Волны гравитации достигают берегов Науки

В Новый год все любят делать прогнозы и предсказания – даже ученые. Вот и в первые дни наступившего года редакция авторитетного научного журнала «Nature» обнародовала свой прогноз на 2016 год – познакомила читателей с тем, что ожидают от наступающего года ученые.

Этот прогноз был тем меньше похож на гадание на кофейной гуще, что многое в нем уже было прописано строками в бизнес-планах, программах исследований, международных проектах.

Это был, разумеется, перечень не интуитивных озарений, внезапно возносящих «неведомого гения» к той удивительной мысли, что так долго ускользала от него. Читателей ждал список «плановых достижений» всей мировой науки.

Важное место в перечне, составленном через недели после окончания климатической конференции в Париже, заняли, например, «новые успехи в борьбе с глобальным потеплением», которое, впрочем, продолжает нарастать (лето прошлого года в Европе, сообщил недавно журнал «Environmental Research Letters», оказалось самым теплым за последние 2000 лет).

В борьбе с потеплением предлагались различные геоинженерные проекты (см. «З–С», 11/08). В июле, наконец, начнет свою работу (это будет одна из «научных вех» 2016 года) первая коммерческая геоинженерная установка. Фирма «Climeworks» в швейцарском Хинвиле намерена «откачивать» углекислый газ из атмосферы. Он будет абсорбироваться с помощью гранулята, состоящего из гидроксида калия. За год такая установка будет поглощать до 1000 тонн углекислого газа. Напомним, в октябре прошлого года вступила в строй первая экспериментальная установка подобного типа. Она размещена в Канаде, в провинции Британская Колумбия. За сутки она «откачивает» до тонны углекислого газа из воздуха.

До сих пор добыча этого газа непосредственно из воздуха считалась коммерчески нерентабельной, поскольку его концентрация в атмосфере очень мала.

В новогоднем «гадании» от журнала Nature не могла быть забыта и космонавтика, поскольку старты космических аппаратов давно проводятся не в обстановке полной секретности, а по «расписанию», с которым знаком весь мир. Так что, внимательные читатели уже в Новый год узнали всё то, о чем телезрителям сообщалось в последние месяцы и что будет им еще сказано.

О старте в марте месяце российско-европейской экспедиции «ExoMars», которая должна завершиться (с Марсом, правда, все прогнозы рискованны!) появлением у Красной планеты нового орбитального спутника.

О первом испытательном полете в апреле месяце зонда «Lightsail», оборудованного огромным солнечным парусом.

О том, что в июне зонд НАСА Juno («Юнона) после пяти лет, проведенных в пути, должен достичь Юпитера.

О том, что в том же месяце на околоземную орбиту будет выведен первый испытательный спутник из числа тех, что используют для создания системы квантовой связи.

У физиков, имеющих дело с громадными экспериментальными установками, все тоже идет по плану, который не так уж трудно «предугадать». Тем более что, наконец, после переоборудования заработал на полную мощь Большой адронный коллайдер, уже открывший для науки – после полувека поисков – бозон Хиггса (см. «З–С», 12/12). Ученые уверены в том, что в физике элементарных частиц предстоят новые открытия.

Авторы прогноза обращают внимание также на то, что в июне в Швеции вступит в строй первый синхротрон четвертого поколения. Кольцевые ускорители, синхротроны, генерируют мощные, компактные рентгеновские импульсы за счет того, что разгоняют электроны почти до световой скорости. Новый синхротрон способен создавать рентгеновские импульсы недостижимой прежде плотности. К каким открытиям это может привести? Тут авторы предсказания умолкают.

Зато как о чем-то решенном ими говорилось о гравитационных волнах, которые к своему столетнему юбилею, наконец, добегут до берегов Науки.

Об их открытии уже успели сообщить весной 2014 года (см. Главную тему «З–С», 9/14). След гравитационных волн был обнаружен при анализе космического фонового излучения. Однако несколько месяцев спустя новость пришлось опровергнуть. Оказалось, что картину излучения характерным образом изменила космическая пыль.

Осталось лишь ощущение, что волны прошли где-то рядом, что нам не случайно показалась эта заманчивая рябь. Так, путешественник, заброшенный на дикий остров, видит смутную тень корабля, мозаику волн, бегущих от нее. Уверен, что видит, что ее не может не быть. Что корабль рано или поздно придет.

Вот так и с гравитационными волнами. Ученые были уверены в их существовании. Их оставалось только заметить. Нужна была не вспышка интуиции, не новая теория – а лишь новый, необычайно мощный прибор, который, наконец, разглядит…

Так что же это за волны? Почему их открытие стало неизбежным именно в этом году?

Расстановка сил

Итак, гравитационные волны…

По Эйнштейну, любые массивные объекты деформируют пространство, в котором они находятся, подобно тому, как массивный стальной шар деформирует – растягивает – резиновое полотнище, на котором лежит. Полотнище провисает, как сетка гамака, куда присел отдохнуть дачник.

Теперь поместим на это полотнище еще один шар, чуть поменьше. Он покатится в сторону массивного шара. Будет скатываться к нему все быстрее и быстрее, а полотнище под ним в каждой точке, где оказался маленький шарик, будет слегка прогибаться. Эта небольшая деформация полотнища постоянно перемещается в том направлении, где оно – под тяжестью массивного шара – особенно сильно провисло.

Вот так, по Эйнштейну, объясняется эффект гравитации. Два массивных тела притягиваются друг к другу потому, что они оба искажают окружающее их пространство и оба тем самым влияют на траекторию, по которой движется каждое из этих тел.

Однако деформируется не только пространство, но и время. Любая деформация пространства влияет на то, как быстро протекает время. Во Вселенной Эйнштейна пространство и время образуют неразрывное единство – превращаются в так называемое «пространство-время».

Вернемся к нашему примеру с резиновым полотнищем. На долю секунды резко нажмем на него пальцем. От этого движения все полотнище начинает вибрировать.

Примерно так по всему пространству-времени и распространяются гравитационные волны. Они возникают всякий раз, когда в каком-либо уголке космоса громадные небесные тела с чрезвычайно большой скоростью сталкиваются или движутся друг относительно друга. Яркий тому образец – столкновение черных дыр. Расчеты показывают, что часть выделяющейся при этом энергии уносят с собой гравитационные волны.

Эти волны пробегают с одного конца Галактики на другой, и вся толща вещества, сквозь которую они пробиваются, не способна их ослабить. Вещество, лежащее на их пути, лишь поочередно растягивается и сжимается. Но эти деформации минимальны. Мы не замечаем их.

Если бы нашу планету соединил с Солнцем мост протяженностью в астрономическую единицу, то есть в 150 миллионов километров, то при прохождении гравитационной волны его длина изменилась бы на расстояние, меньшее чем диаметр атома водорода. Попробуйте уловить подобные – неощутимые – колебания!

В последние годы сразу несколько установок, созданных в разных странах мира, пытались выследить эти неуловимые волны. Однако имевшиеся в нашем распоряжении приборы не могли их заметить.

В 2015 году было завершено переоборудование сразу двух детекторов: VIRGO в Италии и LIGO в США (чувствительность последнего повысилась более чем в десять раз). Это подогревало ожидания. Авторы прогноза в Nature говорили о скором открытии гравитационных волн, как о состоявшемся событии. Если быть точным, то ученые были «относительно уверены в том, что с этим поколением детекторов суще­ствование гравитационных волн можно будет доказать уже в течение года».

2016 год только начался, как в феврале из США пришло известие об открытии.

Блицкриг на полях Физики

Если быть совсем точным, то к тому времени, как появился прогноз, открытие уже несколько месяцев, как было сделано. Четырнадцатого сентября прошлого года приборы LIGO заметили эти волны.

По сути, LIGO – это целая обсерватория, которая ведет наблюдение за одним космическим феноменом – гравитационными волнами. После «перезагрузки» она называется теперь Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (aLigo).

Само название подсказывает, что такие детекторы, как LIGO или, например, GEO-600, германо-британская установка, построенная близ Ганновера, призваны регистрировать гравитационные волны средствами лазерной интерферометрии.

Обсерватория LIGO устроена следующим образом. В двух районах США, в местечке Ханфорд (штат Вашингтон) и в Ливингстоне (штат Луизиана), расположены по две вакуумные трубы длиной примерно 4,5 километра каждая. Они соединены друг с другом под прямым углом.

В месте соединения луч, испускаемый лазером, рассекается надвое. Теперь оба луча движутся по обеим трубам. В конце каждой трубы установлено зеркало, отражающее лазерные лучи. Отразившись от зеркал, они направляются к детектору.

Установка отрегулирована так, что отраженные лучи, сходясь снова, затухают за счет интерференции, то есть наложения их друг на друга. Но, если сквозь установку пройдет гравитационная волна, то расстояние, пройденное лучами, на какой-то миг изменится на микроскопическую величину – хотя бы на долю атомного диаметра. Все равно, интерференционная картина станет иной, и это заметит прибор. Так мы убедимся, что измерительная база деформировалась. Мы обнаружим «след гравитационной волны».

В тот день, 14 сентября, длительность сигнала не превышала 0,5 секунды. Почти пять месяцев ученые перепроверяли результаты наблюдений, прежде чем сообщили об открытии. Итак, на этот раз гравитационные волны выявлены с высокой статистической значимостью, на уровне пяти стандартных отклонений, «пяти сигма», которые считаются физиками достаточным основанием для того, чтобы уверенно говорить о том, что такой-то эффект обнаружен.

(Поясним последнюю фразу: по международной договоренности, полученный результат считается достоверным, если он подтвержден на уровне пяти стандартных отклонений, то есть его погрешность равна 0,00003%. Иными словами, если новые частицы или, в нашем случае, гравитационные волны обнаружены на уровне пяти стандартных отклонений, или «пяти сигма», это означает, что вероятность открытия составляет 99,99997%).

Завершая это краткое описание, нельзя не отметить, что еще столетие назад практически любое открытие в области физики было, прежде всего, достижением теоретиков, шедевром научной мысли. Теперь это, скорее, шедевр инженерного искусства, именно ему мы обязаны появлением таких громадных установок, как Большой адронный коллайдер или детектор aLigo.

Нельзя не отметить и следующее. В 1993 году два американских астронома, Рассел Халс и Джозеф Тейлор, получили Нобелевскую премию по физике за одно лишь косвенное доказательство того, что гравитационные волны существуют. Их десятилетнее наблюдение за двойным пульсаром – системой из двух нейтронных звезд – подтвердило вывод Эйнштейна: пульсар должен терять немало энергии за счет излучения гравитационных волн.

Велика вероятность того, что в скором времени за гравитационные волны дадут еще одну Нобелевскую премию.

След космического слияния

Итак, в сентябре прошлого года установка LIGO была запущена после переоборудования. И уже 14 сентября детекторы LIGO в Ханфорде и Ливингстоне, расположенные на расстоянии в 3000 километров друг от друга, почти одновременно зафиксировали сигнал, долетевший до Земли с места слияния двух черных дыр.

Сигнал был очень характерным, его форму нельзя перепутать ни с чем. Отчетливо видна синусоида. Ее амплитуда на протяжении десятка циклов нарастала, достигла максимальной величины, а потом резко упала до минимума. Именно подобный вид, как показывали расчеты, должны иметь гравитационные волны, возникающие при слиянии двух черных дыр.

Физики объясняют форму сигнала таким образом. Перед слиянием черных дыр частота сигнала пропорциональна частоте их вращения. Амплитуда сигнала нарастает потому, что растет и скорость вращения. Наконец, она почти достигает скорости света.

Но вот обе черные дыры слились. Образовалась новая – массивная – черная дыра. Какое-то время она еще порождает гравитационные волны постоянной частоты, но потом успокаивается. Сигналы, зафиксированные детекторами LIGO, почти в точности соответствуют этому процессу.

По форме волн и их амплитуде ученые вычислили массы обеих черных дыр перед тем, как они слились друг с другом. Они равнялись 29 и 36 солнечным массам.

Для ученых это тоже оказалось неожиданностью. До недавних пор им было известно, что существуют два класса черных дыр: одни небольшие, сопоставимые по размеру со звездами, и другие, громадные, сверхмассивные – они располагаются в центре галактик, в том числе и посреди Млечного Пути. Но что разделяет эти два класса черных дыр? Что располагается между ними в когорте «гравитационных ловушек»?

Лишь в последние годы удалось доказать, что существует еще один класс этих небесных тел – черные дыры средних размеров (см. «З–С», 9/13). Теперь же с помощью гравитационных волн астрономы обнаружили именно такие черные дыры.

Согласно компьютерным моделям, подобные объекты чаще всего зарождались в молодых галактиках, на заре существования нашей Вселенной. Ведь через 1—2 миллиарда лет после Большого Взрыва было множество очень массивных звезд, которые жили очень недолго. После их скорого коллапса и возникали черные дыры, по массе зачастую в несколько десятков раз больше, чем Солнце.

Невольными свидетелями гибели двух этих черных дыр и стали ученые. Почти смыкаясь друг с другом, громадные сгустки вещества бешено вращались, пока не слились воедино, образовав новую черную дыру (62 солнечных массы). Все это происходило на расстоянии в 1,3 миллиарда световых лет от Земли.

Слияние двух черных дыр сопровождалось выбросом огромного количества энергии; она была унесена гравитационными волнами. Нетрудно подсчитать, что эта энергия эквивалентна трем солнечным массам, ведь суммарная масса двух черных дыр перед их слиянием была ровно на столько больше того, что получилось.

Направления будущих ударов

На одной из шести параллельных пресс-конференций, где было объявлено об этом важном открытии, Дэвид Рейц из Калифорнийского технологического института сравнил его с тем историческим днем, когда Галилей впервые направил телескоп в сторону других небесных тел. «Мы присутствуем при рождении гравитационной астрономии».

Гравитационные волны помогут ученым заглянуть в те области Вселенной, которые пока остаются недоступны для наблюдения. Ведь на 95% она состоит из темного вещества и темной энергии, которые не испускают ни видимый нами свет, ни другие виды электромагнитного излучения. Зато, например, сила гравитационного воздействия темного вещества так велика, что скрепляет воедино целые галактики, не дает им распасться. Теперь астрономы могут, наконец, заглянуть в этот мир вселенской тьмы.

Скажем, то самое столкновение черных дыр, которое и породило замеченные нами гравитационные волны, мы без их помощи никогда не увидели бы. Ведь черные дыры не испускают свет. Они не выдают себя ни рентгеновским, ни ультрафиолетовым излучением. Лишь гравитационные волны «освещают» коллизии, переживаемые ими. С их помощью мы можем обнаружить феномены, которые прежде были полностью скрыты от нас.

Средствами этой новой разновидности астрономии можно изучать столкновения не только черных дыр, но еще и нейтронных звезд.

Последние – поистине рай небесный для физиков. Ни в одной лаборатории мира нельзя воссоздать условия, царящие там. Прежде всего, поражает плотность этих крохотных звезд. Вещество в них сжато сильнее, чем в атомном ядре. Так что, нейтронная звезда диаметром около 20 километров оказывается в 1,4—3 раза массивнее нашего Солнца. Это означает, что чайная ложка звездной пыли будет весить около миллиарда тонн – больше, чем все люди, населяющие нашу планету, вместе взятые. Сила притяжения на поверхности нейтронной звезды так велика, что та представляет собой идеальный шар. Если здесь и можно найти какие-то неровности, то их высота – не более миллиметра.

По оценкам астрономов, только в нашей Галактике расположено около миллиарда нейтронных звезд, но в большинстве своем они пока не обнаружены. Гравитационные волны станут важным подспорьем в их поиске.

Возможно, что эти волны помогут отыскать и «космические струны». Предполагается, что это – невероятно массивные реликтовые объекты, возникшие в пору ранней молодости Вселенной. Можно сказать, что это – своего рода нитевидные искривления пространства-времени. Их существование предсказывает теория струн.

Наконец, открытие гравитационных волн, быть может, позволит разрешить одну из давних загадок физики – загадку «гравитона». Ученые-теоретики постулировали, что существуют особые частицы, которые передают гравитацию. Такие частицы, кванты гравитационного поля, должны существовать хотя бы потому, что всем остальным фундаментальным взаимо­действиям, электромагнитному, сильному и слабому, соответствуют свои частицы, переносчики взаимодействия. Однако до сих пор так и не удалось обнаружить гравитоны.

Большинство физиков полагают, что гравитоны, как и фотоны, не имеют массы покоя. Однако несколько лет назад Клаудиа де Рам и ее коллеги из Кливлендского университета выдвинули смелую гипотезу. По их мнению, гравитоны все-таки обладают крохотной массой – меньше 10^-33 электронвольт. Они взаимодействуют с вакуумной энергией, и это может объяснить происхождение загадочной темной энергии.

Можно ли проверить эту гипотезу? Если гравитоны не имеют массы покоя, то они движутся со световой скоростью. В таком случае вспышка рентгеновского излучения, возникающая при взрыве сверхновой звезды, будет зафиксирована одновременно с гравитационной волной, порожденной этим взрывом. Но если у гравитонов есть масса покоя, то гравитационные волны должны распространяться медленнее, чем рентгеновское излучение. Детекторы зафиксируют волну чуть позже, чем рентгеновскую вспышку.

Остается лишь дождаться взрыва далекой звезды, чтобы здесь, в земной тиши, при помощи точнейших часов… «взвесить» эти неведомые гравитоны.

А еще гравитационные волны помогут нам заглянуть в ту далекую, как вечность, эпоху, когда в нашей Вселенной только начался отсчет времени – в первые мгновения после Большого Взрыва.

Ведь существует несколько разновидностей гравитационных волн. С помощью детекторов LIGO можно наблюдать за высокочастотными волнами. Другие детекторы позволят сделать то, что не удалось два года назад телескопу BICEP2 – зафиксировать гравитационные волны, возникшие в те мгновения, когда Вселенная стремительно, по экспоненте, расширялась. Открытие этого вида гравитационных волн позволит окончательно доказать теорию космической инфляции (подробнее об этом см. «З–С», 9/14).

…Космический мрак понемногу рассеивается. В нем приоткрылось для нас новое окно.

Редакция благодарна сотрудникам Государственного астрономического института им. П.К. Штернберга  В.Г. Сурдину и К.А. Постнову за помощь при подготовке статьи.

ЗС 06/2016

Номера журнала

Читать номера on-line