Уже почти сутки, как люди живут в мире с реально существующими гравитационными волнами, - накануне американские участники проекта LIGO заявили, что пространственно-временные возбуждения удалось зарегистрировать. Данный вид волн пытались "поймать" с 1960-х годов, но удалось это только сейчас. Событие нобелевского масштаба уже сравнили с изобретением телескопа или радиоастрономии. Возможно, гравитационные волны позволят современным физикам создать теорию великого объединения, которая наконец опишет все виды физического взаимодействия в единых терминах и уравнениях.
Суть гравитационных волн и Эйнштейн
Гравитационные волны – это колебания материи пространства-времени, исходящие от массивных объектов, которые движутся с переменным ускорением. Впервые о вероятном существовании гравитационных волн заявил Альберт Эйнштейн в 1915 году, озвучивая свою теорию относительности. Гравитация в ней была представлена как искривление пространства-времени. Из теории следует, что даже самые сильные гравитационные волны вызывают небольшие изменения - удаленные на метр друг от друга объекты будут "колебаться" на пространственно-временных волнах и то приближаться, то отдаляться на 10-18 - 10-23 метра. Однако экспериментально подтвердить теорию физик не мог, и всерьез ее восприняли не сразу.
С годами, а также с развитием технологий и науки, ученые нашли подтверждения многим составляющим теории относительности Эйнштейна (гравитационное линзирование далеких галактик, замедление времени в гравитационном поле), кроме одного - гравитационных волн. Сложность в их регистрации заключается в том, что это самые слабые силы взаимодействия - они в 10000000000000000000000000000000000000000 раз слабее электромагнитных волн, которые появляются в результате передвижений электрического заряда. Тот по образу действия схож с гравитационной волной, но зарегистрировать его легче.
Поэтому физики решили, что если и удастся "поймать" гравитационные волны, то только от очень тяжелых объектов - сталкивающихся галактик, вращающихся черных дыр или двойных звездных систем.
Фото: sciencenews.org
Процесс слияния черных дыр, создавший колебания гравитационных волн:
Проект LIGO
Международный проект Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory/LIGO (в переводе на русский - лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория) был открыт в 1992 году по инициативе ученых из Калифорнийского технологического института (Кип Торн и Рональд Дривер), а также Массачусетского технологического института (Райнер Вайс). К проекту подключились коллаборации ученых из еще 14 стран мира, в том числе России.
Нас с самого начала проекта LIGO представляли физический факультет МГУ имени Ломоносова и Институт прикладной физики РАН из Нижнего Новгорода. В рамках исследования физик Владимир Брагинский организовал на базе физфака МГУ спецшколу, которая участвовала в проекте и получала важные результаты. В экспериментах активно участвовали группы профессора физфака МГУ Валерия Митрофанова и члена-корреспондента РАН Александра Сергеева (нижегородский вуз).
Недавно стало известно, что немалую роль в регистрации гравитационной волны сыграл выпускник Новосибирского госуниверситета и бывший сотрудник Института ядерной физики имени Будкера Сергей Клименко. Он написал алгоритм, способный распознать гравитационную волну через несколько минут после ее регистрации.
Фото: phys.org
Фото: sciencenews.org
Чтобы зарегистрировать гравитационные волны, LIGO установили наземные гравитационные телескопы, представляющие собой огромные антенны Г-образной формы (длина плеч - по четыре километра). Внутри телескопов в условиях высокого вакуума рассеивались лазерные лучи, отражавшиеся от подвешенных на противоположных концах антенн зеркал. Детекторы-близнецы расположили в разных концах США - в штатах Луизиана и Вашингтон.
Если придерживаться теории Эйнштейна, то гравитационная волна периодически растягивает и сжимает плечи телескопа, поэтому разные лучи, направляемые разными оптическими путями, приходили бы к выходу с небольшими задержками. Когда одна из станций-детекторов регистрировала луч (сигнал), а другая нет, считалось, что эти колебания не связаны с гравитационными волнами, однако, если бы сигнал засекли обе станции, это считалось бы регистрацией гравитационной волны.
Задержка, которую в итоге все-таки зарегистрировали ученые, позволила сделать вывод об отклонении на уровне 10−19 метров - сигнале, подтверждающем прохождение гравитационной волны, которая стала следствием слияния двух черных дыр (они были расположены в 50 млн световых лет от Земли).
Фото: ligo.caltech.edu
Регистрация волны
Гравитационную волну зарегистрировали 14 сентября 2015 года в 13:51 по московскому времени одновременно обе обсерватории - луизианская и вашингтонская, с разницей в 7 миллисекунд. На проверку данных потребовалось несколько месяцев, и вот, 11 февраля участники LIGO собрали пресс-конференции в разных городах мира и официально заявили о существовании гравитационных волн.
Черные дыры, которые породили зарегистрированные пространственно-временные возмущения, были тяжелей Солнца в 29 и 36 раз, а тот вращающийся объект, в который они превратились перед слиянием, был тяжелее нашего светила в 62 раза. При слиянии дыр их максимальная мощность излучения превышала в 50 раз излучение всей видимой Вселенной. На то, чтобы гравитационная волна дошла от черных дыр до Земли, потребовалось 1,3 млрд лет.
Первым увидеть зарегистрированные возмущения пространства-времени повезло итальянцу Марко Драго из Института гравитационной физики Общества Макса Планка в Ганновере, который раньше всех прочел автоматическое письмо-уведомление из обсерваторий.
Марко Драго
Фото: sciencemag.org
Значимость открытия
С открытием гравитационных волн современная физика ступит на ранее закрытый путь - создание теории квантовой гравитации. Не исключено, что в ходе новых исследований появится и теория великого объединения, которая сможет описать все виды физического взаимодействия в единых терминах и уравнениях.
Астрофизик Колумбийского университета Сабольч Марка, входящий в состав команды, зарегистрировавшей волну, считает, что небеса уже не будут такими, как прежде: "Ранее ученые могли только лишь смотреть на небо, но не могли слышать его музыку".
Участник проекта из России, профессор физфака МГУ и руководитель группы "Когерентная микрооптика и радиофотоника" Российского квантового центра Михаил Городецкий так прокомментировал событие: "Мы открываем новую эру - эру гравитационно-волновой астрономии. Это можно сравнить с появлением телескопа или радиоастрономии".
По его словам, теперь у ученых "уши", которыми они смогут слушать Вселенную, и это не просто метафора: частоты гравитационных волн, регистрируемые LIGO, фактически звуковые. Это сотни герц, килогерцы, которые можно переложить в звук и слушать как чириканье птиц.
В конце концов, теорию относительности удастся проверить на высочайшем уровне точности, который недоступен для других методов.