Гравитационная революция
Гравитационные волны, зарегистрированные коллаборацией LIGO при столкновении двух чёрных дыр, дают начало гравитационной астрономии.
Вчерашний день можно считать началом новой эры в изучении космоса – гравитационной астрономии. Со времён Кепплера и Галилея, наблюдавших небесные светила через окуляры своих телескопов, астрономы научились строить радио- и рентгеновские телескопы, детекторы космических лучей и элементарных частиц. И вот пришло время для детектирования волн самого привычного и, несмотря на это, самого сложного явления – гравитации. Вплоть до начала XX века физики оперировали понятиями массы и закона притяжения. Однако великий Эйнштейн предложил «немного» другой подход к объяснению гравитации.
Согласно выведенным им принципам Общей теорией относительности (ОТО), гравитационные эффекты возникают не из-за силы, действующей на объекты с массой, а из-за искривления пространства-времени, которое вызывает любой объект, обладающий массой. Это искривление порождает интересные явления, например, вблизи массивных объектов время течёт медленнее, чем на удалении от них. Правда, масса объекта для этого должна быть действительно большой.
Если взять спутники навигационной системы, которые вращаются вокруг Земли на орбите на высоте 20 тысяч километров, то, согласно ОТО, время на них должно течь быстрее, чем на Земле, на 46 микросекунд в день. Если не учитывать эту поправку, то за целый год суммарная накопленная ошибка составила бы 0.016 секунд. За такое время самый быстрый бегун на планете Усейн Болт смог бы переместиться на 20 сантиметров, а навигационный спутник, скорость движения которого в 300 с лишним раз больше, чем может «разогнаться» Болт, пролетел бы примерно 60 метров. Однако вернёмся к гравитационным волнам.
Что нужно сделать, чтобы увидеть гравитационную волну? Для этого нужно научиться регистрировать искажения пространства-времени. Например, зафиксировать каким-нибудь образом, что некий объект периодически изменяет свои размеры. Однако, если вы возьмёте линейку и будете пытаться поймать изменение размеров некого тела, то вам ждёт разочарование: во-первых, гравитационные волны настолько слабые, что они вызывают искажения порядка размера одного атома, а во-вторых, даже если бы существовала линейка атомной точности, она бы претерпевала точно такие же изменения, как и измеряемый объект – ведь гравитационные волны искажают само пространство вместе с объектом, линейкой, и тем, кто эту линейку держит. Поэтому здесь нужен другой инструмент колоссальной точности, и он у физиков есть – это старый добрый интерферометр Майкельсона, с помощью которого физики более века назад доказали отсутствие мирового эфира. Как он работает и как устроены гравитационные детекторы проекта LIGO?
Луч лазера расщепляется на два перпендикулярных отдельных пучка, которые отправляются на два зеркала, находящиеся на большом, порядка нескольких километров, расстоянии от исходной точки. Отразившись от зеркал, лучи возвращаются «домой» и взаимодействуют друг с другом – мы видим интерференционную картину – чередующиеся тёмные и светлые области. Если система из зеркал не подвергается никаким изменениям, то интерференционная картина на детекторе остаётся постоянной, а вот если одно из зеркал чуть-чуть сдвинулось, то детектор сможет это «увидеть». Как мы уже знаем, если мы хотим увидеть гравитационную волну, то это «чуть-чуть» должно быть порядка размеров одного атома. Это значит, что расстояние от детектора до зеркала должно быть зафиксировано с атомарной точностью. Возможно ли это?
Оказалось что да, возможно. Правда, от экспериментаторов это потребовало титанических усилий и решения сложнейших задач. Ведь, кроме того, чтобы построить два вакуумных туннеля, где будет проходить луч лазера, нужно ещё так закрепить зеркало, чтобы на него не воздействовали ни колебания температуры, ни сейсмические волны, ни колебания почвы, скажем, от проезжающего неподалёку товарного поезда.
Проект по созданию такой гравитационной антенны был предложен ещё в 1992 году тремя физиками: Райнером Вайссом, Рональдом Дривером и ставшим потом всемирно известным по фильму «Интерстеллар» Кипом Торном. Первая установка была запущена к 2002 году, однако её чувствительности было недостаточно, чтобы регистрировать гравитационные волны, и поэтому она была модернизирована к сентябрю 2015 года. И вот теперь самое время сказать о том, а для чего, собственно, потребовалось 20 с лишним лет строить несколько гигантских интерферометров и что нового физики собираются увидеть с их помощью.
Представьте себе, что на спокойную гладь озера вы кидаете одну песчинку. Очевидно, что никаких волн вы увидеть не сможете – для этого нужно кинуть что-нибудь посолиднее, например, увесистый камень. Также и в случае с гравитационными волнами – в космосе должен быть массивный объект, который движется с переменным ускорением, тогда вокруг него будет образовываться «рябь» пространства-времени, распространяющаяся во все стороны вселенной со скоростью света.
Под роль массивных объектов подходят системы из двойных черных дыр или нейтронных звёзд. Именно сигнал от такой системы был пойман коллаборацией LIGO 14 сентября 2015 года на двух детекторах, расположенных на западном и восточном побережье США. В определённом смысле физикам невероятно повезло: сигнал был пойман ещё до официального запуска модернизированного детектора во время одного из его тестовых испытаний. Гравитационная антенна LIGO поймала сигнал от слияния двух чёрных дыр массами 36 и 29 солнечных, в результате чего образовалась одна массивная вращающаяся чёрная дыра.
Это достаточно редкое и яркое событие, и, что самое главное, все параметры гравитационной волны в точности соответствовали предсказаниям Общей теории относительности Эйнштейна. Согласно теории, пара черных дыр, вращающихся вокруг друг друга, теряет энергию на излучение гравитационных волн, что заставляет их постепенно сближаться на протяжении миллиардов лет, и гораздо быстрее – на последних минутах. Во время последней доли секунды две черные дыры сталкиваются со скоростью почти в половину световой с образованием одной, более массивной черной дыры. При этом часть массы слившихся черных дыр превращается в энергию в соответствии с формулой Эйнштейна E = mc2. Эта энергия излучается в виде сильного всплеска гравитационных волн, которые и наблюдались LIGO.
Ну, а теперь о самом главном. Гравитационные волны открыты, общая теория относительности празднует свою очередную победу, но что дальше? «Научное значение этого открытия огромно. Как и в случае электромагнитных волн, мы осознаем его в полной мере через некоторое время», – говорит профессор физического факультета МГУ Валерий Митрофанов, руководитель московской группы коллаборации LIGO. Гравитационные волны по своей природе уникальны – это колебания самого пространства, поэтому на пути их распространения нет никаких преград, а это значит, что астрофизики смогут «заглянуть» в те области Вселенной, из которых мы раньше не могли получить никакой другой информации.
Отдельно стоит сказать и о самой теории относительности. Она оказалась поразительно верна в предсказании параметров гравитационных волн, которые зафиксировал эксперимент LIGO, однако у учёных всё равно есть к ней вопросы, один из которых – чёрные дыры. Да, LIGO впервые «увидел» чёрную дыру, вернее сказать, даже две чёрные дыры, но вот с точки зрения теории чёрная дыра – это сингулярность, точка, в которой один из параметров уходит в бесконечность, это как деление единицы на ноль. Однако у физиков есть основания считать, что это не так, и в природе должны быть некоторые «ограничения», какие – ещё только предстоит выяснить.
Кроме того, гравитационные волны, может быть, позволят узнать больше о самом загадочном событии во Вселенной – Большом взрыве, поскольку следы от него могут остаться в виде волн пространства-времени. Да и тёмная материя, которая существует, но при этом никак не видна, может быть, тоже проявит себя неизвестным образом. В любом случае, мы стали свидетелями огромного по своей важности открытия.
Кстати, в этом году, кроме интриги, которая волнует добрую часть человечества: получит ли Ди Каприо свой долгожданный «Оскар», можно смело добавить ещё одну: дадут ли Нобелевскую премию за открытие гравитационных волн.
Видео
Иллюстрации: из статьи авторов открытия в Physical Review Letters (в открытом доступе).
