Материалы портала «Научная Россия»

Послания черных дыр

Послания черных дыр
Директор нижегородского Института прикладной физики РАН Aлександр Сергеев — о недавней регистрации гравитационных волн обсерваторией LIGO, где работает команда специалистов из его института.

Давным-давно, 1 млрд 300 млн лет тому назад, в месте, удаленном отсюда на 1 млрд 300 млн световых лет, столкнулись две черные дыры. Были они относительно невелики и по массе превышали Солнце соответственно в 39 и 26 раз. Вращаясь друг относительно друга с огромной скоростью и затрачивая на один оборот по нескольку миллисекунд, они наконец слились, издав «гравитационный вопль» с энергией трех Солнц. 14 сентября прошлого года этот вопль в сильно ослабленном виде достиг Земли, растянув размеры в одном направлении и сжав их в другом, перпендикулярном первому. Это изменение, измеряемое всего лишь десятитысячными долями от радиуса протона, сумели зарегистрировать расположенные в США детекторы обсерватории LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) – это был сигнал в звуковом диапазоне, длящийся пятую долю секунды и нарастающий по амплитуде и частоте. Чудом кажется уже не только то, что ученым удалось подтвердить сделанные 100 лет назад предсказания Альберта Эйнштейна и впрямую услышать гравитационные шумы Вселенной, но и сам факт, что такой слабый шум вообще можно услышать.

- Но это, конечно, не чудо, – заявил в разговоре с корреспондентом нашего журнала член-корреспондент РАН Александр Михайлович Сергеев, директор нижегородского Института прикладной физики РАН, команда из которого принимала участие в создании гравитационной обсерватории, – а удивительный результат работы более чем тысячи ученых и специалистов со всего света, четверть века подряд пытавшихся добиться такой чувствительности. Я бы сравнил эти попытки с попытками человека, находящегося в шумном вагоне, расслышать то, что говорит ему собеседник по мобильному телефону. Сначала он уходит туда, где потише, в тамбур, например, а потом, если и это не помогает, вообще выходит из вагона, ищет место, где как можно меньше посторонних шумов… Если связь плохая, ему будет нужен телефонный аппарат, который сам не шумит. Дальше по отдельным доносящимся звукам он пытается угадать смысл сказанного. Если собеседник иностранец, он ничего не поймет, а если соотечественник, да еще родственник, чей словарь и чьи интонации хорошо знакомы, он с большей вероятностью разберет телефонное послание. Именно по такому сценарию и шло строительство детекторов обсерватории LIGO.

Директор нижегородского Института прикладной физики РАН член-корреспондент РАН А.М. Сергеев

Директор нижегородского Института прикладной физики РАН член-корреспондент РАН А.М. Сергеев

- И что представлял собой этот сценарий?

- Напомню прежде историю создания LIGO – это позволит понять дальнейшее. Идея создать такую обсерваторию обрела жизнь в США в начале 1990-х гг. Именно в эти годы американцы закрыли у себя строительство  суперколлайдера нового поколения с параметрами, превосходящими тот, который потом построили в Европе объединенными усилиями многих стран. Дороговизна проекта и массовые протесты налогоплательщиков привели к такому отказу, но вместо него на первый план вышло строительство другой суперустановки, которая, используя метод лазерной интерферометрии, могла бы улавливать неуловимые прежде гравитационные волны. И этот проект оказался самым крупным проектом, реализованным Национальным научным фондом США за всю историю его существования.

Теоретически эта идея была известна давно, еще в 1960-е гг. ее озвучили сначала наши теоретики М.Е. Герценштейн и В.И. Пустовойт, потом появились и американские работы, однако долгое время она была практически неосуществима. Не хватало многого, прежде всего лазерных технологий, а также материаловедческих, способных обеспечить нужные материалы для оптических элементов нужного качества и многого другого. И только к 1990-м гг. технологии дошли до такого уровня, что можно было хотя бы попробовать. Так возникла идея установки LIGO, которая, может быть, и не была способна зарегистрировать гравитационные волны, но с ней по крайней мере можно было бы понять, как двигаться дальше.

Идея заключалась в том, чтобы использовать характерное свойство гравитационной волны изменять метрику пространства особым образом – расширять ее в одном направлении и сжимать в ортогональном. Эту разницу могут почувствовать две световые волны, распространяющиеся перпендикулярно друг другу. В грубом приближении это должно было выглядеть так: луч лазера разбивается на два перпендикулярных друг другу луча, и они начинают бегать между своими зеркалами, встречаясь в приемнике и интерферируя между собой. Гравитационная волна меняет интерференционную картину, что уже может быть зафиксировано.

Итак, следуя «телефонному» сценарию, американцы для начала выбрали два самых тихих места для своих детекторов – одно в штате Вашингтон, на заброшенном ядерном полигоне на границе с штатом Орегон, а второе в Луизиане, где в краю тропических и субтропических лесов можно было найти тихий уголок. Дальше требовалось сделать так, чтобы шумы детектора не заглушали полезного сигнала. Природа по какой-то случайности устроена так, что самым «бесшумным» диапазоном для LIGO оказался диапазон, который воспринимает человеческое ухо, – 10-1000 Гц. Поэтому с помощью этой обсерватории можно в буквальном смысле слова услышать гравитационные волны. И, что очень важно, требовались стабильные и очень мощные лазеры, которые появились только к 1990-м гг. Еще требовалось выделить из всего многообразия космических шумов этого диапазона те, которые вызываются гравитационными волнами. Здесь уже потребовались знания теоретиков. По их расчетам оказалось, что гравитационный всплеск от слияния двух крупных звезд или черных дыр должен порождать очень характерный сигнал с постепенно увеличивающимися частотой и амплитудой, а затем идет резкий обрыв. Такого типа сигнал и был практически одновременно зафиксирован на двух антеннах LIGO в Вашингтоне и Луизиане.

Изолятор Фарадея для LIGO

Изолятор Фарадея для LIGO

- Каков был российский вклад в LIGO?

- Там работали только две российские группы – мы и группа из МГУ под руководством члена-корреспондента РАН В.Б. Брагинского. Сейчас он по возрасту от проекта отошел, его сменил профессор В.П. Митрофанов. На LIGO работали, приезжая и уезжая, исследователи из нашего института общим числом около 20 человек. В этом году от нас в проекте работают восемь человек. Если говорить про нижегородский вклад, мы были приглашены в коллаборацию из-за того, что наш институт был и остается одним из мировых лидеров в разработке мощных лазерных систем и оптических элементов для них. Один из таких элементов, обеспечивающий развязку лазерного источника и интерферометра, называется изолятором Фарадея. Не буду вдаваться в описание этих систем, скажу только, что без них LIGO не смог бы функционировать. Наш институт много сделал и по другим вопросам. Например, мы получили несколько грантов от американского Национального научного фонда на разработку приборов для дистанционного контроля поверхностей LIGO. В условиях сильного радиационного воздействия мощного лазерного излучения поверхности зеркал интерферометра могут «состариться», поэтому такой контроль попросту необходим. Московская группа, принимавшая участие в создании LIGO, – специалисты по очень чувствительным измерениям и регистрации квантовых шумов. Их участие, например, требовалось, когда надо было решать, из какого материала делать зеркала, из чего должны быть нити, на которых они подвешены, – по их совету вместо предполагаемого сапфира эти нити сделали из кварца, потому что сапфир, как они доказали, больше «хрустит» и вносит ненужный шум. Эта группа воспитана, как я уже сказал, Владимиром Борисовичем Брагинским. Он выдающийся ученый, и в LIGO чрезвычайно уважаемый человек. С тех пор как около 20 лет назад мы начали сотрудничать с LIGO, мне часто приходилось слышать, что работа группы Брагинского очень важна.

Вклад России в успех LIGO без сомнения меньше, чем ее вклад в бозон Хиггса. Причин тому несколько. Во-первых, на уровне российских агентств и министерства эти работы целенаправленно не поддерживались в отличие от сотрудничества с CERN. Вторая причина в том, что создание LIGO началось в смутную для нас пору, когда большинство наших лабораторий думали не столько о том, как детектировать гравитационные волны, сколько просто о том, как выжить. Мы-то оказались востребованы в LIGO потому, что у нас большая лазерная и оптическая культура и этим мы были известны в научном мире. Группа В.Б. Брагинского оказалась там тоже потому, что ее хорошо знали задолго до этого, а новичков в то время просто не оказалось. Есть несколько академических институтов, которые заняты схожими проблемами, но они больше ориентированы на Европу – на итальянский аналог американской гравитационной обсерватории под названием VIRGO.

- Что вы для себя получили из опыта работы в LIGO?

- Опыт работы в коллаборации LIGO был огромен. Команда очень интересная, сильная, о каждом из ее лидеров я мог бы с удовольствием говорить часами. Они находятся каждый в своем университете, но ежедневно встречаются в Интернете, активно общаются между собой. Американцы молодцы, они очень хорошо построили работу коллаборации. И знаете, эти две черные дыры, которые когда-то там столкнулись и послали сигнал, нами услышанный, они передали нам – я имею в виду Россию – несколько очень важных посланий.

Первое послание сводится к тому, что надо вкладывать деньги в крупные установки. Современное фундаментальное знание становится все более дорогим и глубоким. Требуется все более сложный инструментарий, особенно это видно в физике. Мы должны принять как факт, что через некоторое количество лет практически все фундаментальное знание будет генерироваться на больших установках типа LIGO или Большого адронного коллайдера, все остальное будет плестись в хвосте. Потому что если вы сделали инструмент с лучшими характеристиками, чем остальные, вы увидите явления, которых другие не увидят, и вы начинаете пожинать плоды этого превосходства. Только там это знание может быть получено, а поскольку его нужно «вытаскивать» из все больших глубин, его можно получать только в крупных исследовательских инфраструктурах. Это и есть фабрики фундаментального знания.

- У нас таких нет?

- Почему же? Лет пять назад правительственная комиссия приняла решение о том, что в России должно быть построено шесть новых исследовательских инфраструктур. Они называются у нас установками класса «мегасайенс». Они были отобраны на основе конкурса, было сказано, что мы их построим в течение десятилетия, но частично из-за неблагоприятной экономической ситуации, частично из-за реформирования, которое сейчас идет в науке, фактически сейчас из этих шести проектов финансируются два – и то с очень большим трудом. Достраивается реактор нейтронов в Гатчине. Сейчас начинается второй проект – строительство в Дубне ускорителя тяжелых ионов. С остальными худо, несмотря на то что они одобрены на самом высшем уровне.

В это время в США и Европе (особенно в Европе) есть программы по созданию более трех десятков таких исследовательских инфраструктур. И все это по стоимости установки класса LIGO.

Второе послание черных дыр состоит в том, что нельзя допускать разнесения центра управления наукой и центра компетенции. Я понимаю, у России как у государства есть свои приоритеты в науке, определяемые людьми пусть очень умными, но не учеными. Только ученый знает, в чем он действительно силен и на какие проекты нужно направлять основные силы. Если бы вы пришли в наше научное агентство или министерство, скажем, в январе, и потребовали бы сделать одним из главных приоритетов лазерный типа LIGO, там покрутили бы пальцем у виска и попросили бы вас больше их таким безумием не тревожить. Если бы вы с тем же пришли сейчас, после пресс-конференций по всему миру, рассказавших о гравитационном успехе Америки, реакция могла бы быть совершенно иной.

Я упоминал, что некоторые наши работы мы вели на гранты Национального научного фонда США. Частично мы финансировались из собственного базового бюджета академической организации. Если бы этого бюджета у нас не было, не было бы в LIGO и нас. А сейчас это базовое финансирование у академических институтов собираются отобрать, полностью заменив его конкурсным. И это будет беда, последствия которой представить трудно. Политика государства в отношении науки должна быть направлена не только на то, что сегодня, по мнению чиновников, нужно государству, но и на то, чтобы давать ученым самим определять, над чем работать и что может завтра оказаться крупнейшим научным открытием, которое никак не поместить в сегодняшние приоритеты.

ligo александр сергеев астрофизика гравитационные волны изолятор фарадея

Назад

Социальные сети

Комментарии

Авторизуйтесь, чтобы оставить комментарий