Заглянуть в начало времен

Что гравитационно-волновая астрономия расскажет о Вселенной?

Kris Williams/Flickr

11 февраля 2016 года физики коллаборации LIGO-VIGRO заявили о первой регистрации гравитационных волн, 15 июня — о второй, а скоро обещают их ловить чуть ли не десятками. Человечество открывает новую астрономию, о перспективах которой «Чердаку» рассказал Владимир Липунов, профессор МГУ и руководитель проекта МАСТЕР, сотрудничающего с LIGO-VIRGO.

25 декабря 2016 года, 3 часа 38 минут по Всемирному координированному времени, 6 часов 38 минут по Москве. В США празднуют Рождество, в России готовятся к новогодним каникулам, а человечество еще ничего не знает о гравитационных волнах. За исключением физиков, конечно. На детекторы aLIGO (приставку «a» — advanced — телескоп LIGO, Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, приобрел после своего перезапуска в сентябре прошлого года) в штатах Луизиана и Вашингтон снова приходит характерный сигнал: под действием гравитационной волны, порожденной слиянием двух черных дыр, зеркала в них начинают слабо, почти неуловимо, колебаться.

Вторая регистрация гравитационных волн не сильно отличалась от первой. Вариации только в цифрах и деталях. Декабрьское событие, о котором физики рассказали 15 июля, было гораздо слабее сентябрьского, о котором рассказывали 14 февраля. Осенью на Землю пришли волны от слияния двух черных дыр массой 29 и 36 Солнц, а зимой объединялись дыры только в 8 и 14 солнечных масс.

Поэтому осторожные ученые снова взяли несколько месяцев на проверку результатов и даже никак не обмолвились о них во время сенсационного февральского выступления о первой регистрации. Тем не менее автоматические системы обработки данных aLIGO сразу разглядели следы волн на фоне разнообразных шумов измерения и послали координаты события своим партнерам — телескопам, следящим за звездным небом более привычными методами: в оптическом диапазоне, ИК-диапазоне, рентгене.

Владимир Липунов узнал об обоих случаях регистрации гравитационных волн одним из первых. Он руководит проектом МАСТЕР (Мобильная астрономическая система телескопов-роботов) — сетью автоматических оптических телескопов, победившей в импровизированном соревновании, устроенном LIGO.

Владимир Липунов показывает место на Канарских островах, где могут построить супертелескоп «Гагарин». Изображение предоставлено Владимиром Липуновым


— Владимир Михайлович, вторая регистрация гравитационных волн — это начало гравитационно-волновой астрономии?

— Еще нет. Мы должны увидеть, что эти гравитационные события сопровождаются событиями в других диапазонах, но пока такого нет. Говорили о синхронной регистрации гамма-всплеска на телескопе «Ферми», но эти данные не подтвердились другими обсерваториями. Так что двух регистраций гравитационных волн недостаточно. Нужно подключать другие средства наблюдения.

— Синхронным наблюдением гравитационных всплесков в других диапазонах занимается в том числе и ваша сеть МАСТЕР — один из партнеров LIGO. Расскажите о ней.

— В XXI веке появились системы небольших роботизированных телескопов. Их иногда называют звездными сторожами, поисковыми или синоптическими телескопами. Они обладают большим углом зрения и постоянно находят новые объекты, которые детально изучают уже на гигантских телескопах с отличным разрешением, но плохим обзором. МАСТЕР — это сеть оптических поисковых телескопов, которые сделали в России и установили по всему миру: пять в России и по одному на Канарских островах, в Аргентине и в ЮАР. Мы находим самые разные объекты, но в основном заточены на гамма-всплески — самые мощные взрывы во Вселенной. Обычно их по гамма-излучению фиксируют космические телескопы, а мы потом наводимся на события в течение десятков секунд и ищем их отголоски в оптическом диапазоне. Параллельно в последние 2-3 года мы стали работать с крупными международными экспериментами, такими как нейтринная обсерватория IceCube в Антарктике, подводный нейтринный телескоп Antares и гравитационно-волновой интерферометр aLIGO.

— Как МАСТЕР и LIGO начали работать вместе?

— Гравитационно-волновой интерферометр aLIGO фиксирует гравитационно-волновой всплеск и очень грубо определяет его направление. Поэтому перед своим перезапуском прошлой осенью LIGO начало своеобразное соревнование между обзорными телескопами, работающими в разных диапазонах: нам и другим участникам автоматически передавали электронные научные телеграммы с координатами гравитационных событий и область ошибок — огромное звездное поле, в котором с вероятностью 99% находится источник всплеска и которое нужно максимально быстро и подробно осмотреть. Первый всплеск зарегистрировали 14 сентября еще во время пробного прогона системы aLIGO, и поэтому телеграмму нам прислали только 16 сентября и вручную, а не автоматически. В результате мы за следующую неделю осмотрели 54% начального квадрата ошибок в 500 квадратных градусов и обыграли главных конкурентов, американскую систему Pan-STARRS — это автоматическая сеть NASA и Пентагона из четырех телескопов, пока заточенная на поиск космического мусора. Она обошла только 20% квадрата ошибок, а стоимость ее на порядки больше стоимости МАСТЕР.

— За счет чего такое преимущество?

— Наиболее вероятное направление первого всплеска шло с Южного полушария, а у американцев все телескопы с программами для математической обработки стоят в Северном полушарии. Мы же как раз за год до этого поставили телескоп в Южной Африке и выиграли за счет географического расположения.

— По второму всплеску вы тоже работали в формате «соревнования»?

— Нет, к тому времени мы уже были партнерами LIGO. Кстати, это не второй всплеск, а третий.
Осенью на aLIGO приходил еще один сигнал, который был отсеян за статистической недостоверностью.

А то событие, о котором рассказывали 15 июня, случилось в ночь с 25 на 26 декабря, и в этот раз все было быстрее. 50 000 секунд (около 14 часов — прим. ред.) они обрабатывали сигнал на aLIGO и потом дали нам координаты. В 19 часов 51 минуту по Всемирному координированному времени на них наводится наш телескоп на Канарах — там как раз в это время зашло солнце, и уже через сутки мы находим первый объект в области ошибок и даем ответную телеграмму. Все это случилось почти на Новый год, и поэтому все предпраздничные дни, все праздники и даже в саму новогоднюю ночь мы сидели и писали статьи. Это был удивительный Новый год — бурная новогодняя ночь — 2016.

Телескоп МАСТЕР на Канарских островах. Изображение предоставлено Владимиром Липуновым


— Вы узнали об открытии гравитационных волн одним из первых. Что вы чувствовали?

— Когда я получил телеграмму о первом событии, я почувствовал огромное удовольствие. Интересно, что они только включили установку, делали первый инженерный прогон, и вот происходит такое яркое событие. Как Пушкин говорил: «Как много нам открытий чудных готовит просвещенья дух. И опыт, сын ошибок трудных... и случай, Бог тому свидетель...» Случай!
Мы сразу стали обходить эти звездные поля своими комбайнами.

И где-то через неделю получили еще одну телеграмму — о том, что зарегистрированное событие было столкновением двух черных дыр, — и я тут же написал в ответ, что мы еще в 1997 году предсказали: первое событие LIGO должно быть результатом столкновения черных дыр. Тогда у нас сразу три научные статьи вышло на эту тему.

— Расскажите об этих работах.

— Я начинал как астрофизик-теоретик и был аспирантом у Якова Борисовича Зельдовича. Мы занимались проектом «Машина сценариев»: это была такая искусственная, смоделированная в компьютере Вселенная. И там мы из принципов ядерной эволюции звезд и астрономических наблюдений посчитали частоту слияний черных дыр и частоту слияний нейтронных звезд, которые тоже могут порождать гравитационные волны. Оказалось, что вторые события происходят чаще, но поскольку сами нейтронные звезды на порядок легче черных дыр, то сигнал от них слабее, и на Землю чаще должны приходить гравитационные волны черных дыр. Это важно, чтобы правильно настроиться на частоту гравитационных волн. Частоты гравитационных волн черных дыр — это сотни герц, а нейтронных звезд — килогерцы, и время подтвердило наши результаты. Первые гравитационные резонаторы были настроены на килогерцы и ничего не увидели, а aLIGO захватывал сотни герц и увидел слияние черных дыр.

— Но такие расчеты частоты столкновения черных дыр делали и другие теоретики?

— Делали, но не таком уровне. Один из основателей и руководителей проекта LIGO Кип Торн очень много идей взял тут, в Москве. Когда он узнал, что я с моими аспирантами, Константином Постновым и Михаилом Прохоровым, делаю такую замечательную программу с популяционным синтезом Вселенной, как «Машина сценариев», он сразу попросил нас посчитать, как часто сливаются нейтронные звезды. Торн и сам приезжал на семинары Зельдовича, неоднократно выступал на них. В результате одна из наших работ процитирована в статье LIGO о первом обнаружении гравитационных волн, и я сейчас очень счастлив. Такое редко бывает, когда предсказанное тобой подтверждается еще при жизни. И невероятно, что мне удалось поучаствовать в открытии гравитационных волн и как теоретику, и как экспериментатору.


Визуализация слияния двух черных дыр

— Что МАСТЕР нашел в том квадрате ошибок после первого события?

— Мы нашли восемь объектов: сверхновые звезды, термоядерные вспышки в нашей Галактике, вспышки активных ядер других галактик, но все эти события не способны дать сильный гравитационно-волновой всплеск и характерный сигнал, если не брать экзотический случай образования сверхновой с двойным ядром. Поэтому мы рассмотрели все сверхновые и доказали, что они вспыхнули в этой области еще до события. Так что никаких следов в оптическом диапазоне.

— А что там могло быть? Что искал МАСТЕР?

— Гравитационные всплески могут сопровождаться излучением в электромагнитном диапазоне. Правда, с черными дырами это маловероятно — там все вещество под горизонтом событий, и энергия высвобождается только гравитационными волнами. А при столкновении нейтронных звезд или нейтронной звезды и черной дыры вполне может быть электромагнитное излучение. Есть самые разные механизмы, и некоторые из них приводят к вспышкам буквально за секунды после гравитационного события, а другие — через несколько часов или даже суток. Поэтому мы смотрим на квадрат ошибок всю следующую неделю после события.

— Можно сделать фундаментальные выводы по первым двум-трем событиям?

— Фундаментальный вывод можно сделать и по одному наблюдению. Большинство физиков не сомневалось, что гравитационные волны существуют, но теперь их зарегистрировали напрямую. Это очень важно.
Это означает, что мы научились ловить гравитационные волны «руками» и, не ровен час, научимся с ними работать и использовать их.

Параллельно подтвердились наши представления об эволюции звезд. Статистика показывает, что большинство звезд Вселенной — двойные, а наше Солнце с целой планетной системой вместо звездного напарника скорее исключение. Раньше это удивляло, но теперь мы все больше привыкаем к двойным объектам.

— Еще много говорят о подтверждении общей теории относительности.

— Да, конечно, теперь понятно, что общая теория относительности работает если не на 100, то на 99,99%. Ведь для расчета шаблонов событий — ожидаемого вида сигнала — мы используем формулы общей теории относительности, и это очень важная часть работы. Гравитационный сигнал приходит очень зашумленный — зеркала в гравитационных интерферометрах постоянно колеблются по тысячам разных причин. Но если появляется небольшое превышение над общим постоянным фоном колебаний и этот сигнал после фильтрации совпадает с предсказанным шаблоном, то надежность предсказания вырастает в сотни, в тысячи раз. Поэтому теоретики за последние 10—20 лет обсчитали с огромной точностью тысячи разных вариантов гравитационных событий и получили шаблоны сигналов от них, а программное обеспечение aLIGO уже почти в реальном времени перебирает все эти кривые и сравнивает с отфильтрованными сигналами.

Сверху: сырые данные на детекторах во время второго гравитационного всплеска. Слева — детектор в Хэнфорнде, справа — в Ливингстоне. Снизу: отношение сигнал/шум (SNR) после процедуры сравнения с шаблоном. Изображение: LIGO-VIRGO


— Что будет дальше? Как будет развиваться гравитационная астрономия?

— aLIGO снова запустят в сентябре этого года. У него подняли чувствительность и, думаю, что теперь гравитационно-волновые импульсы пойдут десятками, а не раз в два-три месяца. Скоро откроют телескоп VIRGO, еще один телескоп строят в Индии, а я всячески пропагандирую за пятый телескоп в России. Тогда мы сможем определять источники гравитационных волн с огромной точностью и гораздо быстрее наводиться на них другими телескопами, чтобы смотреть фантастические детали абсолютно новых процессов: столкновения черных дыр с нейтронными звездами и столкновения нейтронных звезд. Это новая наука, новые физические процессы и замечательные возможности.

— А на МАСТЕРЕ будут изменения?

— Да, конечно. Ракета-носитель «Союз-2.1а», запущенная 28 апреля с космодрома Восточный, вывела на орбиту университетский спутник «Ломоносов» с нашей оптической камерой сверхширокого поля МАСТЕР-ШОК. Она предназначена для синхронных наблюдений коротких гамма-всплесков в оптическом диапазоне и может осматривать порядка 2000 квадратных градусов. Мы надеемся фиксировать в оптическом диапазоне до 10 гамма-всплесков в год и, конечно, надеемся и на оптическую регистрацию гравитационных всплесков.

Космическая обсерватория МАСТЕР-ШОК фиксирует пролетающий рядом с ней космический мусор. Изображение предоставлено Владимиром Липуновым


— Зачем нужна оптическая регистрация? Какую новую информацию о мире мы получим?

— Мы воспринимаем мир в основном за счет зрительных ощущений. В конце второго тысячелетия человечество сделало гигантские телескопы, которые могут заглянуть в самые далекие уголки Вселенной. Там нет человека, там нет звезд, там нет галактик. Но на расстоянии десяти миллиардов световых лет мы уперлись в непрозрачную стену — древнее вещество Вселенной, настолько плотное, что электромагнитные волны через него не проходят.
Эта стена испускает лишь радиоизлучение, которое называют реликтовыми волнами. За ней творится Вселенная: рождаются элементарные частицы, атомы, появляются первые сгустки материи — и она совершенно прозрачна для гравитационных волн, реликтовых гравитационных волн.

Они очень-очень слабые, ведь тогда не было никаких черных дыр или нейтронных звезд, только небольшие шероховатости пространства, но, если мы научимся надежно регистрировать обычные гравитационные волны во всех диапазонах, рано или поздно мы поймаем и реликтовые гравитационные волны. Мы сможем посмотреть, как творилась Вселенная.



Михаил Петров
Теги:

Читать еще на Чердаке: