Учора світ вразила сенсація: вчені нарешті виявили гравітаційні хвилі, існування яких передбачав Ейнштейн ще сто років тому. Це прорив. Спотворення простору-часу (це і є гравітаційні хвилі – зараз пояснимо, що до чого) виявили в обсерваторії ЛІГО, а одним із її засновників є – хто б ви думали? - Кіп Торн, автор книги.

Розповідаємо, чому відкриття гравітаційних хвиль таке важливе, що сказав Марк Цукерберг і, звичайно, ділимося історією від першої особи. Кіп Торн як ніхто інший знає, як влаштований проект, у чому його незвичність та яке значення ЛІГО має для людства. Так-так, все так серйозно.

Відкриття гравітаційних хвиль

Науковий світ назавжди запам'ятає дату 11 лютого 2016 року. Цього дня учасники проекту ЛІГО (LIGO) оголосили: після стільки марних спроб гравітаційні хвилі знайдено. Це реальність. Насправді, їх виявили трохи раніше: у вересні 2015 року, але вчора відкриття було визнано офіційно. У The Guardian вважають, що вчені неодмінно отримають Нобелівську премію з фізики.

Причина гравітаційних хвиль - зіткнення двох чорних дірок, яке сталося аж... у мільярді світлових років від Землі. Уявляєте, наскільки величезний наш Всесвіт! Так як чорні дірки - дуже масивні тіла, вони пускають «брижі» по простору-часу, трохи його спотворюючи. Ось і з'являються хвилі, схожі на ті, що поширюються від каменю, кинутого у воду.

Ось так можна уявити гравітаційні хвилі, що йдуть до Землі, наприклад, від червоточини. Малюнок із книги «Інтерстелар. Наука за кадром»

Отримані коливання перетворили на звук. Цікаво, що сигнал від гравітаційних хвиль приходить приблизно на тій самій частоті, що і наша мова. Тож ми можемо на власні вуха почути, як стикаються чорні дірки. Послухайте, як звучать гравітаційні хвилі.

І знаєте, що? Зовсім недавно, що чорні дірки влаштовані не так, як вважалося раніше. Але доказів того, що вони в принципі існують, не було зовсім. А тепер є. Чорні дірки справді «живуть» у Всесвіті.

Так, на думку вчених, виглядає катастрофа - злиття чорних дірок, - .

11 лютого відбулася грандіозна конференція, куди з'їхалися понад тисячу вчених із 15 країн. Російські вчені також були присутніми. І, звісно, ​​не обійшлося без Кіпа Торна. «Це відкриття – початок дивовижного, чудового квесту для людей: пошуку та дослідження викривленого боку Всесвіту – об'єктів та явищ, створених із спотвореного простору-часу. Зіткнення чорних дірок та гравітаційні хвилі – наші перші чудові зразки», - сказав Кіп Торн.

Пошук гравітаційних хвиль був однією з головних проблем фізики. Тепер їх знайдено. І геній Ейнштейна підтверджено знову.

У жовтні ми взяли інтерв'ю у Сергія Попова, вітчизняного астрофізика та відомого популяризатора науки. Він як у воду дивився! Восени: «Мені здається, що зараз ми стоїмо на порозі нових відкриттів, що в першу чергу пов'язано з роботою детекторів гравітаційних хвиль LIGO і VIRGO (Кіп Торн якраз зробив великий внесок у створення проекту LIGO)». Дивно, правда?

Гравітаційні хвилі, детектори хвиль та LIGO

Що ж, а тепер трохи фізики. Для тих, хто справді хочеться розібратися в тому, що таке гравітаційні хвилі. Ось художнє зображення тендекс-ліній двох чорних дірок, що обертаються по орбітах один навколо одного, проти годинникової стрілки, а потім зіштовхуються. Тендекс-лінії породжують гравітацію. Йдемо далі. Лінії, які виходять з двох найбільш віддалених один від одного крапок на поверхнях пари чорних дірок, розтягують все на своєму шляху, включаючи подругу художниці, що потрапила на малюнок. А лінії, що виходять з області зіткнення, всі стискають.

Коли дірки обертаються одна навколо іншої, вони захоплюють слідом свої тендекс-лінії, які схожі на струмені води з поливалки, що крутиться, на газоні. На малюнку із книги «Інтерстелар. Наука за кадром» - пара чорних дірок, які стикаються, обертаючись одна довкола іншої проти годинникової стрілки, та їх тендекс-лінії.

Чорні дірки об'єднуються в одну велику дірку; вона деформована та обертається проти годинникової стрілки, захоплюючи за собою тендекс-лінії. Нерухомий спостерігач, що знаходиться далеко від дірки, відчує коливання, коли через нього проходитимуть тендекс-лінії: розтяг, потім стиснення, потім розтяг - тендекс-лінії стали гравітаційною хвилею. У міру поширення хвиль деформація чорної дірки поступово зменшується, і хвилі також слабшають.

Коли ці хвилі досягають Землі, вони мають вигляд, показаний у верхній частині малюнка нижче. Вони розтягують в одному напрямку та стискають в іншому. Розтягування і стискування коливаються (від червоного вправо-вліво, до синього вправо-вліво, до червоного вправо-вліво і т. д.) у міру того, як хвилі проходять через детектор у нижній частині малюнка.

Гравітаційні хвилі, що проходять через детектор Ліго.

Детектор є чотири великих дзеркала (40 кілограмів, 34 сантиметри в діаметрі), які закріплені на кінцях двох перпендикулярних труб, званих плечима детектора. Тендекс-лінії гравітаційних хвиль розтягують одне плече, стискаючи при цьому друге, а потім навпаки стискають перше і розтягують друге. І так знову і знову. При періодичній змінідовжини плечей дзеркала зміщуються один щодо одного, і ці усунення відстежуються за допомогою лазерних променів способом, який називається інтерферометрією. Звідси і назва ЛІГО: Лазерно-інтерферометрична гравітаційно-хвильова обсерваторія.

Центр управління ЛІГО, звідки відправляють команди детектору та стежать за отриманими сигналами. Гравітаційні детектори ЛІГО розташовані в Хенфорді, штат Вашингтон, та Лівінгстоні, штат Луїзіана. Фото із книги «Інтерстелар. Наука за кадром»

Сьогодні ЛІГО - міжнародний проект, у якому бере участь 900 вчених з різних країнзі штабом, розташованим у Каліфорнійському технологічному інституті.

Скривлена ​​сторона Всесвіту

Чорні дірки, червоточини, сингулярності, гравітаційні аномалії та вимірювання вищого порядку пов'язані з викривленням простору та часу. Тому Кіп Торн називає їх «викривленою стороною Всесвіту». У людства досі дуже мало експериментальних та спостережних даних із викривленого боку Всесвіту. Ось чому ми стільки уваги віддаємо гравітаційним хвилям: вони складаються з викривленого простору і надають найдоступніший для нас спосіб дослідити викривлену сторону.

Уявіть, що вам доводилося бачити океан лише тоді, коли він спокійний. Ви б знати не знали про течії, вир і штормові хвилі. Це нагадує наші сьогоднішні знання про викривлення простору та часу.

Ми майже нічого не знаємо про те, як викривлений простір і викривлений час поводяться «у шторм» - коли форма простору бурхливо коливається і коли коливається швидкість часу. Це надзвичайно привабливий рубіж знань. Вчений Джон Вілер придумав для цих змін термін "геометродинаміка"

Особливий інтерес у галузі геометродинаміки становить зіткнення двох чорних дірок.

Зіткнення двох чорних дірок, що не обертаються. Модель із книги «Інтерстелар. Наука за кадром»

На малюнку вище зображено момент зіткнення двох чорних дірок. Саме така подія дозволила вченим зафіксувати гравітаційні хвилі. Ця модель побудована для чорних дірок, що не обертаються. Зверху: орбіти та тіні дір, вид з нашого Всесвіту. Посередині: викривлений простір і час, вид з балка (багатомірного гіперпростору); стрілками показано, як простір залучається в рух, а квітами, що змінюються - як викривляється час. Знизу: форма гравітаційних хвиль, що випускаються.

Гравітаційні хвилі від Великого вибуху

Слово Кіпу Торну. «1975 року Леонід Грищук, мій добрий приятель із Росії, зробив сенсаційну заяву. Він сказав, що в момент Великого вибуху виникло безліч гравітаційних хвиль, причому механізм їх виникнення (перш за невідомий) був таким: квантові флуктуації (Випадкові коливання - прим. ред) гравітаційного поляпри Великому вибуху були багаторазово посилені початковим розширенням Всесвіту і стали початковими гравітаційними хвилями. Ці хвилі, якщо їх вдасться виявити, можуть розповісти нам, що відбувалося в момент зародження нашого Всесвіту».

Якщо вчені знайдуть початкові гравітаційні хвилі, ми дізнаємося, як зародився Всесвіт.

Люди розгадали далеко на всі загадки Всесвіту. Все ще попереду.

У наступні роки, у міру того, як удосконалювалися наші уявлення про Великий вибух, стало очевидно: ці початкові хвилі повинні бути сильними на довжинах хвиль, порівнянних з величиною видимого Всесвіту, тобто на довжинах у мільярди світлових років. Уявляєте скільки це?.. А на довжинах хвиль, які охоплюють детектори ЛІГО (сотні та тисячі кілометрів), хвилі, швидше за все, виявляться надто слабкими, щоб їх розпізнати.

Команда Джеймі Бока побудувала апарат BICEP2, за допомогою якого було виявлено слід споконвічних гравітаційних хвиль. Апарат, що знаходиться на Північному полюсі, показаний тут під час сутінків, які бувають там лише двічі на рік.

Апарат BICEP2. Зображення із книги «Інтерстелар. Наука за кадром»

Він оточений щитами, що екранують апарат від випромінювання навколишнього крижаного покриву. У правому верхньому куті показаний виявлений реліктовому випромінюванні слід - поляризаційний візерунок. Лінії електричного поля спрямовані вздовж коротких світлих штрихів.

Слід початку Всесвіту

На початку дев'яностих космологи зрозуміли, що ці гравітаційні хвилі завдовжки мільярди світлових років мали залишити унікальний слід в електромагнітних хвилях, що наповнюють Всесвіт, - у так званому космічному мікрохвильовому фоні, або реліктовому випромінюванні. Це започаткувало пошуки святого Грааля. Адже якщо виявити цей слід і вивести з нього властивості початкових гравітаційних хвиль, можна дізнатися, як зароджувався Всесвіт.

У березні 2014 року, коли Кіп Торн писав цю книгу, команда Джемі Бока, космолога з Калтеха, кабінет якого знаходиться поряд із кабінетом Торна, нарешті виявила цей слід у реліктовому випромінюванні.

Це чудове відкриття, але є один спірний момент: слід, знайдений командою Джемі, міг бути викликаний не гравітаційними хвилями, а чимось ще.

Якщо дійсно знайдено слід гравітаційних хвиль, що виникли при Великому вибуху, значить, відбулося космологічне відкриття такого рівня, які трапляються, можливо, раз на півстоліття. Воно дає шанс торкнутися подій, які відбувалися через трильйонну від трильйонної від трильйонної частки секунди після народження Всесвіту.

Це відкриття підтверджує теорії, що свідчать, що розширення Всесвіту тієї миті було надзвичайно швидким, на сленгу космологів - інфляційно швидким. І сповіщає настання нової ери в космології.

Гравітаційні хвилі та «Інтерстелар»

Учора на конференції з приводу відкриття гравітаційних хвиль Валерій Митрофанов, керівник московської колаборації вчених LIGO, до якої входять 8 вчених із МДУ, зазначив, що сюжет фільму «Інтерстелар» хоч і фантастичний, але не такий далекий від дійсності. А все тому, що науковим консультантом був Кіп Торн. Сам же Торн висловив сподівання, що вірить у майбутні пілотовані польоти людини до чорної діри. Нехай вони трапляться не так скоро, як хотілося б, і все ж таки сьогодні це набагато реальніше, ніж було раніше.

Не так уже й далекий день, коли люди покинуть межі нашої галактики.

Подія сколихнула розуми мільйонів людей. Відомий Марк Цукерберг написав: «Виявлення гравітаційних хвиль – найбільше відкриття у сучасній науці. Альберт Ейнштейн - один із моїх героїв, тому я сприйняв відкриття так близько. Століття тому в рамках Загальної Теорії Відносності він передбачив існування гравітаційних хвиль. Адже вони такі малі, щоб їх виявити, що прийшло шукати їх у витоках таких подій, як Великий вибух, вибухи зірок та зіткнення чорних дірок. Коли вчені проаналізують отримані дані, перед нами відкриється новий погляд на космос. І, можливо, це проллє світло на походження Всесвіту, народження та процес розвитку чорних дірок. Це дуже надихає – думати про те, скільки життів та зусиль було покладено на те, щоб зірвати покрив із цієї таємниці Всесвіту. Цей прорив став можливим завдяки таланту блискучих вчених та інженерів, людей різних національностей, а також новітнім комп'ютерним технологіям, які з'явилися нещодавно. Вітаю всіх причетних. Ейнштейн би вами пишався».

Така ось мова. І це людина, яка просто цікавиться наукою. Можна собі уявити, яка буря емоцій захлеснула вчених, які зробили свій внесок у відкриття. Здається, ми стали свідками нової доби, друзі. Це вражає.

PS: Сподобалося? Підписуйтесь на нашу розсилку по кругозору. Раз на тиждень надсилаємо пізнавальні листи та даруємо знижки на книги МІФу.

Рябка простору-часу, що утворилася в результаті зоряного катаклізму в далекій галактиці, допомагає пояснити космічне походження золота і прокласти курс для нової епохи в астрономії, що займається спостереженнями електромагнітного спектра та гравітаційних хвиль.

Початком нової епохи в астрономії та фізики стала заява вчених, що прозвучала в понеділок, про те, що вони вперше виявили брижі простору-часу, відому як гравітаційні хвилі, які утворилися в результаті зіткнення двох нейтронних зірок. 17 серпня ці хвилі з космосу досягли Землі в районі Індійського океану та були зареєстровані двома детекторними станціями американської Лазерної інтерферометричної гравітаційно-хвильової обсерваторії (LIGO) та європейським детектором Virgo, розташованим в Італії.

Це вже п'ятий випадок протягом останніх двох років, коли вчені фіксують такі хвилі. Першим це явище передбачив Ейнштейн, зробивши це понад сто років тому. А цього року за відкриття в галузі гравітаційних хвиль Нобелівську премію з фізики отримали три керівники LIGO.

Однак усі помічені раніше гравітаційні хвилі виникали від злиття чорних дірок. Ці чорні дірки мають таку величезну густину, що не випускають світло. Тому таке злиття чорних дірок насправді неможливо виявити звичайними телескопами, незважаючи на неймовірно потужні гравітаційні хвилі, які вони породжують в останні моменти своєї несамовитої спіралі смерті. Без ширшої мережі гравітаційно-хвильових обсерваторій астрономи не в змозі визначити точне місцезнаходження чорних дірок, що з'єднуються, і тим більше глибоко їх вивчити і проаналізувати

Однак злиття нейтронних зірок починається з об'єктів, які, порівняно з чорними дірками, можуть бути дуже легкими. Нейтронна зірка - це сильно стисле ядро ​​масивної зірки, що закінчила свій вік, і формується вона після вибуху наднової. Її гравітаційне поле має достатню силу для того, щоб здавити і зруйнувати матерію масою з ціле Сонце, перетворивши її на сферу з нейтронів розміром із велике місто. Таким чином, це не зірка у звичайному розумінні, а переважно ядро ​​атома розміром з Манхеттен. Однак сила тяжіння нейтронної зірки все одно занадто мала, щоб утримувати світло, а тому спалах від зіткнення двох таких зірок може проникнути в космос, створивши не лише гравітаційні хвилі, але й один із найяскравіших феєрверків у Всесвіті, який може побачити будь-хто.

В даному випадку, коли початковий імпульс гравітаційних хвиль подав сигнал про початок злиття, феєрверк складався зі спалаху гамма-випромінювання завдовжки дві секунди і післясвічення різної довжини хвиль, яке тривало кілька тижнів. Серед «будь-яких бажаючих» опинилися майже всі астрономи та фізики на нашій планеті, які знали про цю подію. Дослідник проекту Жулі Макінери (Julie McEnery), яка працює з космічним гамма-телескопом Фермі, який зафіксував спалах гамма-променів, назвала 17 серпня «найпрекраснішим вранці за всі дев'ять років роботи телескопа».

З астрономів, які працюють разом із фізиками на телескопі LIGO та Virgo, взяли клятву про дотримання секретності. Однак величезна кількість спостережень у всьому світі неминуче призвела до поширення чуток, які тепер знайшли своє підтвердження. Йдеться про загальносвітову кампанію спостереження за зіткненням та його наслідками. Сплеск нових спостережень та виникнення нових теорій після зіткнення є найяскравішим зразком гравітаційно-хвильової астрономії. Це нова галузь науки, яка збирає дані та вивчає світло, гравітаційні хвилі та субатомні частинки, що утворюються внаслідок астрофізичних катаклізмів.

Одночасно в кількох наукових журналах було опубліковано безліч статей, автори яких пов'язали останні подіїз найрізноманітнішими явищами і запропонували нові ідеї з різних напрямів, починаючи з фундаментальної ядерної фізики і закінчуючи еволюцією Всесвіту. Серед іншого це злиття дало спостерігачам можливість простежити за зародженням чорної дірки, яка могла утворитися при зіткненні нейтронних зірок. Але одне відкриття є в буквальному значенні блискучим. Це переконливий доказ того, що злиття нейтронних зірок є космічним плавильним котлом, у якому з'являються важкі елементи нашого Всесвіту, включаючи уран, платину та золото.

Контекст

Чому нас навчають гравітаційні хвилі

The New York Times 04.10.2017

Гравітаційні хвилі нарешті відкриті

Quanta Magazine 17.02.2016
Таким чином, багато говорить про те, що радіоактивний матеріал в ядерному реакторі, каталітичний нейтралізатор вихлопних газів у вашому автомобілі та дорогоцінний метал у вашому обручці є результатом зіткнення найменших, найщільніших і найекзотичніших зірок у нашому Всесвіті, або принаймні, тієї їх частини, яка може вислизнути з чорних дірок, що утворюються внаслідок злиття. Дане відкриття допоможе дозволити безперервні дебати з питання космічного походження важких елементів, якими теоретики займаються понад півстоліття. Основна частина водню та гелію у нашому Всесвіті з'явилася в перші моменти після великого вибуху. А більшість легких елементів, таких як кисень, вуглець, азот тощо, сформувалися внаслідок ядерного синтезу у зірках. Але питання про походження найважчих елементів досі був відповіді.

«Ми натрапили на золоту жилу! — каже Лаура Кадонаті (Laura Cadonati), яка працює астрофізиком у Технологічному інституті штату Джорджія та є заступником прес-секретаря LIGO. — Насправді ми вперше виявили гравітаційно-хвильове та електромагнітне явище як єдину астрофізичну подію. Гравітаційні хвилі розповідають нам історію, що сталося до катаклізму. Електромагнітне випромінювання оповідає про те, що сталося після». Поки що це не остаточні висновки, каже Кадонаті, проте аналіз гравітаційних хвиль цього явища згодом допоможе розкрити подробиці того, як усередині нейтронних зірок при злитті «розбризкується» матерія, і вчені отримають нові можливості для вивчення цих дивних об'єктів, а також з'ясують яких розмірів вони можуть досягати до схлопування і перетворення на чорну дірку. Кадонаті також зазначає, що була якась таємнича затримка за кілька секунд між закінченням сплеску гравітаційної хвилі та початком гамма-випромінювання. Можливо, це той проміжок часу, коли структурна цілісність нейтронних зірок, що зливаються, нетривалий час чинила опір неминучому колапсу.

Багато дослідників вже давно чекають на це проривне відкриття. «Мої мрії здійснилися, — каже астрофізик Сабольч Марка (Szabolcs Marka), який працює в Колумбійському університеті та входить до наукового колективу LIGO. Ця людина ще наприкінці дев'яностих років стала прихильником гравітаційно-хвильової астрономії, яка доповнена спостереженнями електромагнітного спектру. У ті роки, згадує Марка, його вважали божевільним, котрий намагається підготуватися до майбутніх спостережень за гравітаційними хвилями, хоча до безпосереднього відкриття цього явища залишалося ще кілька десятків років. «Тепер я та мої колеги почуваємося помщеними, — каже він. — Ми вивчили цю систему нейтронних зірок, що стикаються, у дуже різноманітному наборі сигналів. Ми побачили це у гравітаційних хвилях, у гамма-випромінюванні, в ультрафіолеті, у видимому та інфрачервоному світлі, а також у рентгенівських променях та радіохвилях. Це революція та еволюція в астрономії, на яку я покладав надії ще 20 років тому».

Директор Національного наукового фонду (це федеральне відомство, що забезпечує основну частину фінансування LIGO) Франс Кордова (France Córdova) заявив, що останнє досягнення є «історичним моментом у науці», і що воно стало можливим завдяки стійкій та багаторічній підтримці уряду, що надається багатьом астрофізичним обсервам. . «Виявлення гравітаційних хвиль, починаючи з першого короткого вібросейсмічного сигналу, який почули в усьому світі, і закінчуючи останнім, більш тривалим сигналом, не лише виправдовує ризиковані, але й дають велику винагороду інвестиції, що виділяються Національним науковим фондом, але також підштовхує нас до того, щоб зробити більше у цьому напрямі, — каже Кордова. — Я сподіваюся, що ННФ і надалі підтримуватиме новаторів та інновацій, які перетворять наші знання та надихають майбутні покоління».

Прекрасна можливість

Коли були виявлені початкові гравітаційні хвилі від злиття та подальше гамма-випромінювання (його негайно зафіксували вчені за допомогою телескопа Фермі та космічних телескопів обсерваторії INTEGRAL), почалася гонка у спробі з'ясувати, яким є джерело зіткнення в космосі, а також його післясвічення. Дуже швидко численні колективи вчених націлили наявні телескопи на ту ділянку неба, де за розрахунками дослідників з LIGO та Virgo мало бути джерело. Це була ділянка неба, що охоплює 31 квадратний градус, де розташовані сотні галактик. (За словами Кадонаті, якби використовувалася лише обсерваторія LIGO, ці спостереження були б схожі на пошуки золотого кільця, що лежить на дні. Тихого океану. Але отримавши третю точку даних від Virgo, каже вона, дослідники зуміли визначити місце розташування джерела, і в результаті спостереження стали більше схожі «на пошуки золотого кільця в Середземному морі».

Мультимедіа

НАСА відтворює «Гравітацію»

ІноЗМІ 06.03.2014
Основну частину спостережень вчені проводили у чилійських обсерваторіях. Свою роботу вони розпочали відразу після заходу сонця, коли з-за обрію вийшла потрібна ділянка неба. Різні колективи вчених застосовували найрізноманітніші стратегії пошуку. Хтось просто здійснював суцільне спостереження за ділянкою піднебіння, методично переміщаючись від одного боку до іншого; хтось націлився на галактики, у яких із найбільшою часткою ймовірності могло статися злиття нейтронних зірок. Зрештою друга стратегія виявилася виграшною.

Першим оптичне посвячення побачив докторант і дослідник з Каліфорнійського університету в Санта Крузі Чарльз Кілпатрік (Charles Kilpatrick). Він сидів за столом у своєму кабінеті та переглядав зображення деяких галактик, отримавши завдання від одного зі своїх колег астронома Райана Фолі (Ryan Foley), який брав участь в організації цього проекту. Дев'ятим знімком, який він почав вивчати, була фотографія, що поспішно знята і передана колегами, що знаходилися на іншому кінці світу і працювали на величезному телескопі Swope в чилійській обсерваторії Лас-Кампанас. Саме на ньому він побачив те, що шукали все: яскраво-блакитну крапку в центрі гігантської еліптичної галактики, що є скупченням старих червоних зірок у віці 10 мільярдів років, які знаходилися на відстані 120 мільйонів світлових років. Усі вони були безіменними, якщо не брати до уваги позначень у каталогах. Вважається, що саме у таких галактиках найчастіше відбуваються злиття нейтронних зірок, оскільки вони старі, у їхніх зірок велика щільність, а молодих зірок у таких галактиках досить мало. Порівнявши цей знімок з більш ранніми зображеннями тієї ж галактики, Кілпатрік не побачив на них такої точки. Це було щось нове, що з'явилося зовсім недавно. «Дуже повільно до мене дійшло, який це історичний момент, — згадує Кілпатрік. — Але на той час я був зосереджений на своєму завданні, намагаючись працювати якнайшвидше».

Кілпатрік повідомив про побачене іншим членам своєї команди, зокрема, астроному з обсерваторій Карнегі Джошу Саймону (Josh Simon), який швидко отримав підтвердження зображення за допомогою одного з найбільших телескопів Magellan у Чилі діаметром шість з половиною метрів. На цих зображеннях блакитна крапка також була присутня. Протягом години Саймон займався вимірами спектра цієї точки, тобто, різних кольорів світла, що нею випускається. Робив він це парними знімками з витримкою п'ять хвилин. Саймон вважає, що такі спектральні знімки виявляться корисними для подальших досліджень. А якщо ні, то у будь-якому випадку вони зможуть довести, що це не просто якась пересічна супернова чи інший космічний самозванець. Тим часом, й інші колективи вчених теж помітили цю точку та зайнялися її дослідженнями. Але команда Фолі швидше за інших знайшла підтвердження і провела спектральний аналіз, забезпечивши собі першість у цьому відкритті. «Ми першими отримали зображення і ми першими ідентифікували джерело цього зображення, — каже Саймон. — А оскільки й перше, і друге ми отримали дуже швидко, нам вдалося зробити перший спектральний аналіз цього злиття, чого тієї ночі не зумів зробити ніхто в Чилі. Після цього ми оголосили про своє відкриття усьому науковому співтовариству».

Ці перші спектральні спостереження виявилися надзвичайно важливими для подальшого аналізу та вирішення деяких загадок. Вони показали, що залишки від злиття швидко охолоджуються і втрачають своє яскраво-блакитне світло, яке перетворюється на темно-рубінове. Ці дані в наступні тижні вдалося перевірити і підтвердити в ході спостережень, поки видима точка блідла і згасала, а її післясвічення зміщувалося, і яскраве світло переходило в інфрачервону зону спектра з більшою довжиною хвилі. Загальні закономірності кольорів, процесу охолодження та розширення були дуже схожі на те, що раніше пророкували багато теоретиків, які працювали незалежно один від одного. Насамперед, це Брайан Мецгер (Brian Metzger) з Колумбійського університету та Ден Кейсен (Dan Kasen) з Каліфорнійського університету в Берклі.

Коротше кажучи, пояснює Мецгер, те, що побачили астрономи після злиття, можна назвати «кілоновою». Це інтенсивний спалах світла, що утворилося за рахунок виділення та подальшого радіоактивного розпаду розпеченого до білизни та багатого на нейтрони матеріалу з нейтронної зірки. У міру того, як цей матеріал розширюється і охолоджується, більшість його нейтронів захоплюється ядрами заліза та інших важких елементів, що залишилися у вигляді попелу після вибуху наднової та утворення нейтронної зірки. «Це призводить до створення ще більш важких елементів протягом приблизно однієї секунди, коли частинки, що викидаються, захоплюють ці нейтрони і розширюються в просторі. Одне з цих злиттів формує нижню половину періодичної таблиці, а саме золото, платину, уран і так далі», — каже Мецгер. На завершальному етапі світло від кілонової різко зміщується в інфрачервону зону, коли нейтрони, що каскадом вилітають з викиду, формують найважчі елементи, які дуже ефективно поглинають видиме світло.

Вимірювання спектральних змін тіла кілонової, своєю чергою, дозволяє астрономам визначити кількість різних елементів, що утворилися в процесі злиття. Едо Бергер (Edo Berger), який вивчає кілонові в Смітсонівському центрі астрофізики і керував численними і найамбіційнішими спостереженнями за цим злиттям, каже, що в результаті цієї події утворилися важкі елементи, що за своєю масою рівні 16 тисяч мас Землі. «Там є все: золото, платина, уран, а також інші найдивніші елементи, які нам відомі у вигляді букв у періодичній таблиці, хоча ми не знаємо їх назви, — каже він. — А щодо розпаду, то точна відповідь на це питання нам поки невідома».

Деякі теоретики припускають, що кількість золота, що утворилося в результаті злиття, становить лише кілька десятих частин земної маси. Мецгер, зі свого боку, вважає, що ця кількість дорівнює приблизно 100 мас Землі. За його оцінкою, платини утворилося втричі більше за земну масу, а урану — в 10 разів менше. У будь-якому випадку, якщо зіставити нові статистичні оцінки частоти таких злиттів, ґрунтуючись на останніх вимірах, то у нас виходить досить велика кількість таких подій. «Їх достатньо, щоб сформувати та накопичити ті елементи, які утворюють нашу власну сонячну систему і ту різноманітність зірок, яку ми бачимо, — каже Мецгер. — На основі того, що ми побачили, можна докладно пояснити ці злиття. Напевно, є й інші способи утворення важких елементів, але, схоже, нам вони не потрібні». За його словами, кожні 10 тисяч років на Чумацькому шляху відбувається лише одне злиття нейтронних зірок.

Далекі рубежі

Більш того, вивчення процесу злиття та утворення кілонової може дати нам дуже важливу інформаціюпро те, як відбувалося зіткнення. Наприклад, світло від початкового викиду після злиття було блакитніше, ніж очікували вчені. Виходячи з цього, Мецгер та інші вчені зробили висновок, що вони дивилися на кілонову під кутом, а не прямо. Якщо брати за основу такий сценарій, то початковий блакитний викид виходив із сферичної оболонки або розташованої по екватору смуги матеріалу з невеликим вмістом нейтронів, що видувались назовні з нейтронних зірок на швидкості, що дорівнює оцінці 10% швидкості світла. Пізніша і червоніша емісія могла виходити з матеріалу з великим вмістом нейтронів, який був викинутий з полюсів нейтронних зірок при їх зіткненні зі швидкістю в два-три рази вище — подібно до зубної пасти, що видавлюється з тюбика.

Статті на тему

Космос не знає кордонів

CBC 01.10.2017

Найшаленіші космічні ідеї НАСА

Videnskab 09.09.2017
Якщо порівняти такий сценарій з докладними даними спостережень у рентгенівському та радіодіапазоні, стає більш зрозумілим досить цікавий характер викиду гамма-променів, пов'язаного з таким злиттям. Це був найближчий спалах гамма-випромінювання за всю історію спостережень, але також один із найслабших. Вважається, що короткочасні сплески гамма-випромінювання є біполярними викидами інтенсивної радіації, яка прискорюється і викидається майже зі швидкістю світла магнітними полями всередині нейтронних зірок, що зіштовхуються, коли ті зливаються і схлопуються в чорну дірку. Якщо дивитися на цей спалах гамма-випромінювання прямо (очі в очі, якщо можна так висловитися), то він буде дуже яскравим. Так буває здебільшого таких викидів, які спостерігають астрономи на віддалених ділянках Всесвіту. Але якщо дивитися на ці сплески гамма-випромінювання під кутом, то вони здаються досить тьмяними, а виявити їх можна лише в тому випадку, якщо вони знаходяться близько, в межах кількох сотень мільйонів світлових років.

Таким чином, використовуючи численні дані, накопичені гравітаційно-хвильовою астрономією, вчені зможуть з часом визначити кути огляду багатьох кілонових у всій частині Всесвіту, що спостерігається, і це дозволить їм більш точно вимірювати великомасштабні космічні структури і вивчати їх еволюцію. Вчені отримають можливість для розгадки тих таємниць, які набагато глибші, ніж походження важких елементів, скажімо, того здивування обставини, що Всесвіт не просто розширюється, а розширюється з прискоренням під впливом якоїсь масштабної антигравітаційної сили, відомої як темна енергія.

Дослідники в галузі космології сподіваються на те, що їм вдасться краще зрозуміти темну енергію, точно вимірявши її вплив на Всесвіт, простежити об'єкти, що знаходяться у віддалених регіонах Всесвіту, зрозуміти, наскільки вони видалені, і як швидко вони рухаються в потоках темної енергії, що прискорюються. Але для цього вченим потрібні надійні «стандартні свічки», тобто об'єкти відомої яскравості, які можна було б використовувати для калібрування цього величезного всеохоплюючого поля простору-часу. Астрофізик Деніел Хольц (Daniel Holz), який працює в університеті Чикаго і співпрацює з колективом LIGO, продемонстрував, яким чином зливаються нейтронні зірки можуть сприяти цим зусиллям. У своїй роботі він показує, що силу гравітаційних хвиль, що утворилися в ході останнього злиття, а також викиди кілонової можна використовувати для обчислення темпів розширення найближчих ділянок Всесвіту. Цей метод обмежений лише одним злиттям, і тому одержувані з його допомогою значення відрізняються суттєвою невизначеністю, хоча вони підтверджують дані щодо темпів розширення, які отримані при використанні інших методів. Але в наступні роки гравітаційно-хвильові обсерваторії, а також наземні та космічні телескопи нового покоління та великих розмірів працюватимуть спільно, відкриваючи сотні і навіть тисячі зіткнень нейтронних зірок щороку. І тут точність оцінок помітно підвищиться.

Що все це означає? А те, що виміри гравітаційних хвиль від цих злиттів, проведені LIGO і Virgo, будуть доповнені моделями кілонових, і тоді вчені зможуть зрозуміти, які їх нахилу та кути огляду, досліджуючи їхню спектральну еволюцію з переходом із синього в червоний колір». Про це говорить астрофізик Річард О"Шонессі (Richard O" Shaughnessy), який працює в Рочестерському технологічному інституті і входить до складу колективу LIGO. «Це дуже потужне поєднання зусиль. Якщо ми знатимемо спосіб, ми зможемо обчислити відстань, А це буде дуже корисно для космології. Те, що зроблено зараз, є прототипом того, що ми регулярно робитимемо в майбутньому».

«Якщо добре задуматися, то Всесвіт є свого роду колайдер космічних частинок, і частинками в цьому колайдері є нейтронні зірки, — каже О"Шонессі. — Він зіштовхує ці частинки, і тепер у нас з'явилася можливість зрозуміти, що з цього виходить. Наступні роки ми побачимо велику кількість таких подій.Не знаю точно, скільки їх буде, але люди вже називають це космічним дощем, що дасть нам реальні дані, що дозволяють поєднати дуже різні та стрімкі нитки астрофізики, які раніше існували лише в умах теоретиків або у вигляді окремих шматочків інформації в моделях суперкомп'ютерів, це дасть нам можливість зрозуміти причини достатку важких елементів в космосі, це дасть нам можливості для вивчення м'якої і легко стисливої ​​ядерної матерії в умовах величезної щільності. астрофізиці високих енергій і поставлять перед нею безліч завдань на наступні десятиліття. І основою такої співпраці стануть багаторічні інвестиції. Сьогодні ми пожинаємо плоди у вигляді величезної гори золота, маса якої в десятки і навіть сотні разів перевищує масу Землі. Цей подарунок нам подарував Всесвіт».

Лі Біллінгс – заступник головного редактора Scientific American. Він пише про космос і фізику.

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

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

Олексій Левін

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 щорічно пожирає тисячі зірок і викидає частину поглиненої енергії у вигляді гравітаційного випромінювання, а астрономи зайнялися марним пошуком більш виразних слідів цього космічного канібалізму (зараз доведено, що чорна діра там себе цілком пристойно). Фізики зі США, СРСР, Франції, Німеччини, Англії та Італії розпочали експерименти 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 настільки 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. Тіло, що рухається з постійною швидкістю, 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.

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 — їхнє 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, обумовлену 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 спромоглися помітити усунення торців циліндра, рівні всього 10 -15 його довжини — у разі 10 -13 див. Саме такі коливання Веберу вдалося виявити, що він уперше й повідомив у 1959 року у 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 лабораторії корпорації Hughes Aircraft Роберт 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 Вайсс 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 напряму, то при повороті всієї установки ця картинка повинна змінитись, якщо ні – залишитися такою самою, як і 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 амплітудою коливаннями порядку 10 -18 см. Для порівняння: хвилі видимого світла в 10 трлн. раз довше! 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 від 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, які 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».

1. У порожньому просторі вони поширюються зі швидкістю світла. Більше того, ця швидкість практично завжди зберігається при зустрічі з матеріальними об'єктами, тому гравітаційні хвилі не зазнають заломлення. Екстремально надщільне речовина здатне зменшити швидкість гравітаційних хвиль, але в інших випадках цей ефект дуже малий. Амплітуди хвиль тяжіння згасають при віддаленні від джерела, проте не падають до нуля: хвиля тяжіння, що одного разу виникла, у певному сенсі приречена на вічне життя. Зокрема, Всесвіт має бути пронизаний реліктовими хвилями, успадкованими від інфляційної фази. У них закодовано інформацію про будову «зародкового» Всесвіту, який, щоправда, ще треба примудритися розшифрувати. 2. Хвилі тяжіння – поперечні. Така хвиля спотворює структуру простору у площині, перпендикулярній вектору її поширення. Тверде тіло, що потрапило в область фронту гравітаційної хвилі, відчуватиме деформації саме в цій площині (які саме залежить від характеру хвилі). 3. Гравітаційні хвилі забирають енергію, яку вони відбирають у матерії, що їх випромінює. Тому з часом зірки подвійної системи зближуються і період їхнього звернення навколо загального центру мас зменшується.

Перспективи

Що ж очікує 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 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».

Багато років тому існування гравітаційних хвиль передбачив Альберт Ейнштейн.

Приблизно через сторіччя цю брижі в тканині простору-часу зуміли виявити.

Але чомусь цей прорив у науці настільки важливий. Щоб відповісти на це питання, потрібно навести 10 фактів про гравітаційні хвилі:

1. Можливість подорожі у часі

Шанувальники наукової фантастики в усьому світі захопилися, коли існування гравітаційних хвиль було підтверджено. Особливий привід для радості викликав той факт, що частково рівняння спеціальної теорії відносності Ейнштейна, яка ґрунтується на існуванні гравітаційних хвиль, доводять можливість подорожей у часі. Наукова спільнота наголосила, що людство все ще далеке від подорожей у часі, проте якщо теорія вірна, то подібне – питання часу.

«Ще є багато, у чому потрібно розібратися, – сказав голова відділення астрофізики Прінстонського університету. Але загальні рівняння відносності свідчать, що частки негативної маси та стійкі червоточини дозволяють подорожувати у часі». Далі він уточнив, що справжня подорож у часі може все ж таки виявитися поза межами людського розуміння.

2. Підтвердження локальності

Наступним значним фактом, що підтверджує існування гравітаційних хвиль, є теорія локальності. Локальність - це теорія у фізиці, в якій говориться, що на об'єкт впливає лише його безпосереднє оточення. Це здається досить очевидним у квантову епоху (хоча експерименти Белла показали, що квантово заплутані частинки порушують цей принцип), однак у ньютонівські часи було загальновизнано, що гравітація поводиться по-іншому.

Вчення Ньютона про силу тяжкості полягало в тому, що наслідки зміни маси об'єкта миттєво можуть викликати зміни в гравітаційній силі у всьому Всесвіті. З погляду ейнштейнівської теорії, це означало б, що гравітаційні хвилі рухаються швидше за швидкість світла.

Ньютон сам із недовірою ставився до цієї теорії, оскільки подібне означало б, що сила тяжіння здатна поширюватися без такого середовища, як повітря. Існування гравітаційних хвиль доводить, що Ньютон мав рацію, засумнівавшись у власній ідеї нелокальності, оскільки гравітаційні хвилі переміщуються через фундаментальні частки, звані гравітацією, і вони рухаються зі швидкістю світла.

3. Близнюки у Всесвіті

Об'єднання двох чорних дірок у супермасивну чорну дірку - це те, що вже давно теоретизувалося, але ніколи не було доведено... доти, доки пара вчених, озброєних надчутливим обладнанням не заявили, що така подія сталася 1,3 мільярда років тому. Без відповіді, правда, залишилося питання про те, як ці дві чорні дірки виявилися досить близько одна від одної, щоб злитися.

Переважна теорія свідчить, що вони народилися в результаті колапсу однієї зірки (чорні дірки утворюються, коли зірка вибухає, перетворюючись на наднову). Раніше не було доказів того, чи може одна наднова генерувати дві чорні дірки, але завдяки даним аналізу гравітаційних хвиль можна вивчати нові теорії, подібні до цієї.

4. Новий погляд на Всесвіт

Тепер, коли людство може виявити гравітаційні хвилі, вчені мають абсолютно новий спосібвивчення Всесвіту. Досі здатність вчених досліджувати, що відбувається у глибинах космосу, обмежувалася аналізом електромагнітних хвиль, таких як світло та радіохвилі, що проходять через космос.

Цей метод аналізу обмежений, оскільки чорні дірки не випромінюють світло, і якщо електромагнітні хвилі наближаються досить близько до чорної дірки, вони огинають її. Гравітаційні хвилі несприйнятливі до цієї проблеми, і тому вчені тепер можуть аналізувати дані, які надходять безпосередньо із чорних дірок.

5. Нові види зброї

Ні для кого не секрет, що людство любить зброю. З кожним новим відкриттям учених, одне з перших питань – «чи можна використовувати це відкриття як зброю». На щастя, астрофізики швидко вказали, що ідея використовувати гравітаційні хвилі для створення міжзоряних кораблів - це абсолютна нісенітниця, так само як ідея перетворити їх на зброю.

Але це не завадило Розвідувальному управлінню Міністерства оборони США сформувати комісію для вивчення ідеї про те, чи можуть високочастотні гравітаційні хвилі становити загрозу безпеці США.

6. Більш просунуті LIGO

Сьогодні існує новий улюблений спосіб вивчати Всесвіт, крім телескопів. Звичайні методи вивчення космосу включають аналіз різних форм електромагнітного випромінювання при його русі в космосі. Основна проблема використання електромагнітних хвиль вивчення космосу у тому, що вони часто спотворюються, як досягають Землі.

Але це не проблема для гравітаційних хвиль, які можна виявити за допомогою лавинного інтерферографа в лазерно-інтерферометричних гравітаційно-хвильових обсерваторіях (LIGO). В даний час для аналізу гравітаційних хвиль існує лише дві обсерваторії LIGO.

Це пов'язано з тим, що вони вкрай дорогі (наприклад, обслуговування американської LIGO протягом 40 років коштуватиме понад 1,1 млрд. доларів), а також їх будували як науковий експеримент, заснований на недоведеній теорії. З підтвердженням існування гравітаційних хвиль уряди охоче витрачатимуть гроші на розробку нових і більш просунутих LIGO.

7. Нова технологія зв'язку

З давніх часів електромагнітні хвилі були кращим засобом спілкування. Люди використовували димові сигнали, телефони та радіоприймачі. Електромагнітні хвилі - відмінний спосіб спілкування, тому що вони поширюються зі швидкістю світла та здатні покривати великі відстані.

Єдині недоліки, які виявилися під час використання електромагнітних хвиль для комунікації, - те, що вони легко поглинаються будь-якою речовиною. Гравітаційні хвилі вирішують цю проблему, тому що вони складаються з частинок настільки крихітних, що вони проходять через будь-яку речовину без жодних зусиль.

Відсутність проблеми «прямої видимості» при використанні гравітаційних хвиль значно скоротила б потребу в периферійних пристроях, таких як супутники та релейні станції, що значно знизило витрати на зв'язок. Єдиний недолік полягає в тому, що гравітаційні хвилі дуже складно згенерувати, а виявити їх складніше.

8. Різні гравітаційні хвилі

Гравітаційні хвилі, про які йдеться у цій статті, - «брижі» у просторі та часі. Вони можуть поширюватися через порожнечу космосу зі швидкістю світла. Також є поняття гравітаційних хвиль у гідродинаміці – це явище, яке виникає у рідині. Воно є різновидом хвиль на поверхні рідини, при яких сила тяжіння повертає деформовану поверхню рідини до стану рівноваги.

9. Пророцтва Ейнштейна

Сьогодні вже загальновідомим є те, що переважна більшість прогнозів Ейнштейна виявилася правильною. Особливо унікальним у своїй те, що Ейнштейн був майже повністю фізиком-теоретиком. У той час, як більшість учених покладаються на складні експерименти, щоб довести що-небудь, Ейнштейн просто висував теорії, які доводили інші люди, коли для цього з'являлися відповідні технології.

Вперше пророцтва Ейнштейна про кривизну простору та часу були підтверджені у 1919 році, через 14 років після публікації його спеціальної теорії відносності. У ній учений передбачив, що видиме світло від зірок вигинатиметься навколо Сонця. Астрономи зі скептицизмом ставилися до цього, проте коли сталося сонячне затемнення 1919 року вони побачили це у свої телескопи.

10. Некорисні для звичайної людини

І найважливіше, що треба знати про гравітаційні хвилі. Хоча ще одна з теорій Ейнштейна довела свою вірність, у цьому нічого нового. Вчені переконалися, що гравітаційні хвилі є насправді.

Але вони існували протягом мільярдів років до появи людства і існуватимуть після його зникнення. Вчені дійсно мають привід радіти, але що означають гравітаційні хвилі для середньостатистичної людини. Абсолютно нічого.

Фізики на обсерваторії LIGO (Laser Interferometric Gravitational Observatory) вперше гравітаційні хвилі – обурення простору-часу, передбачені сто років тому творцем загальної теорії відносності Альбертом Ейнштейном. Про відкриття під час прямої трансляції, організованої «Лентой.ру» та Московським державним університетом(МДУ) імені М.В. Ломоносова, науковці фізичного факультету, учасники міжнародної колаборації LIGO. «Лента.ру» поспілкувалася з одним із них, російським фізиком Сергієм Вятчаніним.

Що таке гравітаційні хвилі?

За законом всесвітнього тяжіння Ньютона два тіла притягуються один до одного із силою, обернено пропорційною квадрату відстані між ними. Ця теорія описує, наприклад, обертання Землі та Місяця у плоскому просторі та універсальному часі. Ейнштейн, розробивши спеціальну теорію відносності, зрозумів, що час та простір – це одна субстанція, і запропонував загальну теорію відносності – теорію гравітації, засновану на тому, що тяжіння проявляється як кривизна простору-часу, яку створює матерія.

Доктор фізико-математичних наук Сергій В'ятчанин із 2012 року очолює кафедру фізики коливань фізичного факультету МДУ. Наукові інтереси зосереджені на вивченні квантово-незбурювальних вимірювань, лазерних гравітаційно-хвильових антен, механізмах дисипації, фундаментальних шумах та нелінійних оптичних ефектах. Вчений співпрацював із Каліфорнійським технологічним інститутом у США та Товариством Макса Планка у Німеччині.

Можна уявити пружне коло. Якщо кинути в нього легку кульку, вона покотиться прямою. Якщо ж у центр кола покласти важке яблуко, то траєкторія викривиться. З рівнянь загальної теорії відносності Ейнштейн одразу отримав, що можливі гравітаційні хвилі. Але на той час вважали (на початку ХХ століття) ефект надзвичайно слабким. Можна сказати, що гравітаційні хвилі - це брижі простору-часу. Погано те, що це надзвичайно слабка взаємодія.

Якщо брати аналогічні (електромагнітні) хвилі, то там був досвід Герца, який розмістив випромінювач в одному кутку кімнати, а приймач в іншому. З гравітаційними хвилями так не виходить. Занадто слабка взаємодія. Залишається покладатися лише на астрофізичні катастрофи.

Як працює гравітаційна антена?

Є інтерферометр Фабрі-Перо, дві маси, рознесені на чотири кілометри. Відстань між масами контролюється. Якщо хвиля падає зверху, то відстань трохи змінюється.

Гравітаційне обурення – це по суті спотворення метрики?

Можна і так сказати. Математика описує це як невелике викривлення простору. Використовувати лазер для виявлення гравітаційних хвиль у 1962 році запропонували Герценштейн та Пустовойт. Це була така радянська стаття, фантазія... Здорово, але все ж таки політ фантазії. Американці подумали і вирішили у 1990-х роках (Кіп Торн, Роналд Древер та Рейнер Вайс) зробити лазерну гравітаційну антену. Причому потрібні дві антени, оскільки якщо будуть події, необхідно використовувати схему збігів. І тоді все почалося. Це довга історія. Ми співпрацюємо з Калтехом із 1992 року, а на офіційну договірну основу перейшли у 1998 році.

Чи не здається вам, що реальність гравітаційних хвиль не викликала сумнівів?

Взагалі-то, наукова спільнотабуло впевнено у тому, що вони існують, і виявити їх – справа часу. Халсу та Тейлору присудили Нобелівську премію за фактичне відкриття гравітаційних хвиль. Що вони зробили? Є подвійні зірки – пульсари. Якщо вони крутяться, то випромінюють гравітаційні хвилі. Спостерігати ми їх не можемо. Але якщо вони випромінюють гравітаційні хвилі, то дають енергію. Отже, їхнє обертання сповільнюється, начебто від тертя. Зірки наближаються одна до одної, і можна побачити зміну частоти. Вони подивилися - і побачили (1974 року - прим. «Стрічки.ру»). Це непряме свідчення існування гравітаційних хвиль.

Зараз – пряме?

Зараз – пряме. Надійшов сигнал, який зареєстрували на двох детекторах.

Достовірність висока?

Її достатньо для відкриття.

Який внесок російських учених у цей експеримент?

Ключовий. У initial LIGO (ранньому варіанті антени - прим. «Стрічки.ру») Використовувалися десятикілограмові маси, і висіли вони на сталевих нитках. Наш учений Брагінський вже тоді висловив ідею застосування кварцових ниток. Вийшла робота, яка доводила, що кварцові нитки «шумлять» значно менше. І ось зараз маси (в advanced LIGO, сучасній установці - прим. «Стрічки.ру») висять на кварцових нитках.

Другий внесок – експериментальний та пов'язаний із зарядами. Маси, що рознесені на чотири кілометри, потрібно якось юстувати за допомогою електростатичних активаторів. Ця система краща за магнітну, яка використовувалася раніше, але вона відчуває заряд. Зокрема, щомиті через долоню людини проходить величезна кількість часток - мюонів, які можуть залишити заряд. Зараз із цією проблемою борються. Наша група (Валерій Митрофанов та Леонід Прохоров) у цьому експериментально бере участь і значно набрякла.

На початку 2000-х була ідея використовувати на advanced LIGO сапфірові нитки, так як формально у сапфіру добротність вище. Чому вона важлива? Чим вища добротність, тим менший шум. Це загальне правило. Наша група порахувала так звані термопружні шуми і показала, що все ж таки краще використовувати кварц, а не сапфір.

І ще. Чутливість гравітаційної антени близька до квантової межі. Є так звана стандартна квантова межа: якщо ви вимірюєте координату, то за принципом невизначеності Гейзенберга ви відразу її і обурюєте. Якщо ви безперервно вимірюєте координату, ви весь час її обурюєте. Дуже точно вимірювати координату погано: буде великий зворотний флуктуаційний вплив. Це показав у 1968 році Брагінський. Підрахували для LIGO. Виявилося, що для initial LIGO чутливість вища за стандартну квантову межу приблизно в десять разів.

Зараз є надія на те, що advanced LIGO дійде до стандартної квантової межі. Можливо, опуститься. Це взагалі мрія. Можете собі це уявити? У вас буде квантовий макроскопічний пристрій: дві важкі маси на відстані чотирьох кілометрів.

Гравітаційні хвилі зареєстровані 14 вересня 2015 року о 05:51 ранку за літнім північноамериканським східним часом (13:51 за московським часом) на двох детекторах-близнюках лазерної інтерферометричної гравітаційно-хвильової обсерваторії LIGO, розташованих у Лівінгстоні (Лівінгстон) ) в США. Детектори LIGO виявили відносні коливання величиною в десять мінус 19 ступеня метрів (це приблизно дорівнює відношенню діаметра атома до діаметра яблука) пар рознесених на чотири кілометри пробних мас. Обурення породжені парою чорних дірок (в 29 і 36 разів важче Сонця) в останні частки секунди перед їх злиттям в більш масивний гравітаційний об'єкт, що обертається (в 62 рази важче Сонця). За частки секунди три сонячні маси перетворилися на гравітаційні хвилі, максимальна потужність випромінювання яких була приблизно в 50 разів більша, ніж від усього видимого Всесвіту. Злиття чорних дірок відбулося 1,3 мільярда років тому (скільки часу гравітаційне обурення поширювалося до Землі). Аналізуючи моменти приходу сигналів (детектор у Лівінгстоні записав подію на сім мілісекунд раніше детектора в Хенфорді), вчені припустили, що джерело сигналу розташоване в південній півкулі. Результати вчені направили для публікації до журналу Physical Review Letters.

Таке здавалося б не дуже сумісне.

Ось це й парадоксально. Тобто виходить фантастика. Начебто віддає шарлатанством, а насправді – ні, все чесно. Але поки що це мрії. Стандартна квантова межа не досягнута. Там ще треба працювати та працювати. Але вже видно, що це близько.

Чи є надія, що це станеться?

Так. Потрібно долати стандартну квантову межу, і наша група брала участь у розробці методів того, як це зробити. Це так звані квантові обурювальні виміри, яка конкретно схема вимірювань потрібна - така чи інша... Адже коли ви теоретично досліджуєте, розрахунки нічого не варті, а експеримент - дорогий. У LIGO досягнуто точності десять мінус 19 ступеня метрів.

Згадаймо дитячий приклад. Якщо ми зменшимо Землю до розмірів апельсина, а потім його зменшимо у стільки ж разів, то отримаємо розмір атома. Так от, якщо ми атом зменшимо в стільки ж разів, то ми отримаємо десять мінус 19 ступеня метрів. Це божевільна річ. Це досягнення цивілізації.

Це дуже важливо, так. То що означає для науки відкриття гравітаційних хвиль? Є думка, що це може змінити методи спостереження астрономії.

Що ми маємо? Астрономія у звичайному діапазоні. Радіотелескопи, інфрачервоні телескопи, рентгенівські обсерваторії.

Усі в електромагнітних діапазонах?

Так. Крім того, є нейтринні обсерваторії. Є реєстрація космічних частинок. Це ще один канал інформації. Якщо гравітаційна антена видаватиме астрофізичну інформацію, то дослідники отримають у своє розпорядження відразу кілька каналів спостереження, якими можна перевіряти теорію. Запропоновано безліч космологічних теорій, які конкурують між собою. Можна буде щось відсіяти. Наприклад, коли на Великому адронному колайдері відкрили бозон Хіггса, одразу відпало кілька теорій.

Тобто це сприятиме відбору працюючих космологічних моделей. Ще питання. Чи можна використовувати гравітаційну антену для прецизійного виміру прискореного розширення Всесвіту?

Поки що чутливість дуже мала.

А у перспективі?

У перспективі можна використовувати для вимірювання реліктового гравітаційного фону. Але будь-який експериментатор вам скаже: Ай-я-яй! Тобто поки що до цього далеко. Дай боже, щоб ми зареєстрували астрофізичну катастрофу.

Зіткнення чорних дірок.

Так. Адже це катастрофа. Не дай боже поруч там опинитися. Нас би не було. А тут - фончик такий... Поки... «надії юнаків живлять, втіху старцям подають».

Чи може бути відкриття гравітаційних хвиль ще одним доказом існування темних дір? Адже трапляються ще ті, хто не вірить, що вони є.

Так. Як працюють у LIGO? Йде запис сигналу, пояснення якого вчені розробляють шаблони і порівнюють їх із даними спостережень. Зіткнення нейтронних зірок, нейтронна зірка падає на чорну дірку, вибух наднової, чорна діра зливається з чорною діркою... Змінюватимемо параметри, наприклад співвідношення мас, початковий момент... Що ми повинні побачити? Йде запис, і на момент сигналу оцінюється працездатність шаблонів. Якщо шаблон, розроблений для зіткнення двох чорних дір, підійшов до сигналу, це доказ. Але не абсолютне.

Кращого пояснення немає? Відкриття гравітаційних хвиль найпростіше пояснюється зіткненням чорних дірок?

На даний момент так. Наразі наукова спільнота вважає, що це було злиття чорних дірок. Але колективна спільнота – це думка багатьох, консенсус. Звісно, ​​якщо виникнуть якісь нові чинники, від нього можна відмовитись.

Коли вдасться зареєструвати гравітаційні хвилі не від таких потужних об'єктів? Чи не означає це, що потрібно будувати нові та більш чутливі обсерваторії?

Існує програма наступного покоління LIGO. Це – друге. Буде третє. Там багато варіантів. Можна збільшувати відстань, підвищувати потужність, підвіс. Нині все це обговорюється. На рівні мозкового штурму. Якщо буде підтверджуватись спостереження гравітаційного сигналу, то буде легше отримати гроші на вдосконалення обсерваторії.

Чи очікується бум будівництва гравітаційних обсерваторій?

Не знаю. Це дороге задоволення (LIGO коштувало приблизно 370 мільйонів доларів - прим. «Стрічки.ру»). Адже американці запропонували Австралії побудувати в Південній півкулі антену та погодилися для цього надати все обладнання. Австралія відмовилася. Занадто дорога іграшка. Зміст обсерваторії зайняв би весь науковий бюджет країни.

Росія бере фінансову участь у LIGO?

Ми співпрацюємо з американцями. Що далі буде – незрозуміло. Поки що у нас стосунки з вченими хороші, але ж політики всім правлять... Тому треба дивитися. Вони нас цінують. Ми видаємо результати справді на рівні. Але ж не вони вирішують, дружити з Росією чи ні.

На жаль так.

Це життя, зачекаємо.

Обсерваторія LIGO фінансується Національним науковим фондом США. Дослідження в LIGO проводяться в рамках однойменної колаборації більш ніж тисячі вчених із США та 14 інших країн, включаючи Росію, представлену двома групами з МДУ та Інституту прикладної фізики Російської академії наук (Нижній Новгород).

У Росії не планується будівництво гравітаційної обсерваторії?

Поки що не планується. У 1980-х роках у Державному астрономічному інституті імені Штернберга МДУ хотіли збудувати в Баксанській ущелині таку ж гравітаційну антену, тільки в меншому масштабі. Але прийшла розбудова, і все надовго накрилося мідним тазом. Зараз ДАІШ МДУ намагається щось зробити, але поки що антена не запрацювала...

Що ще можна спробувати перевірити за допомогою гравітаційної антени?

Справедливість теорії гравітації. Адже більшість існуючих теорій ґрунтуються на теорії Ейнштейна.

Її ніхто досі не може спростувати.

Вона займає лідируючу позицію. Альтернативні теорії влаштовані так, що в основному призводять до тих же експериментальних наслідків, що вона. І це природно. Тому потрібні нові факти, які відкидали б невірні теорії.

Як би ви сформулювали значення відкриття?

Фактично розпочалася гравітаційна астрономія. І вперше хвилі кривизни простору потрапили на гачок. Чи не побічно, а прямо. Людина захоплюється собою: ай та я, ай та сучий син!