Утром 14 сентября 2015 года ученые, работающие с лазерным интерферометром LIGO, получили от системы, контролирующей работу сообщения о событии, получившей обозначение GW150914. Так человечество получило подтверждение существования во Вселенной гравитационных волн.
Волны вокруг нас
Сегодня наблюдение гравитационных волн стало обычной практикой для астрономов. Почти каждую неделю выходят статьи, посвященные новым открытиям, совершенным с их помощью. При этом легко можно забыть, что их первое непосредственное наблюдение произошло только десять лет назад.
Именно 14 сентября 2015 года было зарегистрировано событие GW150914, которое стало первой подтвержденной фиксацией гравитационных волн. На первый взгляд может показаться, что этому открытию уделяется слишком много внимания. Для того чтобы понять, почему это так важно, стоит вспомнить, что это вообще такое.
Волна — это изменение некоторой совокупности физических величин, которая может перемещаться, удаляясь от источника возникновения, или колебаться внутри ограниченной области пространства. Волны существуют разных типов, но общеизвестным издревле является их механическая разновидность, которую можно наблюдать практически в любом водоеме.
Волна имеет амплитуду — разницу между минимальным и максимальным значением колеблющейся величины (в случае механических колебаний это, например, уровень воды), период или длину волны — расстояние во времени или пространстве между двумя пиками и частоту — количество колебаний за единицу времени.
Механические колебания являются наиболее наглядным примером, но он может загнать человека в ловушку ложных представлений. Ибо может возникнуть ощущение, что колеблется определенная среда или объект, как, например, струна музыкального инструмента. Когда в последние пару веков ученые познакомились с другими видами колебаний, это вызвало ряд проблем.
Ибо если с химическими волнами, которые являются особым видом химических реакций, еще можно говорить об определенной среде, то с электромагнитными, к которым относится и видимый свет, и радиоволны, и рентгеновские лучи, все не так просто. Их распространение не требует наличия среды, состоящей из отдельных атомов. Именно поэтому они могут свободно и до бесконечности распространяться в вакууме.
При этом с распространением в пространстве они не исчезают совсем, но закон сохранения энергии не нарушают. То есть по мере того, как растет фронт их распространения, густота энергии в нем все время уменьшается. Именно поэтому, для того чтобы увидеть удаленные объекты, нам нужно собирать излучение от них с большой площади.
Гравитационные волны
Однако все стало гораздо хуже, когда в начале XX века Эйнштейн создал теорию относительности. В 1916 году он вывел из нее следствие, согласно которому любая движущаяся масса с переменным ускорением должна порождать колебания гравитационного поля, которые должны свободно распространяться в пространстве.
Проще говоря, он предусмотрел существование нового типа волн – гравитационных. А поскольку, согласно теории относительности, сама сила тяготения на самом деле является искривлением пространства, то и волны по своей сути не принадлежали к электромагнитным, а были именно колебанием распространяющейся во Вселенной кривизны пространства.
При этом следует помнить, что гравитация — самое слабое из четырех фундаментальных взаимодействий, а по мере распространения волн, как и электромагнитные, они должны слабеть из-за закона сохранения энергии. Поэтому для того, чтобы подтвердить правоту Эйнштейна, нужно искать чрезвычайно слабое и кратковременное колебание гравитационного поля.
Именно поэтому целый век после теоретического предсказания гравитационные волны не могли найти в космосе. Дело в том, что абсолютное большинство объектов в нем не способны придать им достаточно силы, чтобы мы могли бы их почувствовать даже теоретически. Исключением являются тесные пары массивных компактных объектов, таких как белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры, которые могут испытывать очень значительное переменное ускорение, особенно когда сливаются, а также скопления взаимодействующих галактик. Последние, хотя и не испытывают таких ускорений, не имеют конкурентов во всей Вселенной по массе. Позже была выдвинута теория, что и в ранней Вселенной могли рождаться гравитационные волны, которые мы при определенных условиях можем почувствовать до сих пор.
Путь к обнаружению
Однако главный вопрос обнаружения гравитационных волн оставался нерешенным: как их выявить? Ведь, по сути, речь идет о таком искривлении пространства, которое эквивалентно уменьшению расстояния от Солнца до Нептуна на величину, равную толщине паутинки. Как же выявить такое крохотное отклонение.
Исследователи 1950–60-х годов пытались использовать с этой целью механические приборы, которые улавливали бы колебания, как будто пришедшие из ниоткуда. И в 1969 году Джозеф Вебер объявил об открытии гравитационных волн с помощью одного из таких устройств.
Излучение гравитационных волн в процессе слияния объектов. Источник: www.americanscientist.org
Правда, открытие так и не подтвердилось. Напротив, оказалось, что на земле постоянно присутствует множество источников механических колебаний, значительно сильнее гравитационных волн из космоса. Проезжающие рядом со зданием машины движение тектонических плит, просто человеческие разговоры рядом — все это приходилось учитывать и исключать из результатов измерений.
Одновременно возникла идея интерферометрии на длинных базах. Вообще интерференция – это явление, когда две волны, накладываясь друг на друга, создают не один пик, а сразу несколько, которые располагаются через равные промежутки. Если применить этот принцип к двум лучам когерентного (т.е. такого, в котором колебания происходят в одной плоскости) излучения, то наблюдая за картинкой пятен можно измерять чрезвычайно малые колебания, проходящие через прибор.
Правда, построить с использованием этого принципа в 1970-80-х годах гравитационно-волновую обсерваторию было невозможно. Поэтому ученые прибегли к косвенным методам, позволяющим хотя бы точно подтвердить само существование гравитационных волн.
Здесь на помощь пришла теория излучения парами массивных объектов. К счастью, пульсары уже начали открывать и один из них под названием PSR B1913+16. Это тесная двойная система, состоящая из двух нейтронных звезд, каждая из которых примерно в 1,4 раза превышает Солнце по массе. Однако только одна из них излучает периодические радиосигналы.
Оба тела двигаются удлиненными орбитами вокруг общего центра масс. В ближайшей точке расстояние между ними составляет всего 1,1 радиуса Солнца, а в самой отдаленной — 4,8 солнечного радиуса.
Однако самое интересное, которое определили астрономы еще в 1974 году это то, что за каждый земной год период обращения этих двух объектов уменьшается на 76 микросекунд. Такой невероятной точности измерений удалось добиться именно благодаря тому, что пульсар PSR B1913+16 представляет собой высокочастотный маяк, вращающийся вокруг своей оси 17 раз в секунду.
Определенная величина уменьшения периода вращения всего на 0,2% отличается от предполагаемой в предположении, что этот объект постоянно излучает гравитационные волны и тратит на них свою энергию.
Хотя гравитационные волны от PSR B1913+16 до сих пор не удалось обнаружить, ученые не сомневаются в их существовании еще с момента обнаружения системы. Ведь она с фантастической точностью ведет себя именно так, как должна при их излучении.
LIGO и другие детекторы гравитационных волн
К началу XXI века астрономы пришли, имея с одной стороны большое желание наконец-то непосредственно найти гравитационные волны, а с другой — с технологиями, которые уже позволяли реализовать схему лазерного интерферометра, достаточно чувствительного для того, чтобы увидеть слияние черных дыр.
Воплощением этой идеи, автором которой является американский физик Райнер Вайс, стала Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория, известная по сокращенному названию LIGO. Она состоит из двух идентичных детекторов, один из которых находится в Генфорде, штат Вашингтон, а второй — в Ливингстоне, штат Луизиана. Расстояние между ними составляет 10 световых миллисекунд.
Это позволяет за тем, с какой задержкой фиксируется событие определить, с какой стороны пришел сигнал. Каждый инструмент состоит из источника лазерного излучения, мишени и системы зеркал.
Первое из них делит луч на две части, расходящиеся под углом в 90 градусов и каждая проходит 4 км, снова отражается, летит назад, интерферирует с другим, в результате чего светочувствительные датчики на мишени фиксируют интерференционную картинку. Она постоянно немного колеблется из-за груды всего, что происходит на Земле, поэтому постоянно фиксируется определенный уровень шума.
Однако когда из космоса приходит гравитационная волна, то она дает гораздо более четкий сигнал, который должен среди этого шума выделяться. LIGO заработал в 2002 году, но за первые 8 лет своей работы так и не смог зарегистрировать гравитационные волны. Поэтому в 2010 году началась его глубокая модернизация, которая длилась 5 лет.
Параллельно с ним в Европе строился похожий на него конструктивно, но меньший и единичный интерферометр VIRGO. Он расположен вблизи итальянского города Пиза, начал свою работу в 2007 году.
В 2012 году на VIRGO тоже началась модернизация, которая закончилась в 2017 году и после которой он наконец зарегистрировал гравитационные волны и с тех пор работал вместе с LIGO. В 2019 году к ним присоединился еще и японский интерферометр KAGRA.
Эпоха гравитационно-волновой астрономии
Примечательно, что событие GW150914 LIGO зафиксировало буквально в первые дни после возобновления своей работы в модернизированном виде. То есть причинами того, почему он несколько лет до этого ничего не слышал, было его техническое несовершенство.
Зато после усовершенствования интерферометры открыли для нас мир объектов, которые мы бы иначе не могли увидеть. Событие GW150914 было следствием слияния черных дыр, которое произошло на расстоянии 1,2 млрд св. лет от нас. Однако направление, из которого пришел сигнал, удалось определить только очень приблизительно.
Зато ученые выяснили, что черные дыры, участвовавшие в слиянии, имели массы в 36 и 29 раз больше, чем у Солнца. А объект, который родился в результате в 62 раза массивнее нашего светила. Еще примерно три солнечных массы вещества в момент слияния превратились в гравитационные волны.
При этом учитывая расстояние до источника сигнала, вопрос о том, что увидел бы обычный телескоп, работающий в каком-либо из диапазонов электромагнитного спектра, является дискуссионным. С этой точки зрения гравитационно-волновая астрономия имеет возможности, превосходящие что-либо другое.
За 10 лет, прошедшие с момента обнаружения GW150914, ученые зарегистрировали уже десятки и сотни гравитационных волн, поступающих отовсюду. Совместная работа LIGO, VIRGO и KAGRA позволяет намного точнее определять не только расстояние до них, но и направление.
Благодаря гравитационно-волновой астрономии, мы теперь знаем, что не только черные дыры сливаются между собой. То же самое происходит с нейтронными звездами, белыми карликами, а также между объектами разных классов. И это действительно взгляд на процессы, о которых мы не имеем ни малейшего представления. К примеру, что произойдет при сближении черной дыры, которая все может разорвать, и нейтронной звезде, которая сама по себе невероятно плотная?
Таких вопросов на самом деле очень много. И они являются главной проблемой гравитационно-волновой астрономии. Показывая нам невидимые объекты, она действительно чрезвычайно мало рассказывает о них по сравнению с обычной.
В других подобных случаях астрономы всегда стараются смотреть на объекты изучения в разных диапазонах. Но гравитационно-волновая астрономия словно оторвана от остальной этой науки. Она просто не видит абсолютного большинства тех объектов, которые изучают остальные телескопы. А события, доступные ей, слишком кратковременны для того, чтобы быстро перенаправить на них самые большие инструменты оптического и радиодиапазона. Сейчас в этом направлении проводится огромная работа.
И это действительно очень важно, потому что на самом деле гравитационные волны должны рождаться во многих других случаях, таких как сверхновые и события приливного разрушения. Их также можно увидеть на огромных расстояниях, поэтому можно было бы поискать корреляции между показаниями интерферометров и телескопов, и это смогло бы нам много рассказать о том, как электромагнитное излучение связано с гравитацией, то есть о самих основах физики.
