Международная команда ученых Лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) в США впервые путем прямого детектирования заявила об открытии гравитационных волн 11 февраля 2016 года. Тогда было выявлено первое прямое доказательство существования гравитационных волн, предусмотренных основателем общей теории относительности Альбертом Эйнштейном, путем искажения пространства-времени. Он предсказал существование этих искажений пространства-времени еще сто лет назад. И сейчас его предсказание подтвердилось.
Прямое доказательство существования гравитационных волн заметили два детектора проекта LIGO. Им удалось зафиксировать сигнал, который исходил около 1,3 млрд световых лет от Земли, при этом три солнечных массы ушли на излучение, что запустило волну колебаний во Вселенной. Именно эта волна докатилась до Земли 14 сентября 2014 года, когда была зафиксирована на детекторах впервые. Но на подтверждение этого открытия ушло ряд месяцев.
Что такое гравитационные волны?
Гравитационные волны (или искривление пространства-времени) являются следствием движения тел с большой массой, которые растягивают «материю» Вселенной, некий континуум «пространство-время». Их можно описать на примере простой модели:
Представьте себе теннисный мячик на батуте. Он спокойно лежит и практически не двигается. Теперь посадим на батут маленького ребенка. Сразу будет видно, что на поверхности батута образовалась вмятина.
Что происходит дальше? Теннисный мячик медленно начинает катиться в направлении вмятины, образованной ребенком. Чем ближе малыш будет сидеть к мячику, тем глубже во вмятину катится шарик. Его тянет к этому углублению.
Чем больше масса движущегося тела, тем больше сила его притяжения. В этом заключается идея гравитации — примерно так можно представить себе гравитационные волны во Вселенной.
Гравитационные волны возникают, когда происходит ускорение массы. Например, при взрыве звезды в конце ее жизни, с драматическими событиями в Космосе (к примеру, Большой взрыв), или при слиянии двух черных дыр. Гравитационные волны «сжимают» и «растягивают» пространство. Таким образом, они изменяют структуру пространства-времени.
Физик Альберт Эйнштейн предсказал существование гравитационных волн сто лет назад как часть своей общей теории относительности.
Гравитационные волны распространяются Вселенной абсолютно беспрепятственно. Неважно, что встретится им на пути. Этим они отличаются от световых или звуковых волн. По своей сути гравитационные волны — искривление геометрии, искривление самого пространства.
С момента теоретического открытия гравитационных волн ученые пытались «поймать» их на практике. Однако только сейчас появился прямое доказательство их существования.
Почему это важно?
Эйнштейн описал, как гравитационные волны сжимают и растягивают пространство-время, как оно искривляется и как определенные объекты (нейтронные звезды или черные дыры) перемещаются в нем. До сих пор не существовало доказательств этой теории, поскольку не хватало необходимых технологий, чтобы зафиксировать такое явление.
Многие ученые и раньше пытались доказать существование гравитационных волн, но эти попытки не были успешными. Предыдущие поиски были полны скорее поражениями и ложными толкованиями, чем успехом, поскольку гравитационные волны чрезвычайно трудно обнаружить и измерить.
Чтобы засечь гравитационные волны, нужен удивительно чувствительный детектор. Когда такие колебания достигают Земли, у них очень малая амплитуда (в тысячи раз меньше атомного ядра).
За это экспериментальное обнаружение гравитационных волн в 2017 году была присуждена Нобелевская премия по физике трем ученым США,членам обсерваторий LIGO-Virgo, которые были ответственны за прорыв: Райнеру Вайс, Кипу Торну и Барри Бэришу.
Наиболее интересные детали детектирования (регистрации) гравитационных волн: как это происходило.
Рассмотрим вначале простой пример, основанный на том же принципе, как и регистрация гравитационных волн. Представьте себе, что вам нужно найти подводную лодку противника в нейтральных водах. Как это сделать? Располагаются микрофоны по определённой области. Безусловно, эти микрофоны очень чувствительные, так как необходимо зафиксировать подводную лодку на как можно дальнем расстоянии от микрофонов (невозможно всё море покрыть микрофонами, поэтому покрывают только какую-то область, но такого уровня чувствительными микрофонами, что они фиксируют на как можно дальних расстояниях).
Понятно, что такие микрофоны улавливают достаточно много всего: и корабли, и дельфинов, и китов — по сути всё, что издаёт звуки под водой, они «слышат». Нередко эти звуки бывают сильнее, чем прошедшая где-то там далеко подводная лодка. Возникает вопрос: как тогда можно «увидеть» эту подводную лодку? Дело в том, что военные из «х»-периментальных данных знают, как «звучит» двигатель той или иной подводной лодки. Подводная лодка «оставляет» характерный звук. Соответственно, они просто знают характерную кривую, которую «выдаст» подводная лодка на микрофоне. Это первый момент, который важно понимать – имеется характерная кривая обьекта.
Во-вторых, микрофоны располагаются на каком-то расстоянии друг от друга. Следовательно, сигнал, который «услышат» микрофоны и выдадут на специальный компьютер в виде кривой, должен быть один и тот же. Тот человек, кто сидит за компьютером, должен «увидеть» одну и ту же «кривую» с такой же точностью на всех или на каком-то количестве микрофонов.
Также сигналы, пришедшие в микрофонов, должны быть разделены каким-то промежутком времени, равным, по крайней мере, не больше, чем расстояние между микрофонами, деленное на скорость звука. Если, например, один микрофон услышал какой-то звук, а другой — такую же кривую увидел на расстоянии, которое превышает по времени расстояние между этими двумя сигналами, то это будет зафиксирована скорее какая-то случайность, а не реальная ситуация нахождения подводной лодки.
Если подводная лодка проходит далеко, то ее звук на двух микрофонах будет зарегистрирован в виде некой ряби на фоне большой волны, которая там со всех сторон идёт. Все сигналы от микрофонов подаются на компьютер и он их анализирует. На компьютере стоит специальная программа, которая распознаёт согласие между этими кривыми, и разность времени между ними находиться в разумных рамках. Соответственно, если такая сетка микрофонов распределена определённым образом, то можно даже определить, на каком расстоянии, в каком направлении и где прошла подводная лодка.
Так детектируют подводную лодку. Гравитационные волны детектирует таким же образом. Нужны, как минимум, два микрофона, но желательно больше. Несмотря на то, что сейчас гравитационных детекторов строится больше, на данный момент функционирует только два. И именно благодаря этим детекторам и была зарегистрированы впервые гравитационные волны.
Расположены гравитационные детекторы в США (проект LIGO) на разных концах страны на расстоянии 3500-4000 км друг от друга (одна обсерватория располагается в в Ливингстоне (штат Луизиана), а вторая — в Хэнфорде (штат Вашингтон). И эти «микрофоны» должны услышать сигнал. Необходимо заметить, что сигнал тот же самый, и между этими кривыми должно быть согласие. И разделены они должны быть определенным промежутком времени, не больше, чем расстояние между этими двумя детекторами, делёными на скорость света.
Наибольшее время получается в том случае, если волна пришла к одному детектору сначала, и затем шла прямо по линии между этими детекторами. Но волна может прийти и одновременно к ним – как бы «приходит сверху», падает на обоих.
Так, в основу гравитационного детектора положена схема интерферометра Майкельсона. Пучок света от источника направляется на полупрозрачную пластинку – светоделитель СД, расщепляющий пучок на два луча 1 и 2, которые приходят к зеркалам М1 и М2. После отражения они вновь возвращаются к светоделителю, который повторно делит каждый из них на две части. Отраженная часть пучка 1 возвращается к источнику, а прошедшая – поступает на фотоприемник; прошедшая часть пучка 2, наоборот, возвращается к источнику, а отраженная – поступает на приемник. Таким образом, на приемнике совмещаются (рекомбинируют) два пучка, прошедшие различные расстояния (до зеркал М1 и М2 и обратно). В плоскости фотоприемника возникает интерференционная картина, вид которой зависит от степени параллельности совмещенных пучков. Если пучки строго параллельны, картина имеет вид одного светлого или темного пятна (в зависимости от разности хода пучков). При небольшом угле между пучками (более реальный случай) картина представляет собой систему светлых и темных полос. В тех местах, для которых разность хода оказывается равной четному числу полуволн света (фазы колебаний в пучках совпадают), волны усиливают одна другую, и образуется светлая полоса, а там, где разность хода равна нечетному числу полуволн (фазы отличаются на 180°), пучки «гасят» друг друга, и образуется темная полоса. Если одно из зеркал перемещать вдоль луча света, разность хода начнет изменяться, а вся система интерференционных полос – двигаться в плоскости приемника. Ограничив «поле зрения» приемника диафрагмой шириной немного менее одной полосы, получим, что при перемещении зеркала на приемник поступит то светлая, то темная полоса, т. е. станет периодически меняться интенсивность света от максимума до минимума, а на выходе фотоприемника появится синусоидальный электрический сигнал. Максимумы или минимумы сигнала будут повторяться при изменении разности хода на длину волны света.
Фактически это Г-образная система, состоящая из двух четырёхкилометровых плеч с высоким вакуумом внутри. Внутри такой системы и устанавливается модифицированный интерферометр Майкельсона, в каждом из плеч которого благодаря дополнительным зеркалам из кварцевого стекла образуются резонаторы Фабри-Перо. Эти зеркала на особом подвесе являются пробными массами, расстояние между которыми меняет пришедшая гравитационная волна. Она удлиняет одно плечо и одновременно укорачивает второе. И если гравитационная волна падает прямо на этот детектор (вертикально), то плечи этого детектора начинают ходить ходуном: одно плечо удлиняется, а второе – сужается. Важно именно то, что происходит такого рода физическое изменение (одно удлиняются, а второе – сужается; потом наоборот). Это еще одна вещь, которая должна быть при регистрации гравитационных волн.
Как увидеть, что плечи «ходят»? Детектор наблюдает интерференцию: по двум плечам идут электромагнитные волны, а потом в детекторе собирается сигнал от двух этих плечей. И важно добиться практически полного «сокращения» волн от обоих плеч (устанавливается ситуация такого рода, что на детекторе сигнал практически равен нулю). Условно примем его за ноль, хотя на самом деле по техническим причинам там нужен не совсем ноль. С чем это связано — это отдельный разговор, слишком сложные технические детали (проще говоря, для линейного отклика системы нужен сигнал не ноль), но проще всего объяснить, что ноль (когда объясняется сам принцип устройства детектирования, и это проще для понимания).
В каждом плече стоит целое число полуволн, когда на детектор ничего не действует. И они полностью друг друга гасят на детекторе. И если плечи на детекторе стали ходить – значит, волны стали не гаситься полностью, и плечи начинают смещаться, и появляется сигнал на детекторе.
Соответственно, должен быть возвратный механизм, который подстраивает зеркала, которые отражают свет, так чтоб сигнал был ноль. Так фактически оказывается, что они меряют ток в этом механизме, который подстраивает. А ток меряется с огромной точностью (фактически пролёт одного электрона).
Плечи — это система зеркал. Эти зеркала висят, и они очень чувствительные. К примеру, если рядом что-то проехало, то есть сведения, что зеркала начинают трястись и это видно. Эти колебания стараются погасить, но полностью это сделать сложно.
Сигнал от гравитационных волн выглядит в виде «ряби», насколько это можно описать, которая видна на фоне вот таких вот колебаний. Более того, оказывается, что та гравитационная волна, которую зарегистрировали первой, имела амплитуду 10−21. Это значит, что размеры этих плечей (если умножить 10−21на длину плеча в 4 км), ходили на расстояние 0,001 от размера протона. Это невероятно, поскольку мы даже определить его с такой точностью не можем, но мы можем померить ток и световой сигнал (время прохождения светового сигнала с такой высокой точностью). Именно это и меряется.
Что происходило в космосе?
Двойные системы массивных объектов, например нейтронных звёзд или чёрных дыр, постоянно излучают гравитационные волны. Излучение постепенно сокращает их орбиты, и в конечном счёте приводит к их слиянию, порождающему в этот момент особенно мощную гравитационную волну, буквально «прокатывающуюся» по Вселенной. Именно гравитационные волны такой силы способны зарегистрировать детекторы гравитационных волн.
Утверждается, что при первом детектировании гравитационных волн ученые «увидели» слияние двух черных дыр. Одна дыра имела 29 солнечных масс, а другая черная дыра — 36 солнечных масс. В момент слияния было 62 массы Солнца результирующие, а 3 солнечные массы ушли в излучение, которое дошло и до планеты Земля. Объем в 3 солнечных массы – это колоссальная энергия, которая ушла в гравитационное излучение.
Давайте сделаем оценки. Так, чёрная дыра порядка массы солнца имеет радиус 3 км (на самом деле немного меньше — 2,7 км, но это неважно для оценок). Для объяснения достаточно удобно взять 3 километра. Значит, чёрная дыра с массой порядка 30 масс Солнца имеет радиус 90 км. Для оценки будем считать 100 км.
Две чёрные дыры в момент слияния имели размер порядка 200 км (по 100 км приблизительно каждая). Именно в этой области было сосредоточена та энергия, которая ушла в гравитационное излучение. И эта цифра размер в 200 км говорит приблизительно о том, что размер длины гравитационной волны был приблизительно 200 км. В 200-х километрах была сосредоточена энергия в 3 массы Солнца, которая вышла в виде гравитационных волн, и лишь часть её дошла до Земли. Можно только представить себе колоссальность этого явления вблизи, и то, что происходило, так как до нас на расстоянии 1,3 млрд световых лет дошли уже минимальные изменения.
Откуда ученые знали сигнал, который надо увидеть? Так как по даному явлению нет никаких «х»-периментальных данных… исследователи знают о таком типе сигнала из тех же компьютерных симуляций. На компьютере были просимулированы так называемые «сэмплы» (относительно небольшие оцифрованные звуковые фрагменты), много десятков и даже, наверное, сотен семплов (просто разные слияния черных дыр, разных размеров, с разным углом вращения, с разных расстояний, друг к другу приближающихся, сливающихся, нейтронных звёзд, нейтронных звёзд и чёрных дыр и многое другое). На компьютере уже были всевозможные варианты. Поэтому ученые знали приблизительно-характерный вид кривой гравитационной волны, какую должны были увидеть.
И в какой-то момент они увидели кривую, которая, во-первых, совпадает с характерным видом кривой. Во-вторых, две кривые на двух детекторах похожи. Похожи не просто на взгляд, а именно программа с математической строгостью показывает, что эти две кривые похожи. И разделение сигнала по времени не превышает соответствующего времени, о котором более подробно было рассмотрено выше (расстояние делить на скорость света). После этого ученые с достоверностью сказали, что увидели гравитационную волну, а по характеру кривой определили, что было слияние именно черных дыр.
Гравитационная волна действительно имеет характерный вид. Она устроена так: нарастает амплитуда и уменьшается длина волны, что говорит о том, что был какой-то процесс (когда черные дыры медленно, относительно медленно, теряли энергию, вращаясь друг вокруг друга за счет гравитационного излучения). Гравитационное излучение было настолько слабое, что наши детекторы его не видели изначально. В какой-то момент дыры уже сблизились настолько в результате этой потери, при этом ускорились при вращении настолько, что в результате амплитуду гравитационных волн детекторы с Земли стали ее чувствовать. Именно в момент (сам момент слияния), когда они уже совсем близко друг к другу находились дыры. По сути, процесс слияния происходил какие-то микродоли секунды. И эти две черные дыры с огромными скоростями, со своими огромными ускорениями друг вокруг друга вращались, теряли энергию. Соответственно частота вращения увеличилась, потому что они друг на друга падали, и амплитуда росла. После этого они слились, а на детекторах это было видно в виде затухания сигнала (подчинение закону минимальной площади, как «wavedown») — затухание волны.