Пространство волнуется раз

Зачем ловили гравитационные волны и как они изменят представление о Вселенной

Художественное представление расходящихся от черной дыры гравитационных волн. Изображение: NASA

11 февраля ученые коллаборации LIGO сообщили о первой регистрации гравитационных волн, предсказанных еще Альбертом Эйнштейном. Что это такое, как их поймали и, главное, зачем? «Чердак» разбирается в одной из важнейших — наряду с поимкой бозона Хиггса — физической новости XXI века.

1,3 миллиарда лет назад, далеко-далеко от Земли, Солнечной системы и даже нашей Галактики предельно сблизились две черные дыры, одна массой в 29 Солнц, а другая — в 36. 20 миллисекунд — неуловимо мало для человека — и они сливаются в одну большую черную дыру, а избыток выделившейся при столкновении энергии заставляет пространство-время пойти рябью от места космической катастрофы. 14 сентября 2015 года, в 13:51 по московскому времени эта волна дошла до Земли и заставила колебаться разнесенные на четыре километра друг от друга зеркала гравитационных телескопов возле американских городов Ливингстона и Хэнфорда.

Правда, колебаться совсем чуть-чуть, почти незаметно: с амплитудой в 10-19 м (это во столько раз меньше размера атома, во сколько апельсин меньше всей нашей планеты). Хитрая оптическая схема для регистрации таких возмущений, измерения на грани квантового предела точности, десятки лет теоретических работ и несколько месяцев аккуратных проверок результатов. 11 февраля на пресс-конференциях в Вашингтоне, Москве, Лондоне, Париже и других городах физики из международной коллаборации LIGO сообщили: человечество впервые зарегистрировало гравитационные волны и это не может быть ошибкой. Впереди нас ждут гравитационные телескопы, новая физика и, кто знает, может быть, даже новая реальность.

Что это такое?

Представим себе натянутую ткань и несколько камней разного веса, которые мы будем на нее класть. Чем тяжелее камень, тем больше он продавливает ткань — точно так же массивные гравитационные объекты, согласно теории относительности Эйнштейна, продавливают ткань пространства-времени, окутывающую наш мир (точнее, эта ткань и есть наш мир, но сейчас не об этом).

Проще всего объяснить воздействие массивных объектов на пространство-время на примере черных дыр — они настолько компактные и тяжелые, что продавливают пространство-время на колоссальные глубины миллиардов миллионов Марианских впадин.


Даже время в их окрестностях начинает течь медленнее, а все объекты, попавшие в гигантскую воронку, уже не могут выйти наружу. Звезды, пыль, кванты света — все остается в ловушке навечно.

Но что будет, если мы не просто положим камни, но еще начнем их вращать? По ткани пойдет рябь складок. Так и массивные гравитационные объекты, двигающиеся с переменным ускорением, порождают вокруг себя распространяющуюся рябь пространства-времени — те самые гравитационные волны, предсказанные Альбертом Эйнштейном еще сто лет назад.

Что излучает гравитационные волны?

Гравитационные волны излучает любой объект, который обладает массой и движется с переменным ускорением — от вращающейся черной дыры до тормозящей машины и читателя этого текста (вряд ли же вы смотрите на экран не моргая — и вот оно, ускорение). Просто гравитационные волны от последних двух объектов вызывают такие скромные колебания пространства, что с точки зрения современной квантовой физики их просто невозможно зарегистрировать.

Поэтому физики надеялись найти гравитационные волны только от массивных объектов, двигающихся с очень большими перепадами ускорений. А точнее, от пары таких объектов — просто по второму закону Ньютона, если одно тяжелое тело движется с большим переменным ускорением, значит, должна быть большая сила, «задающая» это движение. Проще всего этой силе появиться от воздействия какого-нибудь массивного объекта неподалеку. Идеальные кандидаты в такие пары тяжеловесов — сталкивающиеся галактики и двойные системы из «живущих» вместе черных дыр или нейтронных звезд.

Неужели гравитационные волны не пытались найти до этого?

Пытались, и не один раз. Одни из первых экспериментов по обнаружению гравитационных волн ставили еще в 70-е годы на физическом факультете МГУ в группе под руководством профессора Владимира Брагинского. Тогда прибор, установленный в подвале здания, вроде бы зарегистрировал сигнал, сильный и стабильно повторяющийся каждый вечер. Назревала сенсация. Праздник испортил сам Брагинский, который понял, что прибор регистрировал сейсмический шум от дружного захода нескольких трамваев в расположенное неподалеку депо.

Исследователи из международной коллаборации BICEP были куда менее аккуратны, чем советские физики. В прошлом году они заявили о неопровержимых следах гравитационных волн в реликтовом излучении, сохранившемся с первых мгновений после Большого взрыва. Но сенсационная древность оказалась ошибкой: при обработке данных ученые не учли влияние космической пыли.

Неоднократные попытки обнаружить гравитационные волны делались и на других гравитационных телескопах, в том числе на детекторах коллаборации LIGO.

Что такое вообще LIGO и гравитационные телескопы?

LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) — это название обсерватории и одновременно международной коллаборации ученых 14 стран. Россию в LIGO представляют два научных коллектива: группа Александра Сергеева из Института прикладной физики РАН (Нижний Новгород) и группа под руководством профессора физического факультета МГУ Валерия Митрофанова. Последнюю, кстати, до недавнего времени возглавлял тот же Владимир Брагинский.

В составе LIGO как обсерватории есть детектор и два интерферометра: один установлен в Ливингстоне (штат Луизиана, США), а другой — в Хэнфорде (штат Вашингтон, США). Гравитационные волны распространяются со скоростью света, и поэтому сигнал пришел на них лишь с небольшой задержкой в 10 миллисекунд.

Сами интерферометры представляют собой большие Г-образные антенны с плечами по четыре км. Внутри у них собраны оптические схемы высокой добротности (то есть с низким уровнем посторонних шумов), в которые запускаются лазерные пучки. Под действием гравитационной волны одно плечо должно сжаться, а другое, наоборот, растянуться. В результате лазерные пучки проходят по плечам немного разное расстояние и к выходу добираются с небольшим зазором между собой. Выйдя, они снова собираются вместе и формируют интерференционную картину, по характеристикам которой можно восстановить, как менялись плечи антенны и какова была та гравитационная волна, которая все это вызвала.

Обсерватория LIGO начала свою работу еще в 2002 году, но тогда ее точности было недостаточно для регистрации гравитационных волн. В 2010 году LIGO закрылась для модернизации и вновь заработала только в 2014 году (Advanced LIGO). Каждый элемент конструкции был в буквальном смысле отточен до предела: например, зеркала, между которыми бегают лазерные пучки (они установлены на концах каждого плеча), изготавливались на специальном заводе. Похожий телескоп параллельно с LIGO построила и европейская коллаборация VIRGO, но в сентябре прошлого года он не функционировал.

Какой сигнал зарегистрировали ученые?

Вот что рассказывает Валерий Митрофанов. «Сначала был постоянный фоновый шум, и вдруг в какой-то момент с определенной частотой стали раскачиваться пробные массы детектора, те самые зеркала. Потом — раз, и обрыв. Причем сигнал был сразу на двух детекторах: сначала гравитационная волна подошла к одному, а потом с небольшой задержкой к другому».

Частота сигнала составила 150 Гц (именно с такой частотой и амплитудой 10-19 м колебались зеркала, которые становились то ближе, то дальше друг от друга) , а после обработки была найдена его причина: слияние двух черных дыр на расстоянии 1,3 миллиарда световых лет от Земли. Масса одной из них равнялась 29 солнечным, а другой — 36. Масса получившийся черной дыры оказалась чуть меньше: недостача энергии в три солнечные массы как раз излучилась во время столкновения в виде гравитационных волн.

Светимость (то есть полная излученная энергия) этой вспышки в 50 раз превысила светимость всей видимой Вселенной. Будь это свет, а не гравитация, в обозримом космосе стало бы ослепительно светло.


Светимость? Частота? Я окончательно запутался

Еще раз: ученые увидели гравитационные волны. Это не свет (то есть электромагнитные волны, или распространяющиеся в пространстве сцепленные колебания магнитного и электрического полей), и не звук (механические колебания в твердой, жидкой или газообразной среде, то есть распространяющиеся волны повышенного/пониженного давления). Просто все эти явления (свет, звук и гравитация) можно описать одними и теми же уравнениями и терминами волновой физики.

Так, у каждой волны есть частота колебаний, измеряемая в герцах (Гц). Человеческий слух способен воспринимать звуки на частоте 20 герц — 20 килогерц. Частота пришедшей гравитационной волны составили 150 Гц, но это не значит, что ее можно услышать, если очень хорошенько прислушаться. На пресс-конференции в Вашингтоне ученые даже включили тревожный звук от этого столкновения где-то в невообразимом далёко, но это была просто красивая интерпретация, что было бы, зарегистрируй исследователи не гравитационную волну, а точно такую же по всем параметрам (частота, амплитуда, форма) волну звуковую.

Точно так же и со светимостью. Это просто термин для определения интенсивности потока излучения, примененный в непривычном, но корректном контексте. Например, в случае лампочек: чем интенсивнее они излучают, тем ярче светятся, и тем больше их светимость. Для сталкивающихся черных дыр: чем больше была их масса и чем резче ускорения, тем более мощные гравитационные волны они запустят в пространство. Почему же тогда это событие в 50 светимостей Вселенной не сжало в гармошку всю планету Земля, а только каким-то потусторонним ветерком поколебало сложно устроенные зеркала? А потому, что гравитационное взаимодействие гораздо слабее электромагнитного (поэтому-то его так сложно обнаружить) — настолько, что мы замечаем только наше притяжение к Земле, но например, никак не к вековому дубу, как бы близко мы к нему не подходили.

А это не может быть ошибкой?

Ученые на 100% уверены в своих выводах. При этом раньше у них уже были ложные срабатывания, но посторонние об этом никогда не узнавали, так что с точки зрения аккуратности им точно можно доверять.

«Во-первых, это прямой метод регистрации гравитационных волн, — говорит Валерий Митрофанов. — А во-вторых, результаты совпали с предсказаниями теоретиков. У нас был шаблон сигнала гравитационной волны от слияния двух черных дыр, рассчитанный с помощью квантовой физики. Сигнал регистрировался, только если он попадал в этот шаблон — так и случилось 14 сентября, и именно благодаря этому шаблону мы можем восстановить массы дыр».

Кстати, утечка информации о скором объявлении результатов появилась еще в середине сентября. Тогда многие обсуждали, что среди прочего сигнал мог быть просто подмешан в данные контролирующими проект учеными для проверки его готовности. Сейчас все участники коллаборации однозначно отрицают такую возможность: событие пришлось не на рабочий пуск системы, а на тестово-инженерный, в котором ложные «впрыски» по инструкции не предполагаются.

А Росссия участвовала?

Да. Как уже сказано, от России в коллаборации LIGO принимают участие две лаборатории из Москвы и Нижнего Новгорода. Они разрабатывали конструкцию телескопа (например, именно российские физики предложили подвешивать зеркала на кварцевых нитях вместо стальных, что снизило посторонние шумы в системе) и боролись с квантовыми эффектами, искажающими сигналы сверхчувствительных антенн.

«Мы получили квантовый прибор макроскопических размеров, — рассказывает профессор МГУ Сергей Вятчанин. — Это предельное достижение цивилизации на данный момент: LIGO почти достиг квантового предела измерений. Нам удалось зарегистрировать смещение двух макроскопических объектов массой в несколько килограммов и разнесенных на несколько километров, с точностью, предрекаемой квантовой неопределенностью Гейзенберга».

Особо отмечает вклад наших физиков в исследования и один из инициаторов проекта, почетный профессор Калифорнийского технического института Кип Торн. По его словам, именно Владимир Брагинский, признанный мировой специалист в области квантовой гравитации, первым предложил искать гравитационные волны от черных дыр и первым обратил внимание на необходимость учитывать в измерениях квантовые эффекты.

Что дальше? Новое средство астрофизических наблюдений?

Пойдем по восходящей. Сначала ученые надеются обзавестись третьим гравитационным телескопом для своей системы, который будет расположен уже не на Земле, а в космосе. Тогда по характерным задержкам сигналов гравитационных волн исследователи смогут восстанавливать точное положение источников — так же, как сейчас можно узнать свое точное положение на Земле, обменявшись сигналами с тремя спутниками GPS.

«Это начало новой, гравитационно-волновой астрономии, — говорит Валерий Митрофанов. — Древние люди наблюдали Вселенную только в видимом свете. Потом появились рентгеновские телескопы, радиотелескопы, гамма-телескопы, нейтринные наблюдения, а теперь мы увидим небо в гравитационных волнах, которые, кстати, ничем не экранируются».

«Эти волны не может остановить никакая материя, и с ними мы сможем понять о Вселенной гораздо больше, чем теперь. А загадок много — например, загадка темной материи».


Кроме того, гравитационный телескоп может сканировать сразу все небо: его не нужно настраивать в какую-то определенную точку пространства или на одну частоту. Поэтому в перспективе многие уникальные астрофизические события первыми будут фиксироваться именно на гравитационном телескопе — он сможет определить точное местоположение объектов, и дальше по этим данным будут настраивать уже другие средства наблюдения.

Что дальше? Новая физика?

Не без этого. Теперь ученые надеются увидеть реликтовые гравитационные волны — те самые, которые стали распространяться по Вселенной почти сразу после Большого взрыва.
«Это позволит заглянуть в самое начало времен, — говорит профессор МГУ Фарит Халили. — Гравитационное взаимодействие раньше всех перестало взаимодействовать с веществом, и поэтому наблюдение реликтового излучения, возможно, позволит поженить гравитационные взаимодействия и электромагнитные».

Профессор говорит о давней мечте физиков — разработке стройной теории квантовой гравитации, в рамках которой едиными терминами и уравнениями описываются как электромагнитные взаимодействия, так и гравитационные. Задача-максимум на этом пути и вовсе «теория всего» или, как ее еще называют, теория великого объединения. В ней воедино сливаются уже все четыре известных физических взаимодействия (кроме гравитационного и электромагнитного есть еще слабые и сильные взаимодействия, объясняющие существование элементарных частиц).

Частью такой теории должна стать и теория относительности Эйнштейна. «Мы сможем заглянуть в ту область, где заканчивается общая теория относительности, поскольку в черной дыре она предсказывает сингулярность, — рассказывает профессор МГУ Игорь Биленко. — Возможно, мы увидим новую физику, которая включает общую теорию относительности как одну из своих составляющих, один из частных случаев».

Наконец, кое-что с этого пира может перепасть и нам, простым людям, не мечтающим о теории великого объединения. «Когда Герц открыл электромагнитные волны, он и не знал, что это приведет к линиям электропередач, мобильным телефонам и интернету, — говорит доцент МГУ Сергей Стрыгин. — Возможно, человечество когда-нибудь научится не просто детектировать гравитационные волны, но и использовать их в своих целях».

Что это будет? Передача информации сквозь время, как в фильме «Интерстеллар», научным консультантом которого был как раз Кип Торн? Путешествия во времени? Что-то невообразимо сумасшедшее? Пока мы не можем ничего предсказывать — только ждать и смотреть.

Михаил Петров
Теги:

Читать еще на Чердаке: