Материалы портала «Научная Россия»

Открытие гравитационных волн: российский вклад

Открытие гравитационных волн: российский вклад
В Москве прошла пресс-конференция ученых, входящих в коллаборацию LIGO, 11 февраля известившую мир о долгожданном успехе экспериментов по поиску гравитационных волн.

«То, что они открыты, — несомненно», — сказал под бурные аплодисменты на пресс-конференции руководитель московской группы коллаборации LIGO, профессор Московского государственного университета Валерий Митрофанов. Пресс-конференция, организованная МГУ, состоялась одновременно с пресс-конференцией Национального научного фонда США 11 февраля 2016 года. Корреспонденту «Научной России» удалось узнать о значимом открытии и вкладе в него российских ученых из первых уст.

 

Детали открытия

Строго говоря, открытие сделано еще в сентябре прошлого года, 14 сентября 2015 года в 5:51 по летнему североамериканскому времени. Сигнал зафиксировали сразу два детектора проекта LIGO — в Вашингтоне и Луизинане. Причем, как рассказали российские участники проекта, на тот момент система еще не была официально запущена, шел подготовительный этап, а именно калибровка приборов. «Так что отчасти нам очень повезло поймать в этот момент сигнал от столь мощного события», — сказал Валерий Митрофанов.

Почти полгода понадобилось, чтобы проверить все данные и убедиться, что открытие реально. И, наконец, 11 февраля статья о нем появилась на страницах Physical Review Letters и разлетелась по миру.

Гонка за гравитационными волнами в общей сложности продолжается уже сто лет. В 1916 году их существование теоретически вывел Альберт Эйнштейн в рамках общей теории относительности. Это особая «рябь» на поверхности пространства-времени, гравитационные волны проявляются в виде скручивания пространства-времени, когда объекты огромной массы ускоряются. Таким образом, источник гравитационных волн — любое тело, обладающее массой и движущееся с ускорением. Проблема же состоит в том, что эти возмущения очень слабы. И чтобы их обнаружить, нужны объекты очень большой массы и детекторы с очень высокой чувствительностью.

Что на роль таких объектов хорошо подходят черные дыры, стало ясно примерно с 1960-х годов. И примерно с тех пор началась активная экспериментальная фаза по подтверждению теории Эйнштейна. Однако мощностей первых детекторов не хватало, чтобы зафиксировать гравитационные волны. Проект LIGO начал свою историю в 1980 году, в 1992 году, уже на активной фазе развития, к нему присоединились ученые из МГУ во главе член-корреспондентом РАН Владимиром Брагинским, одним из пионеров гравитационно-волновых исследований в мире. В 1997 году в коллаборацию вошли ученые из Института прикладной физики РАН (Нижний Новгород).

Вклад российских ученых

Новый этап проекта LIGO начался лишь в 2015 году после масштабных работ по модернизации оборудования. Именно эти доработки и помогли в итоге достичь результата. И не последняя роль в этой работе принадлежит нашим соотечественникам.

С самого начала основные усилия наших ученых были направлены на повышение чувствительности гравитационно-волновых детекторов, определение фундаментальных квантовых и термодинамических ограничений чувствительности, на разработку новых методов измерений. Теоретические и экспериментальные исследования российских ученых нашли свое воплощение при создании детекторов нового поколения, позволивших непосредственно наблюдать гравитационные волны от слияния двух черных дыр.

В процессе работы группы над проектом LIGO получены результаты, имеющие принципиальное значение не только для проекта поиска гравитационных волн, но и для физики в целом.

В частности, учеными МГУ создан уникальный подвес пробных масс, выполненный из плавленого кварца — физики смогли доказать, что именно этот материал оптимален по своим характеристикам. Экспериментально продемонстрировано, что в кварцевых подвесах отсутствуют избыточные механические шумы, обнаруженные в стальных нитях. А измеренное время затухания маятниковых колебаний пробной массы составило около пяти лет.

Кроме того, детально исследованы шумы, связанные с электрическими зарядами, находящимися на кварцевых зеркалах детекторов. «Мы работали над тем, чтобы заряды растекались как можно медленнее и не мешали измерениям», — пояснил Валерий Митрофанов. Также обнаружен новый класс фундаментальных термодинамических шумов в зеркалах детектора. Их анализ привел к существенному изменению в текущей оптической конфигурации LIGO. Собственно, различение шума и сигнала — это важнейшая задача в подобных экспериментах, когда речь идет о столь слабом сигнале.

Российские исследователи также указали на опасность эффекта параметрической неустойчивости интерферометра, который впоследствии был обнаружен в детекторах LIGO.

Наиболее существенным вкладом ИПФ РАН в LIGO стало изобретение уникальных оптических изоляторов, работающих при большой мощности лазерного излучения. Сотрудники ИПФ РАН не только разработали и изготовили эти изоляторы, но и установили их на детекторы. А сейчас в ИПФ РАН ведутся работы по созданию лазера для LIGO детектора гравитационных волн следующего поколения.

Сотрудники ИПФ участвуют в монтаже оборудования LIGO. Фотография предоставлена Ефимом Хазановым, зам. директора Института прикладной физики РАН

Сотрудники ИПФ участвуют в монтаже оборудования LIGO. Фотография предоставлена Ефимом Хазановым, зам. директора Института прикладной физики РАН

Чего ждать дальше

Российскими учеными предложены и проанализированы качественно новые топологии оптической системы гравитационно-волновых детекторов, основанные на принципах квантовой теории измерений, развиваемой в МГУ. Исследователи ожидают, что разработанные методы должны улучшить чувствительность следующих поколений детекторов и способствовать развитию гравитационно-волновой астрономии.

Валерий Митрофанов: «Это начало новой астрономии, гравитационно-волновой. Древние люди видели только в видимом свете, потом появились радиотелескопы, космические лучи, нейтрино… Теперь еще гравитационные волны. Этот канал позволит узнать о вселенной гораздо больше, чем знаем сейчас. Мы увидим небо в гравитационных волнах».

Еще одна надежда физиков — поймать гравитационные волны от Большого взрыва. А это означает — заглянуть в самое начало времен.

Наконец, исследователи надеются, что новый этап работ поможет решить глобальную проблему современной физики — «поженить» квантовую теорию и теорию относительности.

Есть и более практические надежды. По словам одного из российских участников коллаборации Сергей Стрыгина, «когда Герц продемонстрировал электромагнитные волны, никто не знал, что с этим делать, а теперь у нас есть wi-fi. Кто знает, как мы научимся применять гравитационные волны».

[Фотографии предоставлены пресс-службой Rambler&Co, если не указано иное]

гравитационные волны коллаборация ligo пресс-конференция

Назад

Социальные сети

Комментарии

Авторизуйтесь, чтобы оставить комментарий