Сегодня гравитационные волны для современной физики — явление базовое. В среднем их регистрируют раз в месяц, с их помощью изучают строение и эволюцию Вселенной. Но еще десять лет назад отсутствовали прямые доказательства их существования. А путь от теории до первой регистрации гравитационных волн у мирового научного сообщества занял около 100 лет. И в этом непростом, но крайне важном для науки деле роль советских, а затем российских физиков была одной из ключевых.
От теории к сомнениям
Впервые идею существования гравитационных волн высказал математик и астроном Анри Пуанкаре в 1905 г. Спустя 11 лет один из основателей современной теоретической физики Альберт Эйнштейн пошел еще дальше и вывел соответствующее решение из уравнений своей общей теории относительности (ОТО). Согласно ОТО, гравитационные волны — это колебательные изменения метрики пространства-времени, которые свободно распространяются от источника излучения со скоростью света. Их порождает взаимное вращение двух массивных тел вокруг общего центра масс с переменным ускорением.
Согласно ОТО, гравитационные волны порождает взаимное вращение двух массивных тел вокруг общего центра масс с переменным ускорением
Фото: kjpargeter / freepik.com
Эпохальная статья Эйнштейна на данную тему была опубликована в 1916 г. и называлась «Приближенное интегрирование уравнений гравитационного поля». Однако на протяжении десятков лет ученое сообщество, включая самого Эйнштейна, сомневалось в реальности этого феномена. Будущий нобелевский лауреат даже находил и исправлял ошибки в своих расчетах. Особенно активным критиком идеи был видный астрофизик и один из первых популяризаторов ОТО Артур Эддингтон. Он считал гравитационные волны вывертом теории и в ответ на положение Эйнштейна о том, что они должны иметь скорость света, в 1922 г. с иронией отметил, что «гравитационные волны распространяются со скоростью мысли». Но самая большая загвоздка была в том, что отсутствовал метод, с помощью которого можно было бы экспериментально подтвердить или опровергнуть существование гравитационных волн из-за их чрезвычайно слабого взаимодействия с материей. По этой причине схема типа «передатчик — приемник», как в опыте Франка — Герца, не подходила для детектирования предсказанного теорией феномена. Вплоть до самой смерти Эйнштейна в 1955 г. физическая реальность гравитационных волн вызывала серьезную полемику, а их свойства оставались практически неизвестными.
Скользящая бусинка и первый детектор
Дело сдвинулось с мертвой точки в 1957 г., когда космолог Герман Бонди и физик Ричард Фейнман предложили мысленный эксперимент под названием «аргумент скользящей бусинки» (Sticky bead argument).
Идея состояла в том, что если взять стержень, на который на некоем расстоянии надеты две бусинки, то проходящая гравитационная волна на него практически не повлияет, так как он жесткий. Но бусинки начнут смещаться вдоль стержня подобно прыгающим вверх и вниз буйкам на поверхности моря. Если они движутся вдоль стержня с некоторым трением, будет выделяться тепло и стержень будет греться. Энергии для нагрева стержня неоткуда взяться, кроме как от гравитационной волны. Для многих ученых это стало убедительным аргументом в пользу того, что гравитационные волны могут переносить энергию, а значит, существуют.
Вдохновился идеей коллег и американский физик Джозеф Вебер. Он же построил первый детектор гравитационных волн. Это был полуторатонный алюминиевый цилиндр с пьезодатчиками, регистрирующими его деформирование под действием гравитационной волны. В январе 1965 г. детектор начал работать с хорошей чувствительностью и с шумовой изоляцией. В 1969 г. Вебер объявил об обнаружении гравитационных волн, вызвав большой ажиотаж в научном мире. Однако в 1971 г. физик-теоретик и экспериментатор профессор Владимир Борисович Брагинский создал аналогичное устройство на кафедре физики колебаний физического факультета МГУ, проверил и не подтвердил результаты Вебера. Впоследствии создание более чувствительных установок данного типа в разных лабораториях мира также ни к чему не привело, но положило начало исследованиям по созданию гравитационно-волновых детекторов.
Доказательства косвенные и прямые
В 1962 г. советские физики Владислав Иванович Пустовойт и Михаил Евгеньевич Герценштейн впервые предложили более сложный на тот момент, но и более перспективный метод: в качестве детектора использовать лазерный интерферометр — то есть фиксировать тончайшие изменения интерференционной картины под действием приходящей гравитационной волны, когда вместо бусинок смещаются свободные массы (например, зеркала). Но тогда это казалось несбыточной мечтой. И почти 20 лет спустя, подхватив идею, от теории к практике решили перейти в Калифорнийском технологическом институте (Caltech ) и Массачусетском технологическом институте (MIT) в США. Профессоры Кип Торн, Рональд Древер и Райнер Вайсс приступили к созданию многомиллионного мегапроекта — LIGO (Laser Interferometric Gravitational Observatory). Это лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория, состоящая из двух детекторов: один начали строить на юге США в Ливингстоне, штат Луизиана, другой — на западном побережье в Хэнфорде, штат Вашингтон. И здесь американцам было не обойтись без наработок российских ученых. Во-первых, осталась проблема детектирования слабых гравитационных колебаний, а во-вторых, необходимо было определить главные астрофизические источники гравитационных волн.
Константин Александрович Постнов
Фото: Елена Либрик / «Научная Россия»
Директор Государственного астрономического института им. П.К. Штернберга МГУ член-корреспондент РАН Константин Александрович Постнов вспоминает, как один из идеологов проекта Кип Торн в конце 1980-х гг. часто приезжал в Москву к российским коллегам: «Он все время спрашивал нас, что мы думаем об источниках с астрофизической точки зрения. От этого зависело, на какой диапазон частот настраивать детекторы LIGO».
В то время основные надежды возлагались на систему двойных нейтронных звезд, или пульсаров, вращающихся вокруг общего центра масс. ОТО предполагала, что такая система должна терять орбитальную энергию и сближаться за счет излучения гравитационных волн. Что и подтвердила система пульсара PSR B1913+16, которую обнаружили и изучили физики Джозеф Тейлор и Рассел Халс. В 1993 г. они получили Нобелевскую премию за свою работу, но это было лишь косвенное подтверждение существования гравитационных волн.
Группа российский ученых, среди которых был К.А. Постнов, со своей стороны провела расчет и пришла к выводу, что по частоте детектирования первыми будут двойные черные дыры. Они в десять раз массивнее, чем известные на тот момент двойные нейтронные звезды, и, следовательно, согласно ОТО, амплитуда сигнала от их слияния должна быть больше. К тому же такой сигнал будет регистрироваться с бóльших расстояний, а значит, объем, доступный для наблюдений детектором, будучи пропорционален кубу этого предельного расстояния, гораздо больше, чем для двойных нейтронных звезд.
«Дело в том, что детекторы LIGO работают в определенном диапазоне частоты гравитационных волн до килогерца. С астрофизической точки зрения необходимая чувствительность детекторов должна быть в районе сотни герц, поскольку, согласно нашим расчетам, именно при таком значении можно зафиксировать слияние двойных черных дыр с массами, эквивалентными десяткам масс Солнца. И позже это подтвердилось на практике», — рассказывает К.А. Постнов.
За гранью возможного и на пределе чувствительности
В основе лазерных детекторов гравитационных волн LIGO лежит модифицированный интерферометр Майкельсона, в каждом из двух плеч которого благодаря дополнительным зеркалам из кварцевого стекла образуются резонаторы Фабри — Перо. Эти зеркала на особом подвесе служат пробными массами, расстояние между которыми меняет пришедшая гравитационная волна. Она удлиняет одно плечо и одновременно укорачивает второе. Из-за малой амплитуды волны эти смещения ничтожны и составляют порядка 10-19–10-22 м в диапазоне частот от 10 Гц до нескольких килогерц. При этом длина плеч в рамках проекта LIGO была построена длиной 4 км, что позволило существенно увеличить чувствительность детекторов, поскольку сигнал от гравитационных волн пропорционален расстоянию между пробными массами.
В основе лазерных детекторов гравитационных волн LIGO лежит модифицированный интерферометр Майкельсона, в каждом из двух плеч которого благодаря дополнительным зеркалам из кварцевого стекла образуются резонаторы Фабри — Перо
В то же время оставалась проблема снижения всех видов шумов, которые могут замаскировать или имитировать столь слабый полезный сигнал: от колебания земной поверхности, вызванного сейсмикой и антропогенными факторами, до броуновского шума как результата теплового движения атомов и молекул. И здесь на помощь пришла научная группа физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, которую возглавлял В.Б. Брагинский. Российские ученые сразу активно включились в работу и больше десятка лет играли ведущую роль в создании сверхчувствительных детекторов LIGO.
К слову, в 1976 г. Кип Торн приглашал В.Б. Брагинского возглавить проект по поиску гравитационных волн в Caltech. Дело в том, что в 1968 г. Брагинским был открыт так называемый стандартный квантовый предел (СКП). Это ограничение, налагаемое на точность непрерывного или многократно повторяемого измерения какой-либо величины, которое следует из принципа неопределенности Гейзенберга. Согласно ему, невозможно одновременно точно определить положение и импульс. Точное измерение импульса частицы сопровождается неопределенностью в измерении ее координаты и наоборот. И спустя время поиск методов преодоления этого предела привел к созданию двух новаторских работ, в которых были предложены схемы измерений, идеологически близкие, но разные по методу реализации, позволяющие преодолеть СКП. Автором одной работы была научная группа В.Б. Брагинского, второй — научная группа Кипа Торна.
В дальнейшем эти и другие идеи российских физиков позволили довести чувствительность детекторов LIGO до уровня, способного наблюдать слияние черных дыр. Например, группа Брагинского обнаружила новый класс фундаментальных термодинамических шумов в зеркалах детектора, что привело к существенному изменению в его оптической конфигурации — решению отказаться от кристаллического сапфира в пользу кварца. Был открыт феномен параметрической неустойчивости, который появляется при больших мощностях оптической накачки в интерферометре, и предложены способы его преодоления. Были также разработаны уникальные монолитные кварцевые подвесы пробных масс, снижающие избыточные механические шумы.
И все-таки Эйнштейн не ошибся
Апофеоз всей 20-летней совместной работы случился 14 сентября 2015 г. в 13:51 по московскому времени. Впервые в истории науки сначала в Ливингстоне, а через 7 мс в Хэнфорде детекторы LIGO зарегистрировали сигнал слияния двух черных дыр с амплитудой гравитационной волны в максимуме около 10−21. Массы объектов были в 36 и 29 раз больше массы Солнца, расстояние до события — 1,3 млрд световых лет. При слиянии примерно три солнечных массы превратились в гравитационные волны, максимальная мощность излучения которых была примерно в 50 раз больше, чем от всей видимой Вселенной.
Таким образом, предсказания ОТО 1916 г. нашли свое подтверждение и было положено начало новой области гравитационно-волновой астрономии. Физики Кип Торн, Райнер Вайс и Барри Бэриш удостоились Нобелевской премии по физике за создание LIGO и открытие гравитационных волн.
К.А. Постнов: «Когда гравитационные волны стали наблюдать в электромагнитном диапазоне, в науке появился новый термин — многоканальная астрономия. Она исследует астрономические источники с помощью электромагнитного излучения, гравитационных волн, нейтринного излучения и т.д. »
Фото: Елена Либрик / «Научная Россия»
В дальнейшем детектирование сигналов шло по нарастающей. К работе присоединился франко-итальянский детектор VIRGO, построенный рядом с Пизой в Италии. Важным событием стала регистрация всеми тремя детекторами слияния двух нейтронных звезд в созвездии Гидры 17 августа 2017 г. Тогда вместе с гравитационным всплеском зафиксировали гамма-излучение. Во-первых, это подтвердило еще одно предположение Эйнштейна о том, что гравитационные волны должны распространяться со скоростью света, во-вторых, позволило подключить к наблюдению события оптические и радиотелескопы по всему миру. В последующие дни после столкновения было зарегистрировано электромагнитное излучение в диапазонах, включающих рентгеновские, ультрафиолетовые, оптические, инфракрасные и радиоволны.
«То есть открылся новый канал информации об источниках гравитационных волн, когда их стали наблюдать в электромагнитном диапазоне. Даже появился такой новый термин в науке — многоканальная астрономия. Она исследует астрономические источники с помощью электромагнитного излучения, гравитационных волн, нейтринного излучения и т.д. А это уже комплексный подход к изучению объектов во Вселенной. То есть прогресс произошел колоссальный», — поясняет К.А. Постнов.
Детектирование гравитационных волн помогло открыть большое количество черных дыр, чьи массы превосходят сотню масс Солнца, что не соответствует существующим моделям эволюции звезд
Фото: unlim3d / ru.123rf.com
Теперь стало возможным изучать свойства и строение черных дыр, ранее не поддававшиеся наблюдению. Кроме того, открыто большое количество черных дыр, чьи массы превосходят сотню масс Солнца, что не соответствует существующим моделям эволюции звезд. Появился также шанс увидеть гипотетический период быстрого расширения Вселенной в первые 10−36 сек. после Большого взрыва, когда были образованы первичные гравитационные волны, для чего требуется большая чувствительность детекторов, над повышением которой и работает команда LIGO. Сегодня это целое международное научное сообщество, в которое входят две научные группы из России. Одна представляет кафедру физики колебаний физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, другая — Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова РАН.
Россия также участвует в совместной с Китаем работе по созданию гигантского космического интерферометра с заданной длиной плеч в десятки тысяч километров. Результатом нового проекта станет запуск на высоту 40 тыс. км от Земли трех геостационарных спутников, которые будут оснащены научным оборудованием.
«Мы участвуем в разработке космического интерферометра в рамках программы TianQin, который будет запущен в середине 2030-х гг. Он предназначен для регистрации гравитационных волн в миллигерцевом диапазоне. Если детекторы LIGO работают в высокочастотном диапазоне от 1 Гц до 1 кГц, то там будет от 0,1 мГц до 1 Гц. То есть новый диапазон частот даст возможность изучить новые источники излучения, например двойные системы сверхмассивных черных дыр и двойные системы с экстремальным соотношением масс. А это еще одна область астрофизики, которая пока остается сугубо теоретической», — рассказывает К.А. Постнов.
Строят свою лазерную интерферометрическую космическую антенну и европейцы. Проект LISA (Laser Interferometer Space Antenn) возглавляет Европейское космическое агентство (ЕКА) при поддержке стран — членов ЕКА и NASA. Запуск в космос трех спутников запланирован также на середину 2030-х гг.
Таким образом, за 100 с лишним лет гравитационные волны превратились из феномена, вызывающего скепсис и иронию, в одну из самых перспективных и многообещающих областей современной фундаментальной и прикладной науки. И, судя по всему, главные открытия еще впереди.
Источник изображения на главной странице: nasaimages / ru.123rf.com
Источник изображения на превью: wahyu_t / freepik.com
Источники изображений в тексте: kjpargeter / freepik.com, unlim3d / ru.123rf.com, vershininphoto / ru.123rf.com
