Довгі гравітаційні хвилі образ у зв'язку. Гравітаційні хвилі – відкриті! Генерація гравітаційних хвиль

Змахніть рукою - і по всьому Всесвіту втечуть 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 фоном, вмістилищем фізичних явищ, то ОТО воно саме стає явищем, динамічною величиною, яка змінюється відповідно до законів ОТО. Ось ці спотворення простору-часу щодо рівного фону - 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 хвильвід звичайних "випромінювачів".

Щоб "погнати" потужну хвилю, потрібно дуже сильно спотворити простір-час. Ідеальний варіант - дві чорні дірки, що обертаються один навколо одного в тісному танці, на відстані порядку гравітаційного радіусу (рис. 2). Спотворення метрики будуть настільки сильними, що помітна частина енергії цієї пари випромінюватиметься в 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 слабкіший 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 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 із далекої галактики долетить до Землі, коливання метрики будуть близько 10 -22 або 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 поруч із ними дуже великі – близько 0,1, на те це й 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 відстані 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 куди 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 непряме вказівку існування гравітаційних хвиль вже було виявлено, і за нього 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. Тому 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 показання в ході одного з сеансів, він прямо текстом 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 науковим співтовариством з великим скепсисом; до того ж інші експериментальні групи, озброївшись схожими детекторами, не змогли зловити жодного подібного сигналу.

Однак зусилля Вебера дали поштовх усієї цієї галузі досліджень і запустили полювання на хвилі. 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 вимірювань – ключового обмеження в оптичних вимірах – і показав, як їх у принципі можна долати. Резонансна схема Вебера вдосконалювалася, і завдяки глибокому охолодженню установки шуми вдалося різко знизити (див. список та історію цих проектів). Однак точність таких цільнометалевих детекторів все ще була недостатня для надійного детектування очікуваних подій, та й до того ж вони налаштовані резонувати лише на вузькому діапазоні частот поблизу кілогерця.

Набагато перспективнішими здавались детектори, в яких використовується не один резонуючий об'єкт, 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 то трохи більшою, то трохи меншою. 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 пари нейтронних зірок або чорних дір зіркових мас.

Сучасна реалізація цієї ідеї з урахуванням інтерферометра Майкельсона виглядає так (рис. 5). У двох довгих, довжиною 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 у напрямку датчика, і тоді фотодетектор виявляється у повній 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 треба спуститися за шкалою зміщень 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 позбавитися сторонньої вібрації. Інші проблеми також інструментальні, але оптичні. Наприклад, чим потужніший промінь, що циркулює в оптичної системи, тим паче слабке зміщення дзеркал можна побачити 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 (розповідь 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 щойно 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. фільму «Інтерстелар». Про ранньої історіїстворення 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. Проте після демонстрації ряду прототипів було написано та схвалено нинішній проект LIGO. Його будували протягом останнього десятиліття ХХ 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 зіграли 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 виявлено не було, 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 у ВТО принципово не працює. І те, й інше стане великим відкриттям.

З 18 вересня 2015 до 12 січня 2016 пройшов 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 було це реальною подієюабо ж перевіркою на пильність. Між іншим, в одному такому випадку у 2010 році справа навіть дійшла до написання статті, але виявлений тоді сигнал виявився саме «сліпим вкиданням».

Ліричний відступ

Щоб ще раз відчути урочистість моменту, я пропоную подивитись цю історію з іншого боку, зсередини науки. Коли складна, неприступна наукове завданняне 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 навколо 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 вічний та майже незмінний на масштабах твоєї наукової 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 якийсь близькій галактиціпотужний сплеск, але одночасно вони розуміють, що, навіть якщо природа не буде такою прихильною, їй від учених вже не сховатися. Питання лише в тому, коли саме вони зможуть досягти поставленої технічної мети. 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 по амплітуді та частоті коливання потрібної форми. Порівняння з результатами чисельного моделювання дозволило з'ясувати, злиття яких об'єктів ми спостерігали: це були чорні дірки 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-процентному довірчому і складає 4 сонячні маси). Автори мимохідь помічають, що чорна діра, що вийшла, - найважча з коли-небудь спостерігалися чорних дірок зоряних мас. Різниця між сумарною масою двох вихідних об'єктів та кінцевою чорною дірою становить 3±0,5 сонячних мас. Цей гравітаційний дефект мас приблизно за 20 мілісекунд повністю перейшов у енергію випромінюваних гравітаційних хвиль. Розрахунки показали, що пікова гравітаційно-хвильова потужність досягала 3,6 · 1056 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 ця статистична флуктуація наклалася одна на одну і суто випадково видала 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 відношенні 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 пряме підтвердження існування чорних дірок, і існування подвійних чорних дірок, і реальності гравітаційних хвиль, і, якщо говорити взагалі, доказ правильності геометричного підходу до гравітації, у 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 недоступне.

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 друг з одним, і розібратися в недоступних раніше деталях, що там сталося. Вміти ловити та 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 станусправ 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, належали до 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 сучасної фізикивже 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 теорії, що включають додаткові просторові виміри. Що можна буде сказати з їхнього 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. Зараз 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 прозвітувала про всі чотири місяці роботи. Хто знає, може, там вже є кілька додаткових сплесків? Так чи інакше, але далі, у міру збільшення чутливості детекторів та 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 спостереження обсяг Всесвіту зросте проти першим сеансом ще десятки раз.

Наприкінці цього року в гру також розпочнеться 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 становище 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 виведення гравітаційно-хвильових інструментів у космос, зокрема, проект eLISA . Два місяці тому був запущений 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 водночас 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. Привело до мети саме неухильне, цілеспрямоване розвиток технологій, розвиток, яке не зупинили ні технічні складності, ні негативні результати минулих років.

І в усіх трьох випадках сам собою факт відкриття став не завершенням, а, навпаки, початком нового напряму досліджень, став новим інструментом прощупування 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 a 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: the current status // arXiv:1602.02872 .
2) Benjamin P. Abbott and LIGO Scientific Collaboration and 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. Пастка, сучасність і майбутня резонантна-масова гравітаційна 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) В. Б. Брагінський. Гравітаційно-хвильова астрономія: нові методи вимірів // УФН. 2000. Т. 170. С. 743-752.
7) Peter R. Saulson.

Але мені цікаво, що з несподіваного можна виявити за допомогою гравітаційних хвиль. Щоразу, коли люди спостерігали Всесвіт по-новому, ми відкривали багато несподіваних речей, які перевертали наше уявлення про Всесвіт. Я хочу знайти ці гравітаційні хвилі та виявити щось, про що ми поняття не мали раніше.

Чи допоможе нам це зробити справжній варп-двигун?

Оскільки гравітаційні хвилі слабко взаємодіють із речовиною, їх навряд можна використовуватиме руху цієї речовини. Але навіть якби ви могли, гравітаційна хвиля рухається лише зі швидкістю світла. Для варп-двигуна вони не підійдуть. Хоча було б круто.

Як щодо антигравітаційних пристроїв?

Щоб створити антигравітаційний пристрій, нам потрібно перетворити силу тяжіння через відштовхування. І хоча гравітаційна хвиля поширює зміни гравітації, ця зміна ніколи не буде відразливою (або негативною).

Гравітація завжди притягує, оскільки негативної маси, схоже, немає. Зрештою, існує позитивний та негативний заряд, північний та південний магнітний полюс, але тільки позитивна маса. Чому? Якби негативна маса існувала, шар речовини падав би вгору, а не вниз. Він би відштовхувався від позитивної маси Землі.

Що це означає для можливості подорожей у часі та телепортації? Чи можемо ми знайти практичне застосування цього явища, крім вивчення нашого Всесвіту?

Зараз кращий спосібподорожі в часі (і тільки в майбутнє) - це подорожувати з навколосвітньою швидкістю (згадаймо парадокс близнюків в ОТО) або вирушити в область з підвищеною гравітацією (така подорож у часі була продемонстрована в «Інтерстеларі»). Оскільки гравітаційна хвиля поширює зміни у гравітації, будуть народжуватися і дуже малі флуктуації у швидкості часу, але оскільки гравітаційні хвилі по суті слабкі, слабкі також тимчасові флуктуації. І хоча я не думаю, що можна застосувати це до подорожей у часі (або телепортації), ніколи не говори ніколи (сперечаюся, у вас перехопило подих).

Настане день, коли ми перестанемо підтверджувати Ейнштейна і знову почнемо пошуки дивних речей?

Звичайно! Оскільки гравітація найслабша із сил, із нею також важко експериментувати. Досі щоразу, коли вчені піддавали перевірці ОТО, вони отримували точно спрогнозовані результати. Навіть виявлення гравітаційних хвиль вкотре підтвердило теорію Ейнштейна. Але я вважаю, коли ми почнемо перевіряти найдрібніші деталі теорії (може, з гравітаційними хвилями, може, з іншим), ми знаходитимемо «кумедні» речі, на кшталт не зовсім точного збігу результату експерименту з прогнозом. Не буде означати помилковість ОТО, лише необхідність уточнення її деталей.

Щоразу, коли ми відповідаємо одне питання природі, з'являються нові. Зрештою, у нас з'являться питання, які будуть крутішими, ніж відповіді, які може дозволити ОТО.

Чи можете ви пояснити, як це відкриття може бути пов'язане чи вплине теорію єдиного поля? Ми виявилися ближче до її підтвердження чи розвінчання?

Наразі результати зробленого нами відкриття здебільшого присвячують перевірці та підтвердженню ОТО. Єдина теорія поля шукає спосіб створити теорію, яка пояснить фізику дуже малого. квантова механіка) і дуже великого (загальна теорія відносності). Зараз ці дві теорії можна узагальнити, щоб пояснити масштаби світу, де ми живемо, але з більше. Оскільки наше відкриття зосереджено на фізиці дуже великого, саме собою мало просуне нас у напрямі єдиної теорії. Але питання не в цьому. Зараз тільки-но народилася область гравітаційно-хвильової фізики. Коли ми дізнаємося більше, ми обов'язково розширимо наші результати у галузі єдиної теорії. Але перед пробіжкою треба пройтися.

Тепер, коли ми слухаємо гравітаційні хвилі, що повинні почути вчені, щоб буквально вис * цегла? 1) Неприродні патерни/структури? 2) Джерела гравітаційних хвиль із регіонів, які ми вважали порожніми? 3) Rick Astley – Never gonna give you up?

Коли я прочитала ваше запитання, я одразу згадала сцену з «Контакту», в якій радіотелескоп уловлює патерни. простих чисел. Навряд чи таке можна зустріти у природі (наскільки нам відомо). Так що ваш варіант з неприродним патерном або структурою був би найімовірнішим.

Не думаю, що ми колись будемо впевнені у порожнечі у певному регіоні космосу. Зрештою, система чорних дірок, яку ми виявили, була ізольована, і з цього регіону не приходило жодне світло, але ми все одно виявили там гравітаційні хвилі.

Що стосується музики… Я спеціалізуюся на відділенні сигналів гравітаційних хвиль від статичного шуму, який ми постійно вимірюємо на фоні довкілля. Якби я знайшла у гравітаційній хвилі музику, особливо яку чула раніше, це був би розіграш. Але музика, яку на Землі ніколи не чули… Це було б, як із простими випадками з «Контакту».

Якщо експеримент реєструє хвилі щодо зміни відстані між двома об'єктами, амплітуда одного напрямку більша, ніж іншого? А якщо ні, то чи не означають зчитувані дані, що Всесвіт змінюється в розмірах? І якщо так, підтверджує це розширення чи щось несподіване?

Нам потрібно побачити безліч гравітаційних хвиль, що приходять з багатьох різних напрямків у Всесвіті, перш ніж ми зможемо відповісти на це питання. В астрономії створює модель популяції. Як багато різних типів речей існує? Це найголовніше питання. Як тільки ми матимемо багато спостережень і почнемо бачити несподівані патерни, наприклад, що гравітаційні хвилі певного типу приходять з певної частини Всесвіту і більше звідки, це буде надзвичайно цікавий результат. Деякі патерни могли б підтвердити розширення (у якому ми впевнені), або інші явища, про які ми поки що не знали. Але спочатку потрібно побачити набагато більше гравітаційних хвиль.

Мені зовсім незрозуміло, як вчені визначили, що виміряні ними хвилі належать двом надмасивним чорним діркам. Як можна з такою точністю визначити джерело хвиль?

Методи аналізу даних використовують каталог передбачуваних сигналів гравітаційних хвиль порівняння з нашими даними. Якщо є сильна кореляція з одним із таких прогнозів або шаблонів, то ми не тільки знаємо, що це гравітаційна хвиля, але й знаємо, яка система її утворила.

Кожен окремий спосіб створення гравітаційної хвилі, чи це злиття чорних дірок, обертання чи смерть зірок, усі хвилі мають різні форми. Коли виявляємо гравітаційну хвилю, ми використовуємо ці форми, як передбачала ОТО, щоб визначити їхню причину.

Звідки ми знаємо, що ці хвилі сталися зі зіткнення двох чорних дірок, а не якоїсь іншої події? Чи можливо передбачити, де або коли сталася така подія, з будь-яким ступенем точності?

Як тільки ми дізнаємося, яка система зробила гравітаційну хвилю, ми можемо передбачити, наскільки сильною була гравітаційна хвиля поблизу місця свого народження. Вимірюючи її силу в міру досягнення Землі і порівнюючи наші виміри з передбаченою силою джерела, ми можемо розрахувати, наскільки далеко знаходиться джерело. Оскільки гравітаційні хвилі рухаються зі швидкістю світла, ми можемо розрахувати, як довго гравітаційні хвилі рухалися до Землі.

У випадку з виявленою нами системою чорних дірок ми виміряли максимальну зміну довжини рукавів LIGO на 1/1000 діаметра протона. Ця система розташована у 1,3 мільярда світлових років. Гравітаційна хвиля, виявлена ​​у вересні та анонсована днями, рухалася до нас 1,3 мільярда років. Це сталося до того, як на Землі утворилося тваринне життя, але вже після виникнення багатоклітинних.

Під час оголошення було заявлено, що інші детектори шукатимуть хвилі з довшим періодом – деякі з них будуть зовсім космічними. Що ви можете розповісти про цих великих детекторів?

У розробці справді знаходиться космічний детектор. Він називається LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Оскільки він буде в космосі, він буде досить чутливим до низькочастотних гравітаційних хвиль, на відміну від земних детекторів, внаслідок природних вібрацій Землі. Буде складно, оскільки супутники доведеться розмістити далі від Землі, ніж бувала людина. Якщо щось піде не так, ми не зможемо відправити астронавтів на ремонт. Щоб перевірити необхідні технології, . Поки що вона впоралася з усіма поставленими завданнями, але місія ще далека від завершення.

Чи можна перетворити гравітаційні хвилі на звукові? І якщо так, то на що вони будуть схожі?

Можна, можливо. Звичайно, ви не почуєте просто гравітаційної хвилі. Але якщо взяти сигнал і пропустити через динаміки, то можна почути.

Що нам робити із цією інформацією? Чи випромінюють ці хвилі інші астрономічні об'єкти із значною масою? Чи можна використовувати хвилі для пошуку планет чи простих чорних дір?

При пошуку гравітаційних значень має значення як маса. Також прискорення, властиве об'єкту. Виявлені нами чорні дірки оберталися один навколо одного зі швидкістю 60% світлової, коли зливалися. Тому ми змогли виявити їх під час злиття. Але тепер від них більше не надходить гравітаційних хвиль, оскільки вони об'єдналися в одну малорухливу масу.

Так що все, що має велику масу і рухається дуже швидко, створює гравітаційні хвилі, які можна вловити.

Екзопланети навряд чи матимуть достатню масу або прискорення, щоб створити виявлені гравітаційні хвилі. (Я не говорю, що вони їх не створюють взагалі, тільки те, що вони будуть недостатньо сильними або з іншою частотою). Навіть якщо екзопланета буде масивною, щоб виробляти потрібні хвилі, прискорення розірве її на частини. Не забувайте, що найпотужніші планети, як правило, є газовими гігантами.

Наскільки вірна аналогія хвиль у воді? Чи можемо ми осідлати ці хвилі? Чи існують гравітаційні «піки», як відомі «колодязі»?

Оскільки гравітаційні хвилі можуть рухатися через речовину, немає способу осідлати їх або використовувати їх для руху. Тож ніякого гравітаційно-хвильового серфінгу.

«Піки» та «колодязі» - це чудово. Гравітація завжди притягує, оскільки немає негативної маси. Ми не знаємо чому, але її ніколи не спостерігали у лабораторії чи у Всесвіті. Тому гравітацію зазвичай представляють як «колодязь». Маса, яка рухається вздовж цієї «криниці», звалюватиметься вглиб; так працює тяжіння. Якщо у вас буде негативна маса, ви отримаєте відштовхування, а разом з ним і «пік». Маса, яка рухається на піку, буде згинатися від нього. Тож «колодязі» існують, а «піки» немає.

Аналогія з водою прекрасна, поки ми говоримо про те, що сила хвилі зменшується разом із пройденою відстанню від джерела. Водяна хвиля буде ставати менше і менше, а гравітаційна хвиля - слабша і слабша.

Як це відкриття вплине на наш опис інфляційного періоду Великого Вибуху?

На даний момент це відкриття поки що практично не зачіпає інфляцію. Щоб робити заяви на кшталт цього, необхідно спостерігати реліктові гравітаційні хвилі Великого Вибуху. Проект BICEP2 вважав, що опосередковано спостерігав ці гравітаційні хвилі, але виявилося, що винний у всьому космічний пил. Якщо він отримає потрібні дані, разом з ними підтвердиться існування короткого періоду інфляції невдовзі після Великого Вибуху.

LIGO зможе безпосередньо побачити ці гравітаційні хвилі (це буде найслабший тип гравітаційних хвиль, який ми сподіваємося виявити). Якщо ми їх побачимо, то зможемо зазирнути глибоко у минуле Всесвіту, як не заглядали раніше, і за отриманими даними судити про інфляцію.

Перше пряме виявлення гравітаційних хвиль було відкрито світу 11 лютого 2016 року і породило заголовки по всьому світу. За це відкриття у 2017 році фізики здобули Нобелівську премію та офіційно запустили нову епоху гравітаційної астрономії. Але група фізиків з Інституту Нільса Бора в Копенгагені, Данія, ставлять це виявлення під сумнів, спираючись на власний незалежний аналіз даних, який проводився протягом останніх двох з половиною років.

Одні з найзагадковіших об'єктів, чорні дірки, регулярно привертають до себе увагу. Ми знаємо, що вони стикаються, зливаються, змінюють яскравість і навіть випаровуються. А ще, теоретично, чорні діри можуть пов'язувати між собою Всесвіт за допомогою . Проте, всі наші знання та припущення про ці масивні об'єкти можуть виявитися неточними. Нещодавно в науковому співтоваристві з'явилися чутки про те, що вчені отримали сигнал, що походить від чорної дірки, розмір і маса якої настільки величезні, що її існування фізично неможливе.

Перше пряме виявлення гравітаційних хвиль було відкрито світу 11 лютого 2016 року і породило заголовки по всьому світу. За це відкриття у 2017 році фізики здобули Нобелівську премію та офіційно запустили нову епоху гравітаційної астрономії. Але група фізиків з Інституту Нільса Бора в Копенгагені ставлять це виявлення під сумнів, спираючись на власний незалежний аналіз даних, який проводився протягом останніх двох з половиною років.

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 уражатися геніальним здібностям знаменитого фізика, який при мінімумі реальних даних зміг зробити такі далекосяжні висновки. Серед безлічі інших передбачуваних фізичних явищ, що знайшли підтвердження у наступне століття (уповільнення перебігу часу, зміна напряму електромагнітного випромінювання в гравітаційних полях та ін.) практично виявити наявність цього типу 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 заглиблення. 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 у цьому, що дослідникам потрібно було навчитися вимірювати і фіксувати подібні зміни з допомогою відповідної апаратури. Потужність гравітаційного випромінювання також надзвичайно мала - для всієї Сонячної системи вона становить кілька кіловат.

Швидкість поширення гравітаційних хвиль незначно залежить від властивостей провідного середовища. Амплітуда коливань із 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 обігу, 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 витрати 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.

Вислизає гравітаційна хвиля

Перша заява про детектування хвиль тяжіння надійшла від вченого Мерілендського університету Джозефа Вебера (США) у 1969 році. Для цього він використав 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 вище 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 "гравітаційного 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 учений 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 підвішений 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, якими працює інтерферометр Майкельсона. Випущений джерелом лазерний промінь поділяється на два потоки. Після багаторазових відображень і подорожей по плечах пристрої 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 був створений з ініціативи вчених Массачусетського та Каліфорнійського технологічних інститутів. Включає в себе 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 бажаної величини 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 удосконалені 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 склала 10 -19 м - ця величина в стільки ж разів менша за діаметр атома, у скільки він сам менший за апельсин.

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, що може виявити навіть незначні обурення 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.

Через сто років після теоретичного прогнозу, яке в рамках загальної теорії відносності зробив Альберт Ейнштейн, ученим вдалося підтвердити існування гравітаційних хвиль. Починається епоха нового методу вивчення далекого космосу — гравітаційно-хвильової астрономії.

Відкриття бувають різні. Бувають випадкові, астрономії вони зустрічаються часто. Бувають не зовсім випадкові, зроблені в результаті ретельного прочісування місцевості, як, наприклад, відкриття Урана Вільямом Гершелем. Бувають серендипічні — коли шукали одне, а знайшли інше: наприклад, відкрили Америку. Але особливе місце у науці займають заплановані відкриття. Вони засновані на чіткому теоретичному передбаченні. Передбачене шукають насамперед у тому, щоб підтвердити теорію. Саме до таких відкриттів відносяться виявлення бозона Хіггса на Великому адронному колайдері та реєстрація гравітаційних хвиль за допомогою лазерно-інтерферометричної гравітаційно-хвильової обсерваторії LIGO. Але для того, щоб зареєструвати якесь передбачене теорією явище, потрібно досить непогано розуміти, що саме і де шукати, а також які інструменти необхідні для цього.

Гравітаційні хвилі традиційно називають пророкуванням загальної теорії відносності (ОТО), і це дійсно так (хоча зараз такі хвилі є у всіх моделях, альтернативних ОТО або доповнюють її). До появи хвиль призводить кінцівка швидкості поширення гравітаційного взаємодії (у ВТО ця швидкість точно дорівнює швидкості світла). Такі хвилі - обурення простору-часу, що розповсюджується від джерела. Для виникнення гравітаційних хвиль необхідно, щоб джерело пульсував або прискорено рухався, але певним чином. Скажімо, рухи з ідеальною сферичною чи циліндричною симетрією не підходять. Таких джерел досить багато, але часто у них маленька маса, недостатня для породження потужного сигналу. Адже гравітація — найслабша із чотирьох фундаментальних взаємодій, тому зареєструвати гравітаційний сигнал дуже важко. Крім того, для реєстрації потрібно, щоб сигнал швидко змінювався у часі, тобто мав досить високу частоту. Інакше нам не вдасться його зареєструвати, оскільки зміни будуть надто повільними. Отже, об'єкти мають бути ще й компактними.

Спочатку великий інтерес викликали спалахи наднових, що відбуваються в галактиках на зразок нашого разу в кілька десятків років. Отже, якщо вдасться досягти чутливості, що дозволяє бачити сигнал з відстані кілька мільйонів світлових років, можна розраховувати кілька сигналів на рік. Але пізніше виявилося, що початкові оцінки потужності виділення енергії у вигляді гравітаційних хвиль під час вибуху наднової були надто оптимістичними, і зареєструвати подібний слабкий сигнал можна було б тільки у випадку, якби наднова спалахнула в нашій Галактиці.

Ще один варіант масивних компактних об'єктів, що здійснюють швидкі рухи, – нейтронні зірки або чорні дірки. Ми можемо побачити або процес їхньої освіти, або процес взаємодії один з одним. Останні стадії колапсу зіркових ядер, що призводять до утворення компактних об'єктів, а також останні стадії злиття нейтронних зірок і чорних дірок мають тривалість порядку кількох мілісекунд (що відповідає частоті в сотні герц) - саме те, що треба. При цьому виділяється багато енергії, у тому числі (а іноді і в основному) у вигляді гравітаційних хвиль, оскільки масивні компактні тіла роблять ті чи інші швидкі рухи. Ось вони наші ідеальні джерела.

Щоправда, наднові спалахують у Галактиці раз на кілька десятків років, злиття нейтронних зірок відбуваються раз на пару десятків тисяч років, а чорні дірки зливаються одна з одною ще рідше. Проте сигнал набагато потужніший, і його характеристики можна досить точно розрахувати. Але тепер нам треба навчитися бачити сигнал з відстані кількасот мільйонів світлових років, щоб охопити кілька десятків тисяч галактик і виявити кілька сигналів за рік.

Визначившись із джерелами, почнемо проектувати детектор. Для цього треба зрозуміти, що робить гравітаційна хвиля. Не вдаючись у деталі, можна сказати, що проходження гравітаційної хвилі викликає приливну силу (звичайні місячні або сонячні припливи – це окреме явище, і гравітаційні хвилі тут ні до чого). Так що можна взяти, наприклад, металевий циліндр, забезпечити датчиками і вивчати його коливання. Це нескладно, тому такі установки почали робити ще півстоліття тому (є вони і в Росії, зараз у Баксанській підземній лабораторії монтується вдосконалений детектор, розроблений командою Валентина Руденка з ДАІШ МДУ). Проблема в тому, що такий прилад бачитиме сигнал без жодних гравітаційних хвиль. Є багато шумів, з якими важко боротися. Можна (і це було зроблено!) встановити детектор під землею, спробувати ізолювати його, охолодити до низьких температур, але все одно для того, щоб перевищити рівень шуму, знадобиться потужний гравітаційно-хвильовий сигнал. А потужні сигнали надходять рідко.

Тому був зроблений вибір на користь іншої схеми, яку в 1962 висунули Владислав Пусто-войт і Михайло Герценштейн. У статті, опублікованій у ЖЕТФ (Журнал експериментальної та теоретичної фізики), вони запропонували використовувати для реєстрації гравітаційних хвиль інтерферометр Майкельсона. Промінь лазера бігає між дзеркалами у двох плечах інтерферометра, а потім промені з різних плечей складаються. Аналізуючи результат інтерференції променів, можна виміряти відносну зміну довжини плечей. Це дуже точні виміри, тому якщо перемогти шуми, можна досягти фантастичної чутливості.

На початку 1990-х було ухвалено рішення про будівництво кількох детекторів за такою схемою. Першими до ладу повинні були увійти відносно невеликі установки, GEO600 у Європі та ТАМА300 у Японії (числа відповідають довжині плечей у метрах) для обкатки технології. Але основними гравцями повинні були стати установки LIGO у США та VIRGO у Європі. Розмір цих приладів вимірюється вже кілометрами, а остаточна планова чутливість мала б дозволити бачити десятки, якщо не сотні подій на рік.

Чому потрібно кілька приладів? Насамперед для перехресної перевірки, оскільки існують локальні шуми (наприклад, сейсмічні). Одночасна реєстрація сигналу на північному заході США та Італії була б чудовим свідченням його зовнішнього походження. Але є й друга причина: гравітаційно-хвильові детектори дуже погано визначають напрямок джерела. А ось якщо рознесених детекторів буде кілька, вказати напрямок буде досить точно.

Лазерні велетні

У своєму первісному виглядідетектори LIGO були побудовані в 2002 році, а VIRGO - в 2003-му. За планом це був лише перший етап. Усі установки попрацювали по кілька років, а в 2010-2011 роках було зупинено для доопрацювання, щоб потім вийти на планову високу чутливість. Першими заробили детектори LIGO у вересні 2015 року, VIRGO має приєднатися у другій половині 2016-го, і починаючи з цього етапу чутливість дозволяє сподіватися на реєстрацію як мінімум кількох подій на рік.

Після початку роботи LIGO очікуваний темп сплесків становив приблизно одну подію на місяць. Астрофізики заздалегідь оцінили, що першими очікуваними подіями мають стати злиття чорних дірок. Пов'язано це з тим, що чорні дірки зазвичай разів у десять важчі за нейтронні зірок, сигнал виходить потужнішим, і його «видно» з великих відстаней, що з лишком компенсує менший темп подій у розрахунку на одну галактику На щастя, довго чекати не довелося. 14 вересня 2015 року обидві установки зареєстрували практично ідентичний сигнал, що отримав найменування GW150914.

За допомогою досить простого аналізу можна отримати такі дані, як маси чорних дірок, потужність сигналу та відстань до джерела. Маса і розмір чорних дірок пов'язані дуже простим і добре відомим чином, а частотою сигналу відразу можна оцінити розмір області виділення енергії. В даному випадку розмір вказував на те, що з двох дірок масою 25-30 і 35-40 сонячних мас утворилася чорна діра з масою понад 60 сонячних мас. Знаючи ці дані, можна отримати повну енергію сплеску. У гравітаційне випромінювання перейшло майже три маси Сонця. Це відповідає світності 1023 світимостей Сонця - приблизно стільки ж, скільки за цей час (соті частки секунди) випромінюють усі зірки у видимій частині Всесвіту. А з відомої енергії та величини виміряного сигналу виходить відстань. Велика масатіл, що злилися, дозволила зареєструвати подію, що сталася в далекій галактиці: сигнал йшов до нас приблизно 1,3 млрд років.

Більш детальний аналіз дозволяє уточнити відношення мас чорних дірок та зрозуміти, як вони оберталися навколо своєї осі, а також визначити деякі інші параметри. Крім того, сигнал із двох установок дозволяє приблизно визначити напрямок сплеску. На жаль, поки що тут точність не дуже велика, але з введенням в дію оновленої VIRGO вона зросте. А ще за кілька років почне приймати сигнали японський детектор KAGRA. Потім один із детекторів LIGO (спочатку їх було три, одна з установок була здвоєною) буде зібраний в Індії, і очікується, що тоді реєструватимуться багато десятків подій на рік.

Ера нової астрономії

На даний момент найважливіший результат роботи LIGO – це підтвердження існування гравітаційних хвиль. Крім того, вже перший сплеск дозволив покращити обмеження на масу гравітону (у ВТО він має нульову масу), а також сильніше обмежити відмінність швидкості поширення гравітації від швидкості світла. Але вчені сподіваються, що вже у 2016 році вони зможуть отримувати за допомогою LIGO та VIRGO багато нових астрофізичних даних.

По-перше, дані гравітаційно-хвильових обсерваторій це новий канал вивчення чорних дірок. Якщо раніше можна було тільки спостерігати потоки речовини на околицях цих об'єктів, то тепер можна прямо «побачити» процес злиття і «заспокоєння» чорної діри, що утворюється, як коливається її горизонт, приймаючи свою остаточну форму (визначувану обертанням). Напевно, аж до виявлення хокінгівського випаровування чорних дірок (поки що цей процес залишається гіпотезою) вивчення злиття даватиме найкращу безпосередню інформацію про них.

По-друге, спостереження злиття нейтронних зірок дадуть багато нової, вкрай необхідної інформації про ці об'єкти. Вперше ми зможемо вивчати нейтронні зірки так, як фізики вивчають частинки: спостерігати за їх зіткненнями, щоб зрозуміти, як вони влаштовані всередині. Загадка будови надр нейтронних зірок хвилює і астрофізиків, і фізиків. Наше розуміння ядерної фізики та поведінки речовини при надвисокій щільності неповно без вирішення цього питання. Цілком ймовірно, що саме гравітаційно-хвильові спостереження зіграють тут ключову роль.

Вважається, що саме злиття нейтронних зірок відповідальні за короткі космологічні гамма-сплески. В окремих випадках вдасться одночасно спостерігати подію відразу і в гамма-діапазоні, і на гравітаційно-хвильових детекторах (рідина пов'язана з тим, що, по-перше, гамма-сигнал сконцентрований у дуже вузький промінь, і він не завжди спрямований на нас, а по-друге, від дуже далеких подій ми не зареєструємо гравітаційних хвиль). Мабуть, знадобиться кілька років спостережень, щоб вдалося це побачити (хоча, як завжди, може пощастити, і це станеться сьогодні). Тоді, крім усього іншого, ми зможемо точно порівняти швидкість гравітації зі швидкістю світла.

Таким чином, лазерні інтерферометри разом працюватимуть як єдиний гравітаційно-хвильовий телескоп, який приносить нові знання і астрофізикам, і фізикам. Ну а за відкриття перших сплесків та їх аналіз рано чи пізно буде вручено заслужену Нобелівську премію.