Гравитационная волна

Открытие гравитационных волн стало главной научной сенсацией 2016 года. Антон Первушин объясняет, что означает это открытие, почему его пришлось ждать сто лет и почему оно не переворачивает наши представления о вселенной, а наоборот, подтверждает их.

Сто лет назад, в 1916 году, великий Альберт Эйнштейн опубликовал первые статьи, посвящённые Общей теории относительности (ОТО). В них было показано, что гравитация вызвана деформацией самого пространства-времени под влиянием массы. Попробуем описать это наглядно. Если металлический шарик лежит на мягкой поверхности, то под ним образуется вмятина. И чем тяжелее шарик, тем вмятина глубже и обширнее. Так и космическое пространство, да и время заодно, «проминается» под массой планет, звёзд и галактик.

Хотя некоторые учёные приняли теорию Эйнштейна в штыки, она обладала важным качеством: могла предсказывать реальные наблюдаемые эффекты, а именно — деформацию пространства-времени рядом с массивными небесными телами. Собственно, Общая теория относительности и появилась как попытка объяснить наблюдаемый сдвиг перигелия Меркурия. В то время этот феномен объясняли влиянием неизвестной планеты поблизости от Солнца; ей даже придумали название — Вулкан. Пользуясь формулами Эйнштейна, можно было объяснить и математически описать этот сдвиг, не придумывая никакого Вулкана.

Несуществующий Вулкан в представлении художника

Теории требовались и другие подтверждения, и вскоре они были получены. В 1919 году Артур Эддингтон при наблюдении очередного солнечного затмения сумел зарегистрировать отклонение лучей звёзд, проходящих поблизости от нашего светила, — именно такое, как предсказывала ОТО.

В течение ХХ века было проведено много других экспериментов, которые прямо или косвенно подтверждали теорию. Например, был обнаружен эффект гравитационного линзирования, когда излучение далёких объектов усиливается или разделяется за счёт больших масс, находящихся на его пути. Поиск гравитационных линз породил целое направление в астрономии после того, как в 1979 году британские учёные на фотоснимках квазара QSO 0957+16 обнаружили не один квазар, а два одинаковых.

Есть и ещё более наглядное доказательство — так называемый «Крест Эйнштейна». Именно в виде креста из четырёх объектов с линзирующей галактикой в центре мы наблюдаем квазар QSO 2237+0305, находящийся в созвездии Пегаса на расстоянии 8 млрд. световых лет от нас.

«Крест Эйнштейна», фото NASA. На самом деле это один квазар, просто искажённый гравитационной линзой

Больше того, удалось подтвердить ещё два эффекта, предсказанные ОТО: замедление времени в гравитационном поле и слабое искривление пространства-времени, создаваемое Землёй. Прямые доказательства их существования получили с помощью космических аппаратов Gravity Probe, запущенных в 1976 и 2004 году.

После всего этого уже можно было уверенно заявить, что теория Эйнштейна работает и имеет практическое применение. Оставалась самая малость — зафиксировать предсказанные ею гравитационные волны, которые возникают в пространстве-времени при движении массивного тела, словно рябь на воде. Хотя они очень слабы, их можно зарегистрировать при наблюдении за объектами с огромной массой: квазарами, галактиками, чёрными дырами. Косвенные подтверждения их существования появлялись с начала 1990-х. И вот долгожданное открытие состоялось.

Если точнее, оно было сделано ещё 14 сентября 2015 года, но на обработку результатов ушло пять месяцев. И только вчера, 11 февраля 2016 года, ученые из международного проекта LIGO Scientific Collaboration смогли официально объявить, что им удалось зарегистрировать гравитационные волны с помощью двух лазерно-интерферометрических гравитационно-волновых обсерваторий, расположенных в штатах Луизиана и Вашингтон. Эти волны образовались в результате столкновения двух черных дыр, которое произошло 1,3 млрд лет назад.

Гравитационная обсерватория в штате Вашингтон

Сегодня об этом открытии пишут в восторженных тонах как о научной сенсации. Однако вопреки тому, что заявляют некоторые восторженные комментаторы, оно не способно «изменить мир». Скорее наоборот: предсказанный эффект лишний раз доказывает, что наши представления о Вселенной, сформировавшиеся сто лет назад благодаря Эйнштейну, пока что останутся неизменными.

Так что новых технологий типа антигравитационных двигателей, о которых мечтают любители фантастики и энтузиасты освоения космоса, открытие нам не принесёт. Ведь в рамках современной версии Общей теории относительности такие двигатели попросту невозможны.

Открытие гравитационных волн

Научный мир навсегда запомнит дату 11 февраля 2016. В этот день участники проекта ЛИГО (LIGO) объявили: после стольких тщетных попыток гравитационные волны найдены. Это реальность. На самом деле их обнаружили немного раньше: в сентябре 2015 года, но вчера открытие было признано официально. В The Guardian считают, что ученые непременно получат Нобелевскую премию по физике.

Причина гравитационных волн — столкновение двух черных дыр, которое произошло аж… в миллиарде световых лет от Земли. Представляете, насколько огромна наша Вселенная! Так как черные дыры — очень массивные тела, они пускают «рябь» по пространству-времени, немного его искажая. Вот и появляются волны, похожие на те, которые распространяются от камня, брошенного в воду.

Вот так можно представить гравитационные волны, идущие к Земле, например, от червоточины. Рисунок из книги «Интерстеллар. Наука за кадром»

Полученные колебания преобразовали в звук. Интересно, что сигнал от гравитационных волн приходит примерно на той же частоте, что и наша речь. Так что мы можем своими ушами услышать, как сталкиваются черные дыры. Послушайте, как звучат гравитационные волны.

И знаете что? Совсем недавно Стивен Хокинг заявил, что черные дыры устроены не так, как считалось раньше. Но ведь доказательств того, что они в принципе существуют, не было вовсе. А теперь есть. Черные дыры действительно «живут» во Вселенной.

Так, по мнению ученых, выглядит катастрофа – слияние черных дыр, — источник.

11 февраля состоялась грандиозная конференция, куда съехались больше тысячи ученых из 15 стран. Российские ученые тоже присутствовали. И, конечно, не обошлось без Кипа Торна. «Это открытие — начало изумительного, великолепного квеста для людей: поиска и исследования искривленной стороны Вселенной — объектов и явлений, созданных из искаженного пространства-времени. Столкновение черных дыр и гравитационные волны — наши первые замечательные образцы», — сказал Кип Торн.

Поиск гравитационных волн был одной из главных проблем физики. Теперь они найдены. И гений Эйнштейна подтвержден вновь.

В октябре мы взяли интервью у Сергея Попова, отечественного астрофизика и известного популяризатора науки. Он как в воду глядел! Осенью Сергей Попов сказал: «Мне кажется, что сейчас мы стоим на пороге новых открытий, что в первую очередь связано с работой детекторов гравитационных волн LIGO и VIRGO (Кип Торн как раз внес большой вклад в создание проекта LIGO)». Удивительно, правда?

Гравитационные волны, детекторы волн и LIGO

В книге «Интерстеллар. Наука за кадром» Кип Торн рассказывает: «Я был одним из основателей проекта ЛИГО в 1983 году (вместе с Райнером Вайсом из Массачусетского технологического института и Рональдом Дривером из Калтеха). Я сформулировал научные позиции ЛИГО и два десятка лет упорно работал, помогая воплотить этот проект в жизнь. Сейчас проект ЛИГО близок к готовности, и уже в этом десятилетии ожидается первая регистрация гравитационных волн». А ведь это — ожидание больших открытий — было совсем недавно. Сегодня это свершилось.

Аэрофотоснимок детектора гравитационных волн ЛИГО в Хэнфорде, Вашингтон. Фотография из книги «Интерстеллар. Наука за кадром»

Что ж, а теперь немного физики. Для тех, кто действительно хочется разобраться в том, что такое гравитационные волны. Вот художественное изображение тендекс-линий двух черных дыр, которые вращаются по орбитам друг вокруг друга, против часовой стрелки, и затем сталкиваются. Тендекс-линии порождают приливную гравитацию. Идем дальше. Линии, которые исходят из двух наиболее удаленных друг от друга точек на поверхностях пары черных дыр, растягивают все на своем пути, включая попавшую на рисунок подругу художницы. Линии же, исходящие из области столкновения, все сжимают.

Когда дыры вращаются одна вокруг другой, они увлекают следом свои тендекс-линии, которые походят на струи воды из крутящейся поливалки на газоне. На рисунке из книги «Интерстеллар. Наука за кадром» — пара черных дыр, которые сталкиваются, вращаясь одна вокруг другой против часовой стрелки, и их тендекс-линии.

Черные дыры объединяются в одну большую дыру; она деформирована и вращается против часовой стрелки, увлекая за собой тендекс-линии. Неподвижный наблюдатель, находящийся вдали от дыры, почувствует колебания, когда через него будут проходить тендекс-линии: растяжение, затем сжатие, затем растяжение — тендекс-линии стали гравитационной волной. По мере распространения волн деформация черной дыры постепенно уменьшается, и волны также ослабевают.

Когда эти волны достигают Земли, они имеют вид, показанный в верхней части рисунка ниже. Они растягивают в одном направлении и сжимают в другом. Растяжения и сжатия колеблются (от красного вправо-влево, к синему вправо-влево, к красному вправо-влево и т. д.) по мере того, как волны проходят через детектор в нижней части рисунка.

Гравитационные волны, проходящие через детектор ЛИГО.

Детектор представляет собой четыре больших зеркала (40 килограммов, 34 сантиметра в диаметре), которые закреплены на концах двух перпендикулярных труб, называемых плечами детектора. Тендекс-линии гравитационных волн растягивают одно плечо, сжимая при этом второе, а затем, наоборот, сжимают первое и растягивают второе. И так снова и снова. При периодическом изменении длины плеч зеркала смещаются друг относительно друга, и эти смещения отслеживаются с помощью лазерных лучей способом, который называется интерферометрией. Отсюда и название ЛИГО: Лазерно-интерферометрическая гравитационноволновая обсерватория.

Центр управления ЛИГО, откуда отправляют команды детектору и следят за полученными сигналами. Гравитационные детекторы ЛИГО расположены в Хэнфорде, штат Вашингтон, и Ливингстоне, штат Луизиана. Фото из книги «Интерстеллар. Наука за кадром»

Сейчас ЛИГО — интернациональный проект, в котором участвует 900 ученых из разных стран, со штабом, расположенным в Калифорнийском технологическом институте.

Искривленная сторона Вселенной

Черные дыры, червоточины, сингулярности, гравитационные аномалии и измерения высшего порядка связаны с искривлениями пространства и времени. Поэтому Кип Торн называет их «искривленной стороной Вселенной». У человечества до сих пор очень мало экспериментальных и наблюдательных данных с искривленной стороны Вселенной. Вот почему мы столько внимания отдаем гравитационным волнам: они состоят из искривленного пространства и предоставляют наиболее доступный для нас способ исследовать искривленную сторону.

Представьте, что вам приходилось видеть океан, только когда он спокоен. Вы бы знать не знали о течениях, водоворотах и штормовых волнах. Это напоминает наши сегодняшние знания об искривлении пространства и времени.

Мы почти ничего не знаем о том, как искривленное пространство и искривленное время ведут себя «в шторм» — когда форма пространства бурно колеблется и когда колеблется скорость течения времени. Это необыкновенно манящий рубеж знаний. Ученый Джон Уилер придумал для этих изменений термин «геометродинамика»

Особый интерес в области геометродинамики представляет столкновение двух черных дыр.

Столкновение двух невращающихся черных дыр. Модель из книги «Интерстеллар. Наука за кадром»

На рисунке выше изображен момент столкновения двух черных дыр. Как раз такое событие позволило ученым зафиксировать гравитационные волны. Эта модель построена для невращающихся черных дыр. Сверху: орбиты и тени дыр, вид из нашей Вселенной. Посередине: искривленное пространство и время, вид из балка (многомерного гиперпространства); стрелками показано, как пространство вовлекается в движение, а изменяющимися цветами — как искривляется время. Снизу: форма испускаемых гравитационных волн.

Гравитационные волны от Большого взрыва

Слово Кипу Торну. «В 1975 году Леонид Грищук, мой добрый приятель из России, сделал сенсационное заявление. Он сказал, что в момент Большого взрыва возникло множество гравитационных волн, причем механизм их возникновения (прежде неизвестный) был таков: квантовые флуктуации (случайные колебания — прим. ред) гравитационного поля при Большом взрыве были многократно усилены первоначальным расширением Вселенной и так стали изначальными гравитационными волнами. Эти волны, если их удастся обнаружить, могут рассказать нам, что происходило в момент зарождения нашей Вселенной».

Если ученые найдут первоначальные гравитационные волны, мы узнаем, как зародилась Вселенная.

Люди разгадали далеко на все загадки Вселенной. Все еще впереди.

В последующие годы, по мере того как совершенствовались наши представления о Большом взрыве, стало очевидно: эти изначальные волны должны быть сильными на длинах волн, соизмеримых с величиной видимой Вселенной, то есть на длинах в миллиарды световых лет. Представляете, сколько это?.. А на длинах волн, которые охватывают детекторы ЛИГО (сотни и тысячи километров), волны, скорее всего, окажутся слишком слабыми, чтобы их распознать.

Команда Джейми Бока построила аппарат BICEP2 , с помощью которого был обнаружен след изначальных гравитационных волн. Аппарат, находящийся на Северном полюсе, показан здесь во время сумерек, которые бывают там лишь дважды в год.

Аппарат BICEP2 . Изображение из книги «Интерстеллар. Наука за кадром»

Он окружен щитами, экранирующими аппарат от излучения окружающего ледяного покрова. В правом верхнем углу показан обнаруженный в реликтовом излучении след — поляризационный узор. Линии электрического поля направлены вдоль коротких светлых штрихов.

След начала Вселенной

В начале девяностых космологи поняли, что эти гравитационные волны длиной в миллиарды световых лет должны были оставить уникальный след в электромагнитных волнах, наполняющих Вселенную, — в так называемом космическом микроволновом фоне, или реликтовом излучении. Это положило начало поискам святого Грааля. Ведь если обнаружить этот след и вывести из него свойства изначальных гравитационных волн, можно узнать, как зарождалась Вселенная.

В марте 2014 года, когда Кип Торн писал эту книгу, команда Джеми Бока, космолога из Калтеха, кабинет которого находится рядом с кабинетом Торна, наконец обнаружила этот след в реликтовом излучении.

Это совершенно потрясающее открытие, но есть один спорный момент: след, найденный командой Джеми, мог быть вызван не гравитационными волнами, а чем-то еще.

Если действительно найден след гравитационных волн, возникших при Большом взрыве, значит, произошло космологическое открытие такого уровня, какие случаются, быть может, раз в полвека. Оно дает шанс прикоснуться к событиям, которые происходили спустя триллионную от триллионной от триллионной доли секунды после рождения Вселенной.

Это открытие подтверждает теории, гласящие, что расширение Вселенной в тот миг было чрезвычайно быстрым, на сленге космологов — инфляционно быстрым. И возвещает наступление новой эры в космологии.

Гравитационные волны и «Интерстеллар»

Вчера на конференции по поводу открытия гравитационных волн Валерий Митрофанов, руководитель московской коллаборации ученых LIGO, в которую входят 8 ученых из МГУ, отметил, что сюжет фильма «Интерстеллар» хоть и фантастичен, но не так далек от действительности. А все потому, что научным консультантом был Кип Торн. Сам же Торн выразил надежду, что верит в будущие пилотируемые полеты человека к черной дыре. Пусть они случатся не так скоро, как хотелось бы, и все же сегодня это намного реальнее, чем было раньше.

Не так уж и далек день, когда люди покинут пределы нашей галактики.

Событие всколыхнуло умы миллионов людей. Небезызвестный Марк Цукерберг написал: «Обнаружение гравитационных волн — самое большое открытие в современной науке. Альберт Эйнштейн — один из моих героев, поэтому я воспринял открытие так близко. Столетие назад в рамках Общей Теории Относительности (ОТО) он предсказал существование гравитационных волн. А ведь они так малы, чтобы их обнаружить, что пришло искать их в истоках таких событий, как Большой взрыв, взрывы звезд и столкновения черных дыр. Когда ученые проанализируют полученные данные, перед нами откроется совершенной новый взгляд на космос. И, возможно, это прольет свет на происхождение Вселенной, рождение и процесс развития черных дыр. Это очень вдохновляет — думать о том, сколько жизней и усилий было положено на то, чтобы сорвать покров с этой тайны Вселенной. Этот прорыв стал возможным благодаря таланту блистательных ученых и инженеров, людей разных национальностей, а также новейшим компьютерным технологиям, которые появились только недавно. Поздравляю всех причастных. Эйнштейн бы вами гордился».

Такая вот речь. И это человек, который просто интересуется наукой. Можно себе представить, какая буря эмоций захлестнула ученых, которые внесли свою лепту в открытие. Кажется, мы стали свидетелями новой эры, друзья. Это поразительно.

P.S.: Понравилось? Подписывайтесь на нашу . Раз в неделю присылаем познавательные письма и дарим скидки на книги МИФа.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *