Измерения на грани фантастики

Нобелевская премия по физике 2017 года ушла за детекцию гравитационных волн

Детектор Virgo / Фото: The Virgo collaboration/CCO 1.0
Детектор Virgo / Фото: The Virgo collaboration/CCO 1.0

Нобелевскую премию по физике 2017 года с формулировкой «за решающий вклад в детектор LIGO и за наблюдение гравитационных волн» вручили трем американским физикам. Половина премии досталась Райнеру Вайссу из Массачусетского технологического института и по четверти — Кипу Торну и Барри Бэришу из Калифорнийского технологического института. Вайсс занимался разработкой детекторов гравитационных волн, Кип Торн — один из главных теоретиков этой области и инициатор проекта LIGO по поиску гравитационных волн, а Бэриш — первый руководитель и основатель LIGO.

Как и многие другие истории в физике, о гравитационных волнах начинают рассказывать с Альберта Эйнштейна. Именно он предсказал (хотя поначалу собирался утверждать совершенно обратное!), что массивные, движущиеся с ускорением тела так возмущают ткань пространства-времени вокруг себя, что запускают гравитационные волны, то есть пространство вокруг этих объектов физически сжимается и разжимается, а со временем эти колебания разбегаются по всей Вселенной, как разбегаются круги по воде от брошенного камня.

Как поймать гравитационную волну?

За десятки лет измерений поймать, то есть достоверно зафиксировать гравитационные волны пытались многие физики, но впервые это получилось только 14 сентября 2015 года. Это было измерение на пределе доступной человечеству точности, возможно, самый тонкий эксперимент современной науки. Гравитационная волна, запущенная слиянием двух черных дыр в миллиарде с лишним световых лет от нас привела к тому, что четырехкилометровые плечи гравитационных телескопов коллаборации LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, или лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория) сжимались и разжимались на какие-то исчезающие доли от характерных размеров атомов, что было зафиксировано с помощью сверхточной оптики. Событие абсолютно циклопических, вселенских масштабов вызвало на Земле крошечный, еле заметный отзвук.

Так выглядела первая «пойманная» детекторами LIGO гравитационная волна / Иллюстрация: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

«То, что используется для детектирования гравитационных волн сейчас, — это самые последние достижения в сфере лазерной физики и вакуумных технологий и новейшие средства для обработки и расшифровки информации. Действительно, без такого уровня технологий, которые есть сейчас, помыслить два-три десятка лет назад о том, что мы можем детектировать гравитационные волны, было нельзя», — отметил в беседе с корреспондентом портала «Чердак» президент Российской академии наук Александр Сергеев. Его научная группа из Института прикладной физики РАН — одна из участников коллаборации LIGO (вторая российская группа возглавляется Валерием Митрофановым из МГУ).

Неудивительно, что после этого физики из LIGO взяли несколько месяцев на проверку результатов и только 11 февраля 2016 года рассказали миру о своем открытии — почти вековая охота за гравитационными волнами наконец закончилась удачей.

После этого LIGO детектировал еще несколько гравитационных событий. Некоторые из них были отсеяны за недостаточной достоверностью (то есть плечи интерферометров снова начинали колебаться, но такое же поведение в этих случаях можно было объяснить и фоновыми процессами), но в копилку физиков все-таки упало еще целых три события. Гравитационные волны от слияния других черных дыр приходили на Землю еще 25 декабря 2015 года, 4 января 2017 года и 14 августа 2017 года.

О последнем из них сообщили совсем недавно, меньше недели назад. В этот раз гравитационный сигнал был зафиксирован уже с помощью трех установок: вместе с американскими LIGO начал работать гравитационный телескоп европейской коллаборации VIRGO. Гравитационная волна по очереди прошла через каждую из установок, что позволило значительно увеличить точность определения места ее рождения.

Сотрудник LIGO в трубе детектора / Фото: Caltech/MIT/LIGO Lab

Почему это важно?

Здесь есть два главных аспекта. Первый — фундаментальный. Предсказания гравитационных волн — это важная часть общей теории относительности (ОТО), а потому их экспериментальное обнаружение еще раз подтверждает ОТО.

«Регистрация [гравитационных волн] — это мощнейшее подтверждение фундамента, на котором стоит наука. Люди уверены в общей теории относительности и уверенно с ней работают… Это фундаментальнейшая вещь. Конечно, деваться было некуда, надо было давать премию», — сказал корреспонденту «Чердака» ведущий научный сотрудник Института ядерных исследований РАН и Астрокосмического центра ФИАН Борис Штерн.

Кроме этого, успех с гравитационными волнами косвенно подтверждает многие астрофизические модели. Ведь физики сначала рассчитали, как должны выглядеть гипотетические сигналы от различных гравитационных событий, например того же слияния черных дыр, и только потом получили точно такие же сигналы в наблюдении.

Схематичная демонстрация того, как Солнце и Земля искажают пространство-время (зеленая сетка) / Изображение: T. Pyle/Caltech/MIT/LIGO Lab

Второй аспект с важностью гравитационных волн чуть менее фундаментальный — он скорей про расширение возможностей человечества. Четыре события за два года — это уже тенденция. По обещаниям физиков, точность гравитационных телескопов дальше будет только повышаться, событий будет фиксироваться только больше, и так мы разглядим наш мир с еще одного, необычного ракурса. К оптическим, рентгеновским, радио- и многим другим телескопам теперь добавляются гравитационные.

С их помощью можно «разглядеть» многие буквально невидимые вещи. Например, слияние тех же самых черных дыр скорей всего не оставляет никаких следов в любых диапазонах электромагнитных волн, и, соответственно, может быть зафиксировано только с помощью гравитационных телескопов.

Что будет дальше?

Тут есть разные прогнозы. Одни рассуждают о новой физике, другие ждут обнаружения реликтовых гравитационных волн, гуляющих по Вселенной с первых моментов ее создания.

«Это только первые гравитационные волны от астрофизических, хотя и очень необычных объектов — черных дыр. А вот теперь все астрофизики будут ждать открытия из тех эпох, когда рождалась наша Вселенная. Кроме гравитационных волн никакие сигналы оттуда не доходят. И то, что мы научились их ловить, — мы открыли канал, которые позволит заглянуть в то время, когда рождалась Вселенная, а может быть, еще и до этого», — рассказал корреспонденту «Чердака» заведующий лабораторией космического мониторинга ГАИШ МГУ Владимир Липунов.

Но самый реалистичный сценарий — это одновременное детектирование гравитационных событий с помощью других телескопов.

Сейчас LIGO и VIRGO уже скидывают координаты событий другим телескопам (например, автоматическим телескопам системы МАСТЕР, которой руководит Липунов), но те пока ни разу не видели никаких «отпечатков» волн в других диапазонах. Поэтому все эти гравитационные события пока остаются в некой степени анонимными — мы знаем, на каком примерно расстоянии от Земли встретились две черные дыры и какова была их масса, но где точно это произошло или что, например, было на месте черных дыр до этого, сказать не можем.

Поэтому физики очень ждут регистрации гравитационных волн от какого-нибудь другого события, например столкновения двух нейтронных звезд, которое должно быть видно и в других диапазонах. По слухам, в конце августа физики даже уже зарегистрировали такой сигнал от двух нейтронных звезд в галактике NGC 4993 в 130 миллионах световых лет от Земли, но пока официального подтверждения этому нет. Но и того, что есть, уже вполне достаточно для одного из самых быстрых вручений Нобелевской премии — после открытия ученые прождали ее меньше двух лет.

И это, кажется, только начало большой научной истории. «Эти три телескопа (имеются в виду два телескопа LIGO и один VIRGO — прим. „Чердака“) сделали еще одно величайшее открытие — вот тут мы уже поучаствовали. Но об этом я сейчас не могу говорить. 16 октября будет пресс-конференция у нас в МГУ и прямая трансляция из Америки», — сказал Липунов (выделение наше — прим. «Чердака»).

Так что — задержите дыхание, пристегните ремни. Кажется, на вручении Нобелевской премии история с охотой на гравитационные волны еще не заканчивается.

Михаил Петров
Теги:

Читать еще на Чердаке: