Открытие века: как ученые поймали гравитационную волну

Уникальный детектор, в создании которого приняли участие и российские ученые, зафиксировал сигнал гравитационных волн, возникший в результате гравитационного взаимодействия двух массивных тел. Наблюдаемое явление возникло в далекой галактике 1,3 млрд лет назад, что составляет десятую часть возраста Вселенной. По мнению большинства ученых, авторы открытия, безусловно, являются одними из главных претендентов на Нобелевскую премию.

Небесные пары из уравнения Эйнштейна

Одна из проблем, стоявшая перед Альбертом Эйнштейном в начале прошлого века, заключалась в невозможности описать гравитацию, используя те же подходы, что и для электромагнитного взаимодействия. Гениальной догадкой Эйнштейна стало предположение, что гравитация — это отражение кривизны пространства. В результате сформулированная им общая теория относительности предсказала в том числе и существование так называемых гравитационных волн. Сама гравитационная волна представляет собой распространяющуюся со скоростью света «рябь» пространственно-временной ткани. Главной задачей физиков было создание прибора, который смог бы уловить слабые сигналы этих волн.

Первым шагом на пути к их обнаружению стало открытие в 1974 году двойного пульсара американскими учеными Джо Тэйлором и Расселом Халсом. Их наблюдения позволили косвенно выявить существование гравитационных волн, а также определить время жизни пары взаимодействующих нейтронных звезд — 200 млн лет. Вселенная существует гораздо дольше, а значит, слияние двух звезд, приводящее к импульсу гравитационного излучения, можно наблюдать. За свое открытие Тейлор и Халс в 1993 году получили Нобелевскую премию по физике.

Таким образом, сомнений в существовании предсказанных Эйнштейном гравитационных волн не возникало, вопрос был лишь в том, с какой частотой во Вселенной происходят события такого масштаба, как столкновение двух очень больших небесных тел, и, конечно же, в создании приборов с необходимой чувствительностью. На сегодняшний день таких тесных пар в нашей Галактике, состоящих из двух нейтронных звезд, известно восемь, у трех из них действительно зарегистрировано уменьшение орбитального периода вращения за счет излучения гравитационных волн, причем в полном согласии с предсказанием общей теории относительности.

Однако помимо пар нейтронных звезд возможно также существование других по составу пар небесных тел: это пара нейтронная звезда — черная дыра и пара двух черных дыр, которые должны возникать в результате эволюции очень массивных звезд. И то, что первым гравитационный сигнал был зарегистрирован именно от черных дыр, а не от нейтронных звезд, — это очень важный результат, позволяющий уточнить ключевые детали звездной эволюции.

Почему именно эта система сработала? Это может быть чистой случайностью, а может быть, пар черных дыр действительно больше, чем пар, содержащих нейтронные звезды — из одного события это практически невозможно определить. И чтобы ответить на вопрос, как часто происходят такие события во всей Вселенной, а не только в нашей Галактике, имеющейся статистики недостаточно.

Гигантская антенна

Первые попытки построить гравитационную антенну, фиксирующую гравитационные волны, были предприняты еще в 60-х годах XX века. Однако сразу стало ясно, что для обнаружения гравитационного всплеска необходимы гигантские дорогостоящие телескопы, которые начали строить лишь с начала 1990-х годов. Самый большой из них построила обсерватория LIGO (англ. Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Ее задача — почувствовать смещение двух детекторов волн всего на 10^-16 см, что сравнимо с размером протона.

Километровые масштабы прибора обусловлены необходимостью разнести детекторы телескопа на расстояния, сравнимые с длиной изучаемой волны. Такая уникальная по своей масштабности конструкция телескопа и дала возможность поймать гравитационный сигнал, хотя, безусловно, ученые сильно рисковали.

Научное сообщество LIGO представляет собой объединение ученых со всего мира. В составе коллаборации работают и две научные группы из России: группа Валерия Митрофанова с кафедры физики колебаний физического факультета МГУ, а также группа Александра Сергеева из Института прикладной физики РАН в Нижнем Новгороде. В усовершенствование раннего варианта антенны (initial LIGO) непосредственный вклад внесла группа отечественных ученых, работающих под руководством Владимира Брагинского и предложивших, в частности, заменить нити, удерживающие массы, со стальных на кварцевые, какие впоследствии и были использованы в современной установке (advanced LIGO). Да и сама идея лазерного детектирования расстояния между детекторами также была выдвинута в 1962 году в МГУ.

Самые оптимистичные прогнозы давали шанс телескопу отслеживать три сигнала в год, пессимистичные — лишь одно событие в течение нескольких лет. Чувствительность обновленной версии телескопа (advanced LIGO) позволяла отслеживать большее количество сигналов, но это, конечно, не означало, что ученые смогли бы ловить сигналы ежегодно — ведь взаимодействие звезд и черных дыр носит весьма вероятностный характер.

В результате 14 сентября 2015 года в 13:51 мск одновременно двумя обсерваториями LIGO — в штатах Луизиана и Вашингтон — был зарегистрирован сигнал, полученный, как показал его анализ, в результате взаимодействия двух космических тел, массы которых составляют 29 и 36 масс Солнца.

Как удалось получить эти параметры? Дело в том, что период орбитального движения небесных тел перед их столкновением зависит от их массы. Поэтому по частоте принимаемого сигнала — несколько сотых долей секунды — можно однозначно определить массу сталкивающихся тел. Поскольку нейтронные звезды не могут иметь массы больше трех масс Солнца, то единственными кандидатами остаются именно черные дыры.

Эксперимент говорит «да»?

Ставшее на прошлой неделе достоянием общественности открытие, подтверждающее еще одно предсказание общей теории относительности Эйнштейна, безусловно, может стать главным научным событием десятилетия. Тем не менее говорить об окончательной победе теории относительности преждевременно. Ведь это открытие — подтверждение очень важного, но все-таки частного решения уравнений Эйнштейна, которое имеет много других предсказаний, до проверки которых нам еще очень далеко.

Эйнштейн говорил: «Эксперимент никогда не говорит теории «да», в лучшем случае он говорит «возможно», а в подавляющем большинстве случаев — просто «нет». Следует напомнить, что, помимо общей теории относительности, есть большое число неэйнштейновских теорий гравитации, часть из которых благодаря улучшению точности наблюдений со временем отвергается. Открытие гравитационных волн, безусловно, отсеет многие из них. И позволит человечеству лучше понять, как устроена Вселенная.