як ніхто інший знає, як влаштований проект, у чому його незвичність та яке значення ЛІГО має для людства. Так-так, все так серйозно.

Відкриття гравітаційних хвиль

Науковий світ назавжди запам'ятає дату 11 лютого 2016 року. Цього дня учасники проекту ЛІГО (LIGO) оголосили: після стільки марних спроб гравітаційні хвилі знайдено. Це реальність. Насправді, їх виявили трохи раніше: у вересні 2015 року, але вчора відкриття було визнано офіційно. У The Guardian вважають, що вчені неодмінно отримають Нобелівську премію з фізики.

Причина гравітаційних хвиль - зіткнення двох чорних дірок, яке сталося аж... у мільярді світлових років від Землі. Уявляєте, наскільки величезний наш Всесвіт! Так як чорні дірки - дуже масивні тіла, вони пускають «брижі» по простору-часу, трохи його спотворюючи. Ось і з'являються хвилі, схожі на ті, що поширюються від каменю, кинутого у воду.

Ось так можна уявити гравітаційні хвилі, що йдуть до Землі, наприклад, від червоточини. Малюнок із книги «Інтерстелар. Наука за кадром»

Отримані коливання перетворили на звук. Цікаво, що сигнал від гравітаційних хвиль приходить приблизно на тій самій частоті, що і наша мова. Тож ми можемо на власні вуха почути, як стикаються чорні дірки. Послухайте, як звучать гравітаційні хвилі.

І знаєте, що? Зовсім недавно, що чорні дірки влаштовані не так, як вважалося раніше. Але доказів того, що вони в принципі існують, не було зовсім. А тепер є. Чорні дірки справді «живуть» у Всесвіті.

Так, на думку вчених, виглядає катастрофа - злиття чорних дірок, - .

11 лютого відбулася грандіозна конференція, куди з'їхалися понад тисячу вчених із 15 країн. Російські вчені також були присутніми. І, звісно, ​​не обійшлося без Кіпа Торна. «Це відкриття – початок дивовижного, чудового квесту для людей: пошуку та дослідження викривленого боку Всесвіту – об'єктів та явищ, створених із спотвореного простору-часу. Зіткнення чорних дірок та гравітаційні хвилі – наші перші чудові зразки», - сказав Кіп Торн.

Пошук гравітаційних хвиль був однією з головних проблем фізики. Тепер їх знайдено. І геній Ейнштейна підтверджено знову.

У жовтні ми взяли інтерв'ю у Сергія Попова, вітчизняного астрофізика та відомого популяризатора науки. Він як у воду дивився! Восени: «Мені здається, що зараз ми стоїмо на порозі нових відкриттів, що в першу чергу пов'язано з роботою детекторів гравітаційних хвиль LIGO і VIRGO (Кіп Торн якраз зробив великий внесок у створення проекту LIGO)». Дивно, правда?

Гравітаційні хвилі, детектори хвиль та LIGO

Що ж, а тепер трохи фізики. Для тих, хто справді хочеться розібратися в тому, що таке гравітаційні хвилі. Ось художнє зображення тендекс-ліній двох чорних дірок, що обертаються по орбітах один навколо одного, проти годинникової стрілки, а потім зіштовхуються. Тендекс-лінії породжують гравітацію. Йдемо далі. Лінії, які виходять з двох найбільш віддалених один від одного крапок на поверхнях пари чорних дірок, розтягують все на своєму шляху, включаючи подругу художниці, що потрапила на малюнок. А лінії, що виходять з області зіткнення, всі стискають.

Коли дірки обертаються одна навколо іншої, вони захоплюють слідом свої тендекс-лінії, які схожі на струмені води з поливалки, що крутиться, на газоні. На малюнку із книги «Інтерстелар. Наука за кадром» - пара чорних дірок, які стикаються, обертаючись одна довкола іншої проти годинникової стрілки, та їх тендекс-лінії.

Чорні дірки об'єднуються в одну велику дірку; вона деформована та обертається проти годинникової стрілки, захоплюючи за собою тендекс-лінії. Нерухомий спостерігач, що знаходиться далеко від дірки, відчує коливання, коли через нього проходитимуть тендекс-лінії: розтяг, потім стиснення, потім розтяг - тендекс-лінії стали гравітаційною хвилею. У міру поширення хвиль деформація чорної дірки поступово зменшується, і хвилі також слабшають.

Коли ці хвилі досягають Землі, вони мають вигляд, показаний у верхній частині малюнка нижче. Вони розтягують в одному напрямку та стискають в іншому. Розтягування і стискування коливаються (від червоного вправо-вліво, до синього вправо-вліво, до червоного вправо-вліво і т. д.) у міру того, як хвилі проходять через детектор у нижній частині малюнка.

Гравітаційні хвилі, що проходять через детектор Ліго.

Детектор є чотири великих дзеркала (40 кілограмів, 34 сантиметри в діаметрі), які закріплені на кінцях двох перпендикулярних труб, званих плечима детектора. Тендекс-лінії гравітаційних хвиль розтягують одне плече, стискаючи при цьому друге, а потім навпаки стискають перше і розтягують друге. І так знову і знову. При періодичній зміні довжини плечей дзеркала зміщуються один щодо одного, і ці усунення відстежуються за допомогою лазерних променів способом, який називається інтерферометрією. Звідси і назва ЛІГО: Лазерно-інтерферометрична гравітаційно-хвильова обсерваторія.

Центр управління ЛІГО, звідки відправляють команди детектору та стежать за отриманими сигналами. Гравітаційні детектори ЛІГО розташовані в Хенфорді, штат Вашингтон, та Лівінгстоні, штат Луїзіана. Фото із книги «Інтерстелар. Наука за кадром»

Сьогодні ЛІГО - міжнародний проект, у якому бере участь 900 учених із різних країн, зі штабом, розташованим у Каліфорнійському технологічному університеті.

Скривлена ​​сторона Всесвіту

Чорні дірки, червоточини, сингулярності, гравітаційні аномалії та вимірювання вищого порядку пов'язані з викривленням простору та часу. Тому Кіп Торн називає їх «викривленою стороною Всесвіту». У людства досі дуже мало експериментальних та спостережних даних із викривленого боку Всесвіту. Ось чому ми стільки уваги віддаємо гравітаційним хвилям: вони складаються з викривленого простору і надають найдоступніший для нас спосіб дослідити викривлену сторону.

Уявіть, що вам доводилося бачити океан лише тоді, коли він спокійний. Ви б знати не знали про течії, вир і штормові хвилі. Це нагадує наші сьогоднішні знання про викривлення простору та часу.

Ми майже нічого не знаємо про те, як викривлений простір і викривлений час поводяться «у шторм» - коли форма простору бурхливо коливається і коли коливається швидкість часу. Це надзвичайно привабливий рубіж знань. Вчений Джон Вілер придумав для цих змін термін "геометродинаміка"

Особливий інтерес у галузі геометродинаміки становить зіткнення двох чорних дірок.

Зіткнення двох чорних дірок, що не обертаються. Модель із книги «Інтерстелар. Наука за кадром»

На малюнку вище зображено момент зіткнення двох чорних дірок. Саме така подія дозволила вченим зафіксувати гравітаційні хвилі. Ця модель побудована для чорних дірок, що не обертаються. Зверху: орбіти та тіні дір, вид з нашого Всесвіту. Посередині: викривлений простір і час, вид з балка (багатомірного гіперпростору); стрілками показано, як простір залучається в рух, а квітами, що змінюються - як викривляється час. Знизу: форма гравітаційних хвиль, що випускаються.

Гравітаційні хвилі від Великого вибуху

Слово Кіпу Торну. «1975 року Леонід Грищук, мій добрий приятель із Росії, зробив сенсаційну заяву. Він сказав, що в момент Великого вибуху виникло безліч гравітаційних хвиль, причому механізм їх виникнення (перш за невідомий) був таким: квантові флуктуації (Випадкові коливання - прим. ред)гравітаційного поля при Великому вибуху були багаторазово посилені початковим розширенням Всесвіту і стали початковими гравітаційними хвилями. Ці хвилі, якщо їх вдасться виявити, можуть розповісти нам, що відбувалося в момент зародження нашого Всесвіту».

Якщо вчені знайдуть початкові гравітаційні хвилі, ми дізнаємося, як зародився Всесвіт.

Люди розгадали далеко на всі загадки Всесвіту. Все ще попереду.

У наступні роки, у міру того, як удосконалювалися наші уявлення про Великий вибух, стало очевидно: ці початкові хвилі повинні бути сильними на довжинах хвиль, порівнянних з величиною видимого Всесвіту, тобто на довжинах у мільярди світлових років. Уявляєте скільки це?.. А на довжинах хвиль, які охоплюють детектори ЛІГО (сотні та тисячі кілометрів), хвилі, швидше за все, виявляться надто слабкими, щоб їх розпізнати.

Команда Джеймі Бока побудувала апарат BICEP2, за допомогою якого було виявлено слід споконвічних гравітаційних хвиль. Апарат, що знаходиться на Північному полюсі, показаний тут під час сутінків, які бувають там лише двічі на рік.

Апарат BICEP2. Зображення із книги «Інтерстелар. Наука за кадром»

Він оточений щитами, що екранують апарат від випромінювання навколишнього крижаного покриву. У правому верхньому куті показаний виявлений реліктовому випромінюванні слід - поляризаційний візерунок. Лінії електричного поля спрямовані вздовж коротких світлих штрихів.

Слід початку Всесвіту

На початку дев'яностих космологи зрозуміли, що ці гравітаційні хвилі завдовжки мільярди світлових років мали залишити унікальний слід в електромагнітних хвилях, що наповнюють Всесвіт, - у так званому космічному мікрохвильовому фоні, або реліктовому випромінюванні. Це започаткувало пошуки святого Грааля. Адже якщо виявити цей слід і вивести з нього властивості початкових гравітаційних хвиль, можна дізнатися, як зароджувався Всесвіт.

У березні 2014 року, коли Кіп Торн писав цю книгу, команда Джемі Бока, космолога з Калтеха, кабінет якого знаходиться поряд із кабінетом Торна, нарешті виявила цей слід у реліктовому випромінюванні.

Це чудове відкриття, але є один спірний момент: слід, знайдений командою Джемі, міг бути викликаний не гравітаційними хвилями, а чимось ще.

Якщо дійсно знайдено слід гравітаційних хвиль, що виникли при Великому вибуху, значить, відбулося космологічне відкриття такого рівня, які трапляються, можливо, раз на півстоліття. Воно дає шанс торкнутися подій, які відбувалися через трильйонну від трильйонної від трильйонної частки секунди після народження Всесвіту.

Це відкриття підтверджує теорії, що свідчать, що розширення Всесвіту тієї миті було надзвичайно швидким, на сленгу космологів - інфляційно швидким. І сповіщає настання нової ери в космології.

Гравітаційні хвилі та «Інтерстелар»

Учора на конференції з приводу відкриття гравітаційних хвиль Валерій Митрофанов, керівник московської колаборації вчених LIGO, до якої входять 8 вчених із МДУ, зазначив, що сюжет фільму «Інтерстелар» хоч і фантастичний, але не такий далекий від дійсності. А все тому, що науковим консультантом був Кіп Торн. Сам же Торн висловив сподівання, що вірить у майбутні пілотовані польоти людини до чорної діри. Нехай вони трапляться не так скоро, як хотілося б, і все ж таки сьогодні це набагато реальніше, ніж було раніше.

Не так уже й далекий день, коли люди покинуть межі нашої галактики.

Подія сколихнула розуми мільйонів людей. Відомий Марк Цукерберг написав: «Виявлення гравітаційних хвиль – найбільше відкриття у сучасній науці. Альберт Ейнштейн - один із моїх героїв, тому я сприйняв відкриття так близько. Століття тому в рамках Загальної Теорії Відносності він передбачив існування гравітаційних хвиль. Адже вони такі малі, щоб їх виявити, що прийшло шукати їх у витоках таких подій, як Великий вибух, вибухи зірок та зіткнення чорних дірок. Коли вчені проаналізують отримані дані, перед нами відкриється новий погляд на космос. І, можливо, це проллє світло на походження Всесвіту, народження та процес розвитку чорних дірок. Це дуже надихає – думати про те, скільки життів та зусиль було покладено на те, щоб зірвати покрив із цієї таємниці Всесвіту. Цей прорив став можливим завдяки таланту блискучих вчених та інженерів, людей різних національностей, а також новітнім комп'ютерним технологіям, які з'явилися нещодавно. Вітаю всіх причетних. Ейнштейн би вами пишався».

Така ось мова. І це людина, яка просто цікавиться наукою. Можна собі уявити, яка буря емоцій захлеснула вчених, які зробили свій внесок у відкриття. Здається, ми стали свідками нової доби, друзі. Це вражає.

PS: Сподобалося? Підписуйтесь на нашу розсилку по кругозору. Раз на тиждень надсилаємо пізнавальні листи та даруємо знижки на книги МІФу.

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

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.

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 прорва. 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.

«Нещодавно сильний інтерес наукової громадськості викликала серія довгострокових експериментів із безпосереднього спостереження гравітаційних хвиль, — писав фахівець у галузі теоретичної фізики Мітіо Каку у книзі «Космос Ейнштейна» у 2004 році. — Проект LIGO («Лазерний інтерферометр для спостереження гравітаційних хвиль»), можливо, виявиться першим, під час якого вдасться «побачити» гравітаційні хвилі, швидше за все, від зіткнення двох чорних дірок у далекому космосі. LIGO - здійснена мрія фізика, перша установка достатньої потужності для вимірювання гравітаційних хвиль».

Пророцтво Яку збулося: у четвер група міжнародних вчених з обсерваторії LIGO оголосила про відкриття гравітаційних хвиль.

Гравітаційні хвилі - це коливання простору-часу, які «втікають» від масивних об'єктів (наприклад, чорних дірок), що рухаються з прискоренням. Іншими словами, гравітаційні хвилі - це поширюється обурення простору-часу, деформація абсолютної порожнечі, що біжить.

Чорна діра - це область у просторі-часі, гравітаційне тяжіння якої настільки велике, що залишити її не можуть навіть об'єкти, що рухаються зі швидкістю світла (і саме світло в тому числі). Кордон, що відокремлює чорну діру від решти світу, називається горизонтом подій: усе, що відбувається всередині горизонту подій, приховано від очей зовнішнього спостерігача.

Erin Ryan Знімок торта, викладений у мережу Ерін Райан.

Ловити гравітаційні хвилі вчені почали ще півстоліття тому: саме тоді американський фізик Джозеф Вебер захопився загальною теорією відносності Ейнштейна (ОТО), взяв творчу відпустку і почав вивчати гравітаційні хвилі. Вебер винайшов перше пристосування, яке детектувало гравітаційні хвилі, і незабаром заявив, що зафіксував «звучання гравітаційних хвиль». Втім, наукова спільнота спростувала його повідомлення.

Однак саме завдяки Джозефу Веберу багато вчених перетворилося на «мисливців за хвилями». Сьогодні Вебер вважається батьком наукового спрямування гравітаційно-хвильової астрономії.

"Це - початок нової ери гравітаційної астрономії"

Обсерваторія LIGO, в якій вчені зафіксували гравітаційні хвилі, складається з трьох лазерних установок у США: дві знаходяться у штаті Вашингтон та одна – у штаті Луїзіана. Ось як описує роботу лазерних детекторів Мітіо Каку: «Лазерний промінь розщеплюється на два окремі промені, які далі йдуть перпендикулярно один до одного. Потім, відбившись від дзеркала, вони знову з'єднуються. Якщо через інтерферометр (вимірювальний прилад) пройде гравітаційна хвиля, довжини шляхів двох лазерних променів зазнають обурення і це відобразиться в їхній інтерференційній картині. Щоб переконатися, що сигнал, зареєстрований лазерною установкою, не випадковий, детектори слід розмістити у різних точках Землі.

Тільки під дією гігантської гравітаційної хвилі, яка набагато перевищує за розміром нашу планету, всі детектори спрацюють одночасно».

Наразі колаборація LIGO зафіксувала гравітаційне випромінювання, викликане злиттям подвійної системи чорних дірок з масами 36 та 29 сонячних мас в об'єкт масою 62 маси Сонця. «Це перше пряме (дуже важливо, що це пряме!) вимір дії гравітаційних хвиль, — дав коментар кореспонденту відділу науки «Газети.Ru» професор фізичного факультету МДУ Сергій В'ятчанін. — Тобто прийнято сигнал від астрофізичної катастрофи злиття двох чорних дірок. І цей сигнал ідентифікований — це також дуже важливо! Зрозуміло, що це від двох чорних дірок. І це є початок нової ери гравітаційної астрономії, яка дозволить отримувати інформацію про Всесвіт не лише через оптичні, рентгенівські, електромагнітні та нейтринні джерела, а й через гравітаційні хвилі.

Можна сміливо сказати, що відсотків на 90 чорні діри перестали бути гіпотетичними об'єктами. Деяка частка сумніву залишається, але все-таки сигнал, який спійманий, аж надто добре лягає на те, що передбачають незлічені моделювання злиття двох чорних дірок відповідно до загальної теорії відносності.

Це є сильним доказом того, що чорні дірки існують. Іншого пояснення такого сигналу поки що немає. Тому сприймається, що чорні дірки існують».

"Ейнштейн був би дуже щасливий"

Гравітаційні хвилі у межах своєї загальної теорії відносності передбачив Альберт Ейнштейн (який, до речі, скептично ставився до існування чорних дірок). У ОТО до трьох просторових вимірів додається час, і світ стає чотиривимірним. Відповідно до теорії, що перевернула з ніг на голову всю фізику, гравітація - це наслідок викривлення простору-часу під впливом маси.

Ейнштейн довів, що будь-яка матерія, що рухається із прискоренням, створює обурення простору-часу — гравітаційну хвилю. Це обурення тим більше, чим вище прискорення та маса об'єкта.

Через слабкість гравітаційних сил у порівнянні з іншими фундаментальними взаємодіями ці хвилі повинні мати дуже малу величину, що важко піддається реєстрації.

Пояснюючи ГТО гуманітаріям, фізики часто просять їх уявити натягнутий лист гуми, який опускають масивні кульки. Кульки продавлюють гуму, і натягнутий лист (який уособлює простір-час) деформується. Згідно з ОТО, весь Всесвіт - це гума, на якій кожна планета, кожна зірка і кожна галактика залишають вм'ятини. Наша Земля обертається навколо Сонця немов маленька кулька, пущена кататися навколо конуса воронки, утвореної в результаті «продавлювання» простору-часу важкою кулею.

HANDOUT/Reuters

Важка куля - це і є Сонце

Цілком ймовірно, що відкриття гравітаційних хвиль, яке є головним підтвердженням теорії Ейнштейна, претендує на Нобелівську премію з фізики. "Ейнштейн був би дуже щасливий", - сказала Габріелла Гонсалез, представник колаборації LIGO.

За словами вчених, поки що рано говорити про практичну застосовність відкриття. «Хоч хіба Генріх Герц (німецький фізик, який доказав існування електромагнітних хвиль. — «Газета.Ru») міг подумати, що буде мобільний телефон? Ні! Ми зараз нічого не можемо уявити, – розповів Валерій Митрофанов, професор фізичного факультету МДУ ім. М.В. Ломоносова. — Я орієнтуюсь на фільм «Інтерстеллар». Його критикують, так, але уявити килим-літак міг навіть дикий чоловік. І килим-літак реалізувався в літак, і все. А тут уже треба уявити щось дуже складне. В «Інтерстеларі» один із моментів пов'язаний з тим, що людина може подорожувати з одного світу до іншого. Якщо так уявити, то чи вірите ви, що людина може подорожувати з одного світу в інший, що може бути багато всесвіту — все, що завгодно? Я не можу відповісти "ні". Тому що фізик не може відповісти на таке запитання «ні»! Тільки якщо це суперечить якимось законам збереження! Є варіанти, які не суперечать відомим фізичним законам. Значить, подорожі світами можуть бути!»