У четвер, 11 лютого, група вчених із міжнародного проекту LIGO Scientific Collaboration заявили, що їм вдалося, існування яких ще в 1916 році передбачив Альберт Ейнштейн. За твердженням дослідників, 14 вересня 2015 року вони зафіксували гравітаційну хвилю, яка була викликана зіткненням двох чорних дірок масою у 29 та 36 разів більше за масу Сонця, після чого вони злилися в одну велику чорну діру. За їхніми словами, це сталося приблизно 1,3 мільярда років тому на відстані 410 мегапарсеків від нашої галактики.

Детально про гравітаційні хвилі та масштабне відкриття ЛІГА.net розповів Богдан Гнатик, український вчений, астрофізик, доктор фізико-математичних наук, провідний науковий співробітник Астрономічної обсерваторії Київського національного університетуімені Тараса Шевченка, який очолював обсерваторію з 2001 по 2004 рік.

Теорія простою мовою

Фізика вивчає взаємодію між тілами. Встановлено, що між тілами існує чотири види взаємодії: електромагнітна, сильна та слабка ядерна взаємодія та гравітаційна взаємодія, яку ми всі відчуваємо. Внаслідок гравітаційної взаємодії планети обертаються навколо Сонця, тіла мають вагу та падають на землю. З гравітаційною взаємодією людина стикається постійно.

У 1916 році, 100 років тому, Альберт Ейнштейн побудував теорію гравітації, яка покращувала ньютонівську теорію гравітації, зробила її математично правильною: вона стала відповідати всім вимогам фізики, почала враховувати те, що гравітація поширюється з дуже великою, але кінцевою швидкістю. Це по праву одне з найграндіозніших досягнень Ейнштейна, оскільки він побудував теорію гравітації, яка відповідає всім явищам фізики, які ми сьогодні спостерігаємо.

Ця теорія також передбачала існування гравітаційних хвиль. Основою цього передбачення було те, що гравітаційні хвилі існують у результаті гравітаційної взаємодії, що виникає внаслідок злиття двох масивних тіл.

Що таке гравітаційна хвиля

Складною мовою це збудження метрики простору-часу. "Скажімо, простір має певну пружність і ним можуть бігти хвилі. Це схоже на те, коли ми у воду кидаємо камінчиків і від нього розбігаються хвилі", - розповів ЛІГА.net доктор фізико-математичних наук.

Вченим вдалося експериментально довести, що подібне коливання мало місце у Всесвіті та у всіх напрямках пробігла гравітаційна хвиля. "Астрофізичним способом вперше було зафіксовано явище такої катастрофічної еволюції подвійної системи, коли зливаються два об'єкти в один, а це злиття призводить до дуже інтенсивного виділення гравітаційної енергії, яка потім у вигляді гравітаційних хвиль поширюється у просторі", - пояснив учений.

Як це виглядає (фото – EPA)

Ці гравітаційні хвилі дуже слабкі і щоб вони похитнули простір-час, потрібна взаємодія дуже великих і масивних тіл, щоб напруженість гравітаційного полябула велика у місці генерування. Але, незважаючи на їхню слабкість, спостерігач через певний час (рівний відстані до взаємодії розділеного на швидкість проходження сигналу) зареєструє цю гравітаційну хвилю.

Наведемо приклад: якби Земля впала на Сонце, то сталася б гравітаційна взаємодія: виділилася б гравітаційна енергія, утворилася б гравітаційна сферично-симетрична хвиля і спостерігач міг би її зареєструвати. "Тут сталося аналогічне, але унікальне, з погляду астрофізики, явище: зіткнулися два масивні тіла - дві чорні дірки", - зазначив Гнатик.

Повернемося до теорії

Чорна діра – це ще одне передбачення загальної теоріївідносності Ейнштейна, яке передбачає, що тіло, яке має величезну масу, але ця маса сконцентрована в малому обсязі, здатне суттєво спотворювати простір навколо себе, аж до його замикання. Тобто передбачалося, що коли досягається критична концентрація маси цього тіла - така, що розмір тіла буде меншим, ніж так званий гравітаційний радіус, то навколо цього тіла простір замкнеться і топологія його буде такою, що ніякий сигнал з нього за межі замкнутого простору поширитися не зможе.

"Тобто, чорна діра, простими словами, Це масивний об'єкт, який настільки важкий, що замикає навколо себе простір-час", - каже вчений.

І ми, за його словами, можемо надсилати будь-які сигнали цьому об'єкту, а він нам – ні. Тобто ніякі сигнали не можуть виходити за межі чорної діри.

Чорна діра живе за звичайними фізичним законамАле в результаті сильної гравітації жодне матеріальне тіло, навіть фотон, не здатне вийти за межі цієї критичної поверхні. Чорні діри утворюються в ході еволюції звичайних зірок, коли відбувається колапс центрального ядра і частина речовини зірки, колапсуючи, перетворюється на чорну дірку, а інша частина зірки викидається у вигляді оболонки Наднової зірки, перетворюючись на так званий "спалах" Наднової зірки.

Як ми побачили гравітаційну хвилю

Наведемо приклад. Коли на поверхні води у нас є два поплавці і вода спокійна – то відстань між ними постійна. Коли приходить хвиля, вона зміщує ці поплавці і відстань між поплавцями зміниться. Хвиля пройшла – і поплавці повертаються на свої колишні позиції, а відстань між ними відновлюється.

Аналогічним чином поширюється і гравітаційна хвиля у просторі-часі: вона стискає та розтягує тіла та об'єкти, що зустрічаються на її шляху. "Коли на шляху хвилі зустрічається якийсь об'єкт – він деформується вздовж своїх осей, а після її проходження – повертається до колишньої форми. Під дією гравітаційної хвилі всі тіла деформуються, але ці деформації – дуже незначні", – каже Гнатик.

Коли пройшла хвиля, яку зафіксували вчені, то відносний розмір тіл у просторі змінився на величину порядку 1 помножити на 10 мінус 21-го ступеня. Наприклад, якщо взяти метрову лінійку, то вона стиснулася на таку величину, яка становила її розмір, помножений на 10 мінус 21-го ступеня. Це дуже мізерна величина. І проблема полягала в тому, що вченим треба було навчитися виміряти цю відстань. Звичайні методи давали точність порядку 1 до 10 9 ступеня мільйонам, а тут необхідна набагато більш висока точність. І тому створили звані гравітаційні антени (детектори гравітаційних хвиль).

Обсерваторія LIGO (фото - EPA)

Антена, яка зафіксувала гравітаційні хвилі, побудована таким чином: існує дві труби приблизно по 4 кілометри в довжину, розташовані у формі літери "Г", але з однаковими плечима і під прямим кутом. Коли на систему падає гравітаційна хвиля, вона деформує крила антени, але в залежності від її орієнтації вона деформує одне більше, а друге - менше. І тоді виникає різниця ходу, інтерференційна картина сигналу змінюється – виникає сумарна позитивна чи негативна амплітуда.

"Тобто проходження гравітаційної хвилі аналогічне хвилі на воді, що проходить між двома поплавцями: якби ми міряли відстань між ними під час і після проходження хвилі, то ми б побачили, що відстань змінилася б, а потім знову стала колишньою", - розповів Гнатик.

Тут же вимірюється відносна зміна відстані двох крил інтерферометра, кожне з яких має близько 4 кілометрів у довжину. І лише дуже точні технології та системи дозволяють виміряти таке мікроскопічне зміщення крил, викликане гравітаційною хвилею.

На межі Всесвіту: звідки прийшла хвиля

Вчені зафіксували сигнал за допомогою двох детекторів, які у США розташовані у двох штатах: Луїзіані та Вашингтон на відстані близько 3 тис кілометрів. Вченим вдалося оцінити, звідки і з якої відстані прийшов цей сигнал. Оцінки показують, що сигнал прийшов з відстані 410 мегапарсеків. Мегапарсек – це відстань, яка світло проходить за три мільйони років.

Щоб було легше уявити: найближча до нас активна галактика із надмасивною чорною діркою в центрі - Центавр А, яка знаходиться від нашої на відстані чотири Мегапарсеки, водночас Туманність Андромеди знаходиться на відстані 0,7 Мегапарсеків. "Тобто відстань, з якої прийшов сигнал гравітаційної хвилі настільки велика, що сигнал йшов до Землі приблизно 1,3 млрд. років. Це космологічні відстані, які досягають близько 10% горизонту нашого Всесвіту", - розповів учений.

На такій відстані в якійсь далекій галактиці відбулося злиття двох чорних дірок. Ці дірки, з одного боку, були відносно малими за розмірами, а з іншого боку, велика сила сигналу амплітуди свідчить, що вони були дуже важкі. Встановлено, що їх маси були відповідно 36 і 29 мас Сонця. Маса Сонця, як відомо, становить величину, яка дорівнює 2 помножити на 10 до 30 ступеня кілограм. Після злиття ці два тіла злилися і тепер на їхньому місці утворилася одна чорна діра, яка має масу, що дорівнює 62 масам Сонця. При цьому приблизно три маси Сонця виплеснулися у вигляді енергії гравітаційної хвилі.

Хто і коли зробив відкриття

Виявити гравітаційну хвилю вдалося вченим із міжнародного проекту LIGO 14 вересня 2015 року. LIGO (Laser Interferometry Gravitation Observatory)- це міжнародний проект, в якому беруть участь низка держав, які здійснили певний фінансовий та науковий внесок, зокрема США, Італія, Японія, які є передовими у сфері цих досліджень.

Професори Райнер Вайс та Кіп Торн (фото - EPA)

Була зафіксована наступна картина: відбулося усунення крил гравітаційного детектора, внаслідок реального проходження гравітаційної хвилі через нашу планету та через цю установку. Про це не повідомили тоді, бо сигнал потрібно було обробити, "почистити", знайти його амплітуду та перевірити. Це стандартна процедура: від реального відкриття, до оголошення про відкриття - триває кілька місяців для того, щоб видати обґрунтовану заяву. "Ніхто не хоче псувати свою репутацію. Це все секретні дані, до оприлюднення яких – про них ніхто не знав, ходили лише чутки", – зазначив Гнатик.

Історія

Гравітаційні хвилідосліджуються з 70-х років минулого століття. За цей час було створено низку детекторів та проведено низку фундаментальних досліджень. У 80-х роках американський вчений Джозеф Вебер побудував першу гравітаційну антену у вигляді алюмінієвого циліндра, який мав розмір близько кількох метрів, оснащений п'єзо-датчиками, які мали зафіксувати проходження гравітаційної хвилі.

Чутливість цього приладу була в мільйон разів гірша, ніж нинішні детектори. І, звичайно, він тоді реально зафіксувати хвилю не міг, хоч і Вебер заявив, що він це зробив: преса про це написала і стався "гравітаційний бум" - у світі одразу почали будувати гравітаційні антени. Вебер стимулював інших учених зайнятися гравітаційними хвилями та продовжувати експерименти над цим явищем, завдяки чому вдалося в мільйон разів підняти чутливість детекторів.

Проте саме явище гравітаційних хвиль було зареєстровано ще минулого століття, коли вчені виявили подвійний пульсар. Це була непряма реєстрація факту, що гравітаційні хвилі існують, доведені завдяки астрономічним спостереженням. Пульсар був відкритий Расселом Халсом та Джозефом Тейлором у 1974 році, під час проведення спостережень на радіотелескопі обсерваторії Аресібо. Вчені були удостоєні Нобелівської премії у 1993 році "за відкриття нового типу пульсарів, що дало нові можливості у вивченні гравітації".

Дослідження у світі та Україні

На території Італії близький до завершення аналогічний проект, який має назву Virgo. Японія також має намір за рік запустити аналогічний детектор, Індія також готує такий експеримент. Тобто у багатьох точках світу існують подібні детектори, але вони ще не вийшли на той режим чутливості, щоб можна було говорити про фіксацію гравітаційних хвиль.

"Офіційно Україна не входить до LIGO і також не бере участі в італійському та японському проектах. Серед таких фундаментальних напрямів Україна зараз бере участь у проекті LHC (БАК - Великий адронний колайдер) та в CERN" (офіційно станемо учасником тільки після сплати вступного внеску) ", – розповів ЛІГА.net доктор фізико-математичних наук Богдан Гнатик.

За його словами, Україна з 2015 року є повноправним членом міжнародної колаборації CTA (МЧТ-масив черенківських телескопів), яка будує сучасний телескоп мульти ТеВного гамма діапазону (з енергіями фотонів до 1014 еВ). "Основними джерелами таких фотонів якраз і є околиці надмасивних чорних дірок, гравітаційне випромінювання яких вперше зафіксував детектор LIGO. Тому відкриття нових вікон в астрономії - гравітаційно-хвильового та мульти ТеВного електромагнітного обіцяє нам ще багато відкриттів у майбутньому", - додає вчений.

Що далі та як нові знання допоможуть людям? Вчені розходяться у думках. Одні кажуть, що це лише черговий щабель у розумінні механізмів Всесвіту. Інші бачать у цьому перші кроки на шляху до нових технологій переміщення крізь час та простір. Так чи інакше - це відкриття вкотре довело, як мало ми розуміємо і як багато ще доведеться дізнатися.

, США

Гравітаційні хвилі нарешті відкриті

Популярна наука

Коливання у просторі-часі відкриті через сторіччя після того, як їх передбачив Ейнштейн. Починається Нова ерав астрономії.

Вченим вдалося виявити коливання в просторі-часі, викликані злиттям чорних дірок. Це сталося через сто років після того, як Альберт Ейнштейн у своїй загальній теорії відносності передбачив ці «гравітаційні хвилі» і через сто років після того, як фізики зайнялися їхніми пошуками.

Про це знакове відкриття повідомили сьогодні дослідники з Лазерної інтерферометричної гравітаційно-хвильової обсерваторії LIGO. Вони підтвердили чутки, які кілька місяців оточували аналіз першого набору зібраних ними даних. Астрофізики кажуть, що відкриття гравітаційних хвиль дозволяє по-новому поглянути на всесвіт і дає можливість розпізнавати далекі події, які неможливо побачити в оптичні телескопи, але можна відчути і навіть почути слабке тремтіння, що доноситься до нас через космос.

«Ми виявили гравітаційні хвилі. Ми зробили це!" — оголосив виконавчий директор наукового колективу з тисячі чоловік Девід Рейце (David Reitze), виступаючи сьогодні на прес-конференції у Вашингтоні в Національному науковому фонді.

Гравітаційні хвилі — це, мабуть, найважче явище з прогнозів Ейнштейна, на цю тему вчений дискутував із сучасниками протягом десятиліть. Відповідно до його теорії, простір і час формують матерію, що розтягується, яка викривляється під впливом важких об'єктів. Відчути гравітацію означає потрапити у вигини цієї матерії. Але чи може цей простір-час тремтіти подібно до шкіри барабана? Ейнштейн був збентежений, він не знав, що означають його рівняння. І неодноразово змінював свою точку зору. Але навіть найстійкіші прихильники його теорії вважали, що гравітаційні хвилі у будь-якому разі надто слабкі і не піддаються спостереженню. Вони розходяться каскадом назовні після певних катаклізмів, і в міру руху поперемінно розтягують і стискають простір-час. Але на той час, як ці хвилі досягають Землі, вони розтягують і стискають кожен кілометр простору на незначну частку діаметра атомного ядра.

Щоб засікти ці хвилі, знадобилося терпіння та обережність. Обсерваторія LIGO запускала лазерні промені туди й назад уздовж розташованих під прямим кутом чотирикілометрових колін двох детекторів, один у Ханфорді, штат Вашингтон, а інший у Лівінгстоні, штат Луїзіана. Робилося це у пошуках співпадаючих розширень і скорочень цих систем під час проходження гравітаційних хвиль. Використовуючи найсучасніші стабілізатори, вакуумні прилади та тисячі датчиків, вчені вимірювали зміни в довжині цих систем, що становлять лише одну тисячну від розміру протона. Така чутливість приладів була немислима сто років тому. Неймовірною вона здавалася і в 1968 році, коли Райнер Вайс (Rainer Weiss) з Массачусетського технологічного інститутузадумав експеримент, який отримав назву LIGO.

«Це велике диво, що зрештою їм усе вдалося. Вони зуміли засікти ці крихітні вібрації!» — сказав теоретичний фізик з Арканзаського університету Деніел Кеннефік (Daniel Kennefick), який написав у 2007 році книгу Traveling at the Speed of Thought: Einstein and the Quest for Gravitational Waves (Подорожуючи зі швидкістю думки. Ейнштейн та пошуки гравіт.

Це відкриття започаткувало нової ериастрономії гравітаційних хвиль. Є надія, що в нас з'являться точніші уявлення про формування, склад і галактичну роль чорних дірок — цих надщільних куль маси, які спотворюють простір-час настільки різко, що звідти не може вийти навіть світло. Коли чорні дірки зближуються один з одним і зливаються, вони породжують імпульсний сигнал — просторово-часові коливання, які наростають за амплітудою та тоном, а потім різко закінчуються. Ті сигнали, які може фіксувати обсерваторія, перебувають у звуковому діапазоні — правда, вони надто слабкі, і неозброєним вухом їх не почути. Можна відтворити цей звук, пробігши пальцями клавішами фортепіано. «Починайте з найнижчої ноти і сягаєте третьої октави, — сказав Вайс. — Це те, що ми чуємо.

Фізики вже дивуються тій кількості та силі сигналів, які зафіксовані на даний момент. Це означає, що у світі більше чорних дірок, ніж передбачалося раніше. «Нам пощастило, але я завжди розраховував на таке везіння, - сказав астрофізик Кіп Торн (Kip Thorne), який працює в Каліфорнійському технологічному інституті і створив LIGO спільно з Вайсом і Рональдом Дрівером (Ronald Drever), які теж з Калтеха. — Зазвичай таке трапляється тоді, коли у всесвіті відкривається нове вікно».

Підслухавши гравітаційні хвилі, ми можемо сформувати зовсім інші уявлення про космос, а можливо, відкриємо неймовірні космічні явища.

«Я можу порівняти це з моментом, коли ми вперше направили в небо телескоп, — сказала теоретичний астрофізик Жанна Левін (Janna Levin) із Барнард-коледжу Колумбійського університету. — Люди зрозуміли, що там є щось, і це можна побачити, але вони не могли передбачити той неймовірний набір можливостей, які існують у всесвіті». Аналогічно, зауважила Левін, відкриття гравітаційних хвиль може показати, що у всесвіті «повно темної матерії, яку ми не можемо просто так визначити за допомогою телескопа».

Історія відкриття першої гравітаційної хвилі розпочалася у понеділок вранці у вересні, і почалася вона з бавовни. Сигнал був такий чіткий і гучний, що Вайс подумав: Ні, це нісенітниця, нічого з цього не вийде.

Загострення пристрастей

Ця перша гравітаційна хвиля прокотилася детекторами модернізованої LIGO — спочатку в Лівінгстоні, а через сім мілісекунд у Ханфорді — під час імітаційного прогону рано вранці 14 вересня, за два дні до офіційного початкузбирання даних.

Детектори проходили «обкатку» після модернізації, яка тривала п'ять років і коштувала 200 мільйонів доларів. Їх оснастили новими дзеркальними підвісками для шумоподавлення та системою активної зворотнього зв'язкудля придушення сторонніх коливань як реального часу. Модернізація дала вдосконаленій обсерваторії більше високий рівеньчутливості в порівнянні зі старою LIGO, яка в період з 2002 по 2010 роки виявила «абсолютний та чистий нуль», як висловився Вайс.

Коли у вересні прийшов потужний сигнал, вчені в Європі, де в той момент був ранок, почали швидко засипати своїх американських колег повідомленнями електронною поштою. Коли прокинулася решта гурту, новина поширилася дуже швидко. За словами Вайса, практично всі поставилися до цього скептично, особливо коли побачили сигнал. Це була справжня класикаяк з підручника, і тому дехто подумав, що це підробка.

Помилкові твердження в процесі пошуку гравітаційних хвиль звучали багато разів, починаючи з кінця 1960-х років, коли Джозеф Вебер (Joseph Weber) з Мерілендського університету вважав, що він виявив резонансні коливання в алюмінієвому циліндрі з датчиками у відповідь на хвилі. У 2014 році відбувся експеримент під назвою BICEP2, за результатами якого було оголошено про виявлення початкових гравітаційних хвиль - просторово-часових коливань від Великого вибуху, які до теперішнього часу розтягнулися та на постійній основі застигли у геометрії всесвіту. Вчені з групи BICEP2 оголосили про своє відкриття з великою помпою, але потім їх результати зазнали незалежної перевірки, в ході якої з'ясувалося, що вони неправі, і що цей сигнал прийшов від космічного пилу.

Коли космолог з Університету штату Арізона Лоуренс Краус (Lawrence Krauss) почув про відкриття команди LIGO, він спочатку подумав, що це «сліпе вкидання». Під час роботи старої обсерваторії змодельовані сигнали потай вставляли в потоки даних для перевірки реакції, і більшість колективу про це не знала. Коли Краус від знаючого джерела дізнався, що цього разу це не «сліпий вкид», він ледве зміг стримати радісне збудження.

25 вересня він повідомив своїх 200 тисяч передплатникам у Твіттері: «Чутки про виявлення гравітаційної хвилі на детекторі LIGO. Вражаюче, якщо правда. Повідомлю деталі, якщо це не липа». Потім слідує запис від 11 січня: «Колишні чутки про LIGO підтверджені незалежними джерелами. Слідкуйте за новинами. Можливо, відкриті гравітаційні хвилі!»

Офіційна позиція вчених була такою: не поширюватися про отриманий сигнал, доки не буде стовідсоткової впевненості. Торн, по руках і ногах, пов'язаний цим зобов'язанням зберігати таємницю, навіть дружині нічого не сказав. "Я відсвяткував поодинці", - заявив він. Для початку вчені вирішили повернутися в самий початок і проаналізувати все до дрібних деталей, щоб дізнатися, як поширювався сигнал через тисячі каналів вимірювання різних детекторів, і зрозуміти, чи не було чогось дивного в момент виявлення сигналу. Вони не знайшли нічого надзвичайного. Вони також виключили хакерів, які найкраще мали знати про тисячі потоків даних під час експерименту. «Навіть тоді, коли команда здійснює сліпі вкидання, вони недостатньо досконалі, і залишають по собі безліч слідів, — сказав Торн. — А тут жодних слідів не було».

Наступні тижні вони почули ще один, слабший сигнал.

Вчені аналізували перші два сигнали, а до них надходили нові. У січні вони представили матеріали свого дослідження у журналі Physical Review Letters. Цей номер виходить у інтернет-версії сьогодні. За їх оцінками, статистична значимістьПерший, найбільш потужний сигнал перевищує «5-sigma», а це означає, що дослідники на 99,9999% впевнені в його справжності.

Слухаючи гравітацію

Рівняння загальної відносності Ейнштейна настільки складні, що більшість фізиків пішли 40 років на те, щоб погодитися: так, гравітаційні хвилі існують, і їх можна засікти — навіть теоретично.

Спочатку Ейнштейн думав, що об'єкти що неспроможні виділяти енергію як гравітаційного випромінювання, але потім змінив свою думку. У своїй історичній роботі, написаній у 1918 році, він показав, які об'єкти можуть це робити: гантелеподібні системи, які одночасно обертаються навколо двох осей, наприклад, подвійні та наднові зірки, що вибухають подібно до хлопавок. Вони й можуть породжувати хвилі у просторі-часі.

Але Ейнштейн та його колеги продовжували вагатися. Деякі фізики стверджували, що навіть якщо хвилі існують, світ вагатиметься разом з ними, і відчути їх буде неможливо. І лише в 1957 Річард Фейнман (Richard Feynman) закрив це питання, продемонструвавши в ході уявного експериментуЯкщо гравітаційні хвилі існують, теоретично їх можна виявити. Але ніхто не знав, наскільки поширені ці гантелеподібні системи в космічному просторі, і наскільки сильні або слабкі хвилі, що виникають в результаті. «Зрештою, питання звучало так: чи зможемо ми колись їх виявити?» - сказав Кеннефік.

У 1968 Райнер Вайс був молодим викладачем Массачусетського технологічного інституту, і йому доручили вести курс загальної теорії відносності. Як експериментатор, він мало що знав про неї, але раптом з'явилися новини про відкриття Вебером гравітаційних хвиль. Вебер побудував з алюмінію три резонансні детектори розміром з письмовий стіл і розмістив їх у різних американських штатах. Наразі він повідомив, що у всіх трьох детекторах зафіксовано «звучання гравітаційних хвиль».

Учні Вайса попросили пояснити природу гравітаційних хвиль і висловити свою думку про повідомлення, що прозвучало. Вивчаючи деталі, він був уражений складністю математичних розрахунків. «Я не міг зрозуміти, якого біса робить Вебер, як датчики взаємодіють з гравітаційною хвилею. Я довго сидів і запитував себе: "Яку я можу придумати найпримітивнішу річ, щоб вона виявляла гравітаційні хвилі?" І тут мені на думку прийшла ідея, яку я називаю концептуальною основою LIGO».

Уявіть собі три предмети у просторі-часі, скажімо, дзеркала у кутах трикутника. «Посилайте світловий сигнал від одного до іншого, – розповідав Вебер. — Дивіться, скільки часу йде на перехід від однієї маси до іншої, і перевіряйте, чи час змінився». Виявляється, зазначив учений, це можна зробити швидко. «Я доручив це своїм студентам як наукове завдання. Буквально вся група спромоглася зробити ці розрахунки».

У наступні роки, коли інші дослідники намагалися повторити результати експерименту Вебера з резонансним детектором, але постійно зазнавали невдачі (незрозуміло, що спостерігав він, але це були не гравітаційні хвилі), Вайс почав готувати набагато точніший і амбітніший експеримент: гравітаційно-хвильовий інтерферометр. Лазерний промінь відбивається від трьох дзеркал, встановлених у формі літери «Г» і формує два промені. Інтервал піків і провалів світлових хвиль точно вказує на довжину колін літери «Г», які створюють осі Х та Y простору-часу. Коли шкала нерухома, дві світлові хвилі відбиваються від кутів і гасять одна одну. Сигнал у детекторі виходить нульовим. Але якщо Землю проходить гравітаційна хвиля, вона розтягує довжину одного плеча літери «Г» і стискає довжину іншого (і навпаки по черзі). Розбіжність двох світлових променів створює сигнал у детекторі, показуючи легкі коливання простору-часу.

Спочатку колеги-фізики виявляли скептицизм, але незабаром експеримент отримав підтримку в особі Торна, чия група теоретиків з Калтеха досліджувала чорні дірки та інші потенційні джерела гравітаційних хвиль, а також сигнали, що їх породжували. Торна надихнув експеримент Вебера та аналогічні зусилля російських учених. Поговоривши 1975 року на конференції з Вайсом, «я почав вірити, що виявлення гравітаційних хвиль пройде успішно», сказав Торн. «І я хотів, щоб Калтех у цьому також брав участь». Він домовився з інститутом, щоб той узяв на роботу шотландського експериментатора Рональда Дрівера, який також заявляв, що збудує гравітаційно-хвильовий інтерферометр. Згодом Торн, Дрівер та Вайс почали працювати як одна команда, і кожен із них вирішував свою частку незліченних завдань у рамках підготовки практичного експерименту. Це тріо в 1984 році створило LIGO, а коли були побудовані досвідчені зразки і почалася співпраця в рамках колективу, що постійно збільшувався, вони на початку 1990-х отримали від Національного наукового фонду фінансування в розмірі 100 мільйонів доларів. Було складено креслення для будівництва пари гігантських детекторів Г-подібної форми. Через десятиліття детектори запрацювали.

У Ханфорді та Лівінгстоні в центрі кожного з чотирикілометрових колін детекторів знаходиться вакуум, завдяки якому лазер, його пучок та дзеркала максимально ізольовані від постійних коливань планети. Щоб ще більше застрахуватися, вчені LIGO стежать за своїми детекторами під час їхньої роботи за допомогою тисяч приладів, вимірюючи все, що можна: сейсмічну активність, атмосферний тиск, блискавки, поява космічних променів, вібрацію обладнання, звуки в районі лазерного променя і так далі. Потім вони відфільтровують дані від цих сторонніх фонових шумів. Мабуть, головне в тому, що у них два детектори, а це дозволяє здобувати отримані дані, перевіряючи їх на наявність сигналів, що збігаються.

Контекст

Гравітаційні хвилі: завершено те, що Ейнштейн розпочав у Берні

SwissInfo 13.02.2016

Як вмирають чорні дірки

Medium 19.10.2014
Усередині створюваного вакууму, навіть за умов повної ізоляції та стабілізації лазерів та дзеркал «ввесь час відбуваються дивні речі», каже заступник прес-секретаря проекту LIGO Марко Кавалья (Marco Cavaglià). Вчені повинні відстежувати цих «золотих рибок», «примар», «незрозумілих морських монстрів» та інші сторонні вібраційні явища, з'ясовуючи їхнє джерело, щоб усунути його. Один важкий випадок стався на перевірочному етапі, розповіла науковий дослідник з колективу LIGO Джесіка Макайвер (Jessica McIver), яка досліджує такі сторонні сигнали та перешкоди. Серед даних часто з'являлася низка періодичних одночастотних шумів. Коли вона разом із колегами перетворила вібрації дзеркал на аудіофайли, «стало чітко чути дзвінок телефону», сказала Макайвер. «Виявилося, що це рекламники зв'язку телефонували всередині лазерного приміщення».

У наступні два роки вчені продовжать удосконалювати чутливість детекторів модернізованої Лазерної інтерферометричної гравітаційно-хвильової обсерваторії LIGO. А в Італії почне працювати третій інтерферометр під назвою Advanced Virgo. Одна з відповідей, яка допоможуть дати отримані дані, це як формуються чорні дірки. Чи є вони продуктом схлопування ранніх масивних зірок, або вони з'являються в результаті зіткнень всередині щільних зіркових кластерів? "Це тільки два припущення, я вважаю, їх буде більше, коли всі заспокояться", - каже Вайс. Коли в ході майбутньої роботи LIGO почне накопичувати нові статистичні дані, вчені почнуть слухати історії про походження чорних дірок, які їм нашіптуватиме космос.

Судячи за формою і розміром, перший, найгучніший імпульсний сигнал виник у 1,3 мільярда світлових років від того місця, де після повільності танцю, що тривав вічність, під впливом взаємного гравітаційного тяжіння нарешті злилися дві чорні діри, кожна приблизно в 30 разів більша за сонячну масу. Чорні дірки кружляли все швидше і швидше, подібно до виру, поступово зближаючись. Потім сталося злиття, і вони миттєво випустили гравітаційні хвилі з енергією, порівнянної енергії трьох Сонців. Це злиття стало найпотужнішим енергетичним явищем із коли-небудь зафіксованих.

"Ніби ми ніколи не бачили океан під час шторму", - сказав Торн. Він чекав на цей шторм у просторі-часі з 1960-х років. Те почуття, яке Торн відчув у момент, коли накотили ці хвилі, не можна назвати хвилюванням, каже він. Це було щось інше: почуття глибокого задоволення.

Матеріали ІноСМІ містять оцінки виключно закордонних ЗМІ та не відображають позицію редакції ІноСМІ.

Гравітаційні хвилі – зображення художника

Гравітаційні хвилі - обурення метрики простору-часу, що відриваються від джерела і поширюються подібно до хвиль (так звана «брижі простору-часу»).

У загальній теорії відносності та в більшості інших сучасних теорійгравітації гравітаційні хвилі породжуються рухом потужних тіл зі змінним прискоренням. Гравітаційні хвилі вільно поширюються у просторі зі швидкістю світла. Через відносну слабкість гравітаційних сил(порівняно з іншими) ці хвилі мають дуже малу величину, що важко піддається реєстрації.

Поляризована гравітаційна хвиля

Гравітаційні хвилі пророкуються загальною теорією відносності (ОТО), багатьма іншими. Вперше вони були безпосередньо виявлені у вересні 2015 року двома детекторами-близнюками, на яких були зареєстровані гравітаційні хвилі, що виникли, ймовірно, в результаті злиття двох і утворення однієї більш масивної чорної діри, що обертається. Непрямі свідчення їх існування були відомі з 1970-х років - ОТО передбачає збіги зі спостереженнями темпи зближення тісних систем за рахунок втрати енергії на випромінювання гравітаційних хвиль. Пряма реєстрація гравітаційних хвиль та їх використання для визначення параметрів астрофізичних процесів є важливим завданням сучасної фізики та астрономії.

У рамках ОТО гравітаційні хвилі описуються рішеннями рівнянь Ейнштейна хвильового типу, що є рухоме зі швидкістю світла (у лінійному наближенні) обурення метрики простору-часу. Проявом цього обурення має бути, зокрема, періодична зміна відстані між двома вільно падаючими (тобто не зазнають впливу жодних сил) пробними масами. Амплітудою hгравітаційною хвилею є безрозмірна величина - відносна зміна відстані. Передбачувані максимальні амплітуди гравітаційних хвиль від астрофізичних об'єктів (наприклад, компактних подвійних систем) і явищ (вибухів, злиття, захоплення чорними дірками і т. п.) при вимірюваннях в дуже малі ( h=10 -18 -10 -23). Слабка (лінійна) гравітаційна хвиля згідно з загальною теорією відносності переносить енергію та імпульс, рухається зі швидкістю світла, є поперечною, квадрупольною і описується двома незалежними компонентами, розташованими під кутом 45° один до одного (має два напрями поляризації).

Різні теорії по-різному пророкують швидкість поширення гравітаційних хвиль. У загальній теорії відносності вона дорівнює швидкості світла (у лінійному наближенні). В інших теоріях гравітації вона може набувати будь-яких значень, у тому числі до нескінченності. За даними першої реєстрації гравітаційних хвиль їхня дисперсія виявилася сумісною з безмасовим гравітоном, а швидкість оцінена як рівна швидкості світла.

Генерація гравітаційних хвиль

Система з двох нейтронних зірокпороджує бриж простору-часу

Гравітаційну хвилю випромінює будь-яка матерія, що рухається з асиметричним прискоренням. Для виникнення хвилі суттєвої амплітуди необхідні надзвичайно велика маса випромінювача або величезні прискорення, амплітуда гравітаційної хвилі прямо пропорційна першої похідної прискореннята масі генератора, тобто ~ . Однак якщо об'єкт рухається прискорено, це означає, що у нього діє деяка сила із боку іншого об'єкта. У свою чергу, цей інший об'єкт зазнає зворотної дії (за 3-м законом Ньютона), при цьому виявляється, що m 1 a 1 = − m 2 a 2 . Виходить, що два об'єкти випромінюють гравітаційні хвилі тільки в парі, причому в результаті інтерференції вони гасяться взаємно майже повністю. Тому гравітаційне випромінювання у загальній теорії відносності завжди має по мультипольності характер як мінімум квадрупольного випромінювання. Крім того, для нерелятивістських випромінювачів у вираженні для інтенсивності випромінювання є малий параметр де - гравітаційний радіус випромінювача, r- Його характерний розмір, T- характерний період руху, c- Швидкість світла у вакуумі.

Найбільш сильними джерелами гравітаційних хвиль є:

стикаються (гігантські маси, дуже невеликі прискорення),
гравітаційний колапс подвійної системи компактних об'єктів (колосальні прискорення за досить великої маси). Як окремий і найцікавіший випадок - злиття нейтронних зірок. Така система гравітаційно-хвильова світність близька до максимально можливої в природі планківської світності.

Гравітаційні хвилі, що випромінюються системою двох тіл

Два тіла, що рухаються круговими орбітами навколо загального центру мас

Два гравітаційно пов'язаних тілаз масами m 1 та m 2 , що рухаються нерелятивістськи ( v << c) за круговими орбітами навколо їхнього загального центру мас на відстані rодин від одного, випромінюють гравітаційні хвилі наступної енергії, в середньому за період:

Внаслідок цього система втрачає енергію, що призводить до зближення тіл, тобто зменшення відстані між ними. Швидкість зближення тел:

Для Сонячної системи, наприклад, найбільше гравітаційне випромінювання виробляє підсистема та . Потужність цього випромінювання приблизно 5 кіловат. Таким чином, енергія, що втрачається Сонячною системою на гравітаційне випромінювання за рік, зовсім незначна порівняно з характерною кінетичною енергією тіл.

Гравітаційний колапс подвійної системи

Будь-яка подвійна зірка при обертанні її компонент навколо загального центру мас втрачає енергію (як передбачається - рахунок випромінювання гравітаційних хвиль) і, зрештою, зливається воєдино. Але для звичайних, некомпактних, подвійних зірок цей процес займає дуже багато часу, набагато більше справжнього віку. Якщо подвійна компактна система складається з пари нейтронних зірок, чорних дірок або їх комбінації, то злиття може статися за кілька мільйонів років. Спочатку об'єкти зближуються, які період звернення зменшується. Потім на заключному етапі відбувається зіткнення та несиметричний гравітаційний колапс. Цей процес триває частки секунди, і за цей час гравітаційне випромінювання сягає енергія, що становить за деякими оцінками більше 50% від маси системи.

Основні точні розв'язки рівнянь Ейнштейна для гравітаційних хвиль

Об'ємні хвилі Бонді - Пірані - Робінсона

Ці хвилі описуються метрикою виду. Якщо ввести змінну та функцію, то з рівнянь ОТО отримаємо рівняння

Метрика Такено

має вигляд -функції, задовольняють тому ж рівнянню.

Метрика Розена

Де задовольняють

Метрика Переса

При цьому

Циліндричні хвилі Ейнштейна - Розена

У циліндричних координатах такі хвилі мають вигляд і виконуються.

Реєстрація гравітаційних хвиль

Реєстрація гравітаційних хвиль досить складна через слабкість останніх (малого спотворення метрики). Приладами їх реєстрації є детектори гравітаційних хвиль. Спроби виявлення гравітаційних хвиль робляться з кінця 1960-х років. Гравітаційні хвилі амплітуди, що детектується, народжуються при колапсі подвійного. Подібні події відбуваються на околицях орієнтовно раз на десятиліття.

З іншого боку, загальна теорія відносності передбачає прискорення взаємного обертання подвійних зірок через втрату енергії на випромінювання гравітаційних хвиль, і цей ефект надійно зафіксований у кількох відомих системах подвійних компактних об'єктів (зокрема, пульсарів із компактними компаньйонами). У 1993 році «за відкриття нового типу пульсарів, що дало нові можливості у вивченні гравітації» відкривачам першого подвійного пульсара PSR B1913+16 Рассел Халс і Джозефу Тейлору мл. було присуджено Нобелівську премію з фізики. Прискорення обертання, що спостерігається у цій системі, повністю збігається з передбаченнями ОТО на випромінювання гравітаційних хвиль. Таке ж явище зафіксовано ще в кількох випадках: для пульсарів PSR J0737-3039, PSR J0437-4715, SDSS J065133.338+284423.37 (зазвичай скорочено J0651) та системи подвійних RX J0806. Наприклад, відстань між двома компонентами A і B першої подвійної зірки з двох пульсарів PSR J0737-3039 зменшується приблизно на 2,5 дюйма (6,35 см) на день через втрату енергії на гравітаційні хвилі, причому це відбувається у згоді з ОТО . Всі ці дані інтерпретуються як непрямі докази існування гравітаційних хвиль.

За оцінками найбільш сильними та досить частими джерелами гравітаційних хвиль для гравітаційних телескопів та антен є катастрофи, пов'язані з колапсами подвійних систем у найближчих галактиках. Очікується, що в найближчому майбутньому на вдосконалених гравітаційних детекторах реєструватиметься кілька подібних подій на рік, що спотворюють метрику на околиці на 10 −21 -10 −23 . Перші спостереження сигналу оптико-метричного параметричного резонансу, що дозволяє виявити вплив гравітаційних хвиль від періодичних джерел типу тісної подвійної на випромінювання космічних мазерів, можливо, були отримані на радіоастрономічній обсерваторії РАН Пущино.

Ще однією можливістю детектування фону гравітаційних хвиль, що заповнюють Всесвіт, є високоточний таймінг віддалених пульсарів - аналіз часу приходу їх імпульсів, який характерним чином змінюється під дією проходять через простір між Землею і пульсаром гравітаційних хвиль. За оцінками на 2013 рік, точність таймінгу необхідно підняти приблизно на один порядок, щоб можна було задетектувати фонові хвилі від безлічі джерел у нашому Всесвіті, і це завдання може бути вирішене до кінця десятиліття.

Згідно з сучасними уявленнями, наш Всесвіт заповнюють реліктові гравітаційні хвилі, що з'явилися в перші моменти після . Їхня реєстрація дозволить отримати інформацію про процеси на початку народження Всесвіту. 17 березня 2014 року о 20:00 за московським часом у Гарвард-Смітсонівському центрі астрофізики американською групою дослідників, що працює над проектом BICEP 2, було оголошено про детектування з поляризації реліктового випромінювання ненульових тензорних обурень у ранньому Всесвіті. . Однак майже відразу цей результат був оскаржений, оскільки, як з'ясувалося, не було належним чином враховано внесок. Один із авторів, Дж. М. Ковац ( Kovac J. M.), визнав, що «з інтерпретацією та висвітленням даних експерименту BICEP2 учасники експерименту та наукові журналісти трохи поквапилися».

Експериментальне підтвердження існування

Перший зафіксований гравітаційно-хвильовий сигнал. Зліва дані з детектора в Хенфорді (H1), праворуч – у Лівінгстоні (L1). Час відраховується від 14 вересня 2015, 09:50:45 UTC. Для візуалізації сигналу він відфільтрований частотним фільтром зі смугою пропускання 35-350 Герц для пригнічення великих флуктуацій поза діапазоном високої чутливості детекторів, також були застосовані смугові фільтри для придушення шуму самих установок. Верхній ряд: напруги в детекторах. GW150914 спочатку прибув L1 і через 6 9 +0 5 −0 4 мс на H1; для візуального порівняння дані з H1 показані на графіку L1 у зверненому і зсунутому за часом вигляді (щоб врахувати відносну орієнтацію детекторів). Другий ряд: напруги h від гравітаційно-хвильового сигналу, пропущені через такий самий смуговий фільтр 35-350 Гц. Суцільна лінія - результат чисельної відносності системи з параметрами, сумісними з знайденими з урахуванням вивчення сигналу GW150914, отриманий двома незалежними кодами з результуючим збігом 99,9. Сірі товсті лінії - області 90% довірчої ймовірності форми сигналу, відновлені з цих детекторів двома різними методами. Темно-сіра лінія моделює очікувані сигнали від злиття чорних дірок, світло-сіра не використовує астрофізичних моделей, а представляє сигнал лінійною комбінацією синусоїдально-гаусових вейвлетів. Реконструкції перекриваються на 94%. Третій ряд: Залишкові помилки після вилучення фільтрованого передбачення сигналу чисельної відносності з фільтрованого сигналу детекторів. Нижній ряд: подання частотної карти напруги, що показує зростання домінуючої частоти сигналу з часом.

11 лютого 2016 року колабораціями LIGO та VIRGO. Сигнал злиття двох чорних дірок з амплітудою в максимумі близько 10 −21 був зареєстрований 14 вересня 2015 року о 9:51 UTC двома детекторами LIGO в Хенфорді та Лівінгстоні через 7 мілісекунд один від одного, в області максимальної амплітуди сигналу (0,2 секунди) відношення сигнал-шум становило 24:1. Сигнал був позначений GW150914. Форма сигналу збігається з прогнозом загальної теорії відносності для злиття двох чорних дірок масами 36 і 29 сонячних; чорна діра, що виникла, повинна мати масу 62 сонячні і параметр обертання a= 0,67. Відстань до джерела близько 1,3 мільярда, випромінювана за десяті частки секунди в злитті енергія – еквівалент близько 3 сонячних мас.

Історія

Історія самого терміна «гравітаційна хвиля», теоретичного та експериментального пошуку цих хвиль, а також їх використання для досліджень явищ недоступних іншими методами.

1900 - Лоренц припустив, що гравітація "...може поширяться зі швидкістю, не більшою за швидкість світла";
1905 - Пуанкаревперше запровадив термін гравітаційна хвиля (onde gravifique). Пуанкаре, на якісному рівні, зняв заперечення Лапласа і показав, що пов'язані з гравітаційними хвилями поправки до загальноприйнятих законів тяжіння Ньютона порядку скорочуються, таким чином, припущення про існування гравітаційних хвиль не суперечить спостереженням;
1916 - Ейнштейн показав, що в рамках ОТО механічна система передаватиме енергію гравітаційним хвилям і, грубо кажучи, будь-яке обертання щодо нерухомих зірок має рано чи пізно зупинитися, хоча, звичайно, у звичайних умовах втрати енергії порядку мізерні і практично не піддаються виміру (в цій роботі він помилково вважав, що механічна система, постійно зберігає сферичну симетрію, може випромінювати гравітаційні хвилі);
1918 - Ейнштейнвивів квадрупольну формулу, в якій випромінювання гравітаційних хвиль виявляється ефектом порядку, тим самим виправивши помилку у своїй попередній роботі (залишилася помилка в коефіцієнті, енергія хвилі в 2 рази менша);
1923 – Еддінгтон – поставив під сумнів фізичну реальність гравітаційних хвиль «…розповсюджуються… зі швидкістю думки». У 1934 році, при підготовці російського перекладу своєї монографії «Теорія відносності», Еддінгтон додав кілька розділів, включаючи розділи з двома варіантами розрахунків втрат енергії стрижнем, що обертається, але зазначив, що використані методи наближених розрахунків ОТО, на його думку, незастосовні до грамітаційно тому сумніви залишаються;
1937 - Ейнштейн спільно з Розеном досліджував циліндричні хвильові розв'язки точних рівнянь гравітаційного поля. У ході цих досліджень у них виникли сумніви, що гравітаційні хвилі, можливо, є артефактом наближених рішень рівнянь ОТО (відоме листування щодо рецензії на статтю Ейнштейна та Розена «Чи існують гравітаційні хвилі?»). Пізніше він знайшов помилку в міркуваннях, остаточний варіант статті з фундаментальними правками було опубліковано вже в Journal of the Franklin Institute;
1957 - Герман Бонді та Річард Фейнман запропонували уявний експеримент «тростину з бусинками» в якому обґрунтували існування фізичних наслідків гравітаційних хвиль у ВТО;
1962 - Владислав Пустовойт та Михайло Герценштейн описали принципи використання інтерферометрів для виявлення довгохвильових гравітаційних хвиль;
1964 - Філіп Петерс і Джон Метью теоретично описали гравітаційні хвилі, випромінювані подвійними системами;
1969 – Джозеф Вебер, засновник гравітаційно-хвильової астрономії, повідомляє про виявлення гравітаційних хвиль за допомогою резонансного детектора – механічної гравітаційної антени. Ці повідомлення породжують бурхливе зростання робіт у цьому напрямі, зокрема, Реньє Вайс, один із засновників проекту LIGO, розпочав експерименти на той час. На даний момент (2015) нікому так і не вдалося отримати надійні підтвердження цих подій;
1978 - Джозеф Тейлорповідомив про виявлення гравітаційного випромінювання у подвійній системі пульсара PSR B1913+16. Дослідження Джозефа Тейлора та Рассела Халса заслужили Нобелівську премію з фізики за 1993 рік. На початок 2015 року три пост-кеплерівські параметри, що включають зменшення періоду внаслідок випромінювання гравітаційних хвиль, було виміряно як мінімум для 8 подібних систем;
2002 - Сергій Копєйкін і Едвард Фомалонт виробили за допомогою радіохвильної інтерферометрії з наддовгою базою вимірювання відхилення світла в гравітаційному полі Юпітера в динаміці, що для деякого класу гіпотетичних розширень ОТО дозволяє оцінити швидкість гравітації - відмінність від швидкості світла не повинна перевищувати загальноприйнята);
2006 - міжнародна команда Марти Бургей (Обсерваторія Паркса, Австралія) повідомила про суттєво точніші підтвердження ОТО та відповідність їй величини випромінювання гравітаційних хвиль у системі двох пульсарів PSR J0737-3039A/B;
2014 – астрономи Гарвард-Смітсонівського центру астрофізики (BICEP) повідомили про виявлення первинних гравітаційних хвиль при вимірах флуктуацій реліктового випромінювання. На даний момент (2016) виявлені флуктуації вважаються такими, що не мають реліктового походження, а пояснюються випромінюванням пилу в Галактиці;
2016 – міжнародна команда LIGOповідомила про виявлення події проходження гравітаційних хвиль GW150914. Вперше повідомлено про пряме спостереження взаємодіючих масивних тіл у надсильних гравітаційних полях із надвисокими відносними швидкостями (< 1,2 × R s , v/c >0.5), що дозволило перевірити коректність ОТО з точністю до кількох постньютонівських членів високих порядків. Виміряна дисперсія гравітаційних хвиль не суперечить зробленим раніше вимірюванням дисперсії та верхньої межі маси гіпотетичного гравітону (< 1,2 × 10 −22 эВ), если он в некотором гипотетическом расширении ОТО будет существовать.

Астрофізики підтвердили існування гравітаційних хвиль, існування яких пророкував ще Альберт Ейнштейн близько 100 років тому. Їх вдалося зафіксувати за допомогою детекторів гравітаційно-хвильової обсерваторії LIGO, яка знаходиться у США.

Вперше в історії людство зафіксувало гравітаційні хвилі — коливання простору-часу, що прийшли на Землю від зіткнення двох чорних дірок, що сталися далеко у Всесвіті. Внесок у це відкриття є і російські вчені. У четвер дослідники розповідають про своє відкриття у всьому світі — у Вашингтоні, Лондоні, Парижі, Берліні та інших містах, у тому числі й у Москві.

На фото імітація зіткнення чорних дірок

На прес-конференції в офісі компанії Rambler&Co Валерій Митрофанов, керівнику російської частини колаборації LIGO оголосив про відкриття гравітаційних хвиль:

«Нам випала честь брати участь у цьому проекті та представити результати вам. Розповім тепер сенс відкриття російською. Ми бачили чудові картинки із зображенням детекторів LIGO у США. Відстань між ними – 3000 км. Під дією гравітаційної хвилі відбулося зрушення одного з детекторів, після чого ми їх і виявили. Спочатку на комп'ютері ми побачили просто шум, а потім почалося розгойдування маси детекторів Хемфорда. Після розрахунків даних ми змогли визначити, що саме чорні діри зіткнулися на відстані 1,3 млдр. світлових років звідси. Сигнал був дуже чіткий, він виліз із шуму дуже явно. Багато хто нам сказав, що нам пощастило, але природа зробила нам такий подарунок. Гравітаційні хвилі відкриті – це безперечно.»

Астрофізики підтвердили чутки про те, що за допомогою детекторів гравітаційно-хвильової обсерваторії LIGO їм удалося зафіксувати гравітаційні хвилі. Це відкриття дозволить людству значно просунутися у розумінні того, як влаштований Всесвіт.

Відкриття відбулося ще 14 вересня 2015 року одночасно двома детекторами у Вашингтоні та Луїзіані. Сигнал надійшов на детектори внаслідок зіткнення двох чорних дірок. Стільки часу знадобилося вченим, щоб переконатися, що саме гравітаційні хвилі були продуктом зіткнення.

Зіткнення дірок сталося зі швидкістю близько половини швидкості світла, а це приблизно 150 792 458 м/с.

«Ньютонівська гравітація описувалася в плоскому просторі, а Ейнштейн перевів його в площину часу і припустив, що його викривляє. Гравітаційна взаємодія дуже слабка. На Землі досвід створення гравітаційних хвиль неможливий. Виявити їх змогли лише після злиття чорних дірок. Зміщення детектора відбулося, тільки уявіть, на 10 -19 метра. Руками це не помацати. Лише за допомогою дуже точних приладів. Як це зробити? Лазерний промінь, за допомогою якого було зафіксовано зрушення, унікальне за своєю природою. Лазерна гравітаційна антена другого покоління LIGO вступила в дію у 2015 році. Чутливість дозволяє реєструвати гравітаційні збурення приблизно раз на місяць. Це передова світова та американська наука, нічого точнішого у світі немає. Ми сподіваємося, що він зможе подолати Стандартну квантову межу чутливості», – пояснив відкриття. Сергій Вятчанін, співробітник фізфаку МДУ та колаборації LIGO.

Стандартна квантова межа (СКП) в квантової механіки— обмеження, що накладається на точність безперервного чи багаторазово повторюваного виміру будь-якої величини, що описується оператором, який не комутує сам із собою у різні моменти часу. Передбачено у 1967 році В. Б. Брагінським, а сам термін Стандартна квантова межа (англ. Standard Quantum Limit, SQL) був запропонований пізніше Торном. СКП був із співвідношенням невизначеностей Гейзенберга.

Підбиваючи підсумки Валерій Митрофанов розповів про плани подальших досліджень:

«Це відкриття – початок нової гравітаційно-хвильової астрономії. По каналу гравітаційних хвиль ми розраховуємо дізнатися більше про Всесвіт. Нам відомий склад лише 5% матерії, решта – загадка. Гравітаційні детектори дозволять побачити небо у «гравітаційних хвилях». У майбутньому ми сподіваємося побачити початок всього, тобто реліктове випромінювання Великого вибуху та зрозуміти, що саме було тоді».

Вперше гравітаційні хвилі було запропоновано Альбертом Ейнштейном в 1916 році, тобто майже рівно 100 років тому. Рівняння для хвиль є наслідком рівнянь теорії відносності та виводяться не найпростішим чином.

Канадський фізик-теоретик Кліффорд Берджесс раніше опублікував листа, в якому йдеться, що обсерваторія зафіксувала гравітаційне випромінювання, викликане злиттям подвійної системи чорних дірок з масами 36 і 29 сонячних мас в об'єкт масою 62 маси Сонця. Зіткнення та несиметричний гравітаційний колапс тривають частки секунди, і за цей час у гравітаційне випромінювання — бриж простору-часу — сягає енергія, що становить, до 50 відсотків від маси системи.

Гравітаційна хвиля - хвиля гравітації, що породжується в більшості теорій тяжіння рухом тіл, що гравітують, зі змінним прискоренням. Зважаючи на відносну слабкість гравітаційних сил (у порівнянні з іншими) ці хвилі повинні мати дуже малу величину, що важко піддається реєстрації. Їхнє існування було передбачено близько століття тому Альбертом Ейнштейном.

Гравітаційні хвилі, теоретично передбачені Ейнштейном ще в 1917 році, все ще чекають свого першовідкривача.

Наприкінці 1969 року професор фізики Мерілендського університету Джозеф Вебер зробив сенсаційну заяву. Він оголосив, що виявив хвилі тяжіння, що прийшли на Землю із глибин космосу. До того часу жоден учений не виступав із подібними претензіями, та й сама можливість детектування таких хвиль вважалася далеко не очевидною. Проте Вебер мав славу авторитетом у своїй галузі, і тому колеги сприйняли його повідомлення з повною серйозністю.

Однак незабаром настало розчарування. Амплітуди хвиль, нібито зареєстрованих Вебером, у мільйони разів перевищували теоретичну величину. Вебер стверджував, що ці хвилі прийшли із закритого пиловими хмарами центру нашої Галактики, про який тоді мало що відомо. Астрофізики припустили, що там ховається гігантська чорна діра, яка щороку пожирає тисячі зірок і викидає частину поглиненої енергії у вигляді гравітаційного випромінювання, а астрономи зайнялися марним пошуком виразніших слідів цього космічного канібалізму (зараз доведено, що чорна діра там себе цілком пристойно). Фізики зі США, СРСР, Франції, Німеччини, Англії та Італії приступили до експериментів на детекторах того ж типу - і не досягли нічого.

Вчені й досі не знають, чому приписати дивні свідчення приладів Вебера. Однак його зусилля не пропали даремно, хоча гравітаційні хвилі досі так і не виявлені. Декілька установок для їх пошуку вже побудовані або будуються, а років через десять такі детектори будуть виведені і в космос. Цілком можливо, що в не такому віддаленому майбутньому гравітаційне випромінювання стане такою ж фізичною реальністю, що спостерігається, як і електромагнітні коливання. На жаль, Джозеф Вебер цього вже не дізнається – він помер у вересні 2000 року.

Що таке хвилі тяжіння

Часто кажуть, що гравітаційні хвилі - це обурення поля тяжіння, що поширюються в просторі. Таке визначення правильне, але неповно. Відповідно до загальної теорії відносності, тяжіння виникає через викривлення просторово-часового континууму. Хвилі тяжіння - це флуктуації просторово-часової метрики, які виявляють себе як коливання гравітаційного поля, тому їх часто образно називають просторово-часовою брижами. Гравітаційні хвилі були 1917 року теоретично передбачені Альбертом Ейнштейном. В існуванні їх ніхто не сумнівається, але гравітаційні хвилі все ще чекають свого першовідкривача.

Джерелом гравітаційних хвиль є будь-які рухи матеріальних тіл, що призводять до неоднорідної зміни сили тяжіння в навколишньому просторі. Рухається з постійною швидкістютіло нічого не випромінює, оскільки характер його поля тяжіння не змінюється. Для випромінювання хвиль тяжіння потрібні прискорення, але не будь-які. Циліндр, який обертається навколо своєї осі симетрії, зазнає прискорення, проте його гравітаційне поле залишається однорідним, і хвилі тяжіння не виникають. А от якщо розкрутити цей циліндр навколо іншої осі, поле стане осциллювати, і від циліндра на всі боки побіжать гравітаційні хвилі.

Цей висновок стосується будь-якого тіла (або системи тіл), несиметричного щодо осі обертання (у таких випадках говорять, що тіло має квадрупольний момент). Система мас, квадрупольний момент якої змінюється згодом, завжди випромінює гравітаційні хвилі.

Основні властивості гравітаційних хвиль

Астрофізики припускають, що випромінювання гравітаційних хвиль, відбираючи енергію, обмежує швидкість обертання масивного пульсара при поглинанні речовини сусідньої зірки.

Гравітаційні маяки космосу

Гравітаційне випромінювання земних джерел надзвичайно слабке. Сталева колона масою 10 000 тонн, підвішена за центр горизонтальній площині і розкручена навколо вертикальної осі до 600 об./хв, випромінює потужність приблизно 10 -24 Вт. Тому єдина надія виявити хвилі тяжіння – знайти космічне джерело гравітаційного випромінювання.

У цьому плані дуже перспективні тісні подвійні зірки. Причина проста: потужність гравітаційного випромінювання такої системи зростає у зворотній пропорції до п'ятого ступеня її діаметра. Ще краще, якщо траєкторії зірок сильно витягнуті, тому що при цьому зростає швидкість зміни квадрупольного моменту. Дуже добре, якщо подвійна система складається з нейтронних зірок або чорних дірок. Такі системи подібні до гравітаційних маяків у космосі - їх випромінювання має періодичний характер.

У космосі існують і «імпульсні» джерела, що породжують короткі, але надзвичайно потужні гравітаційні сплески. Подібне відбувається при колапсі масивної зірки, що передує вибуху наднової. Однак деформація зірки має бути асиметричною, інакше випромінювання не виникне. Під час колапсу гравітаційні хвилі можуть забрати з собою до 10% повної енергії світила! Потужність гравітаційного випромінювання у разі становить близько 10 50 Вт. Ще більше енергії виділяється при злитті нейтронних зірок, тут пікова потужність досягає 1052 Вт. Чудове джерело випромінювання – зіткнення чорних дірок: їх маси можуть перевищувати маси нейтронних зірок у мільярди разів.

Ще одне джерело гравітаційних хвиль – космологічна інфляція. Відразу після Великого вибуху Всесвіт почав надзвичайно швидко розширюватися, і менше ніж за 10 -34 секунди його діаметр збільшився з 10 -33 см до макроскопічного розміру. Цей процес незмірно посилив гравітаційні хвилі, що існували до його початку, та його нащадки збереглися досі.

Непрямі підтвердження

Перший доказ існування хвиль тяжіння пов'язаний із роботами американського радіоастронома Джозефа Тейлора та його студента Расселла Халса. У 1974 році вони виявили пару нейтронних зірок, що звертаються один навколо одного (випромінює в радіодіапазоні пульсар з мовчазним компаньйоном). Пульсар обертався навколо своєї осі зі стабільною кутовою швидкістю (що буває далеко не завжди) і тому служив виключно точним годинником. Ця особливість дозволила виміряти маси обох зірок та з'ясувати характер їхнього орбітального руху. Виявилося, що період обігу цієї подвійної системи (близько 3 год. 45 хв) щорічно скорочується на 70 мкс. Ця величина добре узгоджується з рішеннями рівнянь загальної теорії відносності, що описують втрату енергії зоряної пари, зумовлену гравітаційним випромінюванням (втім, зіткнення цих зірок станеться нескоро через 300 млн років). В 1993 Тейлор і Халс були удостоєні за це відкриття Нобелівської премії.

Гравітаційно-хвильові антени

Як виявити гравітаційні хвилі експериментально? Вебер використовував як детектори суцільні алюмінієві циліндри метрової довжини з п'єзодатчиками на торцях. Їх максимально ретельно ізолювали від зовнішніх механічних впливів у вакуумній камері. Два таких циліндри Вебер встановив у бункері під полем для гольфу Мерілендського університету, і один – в Аргоннській національній лабораторії.

Ідея експерименту проста. Простір під впливом гравітаційних хвиль стискається і розтягується. Завдяки цьому циліндр вібрує в поздовжньому напрямку, виступаючи як гравітаційно-хвильова антена, а п'єзоелектричні кристали переводять вібрації в електричні сигнали. Будь-яке проходження космічних хвиль тяжіння практично одночасно діє на детектори, рознесені на тисячу кілометрів, що дозволяє відфільтрувати гравітаційні імпульси від різноманітних шумів.

Веберівські датчики були в змозі помітити усунення торців циліндра, рівні всього 10 -15 його довжини - в даному випадку 10 -13 см. Саме такі коливання Вебер вдалося виявити, про що він вперше і повідомив у 1959 році на сторінках Physical Review Letters. Усі спроби повторити ці результати виявилися марними. Дані Вебера до того ж суперечать теорії, яка практично не дозволяє очікувати відносних зсувів вище 10-18 (причому набагато вірогідніше значення менше 10-20). Не виключено, що Вебер наплутав під час статистичної обробки результатів. Перша спроба експериментально виявити гравітаційне випромінювання закінчилася невдачею.

Надалі гравітаційно-хвильові антени значно удосконалили. У 1967 році американський фізик Білл Фейрбанк запропонував охолоджувати їх у рідкому гелії. Це не тільки дозволило позбавитися більшої частини теплових шумів, але й відкрило можливість застосування сквідів (надпровідних квантових інтерферометрів), точних надчутливих магнітометрів. Реалізація цієї ідеї була пов'язана з безліччю технічних труднощів, і сам Фейрбанк до неї не дожив. На початку 1980-х років фізики зі Стенфордського університету збудували установку з чутливістю 10 -18, проте хвиль не зареєстрували. Зараз у низці країн діють ультракріогенні вібраційні детектори хвиль тяжіння, що працюють при температурах лише на десяті та соті частки градуса вище за абсолютного нуля. Така, наприклад, установка AURIGA у Падуї. Антенною для неї служить триметровий циліндр з алюмінієво-магнієвого сплаву, діаметр якого становить 60 см, а вага - 2,3 т. Він підвішений у вакуумній камері, що охолоджується до 0,1 К. Його струси (з частотою близько 1000 Гц) передаються на допоміжний резонатор масою в 1 кг, який коливається з такою самою частотою, але набагато більшою амплітудою. Ці вібрації реєструються вимірювальною апаратурою та аналізуються за допомогою комп'ютера. Чутливість комплексу AURIGA - близько 10-20-10-21.

Інтерферометри

Ще один спосіб детектування хвиль тяжіння заснований на відмові від масивних резонаторів на користь світлових променів. Першими у 1962 році його запропонували радянські фізики Михайло Герценштейн та Владислав Пустовойт, а двома роками пізніше і Вебер. На початку 1970-х співробітник дослідницької лабораторіїкорпорації Hughes AircraftРоберт Форвард (у минулому аспірант Вебера, надалі вельми відомий письменник-фантаст) побудував перший такий детектор із пристойною чутливістю. Тоді ж професор Массачусетського технологічного інституту (MIT) Райнер Вайс виконав дуже глибокий теоретичний аналіз можливостей реєстрації гравітаційних хвиль за допомогою оптичних методів.

Ці методи припускають використання аналогів приладу, за допомогою якого фізик Альберт Майкельсон 125 років тому довів, що швидкість світла строго однакова в усіх напрямках. У цій установці, інтерферометрі Майкельсона, пучок світла потрапляє на напівпрозору пластинку і поділяється на два взаємно перпендикулярні промені, які відбиваються від дзеркал, розташованих на однаковій відстані від пластинки. Потім пучки знову зливаються і падають на екран, де виникає інтерференційна картина (світлі та темні смуги та лінії). Якщо швидкість світла залежить від його напрямку, то при повороті всієї установки ця картинка повинна змінитися, якщо ні - залишитися такою ж, що раніше.

Інтерференційний детектор хвиль тяжіння працює подібним чином. хвиля, Що Проходить, деформує простір і змінює довжину кожного плеча інтерферометра (шляхи, по якому світло йде від дільника до дзеркала), розтягуючи одне плече і стискаючи інше. Інтерференційне зображення змінюється, і це можна зареєструвати. Але це непросто: якщо очікувана відносна зміна довжини плечей інтерферометра становить 10 -20 , то при настільних розмірах приладу (як у Майкельсона) воно обертається коливаннями амплітудою порядку 10 -18 см. Для порівняння: хвилі видимого світла в 10 трлн разів довгий Можна збільшити довжину плечей до кількох кілометрів, проте проблеми все одно залишаться. Лазерне джерело світла має бути і потужним, і стабільним за частотою, дзеркала - ідеально плоскими і ідеально відбивають, вакуум у трубах, якими поширюється світло, - максимально глибоким, механічна стабілізація всієї системи - воістину досконалої. Коротше кажучи, інтерференційний детектор гравітаційних хвиль – прилад дорогий та громіздкий.

Сьогодні найбільша установка такого роду – американський комплекс LIGO (Light Interferometer Gravitational Waves Observatory). Він складається з двох обсерваторій, одна з яких знаходиться на тихоокеанському узбережжі США, а інша - неподалік Мексиканської затоки. Вимірювання виробляють за допомогою трьох інтерферометрів (два у штаті Вашингтон, один у Луїзіані) з плечима чотирикілометрової довжини. Установка має дзеркальні накопичувачі світла, які збільшують її чутливість. «З листопада 2005 року всі три наші інтерферометри працюють у нормальному режимі, – розповів «Популярній механіці» представник комплексу LIGO Пітер Солсон, професор фізики Сіракузького університету. - Ми постійно обмінюємося даними з іншими обсерваторіями, які намагаються виявити гравітаційні хвилі частотою в десятки і сотні герц, що виникли при найпотужніших вибухах наднових та злитті нейтронних зірок та чорних дірок. Зараз у строю знаходиться німецький інтерферометр GEO 600 (довжина плечей – 600 м), розташований за 25 км від Ганновера. 300-метровий японський прилад TAMA зараз модернізується. Трикілометровий детектор Virgo на околицях Пізи підключиться до загальних зусиль на початку 2007-го, причому на частотах менше 50 Гц він зможе перевершити LIGO. Установки з ультракріогенними резонаторами діють із зростаючою ефективністю, хоча їхня чутливість все ж таки дещо менша за нашу».

Перспективи

Що ж чекає на методи виявлення гравітаційних хвиль у найближчому майбутньому? Про це «Популярній механіці» розповів професор Райнер Вайсс. Зараз вона становить 10-21 (на частотах близько 100 Гц), а після модернізації перевищить 10-22. Модернізований комплекс Advanced LIGO в 15 разів збільшить глибину проникнення в космос. У цьому проекті бере активну участь професор МДУ Володимир Брагінський, один з піонерів вивчення гравітаційних хвиль.

На середину наступного десятиліття заплановано запуск космічного інтерферометра LISA ( Laser Interferometer Space Antenna) з довжиною плечей у 5 мільйонів кілометрів, це спільний проект NASA та Європейського космічного агентства. Чутливість цієї обсерваторії буде у сотні разів вищою, ніж можливості наземних інструментів. Вона в першу чергу призначена для пошуку низькочастотних (10 -4 -10 -1 Гц) гравітаційних хвиль, які неможливо вловити на поверхні Землі через атмосферні та сейсмічні перешкоди. Такі хвилі випромінюють подвійні зіркові системи, цілком типові мешканці Космосу. LISA також зможе реєструвати хвилі тяжіння, що виникли під час поглинання чорними дірками звичайних зірок. А ось для детектування реліктових гравітаційних хвиль, що несуть інформацію про стан матерії в перші миті після Великого вибуху, швидше за все, будуть потрібні більш просунуті космічні інструменти. Така установка, Big Bang Observer, зараз обговорюється, проте навряд чи її вдасться створити та запустити раніше ніж через 30-40 років».