Гравитационные волны, теоретически предсказанные Эйнштейном еще в 1917 году, все еще дожидаются своего первооткрывателя.
Алексей Левин
В конце 1969 года профессор физики Мэрилендского университета Джозеф Вебер сделал сенсационное заявление. Он объявил, что обнаружил волны тяготения, пришедшие на Землю из глубин космоса. До того времени ни один ученый не выступал с подобными претензиями, да и сама возможность детектирования таких волн считалась далеко не очевидной. Однако Вебер слыл авторитетом в своей области, и посему коллеги восприняли его сообщение с полной серьезностью.
Однако вскоре наступило разочарование. Амплитуды волн, якобы зарегистрированных Вебером, в миллионы раз превышали теоретическую величину. Вебер утверждал, что эти волны пришли из закрытого пылевыми облаками центра нашей Галактики, о котором тогда было мало что известно. Астрофизики предположили, что там скрывается гигантская черная дыра, которая ежегодно пожирает тысячи звезд и выбрасывает часть поглощенной энергии в виде гравитационного излучения, а астрономы занялись тщетным поиском более явственных следов этого космического каннибализма (сейчас доказано, что черная дыра там действительно есть, но ведет она себя вполне пристойно). Физики из США, СССР, Франции, Германии, Англии и Италии приступили к экспериментам на детекторах того же типа — и не добились ничего.
Ученые до сих пор не знают, чему приписать странные показания приборов Вебера. Однако его усилия не пропали даром, хотя гравитационные волны до сих пор так и не обнаружены. Несколько установок для их поиска уже построены или строятся, а лет через десять такие детекторы будут выведены и в космос. Вполне возможно, что в не столь отдаленном будущем гравитационное излучение станет такой же наблюдаемой физической реальностью, как и электромагнитные колебания. К сожалению, Джозеф Вебер этого уже не узнает — он умер в сентябре 2000 года.
Что такое волны тяготения
Часто говорят, что гравитационные волны — это распространяющиеся в пространстве возмущения поля тяготения. Такое определение правильно, но неполно. Согласно общей теории относительности, тяготение возникает из-за искривления пространственно-временного континуума. Волны тяготения — это флуктуации пространственно-временной метрики, которые проявляют себя как колебания гравитационного поля, поэтому их часто образно называют пространственно-временной рябью. Гравитационные волны были в 1917 году теоретически предсказаны Альбертом Эйнштейном. В существовании их никто не сомневается, но гравитационные волны все еще дожидаются своего первооткрывателя.
Источником гравитационных волн служат любые движения материальных тел, приводящие к неоднородному изменению силы тяготения в окружающем пространстве. Движущееся с постоянной скоростью тело ничего не излучает, поскольку характер его поля тяготения не изменяется. Для испускания волн тяготения необходимы ускорения, но не любые. Цилиндр, который вращается вокруг своей оси симметрии, испытывает ускорение, однако его гравитационное поле остается однородным, и волны тяготения не возникают. А вот если раскрутить этот цилиндр вокруг другой оси, поле станет осциллировать и от цилиндра во все стороны побегут гравитационные волны.
Этот вывод относится к любому телу (или системе тел), несимметричному относительно оси вращения (в таких случаях говорят, что тело имеет квадрупольный момент). Система масс, квадрупольный момент которой меняется со временем, всегда излучает гравитационные волны.
Гравитационные маяки космоса
Гравитационное излучение земных источников чрезвычайно слабо. Стальная колонна массой 10 000 тонн, подвешенная за центр в горизонтальной плоскости и раскрученная вокруг вертикальной оси до 600 об./мин, излучает мощность примерно 10 -24 Вт. Поэтому единственная надежда обнаружить волны тяготения — найти космический источник гравитационного излучения.
В этом плане весьма перспективны тесные двойные звезды. Причина проста: мощность гравитационного излучения такой системы растет в обратной пропорции к пятой степени ее поперечника. Еще лучше, если траектории звезд сильно вытянуты, так как при этом возрастает скорость изменения квадрупольного момента. Совсем хорошо, если двойная система состоит из нейтронных звезд или черных дыр. Такие системы подобны гравитационным маякам в космосе — их излучение имеет периодический характер.
В космосе существуют и «импульсные» источники, порождающие короткие, но чрезвычайно мощные гравитационные всплески. Подобное происходит при коллапсе массивной звезды, предшествующем взрыву сверхновой. Однако деформация звезды должна быть асимметричной, иначе излучение не возникнет. Во время коллапса гравитационные волны могут унести с собой до 10% полной энергии светила! Мощность гравитационного излучения в этом случае составляет порядка 10 50 Вт. Еще больше энергии выделяется при слиянии нейтронных звезд, здесь пиковая мощность достигает 10 52 Вт. Превосходный источник излучения — столкновение черных дыр: их массы могут превышать массы нейтронных звезд в миллиарды раз.
Еще один источник гравитационных волн — космологическая инфляция. Сразу после Большого взрыва Вселенная начала чрезвычайно быстро расширяться, и меньше чем за 10 -34 секунды ее поперечник увеличился с 10 -33 см до макроскопического размера. Этот процесс неизмеримо усилил гравитационные волны, существовавшие до его начала, и их потомки сохранились до сих пор.
Косвенные подтверждения
Первое доказательство существования волн тяготения связано с работами американского радиоастронома Джозефа Тейлора и его студента Расселла Халса. В 1974 году они обнаружили пару обращающихся друг вокруг друга нейтронных звезд (излучающий в радиодиапазоне пульсар с молчаливым компаньоном). Пульсар вращался вокруг своей оси со стабильной угловой скоростью (что бывает далеко не всегда) и поэтому служил исключительно точными часами. Эта особенность позволила измерить массы обеих звезд и выяснить характер их орбитального движения. Оказалось, что период обращения этой двойной системы (около 3 ч 45 мин) ежегодно сокращается на 70 мкс. Эта величина хорошо согласуется с решениями уравнений общей теории относительности, описывающих потерю энергии звездной пары, обусловленную гравитационным излучением (впрочем, столкновение этих звезд случится нескоро, через 300 млн. лет). В 1993 году Тейлор и Халс были удостоены за это открытие Нобелевской премии.
Гравитационно-волновые антенны
Как обнаружить гравитационные волны экспериментально? Вебер использовал в качестве детекторов сплошные алюминиевые цилиндры метровой длины с пьезодатчиками на торцах. Их с максимальной тщательностью изолировали от внешних механических воздействий в вакуумной камере. Два таких цилиндра Вебер установил в бункере под полем для гольфа Мэрилендского университета, и один — в Аргоннской национальной лаборатории.
Идея эксперимента проста. Пространство под действием гравитационных волн сжимается и растягивается. Благодаря этому цилиндр вибрирует в продольном направлении, выступая в качестве гравитационно-волновой антенны, а пьезоэлектрические кристаллы переводят вибрации в электрические сигналы. Любое прохождение космиче-ских волн тяготения практически одновременно действует на детекторы, разнесенные на тысячу километров, что позволяет отфильтровать гравитационные импульсы от различного рода шумов.
Веберовские датчики были в состоянии заметить смещения торцов цилиндра, равные всего 10 -15 его длины — в данном случае 10 -13 см. Именно такие колебания Веберу удалось обнаружить, о чем он впервые и сообщил в 1959 году на страницах Physical Review Letters. Все попытки повторить эти результаты оказались тщетными. Данные Вебера к тому же противоречат теории, которая практически не позволяет ожидать относительных смещений выше 10 -18 (причем гораздо вероятнее значения менее 10 -20). Не исключено, что Вебер напутал при статистической обработке результатов. Первая попытка экспериментально обнаружить гравитационное излучение закончилась неудачей.
В дальнейшем гравитационно-волновые антенны значительно усовершенствовали. В 1967 году американский физик Билл Фэйрбанк предложил охлаждать их в жидком гелии. Это не только позволило избавиться от большей части тепловых шумов, но и открыло возможность применения сквидов (сверхпроводящих квантовых интерферометров), точнейших сверхчувствительных магнитометров. Реализация этой идеи оказалась сопряжена с множеством технических трудностей, и сам Фэйрбанк до нее не дожил. К началу 1980-х годов физики из Стэнфордского университета построили установку с чувствительностью 10 -18 , однако волн не зарегистрировали. Сейчас в ряде стран действуют ультракриогенные вибрационные детекторы волн тяготения, работающие при температурах лишь на десятые и сотые доли градуса выше абсолютного нуля. Такова, например, установка AURIGA в Падуе. Антенной для нее служит трехметровый цилиндр из алюминиево-магниевого сплава, диаметр которого составляет 60 см, а вес — 2,3 т. Он подвешен в вакуумной камере, охлаждаемой до 0,1 К. Его сотрясения (с частотой порядка 1000 Гц) передаются на вспомогательный резонатор массой в 1 кг, который колеблется с такой же частотой, но много большей амплитудой. Эти вибрации регистрируются измерительной аппаратурой и анализируются с помощью компьютера. Чувствительность комплекса AURIGA — около 10 -20 -10 -21 .
Интерферометры
Еще один способ детектирования волн тяготения основан на отказе от массивных резонаторов в пользу световых лучей. Первыми в 1962 году его предложили советские физики Михаил Герценштейн и Владислав Пустовойт, а двумя годами позже и Вебер. В начале 1970-х сотрудник исследовательской лаборатории корпорации Hughes Aircraft Роберт Форвард (в прошлом аспирант Вебера, в дальнейшем весьма известный писатель-фантаст) построил первый такой детектор с вполне приличной чувствительностью. Тогда же профессор Массачусетсского технологического института (MIT) Райнер Вайсс выполнил очень глубокий теоретический анализ возможностей регистрации гравитационных волн с помощью оптических методов.
Эти методы предполагают использование аналогов прибора, с помощью которого 125 лет назад физик Альберт Майкельсон доказал, что скорость света строго одинакова по всем направлениям. В этой установке, интерферометре Майкельсона, пучок света попадает на полупрозрачную пластинку и разделяется на два взаимно перпендикулярных луча, которые отражаются от зеркал, расположенных на одинаковом расстоянии от пластинки. Затем пучки опять сливаются и падают на экран, где возникает интерференционная картина (светлые и темные полосы и линии). Если скорость света зависит от его направления, то при повороте всей установки эта картинка должна измениться, если нет — остаться такой же, что и раньше.
Интерференционный детектор волн тяготения работает сходным образом. Проходящая волна деформирует пространство и изменяет длину каждого плеча интерферометра (пути, по которому свет идет от делителя до зеркала), растягивая одно плечо и сжимая другое. Интерференционная картинка меняется, и это можно зарегистрировать. Но это непросто: если ожидаемое относительное изменение длины плеч интерферометра составляет 10 -20 , то при настольных размерах прибора (как у Майкельсона) оно оборачивается колебаниями амплитудой порядка 10 -18 см. Для сравнения: волны видимого света в 10 трлн. раз длиннее! Можно увеличить протяженность плеч до нескольких километров, однако проблемы все равно останутся. Лазерный источник света должен быть и мощным, и стабильным по частоте, зеркала — идеально плоскими и идеально отражающими, вакуум в трубах, по которым распространяется свет, — максимально глубоким, механическая стабилизация всей системы — воистину совершенной. Короче говоря, интерференционный детектор гравитационных волн — прибор дорогой и громоздкий.
Сегодня самая большая установка такого рода — американский комплекс LIGO (Light Interferometer Gravitational Waves Observatory). Он состоит из двух обсерваторий, одна из которых находится на тихоокеанском побережье США, а другая — неподалеку от Мексиканского залива. Измерения производят с помощью трех интерферометров (два в штате Вашингтон, один в Луизиане) с плечами четырехкилометровой длины. Установка снабжена зеркальными накопителями света, которые увеличивают ее чувствительность. «С ноября 2005 года все три наших интерферометра работают в нормальном режиме, — рассказал «Популярной механике» представитель комплекса LIGO Питер Солсон, профессор физики Сиракузского университета. — Мы постоянно обмениваемся данными с другими обсерваториями, пытающимися обнаружить гравитационные волны частотой в десятки и сотни герц, возникшие при самых мощных взрывах сверхновых и слиянии нейтронных звезд и черных дыр. Сейчас в строю находится немецкий интерферометр GEO 600 (длина плеч — 600 м), расположенный в 25 км от Ганновера. 300-метровый японский прибор TAMA в настоящее время модернизируется. Трехкилометровый детектор Virgo в окрестностях Пизы подключится к общим усилиям в начале 2007-го, причем на частотах менее 50 Гц он сможет превзойти LIGO. Установки с ультракриогенными резонаторами действуют с возрастающей эффективностью, хотя их чувствительность все же несколько меньше нашей».
1. В пустом пространстве они распространяются со скоростью света. Более того, эта скорость практически всегда сохраняется при встрече с материальными объектами, так что гравитационные волны не претерпевают преломления. Экстремально сверхплотное вещество способно уменьшить скорость гравитационных волн, но в прочих случаях этот эффект пренебрежимо мал. Амплитуды волн тяготения угасают при удалении от источника, однако не падают до нуля: единожды возникшая волна тяготения в определенном смысле обречена на вечную жизнь. В частности, Вселенная должна быть пронизана реликтовыми волнами, унаследованными от инфляционной фазы. В них закодирована информация о строении «зародышевой» Вселенной, которую, правда, еще надо умудриться расшифровать.
2. Волны тяготения — поперечные. Такая волна искажает структуру пространства в плоскости, перпендикулярной вектору ее распространения. Твердое тело, попавшее в область фронта гравитационной волны, будет испытывать деформации именно в этой плоскости (какие именно, зависит от характера волны).
3. Гравитационные волны уносят энергию, которую они отбирают у излучающей их материи. Поэтому со временем звезды двойной системы сближаются и период их обращения вокруг общего центра масс уменьшается.
Перспективы
Что же ожидает методы обнаружения гравитационных волн в ближайшем будущем? Об этом «Популярной механике» рассказал профессор Райнер Вайсс: «Через несколько лет в обсерваториях комплекса LIGO установят более мощные лазеры и более совершенные детекторы, что приведет к 15-кратному увеличению чувствительности. Сейчас она составляет 10 -21 (на частотах порядка 100 Гц), а после модернизации превысит 10 -22 . Модернизированный комплекс, Advanced LIGO, в 15 раз увеличит глубину проникновения в космос. В этом проекте активно участвует профессор МГУ Владимир Брагинский, один из пионеров изучения гравитационных волн.
На середину следующего десятилетия запланирован запуск космического интерферометра LISA (Laser Interferometer Space Antenna) с длиной плеч в 5 миллионов километров, это совместный проект NASA и Европейского космического агентства. Чувствительность этой обсерватории будет в сотни раз выше, чем возможности наземных инструментов. Она в первую очередь предназначена для поиска низкочастотных (10 -4 -10 -1 Гц) гравитационных волн, которые невозможно уловить на поверхности Земли из-за атмосферных и сейсмических помех. Такие волны испускают двойные звездные системы, вполне типичные обитатели Космоса. LISA также сможет регистрировать волны тяготения, возникшие при поглощении черными дырами обыкновенных звезд. А вот для детектирования реликтовых гравитационных волн, несущих информацию о состоянии материи в первые мгновения после Большого взрыва, скорее всего, потребуются более продвинутые космические инструменты. Такая установка, Big Bang Observer, сейчас обсуждается, однако вряд ли ее удастся создать и запустить ранее чем через 30−40 лет».
МОСКВА, 18 фев — РИА Новости. Экспериментальное подтверждение существования гравитационных волн - "ряби" пространства-времени — стало грандиозным успехом мировой астрофизики и своеобразным подарком Альберту Эйнштейну к 100-летию его общей теории относительности, считают участники Московской группы коллаборации LIGO.
Индия построит лабораторию для изучения гравитационных волн В рамках проекта, который будет реализован в сотрудничестве с обсерваторией LIGO в США, специалисты, в частности, построят восьмикилометровую лучевую трубку в сверхвысоком вакууме.Гравитационные волны были впервые в истории зафиксированы 14 сентября 2015 года детекторами гравитационной обсерватории LIGO в американских штатах Луизиана и Вашингтон. Ученым из Массачусетского и Калифорнийского технологических институтов удалось зафиксировать "рябь" пространства-времени от катастрофического столкновения двух черных дыр в дальнем космосе.
Масса этих черных дыр в 29 и 36 раз превышала массы Солнца, а само слияние произошло 1,3 миллиарда лет назад, но двигающаяся со скоростью света гравитационная волна дошла до Земли лишь сейчас.
Новый прорыв
Одно из главных достижений проекта по обнаружению гравитационных волн - это то, что теоретические данные полностью совпали с реальным экспериментом. Ученые сумели показать, что излучение гравитационных волн произошло именно в результате слияния двух черных дыр, заявил РИА Новости заведующий кафедрой физики колебаний физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова доктор физико-математических наук Сергей Вятчанин.
"Поймали, во-первых, на двух антеннах (двух детекторах, которые разделяет 3 тысячи километров), а во-вторых сформулировали сценарий, и он "лег", так сказать. Вот это огромное достижение… Это черные дыры, 30 солнечных масс, слились, … и последняя агония этого слияния и дала этот огромный всплеск", — сказал ученый.
Профессор физического факультета МГУ, руководитель Московской группы коллаборации LIGO Валерий Митрофанов отметил, что существование гравитационных волн уже давно не ставилось научным сообществом под сомнение.
Многие ученые, которые занимаются другими темами, уже думали над тем, как данное явление может быть использовано в их исследованиях, хотя экспериментальное подтверждение существования волн гравитации состоялось только в сентябре 2015 года, отметил профессор.
Еще полгода ушли на тщательнейшую проверку полученных данных, и когда стало ясно, что ошибка практически исключена (на 100% она исключена не может быть, в принципе), было объявлено об открытии - без сомнений, одном из крупнейших в истории астрофизики.
Технологии появятся нескоро
Регистрация гравитационных волн открывает новые возможности для развития науки, однако практические технологии на основе данного явления появятся нескоро, считают физики.
"Очень трудно рассчитывать на то, что открытие гравитационных волн будет способствовать повышению комфорта жизни", — иронизирует Вятчанин.
С другой стороны, он привел в пример открытие электромагнитных волн в XIX веке - когда оно было сделано, мало кто мог представить, что чуть ли не все технические новации XX века будут базироваться на этом явлении.
По словам Митрофанова, тема создания прикладных технологий, основанных на гравитационных волнах, очень интересная, и "может неожиданно сыграть" в будущем. Но в настоящее время трудно представить, когда и в какой форме эти технологии будут реализованы.
История Вселенной
Задача обнаружения реликтовых гравитационных волн, которые стали следствием событий, произошедших сразу после зарождения Вселенной, на порядок сложнее, чем детекция сигнала от такого большого и катастрофического события, как слияние черных дыр. Однако, по мнению российских ученых, в конце концов, эта задача будет решена, что позволит совершить значительный шаг в изучении истории Вселенной.
"Гравитационные волны не поглощаются материей, мы можем заглянуть в самые-самые начальные моменты после Большого взрыва, так скажем, когда, собственно, началась Вселенная и начала развиваться", — пояснил Митрофанов.
Вятчанин отметил, что обнаружение реликтового гравитационного фона - "значительно более сумасшедшая" задача, чем та, которая была решена коллаборацией LIGO. Однако в отдаленной перспективе человечество сможет создать достаточно чувствительные приборы, которые смогут "поймать" реликтовые гравитационные волны, что позволит "просеять" космологические теории и отделить те, которые не соответствуют полученным данным, указал профессор.
Темная материя
Одна из тайн Вселенных, в разгадке которой может помочь открытие, касается темной материи - загадочного вещества, которое, по расчетам, должно вместе с темной энергией составлять большую часть состава Вселенной, но при текущем уровне развития технологий не может быть обнаружено.
По словам Митрофанова, темная материя, возможно, способна испускать гравитационные волны и взаимодействовать с ними, но пока никаких указаний на это нет. Тем не менее, исследования на стыке изучения гравитационных волн и темной материи способны дать интересные результаты. Однако значимым открытиям будет предшествовать период накопления данных и обработки полученной информации, указал исследователь.
Сергей Вятчанин также придерживается мнения, что гравитационные волны можно использовать для изучения темной материи. Но ученый отметил, что к настоящему моменту не разработаны сценарии, которые бы описывали излучение гравитационных волн темной материей.
Проект LIGO — система из двух одинаковых детекторов, тщательно настроенных для детектирования невероятно малых смещений метрики пространства-времени от прохождения гравитационных волн. Детекторы расположены в 3 тысячах километров друг от друга.
Исследования осуществляются в рамках научной коллаборации LIGO (LSC — LIGO Scientific Collaboration) коллективом из более чем тысячи ученых из университетов США и 14 других стран, включая РФ. Россия представлена двумя научными коллективами: группой физического факультета Московского университета и группой академического Института прикладной физики (Нижний Новгород).
В середине февраля этого года члены международной коллаборации LIGO, объединяющей сотни ученых из семнадцати стран, в том числе из России, объявили о первой прямой регистрации гравитационных волн, испущенных двумя сливающимися черными дырами общей массой более 60 солнц 1,3 млрд лет назад. Это научное событие без преувеличения космического масштаба, и произошло оно в минувшем сентябре в лазерной гравитационно-волновой обсерватории-интерферометре LIGO (США). За подробным комментарием мы обратились к заведующему лабораторией теоретической физики Института электрофизики УрО РАН академику Михаилу Садовскому.
- Уважаемый Михаил Виссарионович, для начала объясните дилетанту, что такое гравитационная волна?
Представьте четыре шарика, подвешенные крест-накрест. Если произойдет гравитационное возмущение, два шарика отклонятся друг от друга на определенное расстояние, а другие два одновременно с этим устремятся навстречу друг другу; в следующей фазе волны их движение будет противоположным. В итоге под действием гравитационной волны все четыре шарика начнут синхронно колебаться. Но это воображаемый эксперимент. В повседневной жизни никто не чувствует и не наблюдает гравитационные волны, они ни на что не оказывают влияния, потому что гравитационные взаимодействия очень слабы по сравнению, например, с электромагнитными. И хотя большинство физиков-теоретиков никогда не сомневались в существовании гравитационных волн, задача их экспериментальной регистрации в земных условиях представлялась очень сложной. Оставалось надеяться на космос - там происходят мощные гравитационные возмущения, и вызванные ими волны могут дойти до Земли.
- Значит, нынешнее открытие неожиданным назвать нельзя?
Существование гравитационных волн было теоретически предсказано Альбертом Эйнштейном ровно 100 лет назад в его статье 1916 года. Это естественно следовало из общей теории относительности, или современной теории гравитации. Если существуют электромагнитные волны, то должны иметь место и гравитационные возмущения, которые распространяются в виде волн со скоростью света и локально изменяют геометрию пространства и времени. Предсказание о существовании гравитационных волн позволило, например, объяснить изменение темпов сближения тесных систем двойных звезд.
Впервые задачу прямой регистрации гравитационных эффектов попытался решить еще в 1960-годы американский физик Джозеф Вебер. Он разработал первые детекторы - два массивных алюминиевых цилиндра, подвешенных на большом расстоянии друг от друга. По мысли Вебера, большая гравитационная волна заставит их колебаться в унисон, и таким образом ее прохождение можно будет зарегистрировать. В 1968 году он объявил о регистрации гравитационных волн на своих детекторах, но результаты его экспериментов были подвергнуты сомнению другими исследователями. К сожалению, до нынешнего триумфа основанного им направления Джозеф Вебер не дожил. Впрочем, вклад ученого в гравитационно-волновую астрономию научным сообществом признан.
- А наши соотечественники предпринимали попытки зарегистрировать гравитационные волны?
В СССР и России пионером гравитационно-волновых исследований стал член-корреспондент РАН Владимир Брагинский . Он скептически относился к опытам Вебера, считая, что такими детекторами ничего зарегистрировать нельзя, но продолжал работать в этом направлении.
Схема, реализованная в нынешнем эксперименте, была предложена также отечественными учеными - профессором Михаилом Герценштейном и академиком Владиславом Пустовойтом в статье, опубликованной в «Журнале экспериментальной и теоретической физики» за 1962 год. Схема эта достаточно проста. Она построена на интерферометре Майкельсона, принцип действия которого заключается в следующем: пучок света из источника направляется к зеркалу, расположенному от него на некотором расстоянии, отражается от зеркала и возвращается обратно, а второй световой сигнал пускается в перпендикулярном направлении, он также отражается от зеркала и возвращается. В точке пересечения световых сигналов на детекторах можно посмотреть картину интерференции. В случае прохождения гравитационной волны зеркала начинают синхронно дрожать, и картина интерференции меняется. Благодаря тому, что оптика - наука очень точная, появляется возможность зафиксировать даже очень слабый гравитационный эффект.
- Интерферометр, где было совершено сенсационное открытие, работает на этом принципе?
Да. Обсерватория LIGO состоит из двух установок: одна размещена в Хэнфорде, штат Вашингтон, другая - в Ливингстоне, штат Луизиана, на расстоянии около 3 тыс. километров. У каждого интерферометра два «плеча» длиной по 4 км, расположенные перпендикулярно друг другу. Это трубы, внутри которых пускается лазерный луч. Если придет гравитационная волна, то в обоих интерферометрах на детекторе в точке пересечения лучей синхронно должна возникнуть характерная картина интерференции.
Инициаторами проекта LIGO в 1980-е годы стали профессора Калифорнийского технологического института Кип Торн
(кстати, один из авторов сценария к космическому боевику «Интерстеллар») и Рональд Дривер
, а также профессор Массачусетского технологического института Райнер Вайсс
.
В списке участников международной коллаборации, насчитывающем более 200 человек, есть наши соотечественники, в том числе уже названный член-корреспондент Владимир Брагинский, профессор Валерий Митрофанов
(МГУ), члены-корреспонденты Александр Сергеев
и Ефим Хазанов
(Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород) и другие исследователи.
Работа российских участников проекта частично была поддержана грантами РФФИ. К сожалению, нелепые условия предоставления грантов, принятые в Российском научном фонде, полностью исключают поддержку такого рода коллективных исследований. Так, по правилам фонда, работа, профинансированная РНФ, не может быть поддержана никакими другими фондами и грантами. Требование это сколь жесткое, столь и неконструктивное. Ведь любой крупный научный проект, тем более международный, получает поддержку десятков различных фондов, и коллаборация LIGO тому пример.
Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Общая стоимость проекта - около 620 млн долларов
Между тем проект LIGO весьма дорогостоящий. Строительство обсерватории обошлось в 300 млн долларов плюс расходы на эксплуатацию и модернизацию. LIGO был запущен в 2002 году и работал до 2010-го. Однако в тот период гравитационные волны зарегистрировать не удалось, фиксировались лишь различные шумы. Затем интерферометр был остановлен для модернизации. Аналогичный LIGO интерферометр Virgo с трехкилометровыми плечами начал работать в 2007 году в Италии, неподалеку от Пизы. С 2011 года он проходит модернизацию, и во второй половине нынешнего должен быть запущен снова. А усовершенствованный комплекс Advanced LIGO приступил к работе в начале осени 2015 года.
- Получается, открытие произошло вскоре после запуска?
Именно так. 14 сентября на детекторе LIGO был зарегистрирован сигнал, который выглядел «подозрительно» с точки зрения наблюдения гравитационных волн. Изменения интерференционной картины полностью соответствовали расчетам, которые участники коллаборации произвели заранее на случай гравитационного возмущения. Это было именно то, что должно было быть при прохождении гравитационной волны, возникшей при столкновении двух черных дыр - массивных звезд, находящихся на последней стадии жизни, «весом» 29 и 36 масс Солнца. В результате космического катаклизма образовалась черная дыра в 62 солнечные массы, а энергия трех солнечных масс перешла в гравитационное излучение, которое через 1,3 млрд световых лет дошло до нас. Если бы к моменту фиксации интерферометр Virgo уже функционировал, можно было бы определить, откуда пришла гравитационная волна. В этот раз сделать это не удалось, но ученые надеются, что удастся в будущем, когда LIGO и Virgo будут работать параллельно.
- И, наконец, несколько слов о значении события…
Обнаружение таких «тяжелых» черных дыр - само по себе серьезное открытие в астрономии. А прямая регистрация гравитационных волн - это по существу рождение нового научного направления, гравитационно-волновой астрономии. Исследуя гравитационные эффекты, мы, вероятно, сможем заглянуть в самые ранние периоды формирования Вселенной. Ведь из самых ранних стадий эволюции «огненного шара», возникшего в результате Большого взрыва, световые сигналы не проходят, а гравитационные волны, излученные на этом этапе расширения Вселенной, могут до нас дойти. Замечательно и то обстоятельство, что общая теория относительности теперь практически окончательно экспериментально проверена на классическом (не квантовом) уровне и действительно очень точно описывает гравитацию. Так что состоявшееся открытие стало ярким «подарком» к столетнему юбилею этой теории.
О практическом смысле регистрации гравитационных волн пока говорить, конечно, сложно, но не исключено, что в будущем он обнаружится. В начале XX века ведь никто не мог предположить, что, к примеру, современные GPS-навигаторы будут правильно определять ваше местоположение только с учетом эффектов общей теории относительности. А гравитационно-волновая астрономия, по-видимому, уже совсем не за горами.
Первый зафиксированный гравитационно-волновой сигнал
|
Гравитационная волна от слияния бинарных черных дыр, зарегистрированная детекторами LIGO в Хэнфорде и Ливингстоне Слева — данные с детектора в Хэнфорде (H1), справа — в Ливингстоне (L1). Время отсчитывается от 14 сентября 2015, 09:50:45 UTC. Верхний ряд: напряжения h в детекторах. Сигнал GW150914 сначала прибыл на L1 и через 6,9+0,5?0,4 мс на H1; для визуального сравнения данные с H1 показаны на графике L1 в обращенном и сдвинутом по времени виде (чтобы учесть относительную ориентацию детекторов). Второй ряд: напряжения h от гравитационно-волнового сигнала, пропущенные через такой же полосный фильтр, 35 — 350 Гц. Сплошная линия — результат численной относительности для системы с параметрами, совместимыми с найденными на базе изучения сигнала GW150914, полученного двумя независимыми кодами с результирующим совпадением 99,9. Серые толстые линии — области 90% доверительной вероятности формы сигнала, восстановленные из данных детекторов двумя различными методами. Темно-серая линия моделирует ожидаемые сигналы от слияния черных дыр, светло-серая не использует астрофизических моделей, а представляет сигнал линейной комбинацией синусоидально-гауссовых вэйвлетов. Реконструкции перекрываются на 94%. Третий ряд: остаточные ошибки после извлечения отфильтрованного предсказания сигнала численной относительности из отфильтрованного сигнала детекторов. Нижний ряд: представление частотной карты напряжений, показывающее возрастание доминирующей частоты сигнала со временем. |
Что увидели детекторы LIGO
Увидели сигнал, выглядящий именно так, как предсказывалось для слияния пары черных дыр. Изображено относительное растяжение интерферометра под действием гравитационной волны. Масштаб по вертикали 10-21, что значит растяжение четырехкилометрового плеча интерферометра на 2,5 x 10-15 см (умеют мерить растяжения до 10-17 см, какой бы фантастикой это ни казалось). На рисунке — растяжения и сжатия двух детекторов (показано разными цветами), находящихся на расстоянии 3000 км. Сначала идет шум, в котором начинают проявляться явные волны, которые идут все чаще, а потом резко заканчиваются. Каждая волна — пол-оборота системы двух черных дыр. Они быстро сближаются, поэтому время между пиками уменьшается. Последняя волна — это уже практически одна черная дыра, хотя и сильно деформированная.
Как, глядя на рисунок, самому прикинуть массу слившихся черных дыр и расстояние до них
Надо оценить период вращения сливающихся объектов в последний момент. Смотрим на рисунок и видим, что расстояние между последними пиками примерно в десять раз меньше, чем между рисками, то есть где-то 5 миллисекунд. Это полпериода вращения еще сильно деформированной черной дыры. С какой линейной скоростью вращается ее поверхность? Сравнимой со скоростью света, но меньше, примерно треть (предельная керровская дыра) — независимо от размера.
Тогда полуокружность вращения будет примерно 500 км, делим на?, получаем радиус 170 км. Радиус черной дыры солнечной массы — 3 км, значит, масса системы — около 60 солнечных. На самом деле — 62. Поразительная точность, особенно если учесть, что время между пиками мы прикидывали на глазок.
Теперь попробуем оценить расстояние. Это чуть сложней. Амплитуда гравитационной волны (относительная деформация пространства) обратно пропорциональна расстоянию до источника. В источнике деформация огромна, ну не единица, конечно, но 0,1 — вполне реально (расчеты дают именно такой порядок величины). Мы имеем у себя 10-21 (см. единицы по вертикальной оси), значит, мы находимся примерно в 1020 раз дальше от источника, чем его размер — 170 км (см. выше). Получаем 1,7 x 107 см x 1020 = 1,7 x 1027 см = 0,6 гигапарсека (на самом деле 0,4 гигапарсека). Опять замечательное попадание при том, что есть еще неопределенность в ориентации экваториальной плоскости системы относительно луча зрения.
Глядя на рябь в ткани пространства-времени, ученые надеются вскоре обнаружить «странные звезды» - объекты, созданные из принципиально других частиц, из которых не состоит обычная материя. Протоны и нейтроны, составляющие ядро атома, состоят из
Глядя на рябь в ткани пространства-времени, ученые надеются вскоре обнаружить «странные звезды» - объекты, созданные из принципиально других частиц, из которых не состоит обычная материя.
Протоны и нейтроны, составляющие ядро атома, состоят из нескольких основных частиц, известных как кварки. Есть шесть типов, или «ароматов», кварков: верхний, нижний, странный, очарованный, прелестный и истинный. Каждый протон или нейтрон состоит из трех кварков: протон из двух верхних кварков и одного нижнего; нейтрон из двух нижних и одного верхнего.
В теории материя может состоять из кварков других ароматов. С 1970-х годов ученые предполагают, что частицы «странной материи», известные как страпельки, состоящие из равного количества верхних, нижних и странных кварков, могут существовать. В принципе, странная материя должна быть тяжелее и более стабильна, чем обычная, также она может превращать обычную материю, с которой вступает в контакт, в странную материю. Однако лабораторные эксперименты пока не создали никакой странной материи, поэтому ее существование остается под вопросом.
Одно из мест, в котором странная материя может появляться естественным путем, может быть внутренность нейтронных звезд, останков звезд, которые умирают в катастрофическом взрыве сверхновой. Нейтронные звезды, как правило, небольшие - в пределах 19 километров или около того - но настолько плотные, что их вес соизмерим с солнечным. Кусок нейтронной звезды размером с кубик сахара может весить 100 миллионов тонн.
Под действием чрезвычайной силы этого экстремального веса некоторые из верхних и нижних кварков, составляющих нейтронную звезду, могут преобразовываться в странные кварки, а значит, и в странные звезды, состоящие из странной материи, считают ученые.
Странная звезда, состоящая из странной материи, может быстро превратить в странную звезду и нейтронную звезду, вращающуюся в двоичной системе звезд. Исследования показали, что нейтронная звезда, получившая семя странной материи от компаньона, странной звезды, может стать странной звездой всего за 1 миллисекунду.
Теперь исследователи предполагают, что могут обнаружить странные звезды, наблюдая за гравитационными волнами - невидимой рябью пространства-времени, впервые предположенной Альбертом Эйнштейном в рамках общей теории относительности.
Гравитационные волны излучаются за счет ускорения масс. По-настоящему большие гравитационные волны излучаются очень и очень большими массами, к примеру, нейтронными звездами, которые сливаются воедино.
Пары странных звезд должны испускать гравитационные волны, которые будут отличаться от тех, что испускают «нормальные» нейтронные звезды, потому что странные звезды должны быть более компактными, по мнению ученых. К примеру, нейтронная звезда с массой в одну пятую солнечной будет более 30 километров в диаметре, тогда как странная звезда с такой же массой будет максимум 10 километров в поперечнике.
Ученые предполагают, что события, связанные со странными звездами, должны объяснить два коротких гамма-всплеска - гигантских взрывов длительностью менее 2 секунд - замеченных в глубоком космосе в 2005 и 2007 годах. Обсерватория LIGO не зафиксировала гравитационные волны от этих событий (GRB 051103 и GRB 070201).
Слияние нейтронных звезд подходит в качестве объяснения коротких гамма-всплесков, но тогда LIGO должна была зафиксировать гравитационные волны этих слияний. Однако, если в оба события были вовлечены странные звезды, LIGO не обнаружила бы никаких гравитационных волн, отмечают ученые. Чем компактнее звезда в двойной системе звезд, тем выше будет частота гравитационных волн.
В будущем ученые надеются обнаружить события слияний странных звезд. Используя продвинутый вариант обсерватории LIGO (aLIGO), которая заработает в 2015 году, ученые планируют обнаружить порядка 0,13 слияний нейтронных звезд со странными звездами в год, или одно слияние раз в семь лет. Используя телескоп Эйнштейна, который в настоящее время разрабатывается в Евросоюзе, ученые смогут фиксировать до 700 таких событий в год, или по два в день.
Есть также шанс того, что ученые пересмотрят данные LIGO о событиях 2005 и 2007 годов и найдут признаки участия странных звезд.
«Возможность повторного анализа сигналов LIGO GRB 070201 и GRB 051103, принимая во внимание некоторые возможные случаи с участием странных звезд, весьма интересна», - рассказал ведущий автор работы, астрофизик Педро Моралес, ресурсу Space.com. Вместе с коллегой Освальдо Миранда Моралес опубликовал свои выводы в недавнем выпуске журнала Monthly Notices.
Аня Грушина
Темпоральные, или временны́е, кристаллы - новая идея в физике, широко обсуждаемая в последние годы. Они представляют собой физические системы, «сами по себе» повторяющиеся во времени. Несмотря на экзотичность концепции, исследователи уже прикидывают возможные области применения идеи и ищут наиболее удачные «рецепты» приготовления «кристаллического времени».
Франк Вильчек, нобелевский лауреат 2004 года и автор концепции временно"го кристалла. Фото: Kenneth C. Zirkel/Wikimedia Commons/CC BY-SA 3.0.
«Рецепт» темпорального кристалла из эксперимента Кристофера Монро: лазерное излучение, показанное оранжевой и зелёной стрелками, переворачивает магнитные моменты (спины); лазерное излучение, показанное красной стрелкой, вносит беспорядок и вызывает взаимодействия между спинами. В результате система из спинов осциллирует между двумя стабильными состояниями, которые устойчивы к изменениям в частоте накачки.
Красота законов природы идёт рука об руку с симметрией. Строго говоря, симметрия в физике подразумевает то, что некоторое свойство остаётся неизменным при определённой трансформации: это может быть поворот или сдвиг в пространстве, зеркальное отражение. Проще говоря, как ни крути объект или Вселенную, законы физики не меняются. Симметрия может быть непрерывной и дискретной. Например, однородный шар можно поворачивать на любой угол - ничего не изменится. А вот куб «повторяет себя» только при повороте на определённый угол. Это примеры непрерывной и дискретной вращательной симметрии.
Интересная физика начинается там, где изменяется, а точнее, ломается симметрия. Скажем, кристалл менее симметричен, чем однородная жидкость, состоящая из тех же самых атомов, так что его можно рассматривать как нарушение пространственной симметрии. Атомы в нём находятся в узлах так называемой кристаллической решётки с чётко определёнными расстояниями и углами. Чтобы при движении в пространстве получить тот же самый кристалл, его нужно сдвинуть на чётко определённое расстояние (так называемую постоянную решётки - размер элементарной ячейки, повторением которой можно воспроизвести весь кристалл) или повернуть на соответствующий угол. Конкретные характеристики кристаллов напрямую зависят от того, как именно была нарушена симметрия: количество электронов на внешней оболочке атомов, магнитные моменты, температура - всё это влияет на взаимодействия между атомами и в конечном счёте определяет свойства материала. Физики давно изучают кристаллы и даже научились создавать похожие системы с помощью лазеров или микроволн, где роль узлов решётки могут играть не только атомы и электроны, но и фотоны или квазичастицы, например фононы. Симметрию среды нарушают также намагниченность и протекание электрического тока.
А вот дискретное нарушение временнoй, или темпоральной, симметрии (непрерывное течение времени только вперёд) - это пока что неизученная территория. Франк Вильчек, лауреат Нобелевской премии 2004 года, полученной за описание особенностей взаимодействия между кварками и глюонами, в 2012 году начал размышлять о том, почему временная симметрия никогда не нарушается спонтанно (то есть за счёт случайных взаимодействий между элементами системы) и реально ли создать условия, в которых это было бы возможным. В результате он придумал темпоральные кристаллы как способ нарушения временной симметрии.
Темпоральные кристаллы - это гипотетические структуры, которые пульсируют без затрат энергии, как механические часы, не требующие завода. Последовательность повторяется во времени, как атомы кристалла повторяются в пространстве. На первый взгляд темпоральный кристалл скорее напоминает о Мире Великого Кристалла фантаста Владислава Крапивина, чем о строгой физике, но у такой структуры могут быть веские физические основания для существования.
Одна из возможных реализаций темпорального кристалла представляет собой кольцо атомов, которое должно вращаться, регулярно возвращаясь в своё первоначальное состояние. Его свойства были бы вечно синхронизированы во времени, аналогично тому как взаимосвязано положение атомов в кристалле. По определению темпорального кристалла такая система должна находиться в состоянии с наименьшей энергией, чтобы движение не требовало поступления энергии извне. В некотором смысле темпоральный кристалл был бы вечным двигателем, за исключением того, что он не производил бы никакой полезной работы.
Научное сообщество в своём большинстве посчитало идею провокационной. Тем не менее Франк Вильчек стоял на своём, уверенный в том, что проблема хитрее, чем кажется на первый взгляд, и темпоральные кристаллы представляют собой новый тип упорядоченности. Более того, вечное движение имеет прецеденты в квантовом мире: теоретически сверхпроводники проводят электрический ток вечно (хотя поток в данном случае однороден и соответственно не изменяется во времени).
Парадокс темпорального кристалла заинтересовал Харуки Ватанабе, аспиранта Калифорнийского университета в Беркли. Когда он представлял свою работу о нарушении симметрии в пространстве, ему задали вопрос о следствиях идеи Вильчека о темпоральном кристалле. Ватанабе ответить не смог и решил разобраться в этом вопросе, сосредоточившись на корреляциях между удалёнными частями системы во времени и в пространстве. В 2015 году вместе с физиком Масаки Ошикава из университета Токио Ватанабе доказал теорему, согласно которой создание темпорального кристалла в состоянии с наименьшей энергией невозможно. Они также доказали, что темпоральные кристаллы невозможны для любой равновесной системы, достигшей устойчивого состояния при любом значении энергии.
На этом физическое сообщество посчитало вопрос существования темпоральных кристаллов закрытым. Тем не менее доказательство оставило лазейку. Оно не исключило возможность существования темпоральных кристаллов в системах, в которых ещё не установилось равновесие. И теоретики по всему миру начали думать о том, как можно создать альтернативные версии темпоральных кристаллов в обход теоремы.
Прорыв неожиданно пришёл из области физики, в которой исследователи совсем не думали на эту тему. Теоретик Шиваджи Сонди и его коллеги из университета Принстона изучали поведение изолированной квантовой системы, состоящей из «супа» взаимодействующих частиц, которую регулярно «подпинывали» энергетически. Если верить учебникам, то такая система должна нагреться и в итоге стать полностью хаотичной. Но группа Сонди показала, что при выполнении определённых условий частицы группируются вместе и образуют «узор», повторяющийся во времени.
Это исследование привлекло внимание Четана Наяка, одного из бывших студентов Вильчека. Наяк и его коллеги предположили, что странная неравновесная форма материи может быть разновидностью темпорального кристалла, хоть и не совсем такого, о котором изначально говорил Вильчек. Разница в том, что подобная система не находится в состоянии с наименьшей энергией и ей необходима подпитка энергией извне для поддержания пульсаций. Но такой «суп» обладает своим ритмом, отличным от частоты накачки, что фактически означает нарушение временной симметрии.
Кристофер Монро из Университета Мэриленда в Колледж-Парке, несмотря на скептический настрой, тем не менее попробовал создать подобный темпоральный кристалл с помощью холодных атомов. Замысловатый «рецепт» содержит три основных ингредиента: силу, которая воздействует на систему, взаимодействие между атомами и элемент случайного беспорядка. Эта комбинация ограничивает частицы в количестве энергии, которую они могут поглотить, позволяя им оставаться в упорядоченном состоянии.
В эксперименте цепочку из десяти ионов иттербия поочерёдно освещали двумя лазерами. Первый лазер переворачивал магнитные моменты атомов, а второй заставлял их взаимодействовать между собой случайным образом. Это привело к колебаниям проекции магнитного момента системы с периодом в два раза больше периода лазерной подкачки спинов. Более того, даже если первый лазер сбивался с нужной частоты излучения, осцилляции в системе не изменялись. Как обычные кристаллы сопротивляются попыткам сдвинуть атомы с их позиций в кристаллической решётке, так и темпоральный кристалл сохранил свою периодичность во времени.
Группа физиков из Гарвардского университета под руководством Михаила Лукина (который также является соучредителем Российского квантового центра) пошла другим путём и реализовала темпоральный кристалл с помощью алмаза. Для этого был синтезирован специальный образец, содержащий порядка миллиона расположенных в беспорядке дефектов, каждый из которых обладал своим магнитным моментом. Когда такой кристалл подвергли воздействию импульсов микроволнового излучения для перевёртывания спинов, физики зафиксировали отклик системы на частоте, которая составила лишь долю частоты возбуждающего излучения.
Физик-теоретик Норман Яо, принявший участие в обоих экспериментах, подчёркивает, что системы в состоянии с наименьшей энергией по определению не должны изменяться во времени. В противном случае это бы значило, что у них есть лишняя энергия, которую они могут расходовать, и в конечном счёте движение должно остановиться. Результат экспериментов Яо сравнил со скакалкой: рука делает два оборота, а верёвка - только один, и это более слабое нарушение симметрии, чем изначально задуманное Вильчеком, который считал, что верёвка может колебаться сама по себе.
Результаты обоих экспериментов опубликованы в журнале «Nature» и, безусловно, интересны, но определение темпорального кристалла и в том и в другом случае можно считать немного притянутым за уши. Физики сошлись в том, что обе системы некоторым образом спонтанно нарушают временну́ю симметрию и поэтому удовлетворяют требованиям темпорального кристалла с математической точки зрения. Но можно ли их действительно считать таковыми - предмет научной дискуссии.
Темпоральные кристаллы получились у Монро и Лукина или нет, покажет время. В любом случае эти эксперименты интересны тем, что впервые продемонстрировали простейшие примеры новых фаз вещества в сравнительно неизученной области неравновесных состояний. Это новое состояние вещества состоит из группы квантовых частиц, которая непрерывно меняется, никогда не достигая стабильного состояния. Стабильность достигается за счёт случайных взаимодействий, которые бы нарушали равновесие в любом другом виде материи.
Более того, эти результаты могут иметь практическое значение. Темпоральные кристаллы могут пригодиться в роли суперточных сенсоров. Поведение магнитных моментов дефектов в алмазе уже используется для регистрации малейших изменений температуры и магнитных полей. Но такой подход имеет свои ограничения: когда слишком много дефектов «толпится» в маленьком объёме, взаимодействия между ними разрушают квантовые состояния. В темпоральном кристалле взаимодействия, наоборот, стабилизируют систему, поэтому миллионы дефектов можно использовать вместе для усиления сигнала. Это позволит исследовать, в частности, живые клетки и материалы атомарной толщины.
Другой пример применения таких систем - квантовые вычисления при достаточно высокой температуре. Квантовые компьютеры - многообещающая и долгожданная технология, которая пока далека от практической реализации. Дело в том, что хрупкие квантовые биты, которые производят вычисления, нужно изолировать от разрушающих квантовые состояния эффектов теплового движения и других «побочных эффектов» окружающей среды и в то же время иметь возможность кодировать и считывать с них информацию. Физики используют для этого очень низкие температуры, всего на наноградусы выше абсолютного нуля. Темпоральный кристалл по своей сути - это квантовая система, которая существует при существенно более высоких температурах. В случае алмаза Лукина - так вообще при комнатной температуре.
В интервью , которое можно прочитать в «Науке и жизни» № 12 за 2013 год, Михаил Лукин говорил именно о таких неожиданных практических «побочных эффектах» на первый взгляд совершенно фундаментальной науки. И возможно, именно фантастически звучащий концепт темпорального кристалла откроет дорогу к квантовым вычислениям без необходимости в сложной и дорогостоящей криогенике.
Загрузка...
