Волнение далеких звезд

Открытие, совершенное астрофизиками, позволило окончательно убедиться в справедливости теории относительности Альберта Эйнштейна, созданной почти век назад. 

До последнего времени в ней оставался, по сути, единственный серьезный пробел: наличие пресловутых гравитационных волн, предсказанных математически, никак нельзя было подтвердить или опровергнуть экспериментально. Но 11 февраля 2016 года мир узнал об открытии гравитационных волн.

Как сообщает Lenta.ru, само детектирование произошло намного раньше – 14 сентября 2015 года в 13.51 по московскому времени. В обсерватории LIGO в США зарегистрировали сигнал, порожденный космической катастрофой чудовищных масштабов – слиянием двух черных дыр в одну массивную черную дыру, которое произошло 1,3 миллиарда лет назад. Распространяющийся со скоростью света гравитационный сигнал достиг Земли только осенью 2015-го…

Как их найти?

Почему же эти волны, если они настолько важны, не были зафиксированы раньше? Во-первых, потому, что космические катастрофы в обозримой Вселенной: слияние черных дыр, взрывы сверхновых звезд и прочие события – не столь уж часты и происходят где-то раз в несколько тысяч лет. По крайней мере, в той части космоса, куда была направлена оптика LIGO до 2015 года. Сам проект LIGO стартовал еще в 2002-м, но «поймать» гравитационную волну удалось только после модернизации, проведенной в последние пять лет. Благодаря этому радиус «разведки» значительно увеличился и космические катастрофы стали наблюдать чаще.

Почему же между обнаружением волны и ее подтверждением прошел столь большой отрезок времени – полгода? Ответ кроется в определении и характеристике самого объекта исследования. Что такое гравитационная волна? По сути, это колебание пространства. Как и любая волна, она возникает тогда, когда телу придается ускорение. Бросьте камень в воду – и по ее поверхности пойдут волны. Это будут механические волны, наблюдать которые можно без всякой дополнительной оптики. В случае же с гравитацией массы тел должны быть никак не меньше, чем у звезды или черной дыры. А наблюдать их можно только посредством сверхточных измерительных приборов: гравитационное взаимодействие меньше электромагнитного в десять в минус сороковой степени раз. И объекты наблюдения расположены в миллионах и миллиардах световых лет от нас.

Зачем они нужны?

Теперь что касается характеристик гравитационных волн. Как уже было сказано, камень, брошенный в воду, вызывает колебания поверхности. Гравитационная волна действует иначе: она сжимает и растягивает пространство вокруг себя крест-накрест. Человек, находившийся вблизи места столкновения двух черных дыр (если бы ему как-то удалось выжить), стал бы сначала невероятно длинным и узким, а затем низким и широким.

Обнаруженное обсерваторией LIGO столкновение черных дыр оказало влияние и на Землю. В сентябре 2015 года мы действительно в какой-то момент стали выше своего обычного роста. Правда, на одну миллионную длины протона. Или еще меньше. Поэтому и обнаружить с Земли гравитационную волну – дело трудоемкое.

Ученым помогли лазерные технологии. Один детектор LIGO находится в штате Вашингтон на Западном побережье США, а другой в Ливингстоне, штат Луизиана. Это два лазерных интерферометра с плечами примерно по 4,5 км. Мощный лазер посылает луч, который разделяется в двух взаимно перпендикулярных направлениях (плечах интерферометра). В конце плеч подвешены зеркала, специальным образом изолированные от различных шумов. Эти зеркала играют роль пробных масс. Когда проходит гравитационная волна, зеркала чуть-чуть начинают колебаться в определенной фазе. Свет отражается от зеркал, потом опять собирается на разделителе и интерферирует (испускает волны) на детекторе. Когда зеркала висят свободно (то есть на них не действует гравитационная волна), свет приходит на детектор в определенной фазе, а когда зеркала начинают двигаться, интерференционная картина нарушается, начинает изменяться. По изменениям этой интерференционной картины можно судить о движении зеркал – пробных масс. В этом и состоит основная идея детектора. Гравитационную волну определяли по характерному влиянию.

И главный вопрос: почему это важно? Какой смысл ученым копаться в столь сложных вещах и тратить огромные деньги на исследования? Изучение гравитационных волн относится к глубоко фундаментальной науке, достижения которой не применишь на Земле. Пока. По крайней мере, для того, чтобы отправить в космос спутники или долететь до Марса или до любой точки Солнечной системы, гравитационные волны не важны. Ветер в паруса космических кораблей они не пустят. Но вот для того, чтобы долететь, например, до Волос Вероники и других галактик, они необходимы.

Обсерваторию – в космос!

Теперь LIGO предстоит полностью реализовать свой потенциал. Уже в августе этого года ученые планируют увеличить чувствительность детекторов в три раза. В перспективе это позволит перейти к новому этапу исследований: поиску гравитационных волн от вращающихся нейтронных звезд – пульсаров.

Ученые не планируют останавливаться на достигнутом. Это грандиозное открытие стало лишь первым шагом на пути развития новой гравитационной астрономии. Экспериментальное обнаружение гравитационных волн – это не просто блестящее подтверждение общей теории относительности Эйнштейна. Гравитационные обсерватории представляют собой важный инструмент, с помощью которого астрономы смогут исследовать космос. Совместив его с традиционными методами исследования электромагнитного излучения, ученые получат полную картину процессов, происходящих во Вселенной.

Автор: Евгений СИДОРОВ