Как поймать волну
Что мы узнали о мире, открыв гравитационные волны
Десятилетия поисков пришли к кульминации – учёные из международной коллаборации LIGO «поймали» гравитационные волны. На пресс-конференции 11 февраля 2016 года в Вашингтоне были представлены самые прямые и явные доказательства их существования, а заодно и всей общей теории относительности. О том, как ученый мир ловил волны и что собирается делать с пойманными, мы расспросили одного из создателей современной физической картины Вселенной – профессора Вячеслава Муханова.
Гравитационные волны были предсказаны самим Эйнштейном в статье 1918 года, которая таки называлась – Über Gravitationswellen, «О гравитационных волнах». Их существование следовало из созданной великим физиком общей теории относительности, которой в прошлом году исполнилось ровно сто лет.
Гравитация
В теории Эйнштейна пространство и время образуют единую сущность – пространственно-временной континуум. «Пространство-время» подобно непрерывной и нервущейся ткани, способной изгибаться, сжиматься или расширяться. Любая масса, будь то планеты, звезды или целые галактики, способна эту ткань деформировать, словно тяжёлый шар, образующий вокруг себя воронку на растянутой ткани. Воронка, образованная тяжёлыми телами в ткани пространства-времени, «затягивает» в себя другие объекты, отсюда и эффект, который мы называем гравитацией. По сути, гравитация – это и есть взаимодействие простанства-времени со всеми физическими телами, полями и прочими объектами.
Когда мы стучим по туго натянутой ткани на бонго, по ней пробегают волны. Точно такие же волны могут бежать по «туго натянутой» ткани пространства-времени – это и есть те самые гравитационные волны.
Но чем нужно «постучать», чтобы взволновать пространство-время? Несмотря на то, что гравитация – это цемент, с помощью которого связаны все звезды и галактики нашей Вселенной, тем не менее это самая слабая из четырёх фундаментальных сил, управляющих миром. Гравитационные волны рождаются даже когда вы просто берете в руки кружку или хлопаете руками, но эти волны очень слабые и почти никак не меняют пространство-время.
Для рождения волн, достаточно мощных, чтобы их можно было «увидеть», необходимо событие катастрофических масштабов. Такое, как взрыв сверхновой звезды, в результате которого за считанные секунды высвобождается больше энергии, чем излучает Солнце за весь свой жизненный цикл длиной в 10 миллиардов лет. Или как слияние двух черных дыр.
Именно такую систему двух сливающихся чёрных дыр массами в 30 масс Солнца под незапоминающимся названием GW150914 увидели два детектора LIGO. Эта система при слиянии излучила гравитационные волны с энергией, эквивалентной трём солнечным массам, и большая часть этой энергии была излучена в последние доли секунды перед слиянием.
Слияние черных дыр – событие, грандиозное по масштабам. Но, несмотря на всю его мощь, до нас дошли лишь очень слабые его отголоски. Дело в том, что слияние произошло давным-давно, в далёкой-далекой галактике – примерно миллиард лет назад. Пройдя расстояние в миллиард световых дет и дойдя до нас, волна изрядно ослабла. Все, на что может хватить ее сил – исказить пространство на тысячную долю размера атомного ядра. Но как можно увидеть такое слабое возмущение пространства?
Гравитационный телескоп
Для этого и создавался детектор LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory – Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория). LIGO представляет из себя два тоннеля по четыре километра длиной, расположенных перпендикулярно друг к другу. На краях тоннелей расположены зеркала, между которыми бегает луч лазера. Два луча от двух тоннелей сводят и образуется интерференционная картинка. Если вдруг одно из зеркал по каким-то причинам двинется, то одно из плеч станет короче, соответствующий луч лазера пробежит меньшее или большее расстояние, и интерференционная картинка нарушится. Таким образом, нарушение этой картинки будет означать либо движение зеркал, либо укорачивание тоннеля, как при прохождении гравитационной волны.
Для исключения любого вида движений зеркал по сторонним причинам, например, из-за тепловых колебаний, их охлаждают до температуры в несколько микрокельвин – то есть сильно меньше одного градуса по шкале Кельвина, очень близко к абсолютному нулю. Однако остаются и сторонние причины нарушения интерференционной картинки, такие как подземные толчки или даже большегрузные машины, проезжающие мимо. Для исключения этих эффектов LIGO сделало два детектора, на расстоянии 3000 км друг от друга. Один из них находится в Ливингстоне (штат Луизиана), другой — в Хэнфорде (штат Вашингтон). Если два независимых детектора на большом расстоянии друг от друга видят одни и те же колебания зеркал – то в таком случае можно смело говорить о детектировании некоего глобального возмущения.
Гравитационная волна от слияния чёрных дыр была поймана 14 сентября 2015 года после перезапуска проекта LIGO, — в обсерватории была повышена чувствительность детекторов и проект стал называться Advanced LIGO. После сопоставления сигналов от детекторов в Хенфорде и в Ливингстоне стало понятно, что, как выразился инициатор создания LIGO Кип Торн, «мы больше не глухи к гравитационным волнам».
Учёные из коллаборации LIGO считают, что открыли новую страницу в истории наблюдений Вселенной. О значении их открытия мы расспросили Вячеслава Муханова
— одного из самых известных космологов, изучающих пространство-время и гравитацию, работающего последние двадцать лет в Мюнхенском университете имени Людвига — Максимилиана
Танец гигантов
— Итак, мы наконец обнаружили гравитационные волны?
— В принципе, гравитационные волны находили и до этого. В общем-то за это даже давали Нобелевскую премию – Тейлору и Халсу. Они наблюдали системы двойных нейтронных звезд и увидели, что у них период обращения друг вокруг друга слегка изменяется. Теоретически двойные системы должны были терять энергию за счёт излучения гравитационных волн – и это изменение периода обращения как раз соответствовало теоретической модели. За этот результат, который в каком-то смысле и был открытием гравитационных волн, они и получили Нобелевку. Сейчас конечно, мы их поймали в более прямом смысле. Но всё-таки, точный момент открытия вещь относительная, раньше для меня и данные от двойных систем были достаточно убедительными, чтобы говорить об открытии гравитационных волн.
Важно то, что сейчас построили обсерваторию для измерения гравитационных волн, своеобразный «гравитационный телескоп». Теперь у нас есть возможность их «видеть» — наблюдать астрофизические объекты с помощью гравитационных волн. Конечно, так можно узнать об этих объектах гораздо больше, чем без гравитационных волн. То же слияние черных дыр, вы бы вообще не увидели, несмотря на то, что при этом выделяется три Солнца энергии – но все в виде гравитационных волн. Поэтому наблюдение таких объектов – это фактически рождение новой области астрономии. Астрономии гравитационных волн. И если всё подтвердится, то при следующих запусках LIGO мы должны увидеть еще кучу интересных объектов.
— А насколько уникальны события слияния чёрных дыр или взаимодействия нейтронных звёзд?
— Мы не знаем точно, есть конкурирующие модели устройства Вселенной, ответ на ваш вопрос зависит от параметров той или иной модели. Надо знать, сколько чёрных дыр рождалось во Вселенной и как это вообще происходит. Как появляются нейтронные звезды, сейчас более-менее ясно: сверхновая взрывается, и в ее ядре оседает нейтронная звезда. А как образуются большие чёрные дыры? Тоже есть куча гипотез, но никто пока не может сказать это на 100%. Но есть достаточно надёжные оценки некоторых событий. Чувствительность LIGO потому и повысили, что были расчеты и надежды что-то увидеть.
— Мы наблюдали именно за этим объектом? То есть мы заранее знали, что в этом месте будет происходить слияние черных дыр?
— Нет, просто увидели сигнал, когда LIGO посмотрел в определённом направлении.
— А можно что-то новое сказать про образовавшуюся «черную сверхдыру», имея теперь на руках данные гравитационных волн от этого события?
— Можно проверить наши теории. Существует, например, теория слияния чёрных дыр, — она правильная или неправильная? Можно ещё много чего изучить в этом объекте: попытаться, например, ответить на вопросы как образовались эти дыры, как они образовали двойную систему, как сливались в результате потери энергии.
Бесконечные поиски и проверки
— А они точно нашли эти волны? Насколько «железобетонны» аргументы астрофизиков из LIGO?
— Это станет ясно в течение ближайшего года. Потому что если это настоящий сигнал, и если все оценки правильные это подтвердится дальнейшими наблюдениями. У Advanced LIGO существенно возросла чувствительность, мы сумели заползти как раз в ту область частот, где, по предварительным оценкам, должны ожидаться сигналы от компактных двойных систем. Конечно, объявлено, что сигнал реальный с огромной степенью вероятности (пять сигма). Но чтобы убедиться на 100%, надо немного подождать.
— Это открытие было ожидаемо у научном мире?
— Еще бы, конечно оно было ожидаемо! Гравитационные волны ищут с 1970-х. Об этом было море работ, и детекторов разных немало построили. Владимир Брагинский, разработавший несколько детекторов гравитационных волн, посвятил их поиску практически всю жизнь. Много было разных идей о том, как их детектировать. Кристаллы, например, пытались использовать, волна приходит, возмущает кристалл при очень низкой температуре, там появляются частички, которые называются фононами, и их регистрируют. Но в итоге оказалось, что все-таки самый многообещающий метод – это использовать лазерную интерферометрию как в LIGO, или как в детекторе GEO600 в Германии рядом с Ганновером.
Сейчас строятся и другие «гравитационные телескопы». Есть, например, еще проект под названием LISA, в рамках которого собираются запустить три спутника и создать с их помощью лазерный интерферометр в космосе. В конце прошлого года послали в космос протестировать аппаратуру, и, если все будет нормально, то сам эксперимент через 20 лет будут делать. В таких проектах речь идёт о десятилетиях.
— Почему их раньше не обнаружили, если так долго искали?
— Это неудивительно – просто не так давно появились расчеты, показывающие, при каком уровне чувствительности детекторов можно ожидать из засечь — и стало ясно, что раньше чувствительность была абсолютно недостаточной для того, чтобы такие сигналы увидеть.
— Сигнал почему-то зафиксирован на частоте человеческого голоса, его даже можно послушать в сети. От чего вообще зависит частота гравитационной волны?
— Частота зависит от того, с какой скоростью вращается двойная система. Частоты определяются характеристиками системы, которая излучает эти гравитационные волны. Такими, как характерное время изменения в системе — это время, которое требуется двум объектам, обращающиеся вокруг друг друга, чтобы поменяться местами. А то, что сигнал зафиксирован на частоте человеческого голоса, — я думаю, случайно получилось. Вряд ли тут стоит искать глубокий мистический смысл.
Что дальше
— Что можно увидеть, «наблюдая» гравитацию?
— Хотелось бы увидеть какие-то новые, невиданные ранее объекты во Вселенной. Гравитационные телескопы не дадут заглянуть очень далеко, но мы многое сможем увидеть, в близлежащих областях Вселенной, отстоящих не дальше, чем на 10 миллиардов световых лет.
— Как вам кажется, в перспективе возможно ли будет создать искусственный источник гравитационных волн, или антигравитационных?
— Я думаю, что нет. Гравитационные волны – это очень слабенькие вещи. Для того, чтобы у нас не Земле эту амплитуду получить, надо чтобы 30 солнечных масс слилось. Естественно, когда у нас на Земле вы двигаете рукой, то рука тоже гравитационные волны излучает. Но я не вижу в ближайшей перспективе возможности детектировать или как-то использовать эти гравитационные волны.
— Значит, это открытие не изменит будущее человечества?
— Кто же знает? Это фундаментальная наука. Никто никогда не знает, какие плоды принесет фундаментальная наука. Для заботы об улучшении человеческой жизни существует прикладная наука. А фундаментальная наука должна заботиться о том, чтобы открывать новые перспективы, и чтобы как можно больше узнать о мире, в котором мы живём. Не вся жизнь сводится к тому, чтобы есть, пить и извлекать из всего пользу.
— Есть гравитационные волны от астрофизических объектов вроде двойных систем, а есть первичные гравитационные волны, которые были в начале рождения нашей Вселенной. Можно ли использовать эту технологию, чтобы их поймать?
— Нет, с помощью этих детекторов первичные гравитационные волны увидеть ни как нельзя. Опять же, потому что у детекторов на этих частотах недостаточная чувствительность. И, к сожалению, нет перспектив и возможности опустить чувствительность на столько порядков величины, чтобы можно было наблюдать первичные гравитационные волны. В позапрошлом году пытались засечь первичные гравитационные волны другим способом – не с помощью интерферометров, а с помощью их влияния на флуктуации реликтового излучения. И даже поторопились объявить об их открытии, как потом оказалось, ошибочно.
— Гравитационные волны были предсказаны 100 лет назад. Бозон Хиггса — 50 лет назад. Какое следующее давно предсказанное открытие нас ждёт?
— Честно говоря, трудно представить. Сейчас, по крайней мере, ничего не строится такого, чтобы было рассуждать про следующий шаг. Бозон Хиггса был открыт на ускорителе в Церне, который ведь немало времени строили. И на эксперименты по открытию гравитационных волн пришлось потратить несколько десятилетий. Надеюсь, что хоть эти огромные усилия окончательно увенчались успехом!
Вячеслав Муханов
Профессор, космолог, руководитель кафедры астрочастиц Мюнхенского университета имени Людвига-Максимилиана. Родился в 1956 году, учился в МФТИ, с 1992-го работал в Цюрихе, с 1997-го — в Мюнхене. Один из создателей инфляционной теории, которую считают самым важным вкладом в теоретическую физику за последние 30 лет. В 1981 году в сотрудничестве с Г. Чибисовым разработал модель возникновения крупномасштабной структуры Вселенной из квантовых флуктуаций. Предсказания этой теории были недавно подтверждены в экспериментах по измерению флуктуаций температуры реликтового излучения. В 2009 году вместе с А. Старобинским получил Tomalla Prize — одну из самых престижных наград в астрофизике, которую вручают за выдающийся вклад в общую теорию относительности и теорию гравитации.
Источник