Вранці 14 вересня 2015 року вчені, що працюють із лазерним інтерферометром LIGO, отримали від системи, яка контролює його роботу повідомлення про подію, що отримала позначення GW150914. Так людство отримало підтвердження існування у Всесвіті гравітаційних хвиль.
Хвилі навколо нас
Сьогодні спостереження гравітаційних хвиль стало звичайною практикою для астрономів. Майже кожного тижня виходять статті, присвячені новим відкриттям, здійсненим за їхньою допомогою. При цьому легко можна забути, що їхнє перше безпосереднє спостереження сталося лише 10 років тому.
Саме 14 вересня 2015 було зареєстровано подію GW150914, яка стала першою підтвердженою фіксацією гравітаційних хвиль. На перший погляд, може здатися, що цьому відкриттю приділяють занадто багато уваги. Для того, аби зрозуміти, чому це так важливо, варто згадати, що це взагалі таке.
Хвиля — це зміна деякої сукупності фізичних величин, яка може переміщуватися, віддаляючись від джерела виникнення, або коливатися всередині обмеженої області простору. Хвилі існують різних типів, але загальновідомим з давніх-давен є їхній механічний різновид, який можна спостерігати практично у будь-якій водоймі.
Хвиля має амплітуду — різницю між мінімальним та максимальним значенням величини, яка коливається (у випадку механічних коливань це, наприклад, рівень води), період або ж довжину хвилі — відстань у часі чи просторі між двома піками та частоту — кількість коливань за одиницю часу.
Механічні коливання є найбільш наочним прикладом, але він же може загнати людину у пастку хибних уявлень. Бо може виникнути відчуття, що коливається певне середовище, чи об’єкт, як, наприклад, струна музичного інструменту. Коли в останні пару століть вчені познайомилися з іншими видами коливань, це викликало низку проблем.
Бо якщо із хімічними хвилями, які є особливим видом хімічних реакцій ще можна говорити про певне середовище, то з електромагнітними, до яких належить і видиме світло, і радіохвилі, і рентгенівські промені, все не так просто. Їхнє розповсюдження не потребує наявності середовища, що складається з окремих атомів. Саме тому вони можуть вільно та нескінченно розповсюджуватися у вакуумі.
При цьому з поширенням у просторі вони не зникають зовсім, але закон збереження енергії не порушують. Тобто в міру того, як зростає фронт їхнього поширення, густина енергії в ньому весь час зменшується. Саме тому для того, аби побачити віддалені об’єкти, нам треба збирати випромінювання від них з великої площі.
Гравітаційні хвилі
Проте, все стало набагато гірше, коли на початку ХХ століття Ейнштейн створив теорію відносності. У 1916 році він вивів з неї наслідок, згідно із яким будь-яка маса, що рухається зі змінним прискоренням, має породжувати коливання гравітаційного поля, які мають вільно поширюватися у просторі.
Простіше кажучи, він передбачив існування нового типу хвиль — гравітаційних. А оскільки, згідно з теорією відносності, сама сила тяжіння насправді є викривленням простору, то й хвилі по своїй суті не належали до електромагнітних, а були саме коливанням кривини простору, яке поширюється у Всесвіті.
При цьому варто пам’ятати, що гравітація — найслабша з чотирьох фундаментальних взаємодій, а в міру поширення хвиль вони, як і електромагнітні, мають слабнути через закон збереження енергії. Тож, для того, аби підтвердити правоту Ейнштейна, треба шукати надзвичайно слабке і короткочасне коливання гравітаційного поля.
Саме тому ціле століття після теоретичного передбачення гравітаційні хвилі не могли знайти у космосі. Річ у тім, що абсолютна більшість об’єктів у ньому не здатні надати їм достатньо сили, аби ми їх могли відчути навіть теоретично. Виключенням є тісні пари масивних компактних об’єктів, таких як білі карлики, нейтронні зорі та чорні діри, які можуть зазнавати дуже значного змінного прискорення, особливо коли зливаються, а також скупчення галактик, що взаємодіють. Останні, хоча й не зазнають таких прискорень, не мають конкурентів в усьому Всесвіті за масою. Пізніше була висунута теорія, що й в ранньому Всесвіті могли народжуватися гравітаційні хвилі, які ми за певних умов можемо відчути й досі.
Шлях до виявлення
Проте, головне питання щодо виявлення гравітаційних хвиль залишалося невирішеним: як їх виявити? Адже по суті мова йде про таке викривлення простору, яке еквівалентне зменшенню відстані від Сонця до Нептуна на величину, що дорівнює товщині павутинки. То як же виявити таке крихітне відхилення.
Дослідники 1950–60-х років намагалися використовувати з цією метою механічні прилади, що вловлювали б коливання, які ніби як прийшли з нізвідки. І у 1969 році Джозеф Вебер оголосив про відкриття гравітаційних хвиль за допомогою одного з таких пристроїв.
Щоправда, відкриття так і не підтвердилося. Навпаки, виявилося, що на землі постійно присутні безліч джерел механічних коливань, значно сильніших, за гравітаційні хвилі з космосу. Машини, що проїжджають поруч із будівлею, рух тектонічних плит, просто людські розмови поруч — усе це доводилося враховувати й виключати з результатів вимірювань.
Одночасно виникла ідея інтерферометрії на довгих базах. Взагалі інтерференція — це явище, коли дві хвилі, накладаючись одна на одну, створюють не один пік, а одразу декілька, які розташовуються через рівні проміжки. Якщо застосувати цей принцип до двох променів когерентного (тобто такого, в якому коливання відбуваються в одній площині) випромінювання, то спостерігаючи за картинкою плям можна вимірювати надзвичайно малі коливання, що проходять крізь прилад.
Щоправда, побудувати з використанням цього принципу у 1970-80-х роках гравітаційно-хвильову обсерваторію було неможливо. Тому вчені вдалися до непрямих методів, які б дозволили хоча б точно підтвердити саме існування гравітаційних хвиль.
Тут на допомогу прийшла теорія випромінювання їх парами масивних об’єктів. На щастя, пульсари на той момент вже почали відкривати й один з них під назвою PSR B1913+16. Це — тісна подвійна система, що складається з двох нейтронних зір, кожна з яких приблизно у 1,4 раза переважає Сонце за масою. Однак тільки одна з них випромінює періодичні радіосигнали.
Обидва тіла рухаються видовженими орбітами навколо спільного центру мас. У найближчій точці відстань між ними становить лише 1,1 радіуса Сонця, а у найвіддаленішій — 4,8 сонячного радіуса.
Проте найцікавіша річ, яку визначили астрономи ще у 1974 році це те, що за кожен земний рік період обертання цих двох об’єктів зменшується на 76 мікросекунд. Такої неймовірної точності вимірювань вдалося досягти саме завдяки тому, що пульсар PSR B1913+16 являє собою високочастотний маяк, який обертається навколо своєї вісі 17 разів за секунду.
Визначена величина зменшення періоду обертання усього на 0,2% відрізняється від передбаченої у припущенні, що цей об’єкт постійно випромінює гравітаційні хвилі та витрачає на них свою енергію.
Хоча гравітаційні хвилі від PSR B1913+16 і досі не вдалося виявити, вчені не сумніваються у їхньому існуванні ще від моменту виявлення системи. Адже вона з фантастичною точністю поводить себе саме так, як мала б при їх випромінюванні.
LIGO та інші детектори гравітаційних хвиль
До початку ХХІ століття астрономи прийшли, маючи з одного боку велике бажання нарешті безпосередньо знайти гравітаційні хвилі, а з іншого — з технологіями, які вже дозволяли реалізувати схему лазерного інтерферометра, достатньо чутливого для того, аби побачити злиття чорних дір.
Втіленням цієї ідеї, автором якої є американський фізик Райнер Вайс, стала Лазерна інтерферометрична гравітаційно-хвильова обсерваторія, відома за скороченою назвою LIGO. Вона складається з двох ідентичних детекторів, один з яких знаходиться у Генфорді, штат Вашингтон, а другий — у Лівінгстоні, штат Луїзіана. Відстань між ними становить 10 світлових мілісекунд.
Це дозволяє за тим, із якою затримкою фіксується подія визначити, з якого боку прийшов сигнал. Кожен інструмент складається з джерела лазерного випромінювання, мішені, та системи дзеркал.
Перше з них ділить промінь на дві частини, які розходяться під кутом у 90 градусів і кожна проходить 4 км, знову відбивається, летить назад, інтерферує з іншим, в результаті чого світлочутливі датчики на мішені фіксують інтерференційну картинку. Вона постійно трохи коливається через купу усього, що відбувається на Землі, тому постійно фіксується певний рівень шуму.
Однак коли з космосу приходить гравітаційна хвиля, то вона дає значно чіткіший сигнал, який має серед цього шуму виділятися. LIGO запрацював у 2002 році, але за перші 8 років своєї роботи так і не зміг зареєструвати гравітаційні хвилі. Тому у 2010 розпочалася його глибока модернізація, яка тривала 5 років.
Паралельно з ним у Європі будувався схожий на нього конструктивно, але менший і одиничний інтерферометр VIRGO. Він розташований поблизу від італійського міста Піза, розпочав свою роботу у 2007 році.
У 2012 році на VIRGO теж розпочалася модернізація, яка закінчилася 2017 року і після якої він нарешті зареєстрував гравітаційні хвилі й відтоді працював разом із LIGO. У 2019 до них приєднався ще і японський інтерферометр KAGRA.
Епоха гравітаційно-хвильової астрономії
Примітно, що подію GW150914 LIGO зафіксував буквально в перші дні після відновлення своєї роботи у модернізованому вигляді. Тобто причинами того, чому він кілька років до того нічого не чув, була його технічна недосконалість.
Зате після удосконалення інтерферометри відкрили для нас світ об’єктів, які ми ніяк інакше не могли б побачити. Подія GW150914 була наслідком злиття чорних дір, яке сталося на відстані 1,2 млрд св. років від нас. Проте напрямок, з якого прийшов сигнал вдалося визначити тільки дуже приблизно.
Зате вчені з’ясували, що чорні діри, які брали участь у злитті, мали маси у 36 та 29 разів більше, ніж у Сонця. А об’єкт, який народився в результаті у 62 рази масивніший за наше світило. Ще приблизно три сонячні маси речовини в момент злиття перетворилися на гравітаційні хвилі.
При цьому з огляду на відстань до джерела сигналу, питання про те, що побачив би звичайний телескоп, який працює у якомусь з діапазонів електромагнітного спектра, є дискусійним. З цього погляду гравітаційно-хвильова астрономія має можливості, які переважають будь-що інше.
За 10 років, що минули з моменту виявлення GW150914 вчені зареєстрували вже десятки й сотні гравітаційних хвиль, що надходять звідусіль. Спільна робота LIGO, VIRGO та KAGRA дозволяє значно точніше визначати не тільки відстань до них, але й напрямок.
Завдяки гравітаційно-хвильовій астрономії ми тепер знаємо, що не тільки чорні діри зливаються між собою. Те саме відбувається з нейтронними зорями, білими карликами, а також між об’єктами різних класів. І це дійсно погляд на процеси, про які ми не маємо жодного уявлення. Наприклад, що станеться при зближенні чорної діри, яка усе може розірвати, та нейтронної зорі, яка сама по собі неймовірно щільна?
Таких питань насправді надзвичайно багато. І вони є головною проблемою гравітаційно-хвильової астрономії. Показуючи нам невидимі об’єкти, вона насправді надзвичайно мало розповідає про них у порівнянні зі звичайною.
В інших подібних випадках астрономи завжди намагаються дивитися на об’єкти вивчення у різних діапазонах. Але гравітаційно-хвильова астрономія ніби як відірвана від решти цієї науки. Вона просто не бачить абсолютної більшості тих об’єктів, які вивчають решта телескопів. А події, які доступні їй, занадто короткочасні для того, аби швидко перенаправити на них найбільші інструменти оптичного та радіодіапазону. Зараз у цьому напрямку проводиться величезна робота.
І це дійсно дуже важливо, бо насправді гравітаційні хвилі мають народжуватися у багатьох інших випадках, таких як наднові та події припливного руйнування. Їх також можна побачити на величезних відстанях, тож можна було б пошукати кореляції між показаннями інтерферометрів та телескопів і це змогло б багато нам розповісти про те, як електромагнітне випромінювання пов’язане з гравітацією, тобто про самі основи фізики.
