Охота длиной в век

Физики поймали гравитационные волны

Художественное представление гравитационных волн. Изображение: NASA

11 февраля участники международного проекта LIGO объявили, что им удалось обнаружить гравитационные волны, предсказанные Альбертом Эйнштейном. Это, безусловно, одно из самых важных открытий физики XXI века. «Чердак» объясняет, что же произошло.

Гравитационные волны — это колебания ткани пространства-времени, которые разбегаются от массивных объектов, движущихся с переменным ускорением. Похожим образом перемещающийся электрический заряд порождает волны электромагнитные, но только их гораздо легче зарегистрировать. Об открытии было объявлено на специально созванной NSF (National Science Foundation — национальный научный фонд) конференции. Источником волн стали две черные дыры массой около 30 масс Солнца каждая, которые, двигаясь на околосветовых скоростях, столкнулись, образовав одну дыру бОльшего размера. При этом суммарная масса единой дыры оказалась на три солнечные массы меньше, чем сумма двух масс: оставшаяся энергия была испущена в форме гравитационных волн.

Изменение скорости, с которой течет время, в районе столкновения черных дыр


«Когда волна от столкновения дошла до Земли, планета начала трястись — примерно как трясется желе», — рассказал исполнительный директор LIGO Дэвид Райц (David Reitze). По расчетам ученых, столкновение произошло 1,3 млрд лет назад и длилось около 20 миллисекунд. Спикер LIGO Габриела Гонзалес (Gabriela Gonzalez) рассказала, что мы можем слышать гравитационные волны, и даже запустила аудиозапись. Послушать, как звучат гравитационные волны, можно здесь.

«И это точно был не тестовый впрыск», — уточнила Гонзалес. В LIGO заведена необычная практика вызывать ложные возмущения, имитирующие гравитационные волны. Это делается, чтобы проверить, хорошо ли работает интерферометр, и несколько раз ученые объявляли, что обнаружили волны, а потом группа исследователей признавалась, что это был всего лишь тест.

Кроме всего прочего, ученые LIGO установили верхний предел массы гравитона — гипотетической частицы, переносчика гравитационного взаимодействия. По словам американского физика, одного из основателей LIGO Кипа Торна, она составляет 10-55 грамма.

Гравитационные волны предсказал еще Альберт Эйнштейн, но все экспериментальные попытки их обнаружить заканчивались провалом. Дело в том, что даже сильные гравитационные волны вызывают лишь крохотные изменения: объекты, удаленные друг от друга на расстояние метра, будут как бы колебаться на волнах пространства-времени и становиться то ближе, то дальше друг от друга на 10−18—10−23 метра. Именно поэтому ученые рассчитывали обнаружить гравитационные волны только от очень тяжелых объектов вроде сталкивающихся галактик, вращающихся черных дыр или двойных звездных систем.

В коллаборации LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) для этого использовали наземные гравитационные телескопы — гигантские Г-образные антенны с длиной плеч по четыре километра. Внутри них в условиях высокого вакуума распространялись лазерные лучи, которые отражались от подвешенных в противоположных концах антенн зеркал. А поскольку гравитационная волна периодически растягивала и сжимала плечи телескопа, разные лучи, шедшие по разным оптическим путям, приходили на выход с небольшими задержками. Именно их в конечном счете и регистрировали экспериментаторы по возникающей при взаимодействии лучей характерной интерференционной картине.

Схема, демонстрирующая, как работает интерферометр LIGO. Фото с пресс-конференции NSF


Из этих данных ученые сделали вывод об отклонении на уровне 10−19 м — сигнале, который свидетельствовал о прохождении гравитационной волны, порожденной системой двух черных дыр на расстоянии около 50 миллионов световых лет от Земли.

Само по себе подтверждение того, что существуют системы из двух черных дыр, также является открытием — до сих пор у исследователей не было убедительных доказательств этого.


В экспериментах активно участвовали научные группы под руководством профессора физического факультета МГУ Валерия Митрофанова и член-корреспондента РАН Александра Сергеева (Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород).

Они боролись с квантовыми эффектами, искажающими сигналы сверхчувствительных антенн (зафиксированное отклонение в 10−19 м в 10 000 раз меньше радиуса протона), и также разрабатывали саму конструкцию телескопа. В частности, именно российские физики предложили подвешивать зеркала на кварцевых нитях вместо стальных, что снизило посторонние шумы в системе. Как это выглядит на практике, показано на картинке ниже.

Один из создателей интерферометра Райнер Вайсс демонстрирует, как прибор изолируется от внешних воздействий


В прошлом году физики уже сообщали о наблюдении следов гравитационных волн в реликтовом космическом излучении, но тогда их результаты признали ошибкой. Теперь гравитационные волны пронаблюдали в более прямых измерениях. Если эти данные не будут опровергнуты, это станет очередным подтверждением общей теории относительности и откроет путь к давней мечте физиков — созданию теории квантовой гравитации и, возможно, даже теории великого объединения, описывающей все виды физического взаимодействия в единых терминах и уравнениях.

В самом начале конференции директор NSF Франс Кордова (France Cordova) отметила, что долгие годы на LIGO выделяли деньги без всякой уверенности, что эти вложения когда-либо окупятся. Более того, шанс, что ученым удастся поймать гравитационные волны, был ничтожным, но, тем не менее, год за годом финансирование продлевали. И, как оказалось, не зря: как это часто бывает в науке, благодаря «бесполезным» вложениям было совершенно открытие, которое изменило наше представление о Вселенной.


Ирина Якутенко, Михаил Петров
Теги:

Читать еще на Чердаке: