МЛЕЧНЫЙ ПУТЬ №1, 2016(16)

Юрий ЛЕБЕДЕВ
ГРАВИТАЦИОННЫЕ ВОЛНЫ ОТКРЫТЫ!

Довольно часто приходится слышать, что сейчас в науке не делают эпохальных открытий, а только наносят глянец на уже известную картину мироздания. Когда открыли пульсары? Почти полвека назад. А спираль ДНК? Еще раньше. Радиоактивность, Х-лучи, элементарные частицы, антибиотики, суперсимметрия, полимеры, реликтовое излучение… Это и многое другое было открыто в ХХ веке. Но и на век XXI остались великие открытия, а то, что их многие не считают великими, – подождем, время все расставит на свои места. И о недавнем открытии гравитационных волн будут лет через пятьдесят говорить, как об одном из самых значительных открытий в истории человечества.

Открытия бывают двух видов: неожиданные и предсказанные. Полной неожиданностью стало в свое время открытие радиоактивности. Реликтовое излучение тоже было обнаружено неожиданно, но вполне могло быть предсказано – тогдашняя теория Большого взрыва вполне это позволяла. И пульсары открыли неожиданно, хотя предсказано открытие нейтронных звезд было за тридцать лет, но – предсказано и забыто.

Открытие гравитационных волн было предсказано сто лет назад. О том, что такие волны должны существовать, впервые сказано в общей теории относительности. Но обнаружить волны тяготения в наблюдениях или эксперименте никому не удавалось. Физики были уверены, что когда-нибудь это получится. Однако шли годы, десятилетия…

Открытие, доказавшее правильность самой великой теории в физике, было сделано 21 сентября 2015 года, но сообщили о нем только 11 февраля 2016 года. Несколько месяцев ученые самым тщательным образом проверяли и перепроверяли наблюдения и, лишь полностью убедившись, что ошибок нет, опубликовали результаты.

Интернет полон многочисленными рассказами о том, что такое гравитационные волны, почему их открытие так важно для науки, как эти волны были открыты. Одна из наиболее полных публикаций – на сайте «Элементы» (http://elementy.ru/), где всегда можно найти популярное и интересное описание новейших научных достижений. Об открытии гравитационных волн рассказывает научный журналист Игорь Иванов:http://elementy.ru/novosti_nauki/432691/Gravitatsionnye_volny_otkryty.

«Теории гравитации можно придумывать разные. Все они будут одинаково хорошо описывать наш мир, пока мы ограничиваемся одним-единственным ее проявлением – ньютоновским законом всемирного тяготения. Но существуют и другие, более тонкие гравитационные эффекты, которые были экспериментально проверены на масштабах Солнечной системы, и они указывают на одну конкретную теорию – общую теорию относительности (ОТО). http://elementy.ru/novosti_nauki/432628/Stoletie_OTO_ili_Yubiley_Pervoy_noyabrskoy_revolyutsii

ОТО – это не просто набор формул, это принципиальный взгляд на суть гравитации. Если в обычной физике пространство служит лишь фоном, вместилищем для физических явлений, то в ОТО оно само становится явлением, динамической величиной, которая меняется в согласии с законами ОТО. Эти искажения пространства-времени относительно ровного фона – или, на языке геометрии, искажения метрики пространства-времени – и ощущаются как гравитация. Говоря кратко, ОТО вскрывает геометрическое происхождение сил тяготения.

У ОТО есть важнейшее предсказание: гравитационные волны. Это искажения пространства-времени, которые способны «оторваться от источника» и, самоподдерживаясь, улететь прочь. Это гравитация сама по себе, ничья, своя собственная. Альберт Эйнштейн окончательно сформулировал ОТО в 1915 году и почти сразу понял, что полученные им уравнения допускают существование таких волн.

Как и для всякой честной теории, такое четкое предсказание ОТО должно быть проверено экспериментально. Излучать гравитационные волны могут любые движущиеся тела: и планеты, и брошенный вверх камень, и взмах руки. Проблема, однако, в том, что гравитационное взаимодействие столь слабое, что никакие экспериментальные установки не способны заметить излучение гравитационных волн от обычных «излучателей».

Чтобы «погнать» мощную волну, нужно очень сильно исказить пространство-время. Идеальный вариант – две черные дыры, вращающиеся друг вокруг друга в тесном танце, на расстоянии порядка их гравитационного радиуса. Искажения метрики будут столь сильными, что заметная часть энергии этой пары будет излучаться в гравитационные волны. Теряя энергию, пара будет сближаться, кружась всё быстрее, искажая метрику все сильнее и порождая еще более сильные гравитационные волны, пока наконец не произойдет кардинальная перестройка всего гравитационного поля этой пары и две черных дыры не сольются в одну.

Рис. 1. Тесная пара черных дыр за мгновение до слияния. Изображение с сайта ligo.org

http://www.ligo.org/science/GW-GW2.php

Такое слияние черных дыр – взрыв грандиозной мощности, но только уходит вся эта излученная энергия не в свет, не в частицы, а в колебания пространства. Излученная энергия составит заметную часть от исходной массы черных дыр, и выплеснется это излучение за доли секунды».

Как же обнаружить гравитационные волны? Самыми перспективными оказались детекторы, в которых отслеживается расстояние между двумя не связанными друг с другом, независимо подвешенными телами, например, двумя зеркалами. Из-за колебания пространства, вызванного гравитационной волной, расстояние между зеркалами будет то чуть больше, то чуть меньше. Чем больше длина плеча, тем большее абсолютное смещение вызовет гравитационная волна заданной амплитуды. Эти колебания сможет почувствовать лазерный луч, бегающий между зеркалами. Такая схема способна регистрировать колебания в широком диапазоне частот, от 10 герц до 10 килогерц, и это именно тот интервал, в котором будут излучать сливающиеся пары нейтронных звезд или черных дыр звездных масс».

Современная реализация этой идеи на основе интерферометра Майкельсона выглядит следующим образом. В двух длинных, длиной в несколько километров, перпендикулярных друг другу вакуумных камерах подвешиваются зеркала. На входе в установку лазерный луч расщепляется, идет по обеим камерам, отражается от зеркал, возвращается обратно и вновь соединяется в полупрозрачном зеркале. Добротность оптической системы исключительно высока, поэтому лазерный луч не просто проходит один раз туда-обратно, а задерживается в этом оптическом резонаторе надолго. В «спокойном» состоянии длины подобраны так, чтобы два луча после воссоединения гасили друг друга в направлении датчика, и тогда фотодетектор оказывается в полной тени. Но стоит лишь зеркалам под действием гравитационных волн сместиться на микроскопическое расстояние, как компенсация двух лучей станет неполной и фотодетектор уловит свет. И чем сильнее смещение, тем более яркий свет увидит фотодатчик.

Слова «микроскопическое смещение» даже близко не передают всей тонкости эффекта. Смещение зеркал на длину волны света, то есть микрон, заметить проще простого даже без каких-либо ухищрений. Но при длине плеча 4 км это отвечает колебаниям пространства-времени с амплитудой 10^-10. Заметить смещение зеркал на диаметр атома тоже не представляет проблем – достаточно запустить лазерный луч, который пробежит туда-сюда тысячи раз и получит нужный набег фазы. Но и это дает от силы 10^-14. А нам нужно спуститься по шкале смещений еще в миллионы раз, то есть научиться регистрировать сдвиг зеркала даже не на один атом, а на тысячные доли атомного ядра!

На пути к этой поистине поразительной технологии физикам пришлось преодолевать множество трудностей. В гонке за гравитационными волнами участвовал целый список стран; но лидерами являются две лаборатории — американский проект LIGO иhttps://www.ligo.caltech.edu/ итальянский детектор Virgo http://www.virgo-gw.eu/ .

LIGO включает в себя два одинаковых детектора, расположенных в Ханфорде (штат Вашингтон) и в Ливингстоне (штат Луизиана) и разнесенных друг от друга на 3000 км. Наличие двух установок важно сразу по двум причинам. Во-первых, сигнал будет считаться зарегистрированным, только если его увидят оба детектора одновременно. А во-вторых, по разности прихода гравитационно-волнового всплеска на две установки – а она может достигать 10 миллисекунд – можно примерно определить, из какой части неба этот сигнал пришел.

Рис. 2. Гравитационно-волновой детектор в Ханфорде – один из двух детекторов обсерватории LIGO.

http://www.nature.com/news/the-hundred-year-quest-for-gravitational-waves-in-pictures-1.19340

Создание гравитационной обсерватории LIGO было инициативой трех ученых из Массачусетского технологического института (MIT) и из Калифорнийского технологического института (Калтеха). Это Райнер Вайсс, который реализовал идею интерферометрического гравитационно-волнового детектора, Рональд Дривер, добившийся достаточной для регистрации стабильности лазерного света, и Кип Торн, теоретик-вдохновитель проекта, ныне хорошо известный широкой публике в качестве научного консультанта фильма «Интерстеллар».

Хотя первоначальный импульс проекту задали США, обсерватория LIGO является по-настоящему международным проектом. В него вложились, финансово и интеллектуально, 15 стран, и членами коллаборации числятся свыше тысячи человек. Важную роль в реализации проекта сыграли советские и российские физики. С самого начала активное участие в реализации проекта LIGO принимала группа Владимира Брагинского из МГУ, а позже к коллаборации присоединился и Институт прикладной физики из Нижнего Новгорода.

Коллаборация LIGO не ограничилась одной лишь констатацией факта регистрации гравитационных волн, но и провела первый анализ того, какие это наблюдение имеет последствия для астрофизики. Авторы оценили, с какой частотой происходят слияния массивных черных дыр. Получилось как минимум одно слияние в кубическом гигапарсеке за год, что сходится с предсказаниями наиболее оптимистичных в этом отношении моделей.

Открытие нового явления после десятилетий поисков – это не завершение, а лишь начало нового раздела физики. Конечно, регистрация гравитационных волн от слияния двух черных дыр важна сама по себе. Это прямое доказательство и существования черных дыр, и существования двойных черных дыр, и реальности гравитационных волн, и, если говорить вообще, доказательство правильности геометрического подхода к гравитации, на котором базируется ОТО. Но для физиков не менее ценно то, что гравитационно-волновая астрономия становится новым инструментом исследований, позволяет изучать то, что раньше было недоступно.

Во-первых, это новый способ рассматривать Вселенную и изучать космические катаклизмы. Для гравитационных волн нет препятствий, они без проблем проходят вообще сквозь все во Вселенной. Они самодостаточны: их профиль несет информацию о породившем их процессе. Наконец, если один грандиозный взрыв породит и оптический, и нейтринный, и гравитационный всплеск, то можно попытаться поймать все их, сопоставить друг с другом и разобраться в недоступных ранее деталях, что же там произошло. Уметь ловить и сравнивать такие разные сигналы от одного события – главная цель всесигнальной астрономии.

http://elementy.ru/novosti_nauki/432626/Neytrinnaya_astrofizika_delaet_pervye_shagi

Когда детекторы гравитационных волн станут еще более чувствительными, они смогут регистрировать дрожание пространства-времени не в сам момент слияния, а за несколько секунд до него. Они автоматически пошлют свой сигнал-предупреждение в общую сеть наблюдательных станций, и астрофизические спутники-телескопы, вычислив координаты предполагаемого слияния, успеют за эти секунды повернуться в нужном направлении и начать съемку неба до начала оптического всплеска.

Во-вторых, гравитационно-волновой всплеск позволит узнать новое про нейтронные звезды. Слияние нейтронных звезд – это фактически самый последний и самый экстремальный эксперимент над нейтронными звездами, который природа может поставить для нас, а нам как зрителям останется только наблюдать результаты. Наблюдательные последствия такого слияния могут быть разнообразными, и, набрав их статистику, мы сможем лучше понимать поведение нейтронных звезд в таких экзотических условиях.

В-третьих, регистрация всплеска, пришедшего от сверхновой, и сопоставление его с оптическими наблюдениями позволит наконец-то разобраться в деталях, что же там происходит внутри, в самом начале коллапса. Сейчас у физиков по-прежнему остаются сложности с численным моделированием этого процесса.

В-четвертых, у физиков, занимающихся теорией гравитации, появляется вожделенная «лаборатория» по изучению эффектов сильной гравитации. До сих пор все эффекты ОТО, которые мы могли непосредственно наблюдать, относились к гравитации в слабых полях. О том, что происходит в условиях сильной гравитации, когда искажения пространства-времени начинают сильно взаимодействовать сами с собой, мы могли догадываться лишь по косвенным проявлениям, через оптический отголосок космических катастроф.

В-пятых, появляется новая возможность для проверки экзотических теорий гравитации.

Задача обнаружения реликтовых гравитационных волн, которые стали следствием событий, произошедших сразу после зарождения Вселенной, на порядок сложнее, чем детекция сигнала от такого большого и катастрофического события, как слияние черных дыр^{15}. Однако в конце концов эта задача будет решена, что позволит совершить значительный шаг в изучении истории Вселенной.

Гравитационные волны не поглощаются веществом, и это позволит «увидеть», что происходило во Вселенной в самые первые мгновения после Большого взрыва. Задача эта, конечно, гораздо более сложна, и открытие реликтовых гравитационных волн – дело не завтрашнего дня. Несомненно, однако, что достаточно чувствительные приборы будут созданы, а реликтовые гравитационные волны обнаружены, что позволит «просеять» космологические теории и отделить те, которые не соответствуют полученным данным.

Одна из тайн Вселенной, в разгадке которой может помочь нынешнее открытие, касается загадочного темного вещества, которое, по расчетам, должно вместе с темной энергией составлять большую часть состава Вселенной, но при сегодняшнем уровне развития технологий не может быть обнаружено. Темное вещество чрезвычайно слабо взаимодействует с обычным, не излучает и не поглощает свет, и потому его чрезвычайно трудно (если вообще возможно) обнаружить обычными астрофизическими методами. Но темное вещество имеет массу и подчиняется закону всемирного тяготения (и, разумеется, законам общей теории относительности). Темное вещество, как и обычное, способно излучать гравитационные волны, и потому именно гравитационно-волновая астрофизика даст возможность изучить недоступные ранее для наблюдений объекты Вселенной. А ведь темного вещества во Вселенной в шесть раз больше, чем вещества обычного!

***

Русская служба ВВС опубликовала интересный комментарий профессора физики Университетского колледжа Лондона Рубена Саакяна (http://www.bbc.com/russian/science/2016/02/160212_5floor_gravitational_waves_discovery ):

«Один из очень принципиальных моментов этого открытия – это то, что мы впервые получили способ изучать, наверное, самые интересные объекты в нашей Вселенной – черные дыры. У нас по большому счету не было серьезного инструментария, чтобы смотреть на эти самые интересные объекты, которые нам могут много чего еще рассказать, в том числе о возможности путешествия во времени, в параллельной Вселенной и прочее. Это совершенно сумасшедшие объекты – черные дыры, но изучать их очень трудно. Гравитационные волны дают нам такую возможность.

Мы надеемся, что со временем гравитационные волны станут нашим стандартным инструментарием, и мы сумеем заглянуть внутрь черных дыр. Другого способа, скорее всего, нет. То, что мы сейчас сумели зарегистрировать, дает нам надежду, что у нас будет способ заглянуть в эту воронку.

Есть очень популярная теория, что наша Вселенная – это одна из многих, многих, многих вселенных. В этих моделях черные дыры могут быть тем самым тоннелем, который позволяет путешествовать от одной вселенной к другой.

Это кажется научной фантастикой, но на самом деле это вполне возможно: мы сумеем на эти вещи начинать не то что отвечать, но, по крайней мере, заглядывать туда. В этом плане объявление о регистрации гравитационных волн для меня лично более даже важно – не очередное подтверждение теории относительности, что, конечно, очень важно, а тот инструментарий, который новое открытие нам дает для изучения этих объектов…

Когда свет из далекой звезды доходит до нас, до Земли, проходя мимо очень массивного объекта, такого как, например, черная дыра, он искривляется. Искривление можно посчитать с помощью уравнений общей теории относительности. Мы получили сейчас еще одно подтверждение, что эти уравнения действительно можно использовать. Связь, безусловно, есть.

Любое фундаментальное естественно-научное открытие приводило нас к технологическим прорывам. Примеров можно сколько угодно. Когда Эйнштейн написал свое уравнение специальной теории относительности о замедлении времени и прочем, практического применения не было видно никакого. Не прошло и ста лет, как оно появляется.

Другой пример – это Фарадей, который показывал свои опыты электромагнитной индукции в середине XIX века. Когда его спросили, зачем это нужно, он сказал, это ни зачем не нужно, это фундаментальная наука. Сейчас любой наш двигатель, электромотор работает на этом принципе.

Есть две вещи. Есть сами гравитационные волны. Может быть, мы научимся сквозь черные дыры в другую Вселенную переходить. Есть технология, которая развивается для того, чтобы их зарегистрировать, допустим, лазеры, которые были использованы. Это, конечно, может использоваться в ближайшем времени».

Перспективы гравитационно-волновой астрономии – самые воодушевляющие. Сейчас завершился лишь первый, самый короткий наблюдательный сеанс детектора LIGO, и уже за это короткое время был пойман четкий сигнал. По мере увеличения чувствительности детекторов и расширения доступной для гравитационно-волновых наблюдений части Вселенной, количество зарегистрированных событий будет расти лавинообразно.

В конце 2016 года в игру вступит обновленная итальянская лаборатория Virgo. У нее чувствительность чуть поменьше, чем у LIGO, но за счет метода триангуляции тройка разнесенных в пространстве детекторов позволит намного лучше восстанавливать положение источников на небесной сфере. Если сейчас, с двумя детекторами, область локализации достигает сотен квадратных градусов, то три детектора позволят уменьшить ее до десятков. Кроме того, в Японии сейчас строится аналогичная гравитационно-волновая антенна KAGRA, которая начнет работу через два-три года, а в Индии в 2022 году планируется запустить детектор LIGO-India. В результате спустя несколько лет будет работать и регулярно регистрировать сигналы целая сеть гравитационно-волновых детекторов.

Рис. 3. Сеть нынешних и будущих гравитационно-волновых детекторов. Изображение с пресс-конферении 11 февраля.

Поиском новых источников гравитационных волн занялись ученые многих стран. Об этом сообщило РИА Новости http://ria.ru/space/20160217/1376086384.html#ixzz41IykYVQJ .

Китай будет изучать гравитационные волны вместе с Европейским космическим агентством (ESA). Как заявил член академии наук Китая У Юэлян, академия подготовила проект по изучению гравитационных волн, получивший название «Тайцзи». По его словам, план проекта будет завершен позднее в этом году. «Гравитационные волны можно разделить на три типа в соответствии с их частотой. Низкочастотные гравитационные волны могут иметь больше источников, чем остальные два типа… Но эти источники еще предстоит обнаружить, и мы к этому стремимся», – сказал он.

Проект китайских ученых включает два этапа. Первый: совместное участие в проекте eLISA (Laser Interferometer Space Antenna) Европейского космического агентства. Второй: запуск группы спутников, которые должны подтвердить информацию, если ее удастся получить в рамках eLISA.

Как сказал китайский физик Ху Вэньжуй, eLISA сможет проводить больше исследований гравитационных волн, чем LIGO, так как исследования будут проводиться в космосе, а не с Земли. eLISA подразумевает размещение в космическом пространстве трех спутников, которые образуют треугольник и станут обмениваться между собой лазерными лучами.

Открытие гравитационных волн не было единственным важным открытием 2015 года. Другое интересное достижение тоже связано с теорией тяготения. О нем рассказывает научный журналист Марат Мусин на сайте «Элементы».

http://elementy.ru/novosti_nauki/432660/Sverkhnovaya_vspykhnula_eshche_raz_v_naznachennoe_vremya_v_naznachennom_meste

«В 2014 году в далекой галактике была обнаружена сверхновая, свет от которой дошел до нас через так называемую гравитационную линзу

http://nature.web.ru/db/msg.html?mid=1157494

(в роли линзы выступило скопление галактик), которая учетверила изображение звезды, преобразовав его в «крест Эйнштейна». Расчеты, основанные на моделях распределения массы в скоплении и на Общей теории относительности, предсказали, что часть света взорвавшейся звезды, отклонившись под действием гравитации, достигнет Земли примерно через год. Ученые уже знали, когда и где ждать нового появления этой сверхновой, и их предсказания подтвердились с впечатляющей точностью.

10 ноября 2014 года телескоп «Хаббл» зарегистрировал сверхновую, которая взорвалась 9,3 миллиарда лет назад. По пути к нам свет от нее прошел через крупное скопление галактик MACS J1149.5+2223 и был усилен и искажен из-за эффекта гравитационного линзирования: отклонения света под действием гравитации массивных тел. Линзой послужила самая большая из галактик скопления, и по счастливой случайности она породила сразу четыре изображения этой сверхновой. Такое явление называют крестом Эйнштейна.

Гравитационные линзы, подобно кривым зеркалам, могут создавать весьма причудливые изображения далеких источников: двойные, тройные, четверные изображения, арки, кольца и даже двойные кольца.

Рис. 4. Фрагмент обзора скопления галактик MACS J1149.5+2223, полученный телескопом «Хаббл» в конце 2014 года. Большим кружком обозначено место, на котором 11 декабря 2015 года появилось предсказанное изображение сверхновой Рефсдаля. Маленькими кружками обведены изображения этой сверхновой, обнаруженные в 2014 году.

Это первый крест Эйнштейна, образованный сверхновой (классический крест Эйнштейна был получен от квазара). Астрономы давно надеялись на появление такой сверхновой, потому что множественные изображения объекта, который по космическим меркам быстро меняет свою яркость, позволяют очень точно определить, как обычное вещество (пыль, газ, звезды) и темное вещество распределены по скоплению.

Сверхновая получила свое название в честь норвежского астрофизика Шура Рефсдаля, который занимался изучением гравитационного линзирования. Спустя всего две недели после обнаружения сверхновой Рефсдаля японский ученый Масамуне Огури опубликовал статью, в которой предсказывал повторное появление сверхновой примерно через год. Его расчеты показали, что в конце 2015 года на небе должно возникнуть еще одно изображение этой сверхновой. Огури также вычислил, что самый первый свет от сверхновой Рефсдаля должен был дойти до нас еще в 1997 году (то есть всего нам должно было быть видно шесть ее изображений: одно, самое раннее, в 1997 году, четыре в 2014 году и одно в 2015-м). К сожалению, ни один телескоп, который мог бы зафиксировать первое появление сверхновой, не вел тогда наблюдений в этой области неба, и это предсказание Огури осталось неподтвержденным.

Таким образом, ученым представился уникальный шанс проверить свое понимание строения скоплений галактик, точность определения космологических констант и то, насколько хорошо ОТО описывает нашу Вселенную. После коррекции первоначального предсказания Огури был уточнен временной интервал: сверхновая Рефсдаля должна была снова появиться между 30 октября и концом декабря 2015 годв.

С конца октября телескоп «Хаббл» периодически делал снимки этого участка неба, пока наконец 11 декабря 2015 года не была зарегистрирована вспышка. Нет сомнений в том, что новое изображение сверхновой Рефсдаля, зарегистрированное 11 декабря, также будет тщательно изучено и позволит не только еще лучше понять распределение масс в конкретном скоплении галактик, но и уточнить модели, по которым это распределение рассчитывается. На основании полученных данных уже начата работа по пересмотру моделей. Но это уточнение деталей, а в целом успешное предсказание повторного появления сверхновой в указанное время в указанном месте еще раз подтверждает, что вся совокупность теорий, моделей и методов современной астрофизики действительно работает. Символично, что этим триумфом астрофизической мысли отмечен год столетия Общей теории относительности».