Привет через миллиард лет. Гравитационные волны как ключ к тайнам космоса

11 февраля ученые объявили об эпохальном открытии XXI века – регистрации гравитационных волн, сравнимом лишь с открытием бозона Хиггса. Свидетельство существования волн было получено еще 14 сентября прошлого года, однако сигнал нужно было обработать, «почистить» и проверить, чтобы сделать официальное заявление. Сенсационный результат принадлежит LIGO (Лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории) в США, однако активное участие в открытии принимали ученые из Японии, Италии, России и других стран мира.

Астрономы и физики наконец-то вздохнули с облегчением: эта проблема не дает им покоя, с тех пор как Альберт Эйнштейн предположил, что движущееся с ускорением тело может излучать гравитационные волны. Однако уровень научных технологий не позволял до сих пор доказать это экспериментально. Дело в том, что сигнал гравитационных волн крайне слаб. Так, Эйнштейн рассчитал, что мощность гравитационного излучения вращающегося с предельной скоростью стержня длиной один метр составляет мизерную величину -10 в минус 37 ватта. Так что реальный шанс поймать эти волны – это взаимодействия крупных небесных тел или космические катастрофы. И вот в 1974 году был открыт двойной пульсар (две нейтронные звезды, вращающиеся с огромной скоростью и постепенно притягивающиеся друг к другу), косвенно подтвердивший наличие гравитационных волн, за что двое первооткрывателей были удостоены Нобелевской премии по физике 1993 года. А в 2014 году астрономы обнаружили следы гравитационных волн в реликтовом излучении. Но напрямую зарегистрировать волны удалось только сейчас.Сигнал пришел от двух черных дыр, слившихся на самом горизонте нашей Вселенной. В итоге мы заглянули невообразимо далеко в ее историю: около 1,3 миллиарда лет назад черные дыры массой примерно в 29 раз и в 36 раз больше Солнца вращались вокруг друг друга и в конце концов слились в одну. В долю секунды энергия, эквивалентная трем массам Солнца, выделилась в виде гравитационных волн, и только недавно они достигли Земли. Прохождение гравитационной волны, поясняют ученые, аналогично волне на воде, проходящей между двумя поплавками: если измерить расстояние между ними во время и после прохождения волны, то оказалось бы, что оно изменилось, а потом снова стало прежним.Эти изменения и зарегистрировали ловушки – телескопы (интерферометры) LIGO, установленные в двух американских штатах на расстоянии около 3000 километров. Удача пришла к ним после более чем 20-летней работы, после модернизации, многократно повысившей их чувствительность (кстати, у LIGO есть многочисленные конкуренты, например, VIRGO в Италии, GEO-600 в Германии, TAMA-100 в Японии). Гравитационно-волновой интерферометр устроен как две трубы примерно по 3-4 километра в длину, расположенные в форме буквы «г», но с одинаковыми плечами и под прямым углом. Внутри них в условиях высокого вакуума распространяются лазерные лучи, которые отражаются от подвешенных в противоположных концах антенн зеркал. Гравитационная волна должна деформировать плечи телескопа, и тогда разные лучи, идущие по разным оптическим путям, придут на выход с небольшими задержками. Именно их в конечном счете и зарегистрировали экспериментаторы в 10 минус 19-й степени метра: на сегодня это предельная точность измерения, которой удалось достичь.Таким образом, было подтверждено одно из важных положений общей теории относительности Эйнштейна.- И это значит, что открыто новое окно в космос – к гравитационной астрономии, – считает руководитель группы российских ученых, ставших соавторами открытия, профессор физического факультета МГУ Валерий Митрофанов.Вообще вклад наших ученых в открытие гравитационных волн довольно значителен. Еще в 1962 году советские ученые Михаил Герценштейн и Владислав Пустовойт предложили способ регистрации волн. А один из пионеров гравитационно-волновых исследований в мире – российский физик Владимир Брагинский – создал на базе физического факультета МГУ школу, воспитанники которой смогли активно участвовать в проекте LIGO. Группа Брагинского (лишь недавно его заменил Митрофанов) разработала сложнейшие системы, которые позволяют выделить такой слабый сигнал на фоне шума. Помимо ученых МГУ в экспериментах активно участвовала научная группа под руководством члена-корреспондента РАН Александра Сергеева (Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород). Также изучение астрофизических источников гравитационных волн (в частности, двойных нейтронных звезд и черных дыр) велось российскими учеными в Институте астрономии РАН (Александр Тутуков, Лев Юнгельсон) и в ГАИШ МГУ (Владимир Липунов, Константин Постнов, Михаил Прохоров). Им принадлежит первенство в предсказании открытия наземными лазерными интерферометрами именно сливающихся двойных черных дыр.Да и сам сигнал распознала и проанализировала сложная компьютерная программа – алгоритм, созданный российским ученым Сергеем Клименко, работающим сейчас во Флоридском университете в США и участвующим в проекте LIGO. Суть программы в том, что она способна вычленить нужную информацию в потоке посторонних шумов и оценить ее достоверность. Получив уведомление от своей программы, что получен интересный сигнал, ученый сразу предупредил о случившемся коллег, работавших на детекторах. В данном случае это было принципиально важно, поскольку устройства находились еще в пробном режиме, то есть в систему могли быть внесены изменения, после которых доскональная проверка сигнала стала бы невозможна. Так что без россиянина открытие могло и не состояться.Все ведущие ученые мира уверены, что открытие гравитационных волн принесет его участникам Нобелевскую премию, и, возможно, не одну. Если помечтать, то открытие гравитационных волн приближает науку пусть не к созданию машины времени, то хотя бы к началу понимания такой сложнейшей материи, как время и пространство, которые искривляются при сильной гравитации. Например, знаменитый физик Джозеф Вебер был уверен, что гравитационные волны послужат «инструментом коммуникаций между передовыми цивилизациями, способными контролировать целые галактики».КомментарийКонстантин ПОСТНОВ, доктор физико-математических наук, профессор кафедры астрофизики и звездной астрономии физического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова:- Значение этого открытия для фундаментальной науки трудно переоценить. Оно положило начало новой эпохе в исследовании экстремальных космических объектов – нейтронных звезд и черных дыр – методами, которые напрямую зондируют сверхсильные гравитационные поля. Улучшение чувствительности лазерных телескопов еще в несколько раз, которое ожидается в ближайшие годы, и строительство новых интерферометров такого класса в Индии и Японии позволят изучать двойные черные дыры и нейтронные звезды и, возможно, другие астрофизические источники (например, связанные с коллапсами ядер массивных звезд и вспышками сверхновых) с беспрецедентной точностью, и здесь нас, несомненно, ждет очень много интересных и неожиданных открытий. Понятно о сложномГравитация не просто знакомое нам из курса школьной физики притяжение, или всемирное тяготение (от лат. Gravitas – «тяжесть»). В общей теории относительности Эйнштейна гравитация рассматривается изначально не как силовое взаимодействие, а как проявление искривления пространства-времени. Последнее изогнуто или искривлено помещенными в него массой и энергией. Чем массивнее объекты, тем сильнее искривление и испускаемые ими гравитационные волны.В сильных гравитационных полях, а также при движении в гравитационном поле со скоростями, близкими к скорости света, начинают проявляться эффекты общей теории относительности, в частности изменение геометрии пространства-времени, а в экстремальных случаях возникают черные дыры. А черная дыра – это область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть ее не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света.