Естественные науки

Почему за LIGO дали Нобелевскую премию и как рябит пространство-время

6 октября 2017 0

virgo

VIRGO (детектор гравитационных волн). Источник: ligo.caltech.ed

Наука — весьма требовательная область человеческой деятельности. В отличие от спиритизма, мистики и эзотерики, она требует проверки всех заявляемых фактов. При этом проверка должна отвечать научным требованиям и, о ужас, быть повторяемой при аналогичных условиях. Именно поэтому в жарких печах научной методологии горят ярким пламенем НЛО, рептилоиды, планета Нибиру, астрология, гомеопатия и еще много чего, благо топлива хватает. Тем не менее это не исключает существование теорий, для которых научные факты только предстоит подобрать. Год назад свой безумно долгожданный факт получила одна из самых влиятельных фундаментальных теорий — Общая теория относительности. Рассказываем, как это было, в нашей статье.


 

Что ищет LIGO?

Его величество Альберт Эйнштейн создал Общую теорию относительности (ОТО) в 1916 г. И тут же совершил революцию в умах. Как и Специальная теория относительности, ОТО объясняла природу гравитационного взаимодействия, о которой нам известно еще со времен Ньютона.

Сэр Исаак Ньютон действовал в рамках тогдашних (дело было в XVII в.) представлений о физическом мире. Его закон всемирного тяготения гласил, что сила гравитационного взаимодействия между телами равна произведению масс, деленному на квадрат расстояния между ними, и все это умножить на постоянную g. То есть чем ближе и тяжелее объект, тем сильнее гравитация.

Теории Эйнштейна не перечеркнули достижения Ньютона — гравитация XIX в. точно так же, как и гравитация XVII в., увеличивается от массы и сокращения расстояния. Но если взять на себя смелость упрощать, то Эйнштейн предложил новое понимание источников гравитации. По его теории гравитация происходит не от тел, а от искривлений общего полотна пространства-времени.

Теоретическая физика по достоинству оценила стройность и логику ОТО. Вы ведь не подумали, что эта теория ограничивается высказыванием об искривлениях пространства-времени? В ней есть еще огромное количество нюансов, в т.ч. и приличная формализация в виде уравнений Эйнштейна. Объемный взгляд на природу гравитационного взаимодействия пришелся по вкусу ученым, и со временем начал копиться материал по теме. А говоря проще, ОТО начала подтверждаться.

Отдельным пунктом в ОТО стоит список явлений, предсказанный положениями теории. Нет, это не те предсказания, какие можно увидеть в сомнительных передачах с людьми в тюрбанах, это теоретические указания на возможность существования объектов Вселенной, которые мы еще не пронаблюдали.

Один из таких объектов — гравитационные волны. Эти волны порождаются практически любым движущимся объектом, который изменением положения своей массы вызывает явление с весьма поэтичным названием «рябь пространства-времени». Гравитационные волны «отрываются» от объекта-источника и отправляются в пространство. Но с ними есть одна серьезная проблема. Их очень сложно зарегистрировать. Для того чтобы засечь такое событие, нужно два компонента: сильный источник и сверхчувствительный регистратор. Сильные источники во вселенной есть: двойные черные дыры, или черные дыры в паре с нейтронными звездами, или парные нейтронные звезды. Такие колоссальные массы вращаются друг вокруг друга, сталкивают свои гравитационные поля и порождают волны, которые отрываются и летят, летят, летят. Но даже волны от гигантов в 30 солнечных масс не были доступны нашему наблюдению. Не были до 2015 г.

Слияние частиц двух вращающихся черных дыр.

Полвека до LIGO

Для подтверждения существования гравитационных волн в теории было готово все. Уравнения Эйнштейна допускали такие явления, а в 1974 г. Рассел Халс и Джозеф Тейлор смогли опознать косвенные признаки гравитационных волн.

Тут нужно лирическое отступление. Почему мы рассматриваем гравитационные волны в контексте двойных систем массивных объектов — черных дыр и нейтронных звезд? Потому что гравитация — это очень слабое взаимодействие. И для ее регистрации нужны массивные объекты, которые раскручиваются вокруг друг друга, тем самым существенно искажая пространство-время. И, само собой, порождая рябь.

Но вот в чем фокус — вращаясь, они сближаются. А закон сохранения энергии, как известно, никто не отменял. Они тратят энергию и на вращение, и на сближение, и на испускание гравитационных волн. Значит энергия неслабо так теряется. Из-за потерь энергии уменьшается период обращения, и вот этот момент можно просмотреть. Что и сделали Халс с Джозефом на примере тесной системы из двух нейтронных звезд. Кстати, за это их ждала Нобелевская премия 1993 г.

Косвенное доказательство существования гравитационных волн подстегнуло интерес к вопросу. Но еще до этого предпринимались попытки создать регистратор гравиволн.

Старт гонке дал в 1959 г. Майкл Вебер из Мэрилендского университета. Он построил детектор из цельного алюминиевого цилиндра с чувствительными датчиками и незамедлительно заявил о регистрации гравитационной волны. Только амплитуда у полученного сигнала была в миллион раз больше ожидаемой, и его усилия были раскритикованы научным сообществом.

Вебер не смог найти реальную гравитационную волну, но он заронил зерно, всходы которого мы видим сейчас. Постепенно его установку модифицировали, теорию дорабатывали, появлялись новые идеи и подходы.

В конце концов физики пришли к мнению, что лучше всего регистрировать такие волны не с помощью одного датчика, а на двух, независимых объектах. Ведь если до нас долетает гравитационная волна, то пространство искажается? Да, действительно, именно об этом и идет речь в ОТО. Значит, нужны два объекта, изолированные от внешнего мира, между ними должно быть строго выверенное расстояние, и как только оно изменится, мы сразу поймем, что до Земли долетела гравитационная волна. Как говорится, готово, вы восхитительны.

Конечно, реальность сразу представила несколько технических задач. Во-первых, как изолировать объекты от внешнего мира, ведь регистратор такой чувствительности будет улавливать все, что можно: прибой, грузовики на автостраде рядом, самолеты, лесорубов, которые валят лес. И второе — расстояние между объектами будет измеряться сверхмалыми величинами, как их поймать? На эти вопросы нашлись ответы.

Конструкция

Путем долгой логической эволюции и доработок инженеры и физики решили, как построить чувствительный детектор гравиволн. Для начала строим два четырехкилометровых туннеля, которые смыкаются под прямым углом. В конце каждого туннеля устанавливаем очень гладкое зеркало. О-о-о-очень гладкое. В месте соединения двух тоннелей устанавливаем излучатель лазера, луч расщепляется надвое, летит в зеркала, отражается, прилетает обратно, где соединяется в полупрозрачном зеркале. Вся система выверена и статична, а длины подобраны так, что в спокойном состоянии лучи, соединившись, гасят друг друга. В месте слияния установлен фотодатчик, который оказывается таким образом в полной темноте. Но если до Земли долетают гравитационные волны, то расстояние между зеркалами незначительно меняется, луч колеблется, гашения не получается, и на фотодатчик идет сигнал.

детектор гравитационных волн

Схема детектора гравитационных волн.
Источник: Wikimedia.org

Количество деталей, которые я упустил при описании этого чуда инженерно-научной мысли, стремится к бесконечности. Тут и вакуумные трубы с давлением в одну триллионную атмосферы, по которым идет луч, и специально обработанные зеркала, и исключение внешнего воздействия с помощью системы платформ на рессорах, и обход квантового предела.

Из идеи Кипа Торна, Рональда Древера и Райнольда Вайса родился проект LIGO — Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, системы из двух таких обсерваторий, которые бы обладали достаточной чувствительностью для обнаружения гравитационной волны. Две лучше, чем одна, потому что это дает практически стопроцентную гарантию того, что пойманный сигнал не будет случайной флуктуацией. А по разности попадания сигнала на установки можно будет определить, откуда он пришел.

LIGO состоит из двух лабораторий на расстоянии 3000 км друг от друга. Одна в Луизиане, другая в штате Вашингтон. Помимо LIGO, который с момента предложения идеи в 1992 г. разросся до международного проекта, в охоте за гравитационным волнами участвует еще и обсерватория Virgo в Италии.

Событие GW150914

LIGO начал наблюдать за звездным небом с 2002 г., а триумфальное обнаружение гравитационной волны произошло лишь только в 2015-м. Тут действует целый ряд факторов.

В начале статьи мы говорили, что для порядочной гравитационной волны нужно два сверхмассивных объекта, которые вращаются друг вокруг друга. Безусловно, это порождает гравитационное возмущение. Но даже этого недостаточно.

Чтобы уловить волну, она должна происходить от столкновения двух сверхмассивных объектов с их последующим слиянием. Во время чудовищного по силе взрыва выделяется не свет, шум и прочие спецэффекты, а гравитационные волны большой интенсивности.

Если ждать такого события в пределах нашей галактики, то можно прождать до XLI в. и не дождаться. Поэтому нужно было усовершенствовать систему, чтобы она захватывала больший диапазон.

После преобразований и улучшений ученые из США запустили aLIGO — advanced LIGO, который заработал в сентябре 2015-го. И открытие свершилось.

С момента запуска aLIGO в недобросовестной прессе сразу поползли слухи об открытии, при этом официальные представители проекта молчали. Поскольку новая система лучше улавливала, было только два варианта: либо волны должны были пойти одна за другой, либо пора пересмотреть ОТО.

К счастью, все пошло по первому сценарию. 11 февраля коллаборация LIGO и Virgo объявила об обнаружении гравитационных волн на пресс-конференции. Заявления они подкрепили публикациями в научных журналах.

Гравитационная волна, первая осознанная в истории человечества, произошла от слияния двух черных дар массами в 36 и 29 солнечных масс, в 1,3 млрд световых лет от нас. Событие получило кодовое название GW 150914 — гравитационная волна 14 сентября 2015 г.

гравитационная волна

Первый зафиксированный гравитационно-волновой сигнал.
Источник: Wikimedia.org

В чем сила открытия?

Пытливый читатель скажет: а зачем нам все это?

Во-первых, это доказательство существования черных дыр, что уже само по себе неплохо. Во-вторых, это очень весомое подтверждение взглядов на природу гравитации, которой придерживается ОТО. В-третьих, это новый инструмент изучения объектов очень далекого космоса. Но самое главное ждет нас впереди.

Открытие гравитационных волн еще и потому «открытие», что открыло путь для целой области в астрономии. Гравитационно-волновая астрономия вполне серьезно заявила о своих правах, и с ее помощью мы сможем изучать такие сложные вопросы, как, например, ранняя история Вселенной.

Отцы-основатели LIGO получили в этом году Нобелевскую премию по физике, но впереди еще много достижений, не измеримых премиями: колебания гравитации приходят к нам постоянно, а датчики улучшаются и расширяют сферу поиска. А значит, наука еще удивит нас.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Рассказать друзьям

0 Комментариев

Подписаться на рассылку

Комментарии

Войти с помощью 

Присоединяйтесь к нам в социальных сетях

В наших группах вы можете узнать много нового и интересного, а так же - принять участие в опросах и конкурсах

Присоединиться
Присоединиться