Scienty

Гравитационные волны сейчас являются основой современной физики. В среднем их регистрируют раз в месяц, и с помощью этого изучают строение и эволюцию Вселенной. До десяти лет назад не было прямых доказательств их существования. Путь от теории до первой регистрации гравитационных волн мировым научным сообществом занял около ста лет. Советские, а затем российские физики сыграли важную роль в этом непростом, но ключевом для науки деле.

От теории к сомнениям

Математик и астроном Анри Пуанкаре в 1905 году впервые предложил идею о существовании гравитационных волн. Через 11 лет Альберт Эйнштейн, один из основателей современной теоретической физики, вывел соответствующее решение из уравнений своей общей теории относительности (ОТО). По ОТО, гравитационные волны — это колебания метрики пространства-времени, которые свободно распространяются от источника излучения со скоростью света. Взаимное вращение двух массивных тел вокруг общего центра масс с переменным ускорением порождает их.

Эпохальная статья Эйнштейна на данную тему была опубликована в 1916 году и называлась «Приближенное интегрирование уравнений гравитационного поля». В течение многих лет научное сообщество, включая самого Эйнштейна, сомневалось в реальности этого явления. Будущий лауреат Нобелевской премии даже находил и исправлял ошибки в своих расчетах.
Астрофизик Артур Эддингтон, один из первых популяризаторов ОТО, был особенно активным критиком идеи. Он считал гравитационные волны вывертом теории. В ответ на утверждение Эйнштейна о том, что они должны иметь скорость света, в 1922 году он иронично отметил, что «гравитационные волны распространяются со скоростью мысли».
Однако существовала большая проблема — отсутствие метода для экспериментального подтверждения или опровержения существования гравитационных волн из-за их чрезвычайно слабого взаимодействия с материей. По этой причине схема типа «передатчик — приемник», как в опыте Франка—Герца, не подходила для обнаружения предсказанного теорией явления. До самой смерти Эйнштейна в 1955 году физическая реальность гравитационных волн вызывала серьезную полемику, а их свойства оставались практически неизвестными.

Скользящая бусинка и первый детектор

В 1957 году дело пошло с места. Космолог Герман Бонди и физик Ричард Фейнман предложили мысленный эксперимент, названный «аргументом скользящей бусинки». Sticky bead argument).

Предлагалось следующее: если на жестком стержне на некотором расстоянии расположить две бусинки, то проходящая гравитационная волна практически никак не повлияет на сам стержень. Однако бусинки начнут двигаться вдоль стержня, подобно буйкам на море, поднимаясь и опускаясь.
Если движение бусинок сопровождается трением, то будет выделяться тепло и стержень нагреется.
Источник энергии для нагрева — гравитационная волна. Для многих ученых это стало убедительным доказательством возможности переноса энергией гравитационных волнами и их существования.

Идею коллег и американского физика Джозефа Вебера вдохновил на создание первого детектора гравитационных волн – полуторатонного алюминиевого цилиндра с пьезодатчиками, регистрирующими его деформирование под действием гравитационной волны. В январе 1965 года детектор начал работать с хорошей чувствительностью и шумовой изоляцией. Вебер объявил об обнаружении гравитационных волн в 1969 году, вызвав большой ажиотаж в научном мире. Однако в 1971 году физик-теоретик и экспериментатор профессор Владимир Борисович Брагинский создал аналогичное устройство на кафедре физики колебаний физического факультета МГУ, проверил и не подтвердил результаты Вебера. Впоследствии создание более чувствительных установок данного типа в разных лабораториях мира также ни к чему не привело, но положило начало исследованиям по созданию гравитационно-волновых детекторов.

Доказательства косвенные и прямые

В 1962 году советские физики Владислав Иванович Пустовойт и Михаил Евгеньевич Герценштейн предложили новый метод обнаружения гравитационных волн: использовать лазерный интерферометр. Суть заключалась в регистрации мельчайших изменений интерференционной картины, вызванных приходящей гравитационной волной. Вместо бусинок смещались свободные массы (например, зеркала). На тот момент это казалось невозможным. Почти двадцать лет спустя идею реализовали в Калифорнийском технологическом институте. Caltech ) и Массачусетском технологическом институте (MITВ Соединенных Штатах профессора Кип Торн, Рональд Древер и Райнер Вайсс начали реализацию масштабного проекта стоимостью многие миллионы долларов. Лазерный интерферометрический гравитационный обсерватория. Это лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория с двумя детекторами: один строят в Ливингстоне, штат Луизиана (юг США), а другой — на западном побережье в Хэнфорде, штат Вашингтон. Для реализации проекта американцам понадобились наработки российских ученых. Первая проблема заключалась в детектировании слабых гравитационных колебаний, вторая — в определении главных астрофизических источников гравитационных волн.

В то время основными надеждами являлась система двойных нейтронных звезд, или пульсаров, вращающихся вокруг общего центра масс. Теория ОТО предполагала, что такая система должна терять орбитальную энергию и сближаться за счёт излучения гравитационных волн. Что и подтвердила система пульсара. PSR B1913+16Гравитационные волны были открыты и изучены физиками Джозефом Тейлором и Расселом Халсом. В 1993 году получили Нобелевскую премию за свою работу, что стало косвенным подтверждением существования гравитационных волн.

Российские ученые, в числе которых был К.А. Постнов, провели расчеты и пришли к выводу, что по частоте детектирования первыми будут двойные черные дыры.
Их масса в десять раз превышает массу известных на тот момент двойных нейтронных звезд, и вследствие этого, согласно ОТО, амплитуда сигнала от слияния двойных черных дыр должна быть больше. Кроме того, сигнал будет регистрироваться с больших расстояний, а значит, объем, доступный для наблюдений детектором, будучи пропорционален кубу этого предельного расстояния, гораздо больше, чем для двойных нейтронных звезд.

«Дело в том, что детекторы LIGO Работают в определённом диапазоне частоты гравитационных волн до килогерца. С астрофизической точки зрения, необходимая чувствительность детекторов должна быть в районе сотни герц, поскольку при таком значении можно зафиксировать слияние двойных чёрных дыр с массами, равными десяткам масс Солнца, — утверждает К.А. Постнов. Позже это подтвердилось на практике.

За гранью возможного и на пределе чувствительности

Лазерные детекторы гравитационных волн основаны на… LIGO Модифицированный интерферометр Майкельсона включает в каждом из двух плеч резонаторы Фабри — Перо, созданные дополнительными зеркалами из кварцевого стекла. Зеркала на подвесе действуют как пробные массы, расстояние между которыми меняется под воздействием гравитационной волны. Она удлиняет одно плечо и одновременно укорачивает другое. Из-за малой амплитуды волна эти смещения малы и составляют порядка 10. ^-19–10^-22 Диапазон частот колеблется от 10 Гц до нескольких килогерц. В рамках проекта длина плеч … LIGO Строение протяженностью в 4 километра заметно повысило чувствительность детекторов, так как сигнал от гравитационных волн прямо пропорционален расстоянию между испытуемыми массами.

Проблема оставалась — снижение всех видов шумов, которые могли бы замаскировать или имитировать такой слабый полезный сигнал: от колебаний земной поверхности, вызванных сейсмичностью и антропогенными факторами, до броуновского шума как результата теплового движения атомов и молекул. В.Б. Брагинский и его группа физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова пришли на помощь. Российские ученые активно включились в работу и более десяти лет играли ведущую роль в создании сверхчувствительных детекторов. LIGO.

Впоследствии русские ученые предложили новые идеи, которые улучшили точность детекторов. LIGO До уровня, позволяющего наблюдать слияние черных дыр. Например, группа Брагинского обнаружила новый класс фундаментальных термодинамических шумов в зеркалах детектора, что привело к изменению его оптической конфигурации — отказа от кристаллического сапфира в пользу кварца. Открыт феномен параметрической неустойчивости, появляющийся при больших мощностях оптической накачки в интерферометре, и предложены способы его преодоления. Разработаны уникальные монолитные кварцевые подвесы пробных масс, снижающие избыточные механические шумы.

И все-таки Эйнштейн не ошибся

Кульминацией двадцати лет совместных трудов стало событие 14 сентября 2015 года в 13:51 по московскому времени. Впервые в научной истории одновременно в Ливингстоне и через семь миллисекунд в Хэнфорде детекторы… LIGO Зафиксировали сигнал слияния двух черных дыр с пиковой амплитудой гравитационных волн приблизительно 10. ^−21­Массы объектов составляли 36 и 29 масс Солнца, расстояние до события — 1,3 миллиарда световых лет. При слиянии около трёх солнечных масс превратились в гравитационные волны, максимальная мощность излучения которых была примерно в 50 раз больше мощности от всей видимой Вселенной.

Предсказания ОТО 1916 года подтвердились, началась новая область гравитационно-волновой астрономии. Физики Кип Торн, Райнер Вайс и Барри Бэриш получили Нобелевскую премию по физике за создание… LIGO и открытие гравитационных волн.

Поиск сигналов усиливался. к поиску подключился франко-итальянский детектор. VIRGO, Построенный рядом с Пизой в Италии, важным событием стала регистрация всеми тремя детекторами слияния двух нейтронных звезд в созвездии Гидры 17 августа 2017 года. Тогда вместе с гравитационным всплеском зафиксировали гамма-излучение. Это подтвердило предположение Эйнштейна о том, что гравитационные волны должны распространяться со скоростью света, и позволило подключить к наблюдению события оптические и радиотелескопы по всему миру. В последующие дни после столкновения было зарегистрировано электромагнитное излучение в диапазонах рентгеновских, ультрафиолетовых, оптических, инфракрасных и радиоволн.

Открылся новый канал информации об источниках гравитационных волн, когда их стали наблюдать в электромагнитном диапазоне. Возник даже новый термин: многоканальная астрономия. Она изучает астрономические источники с помощью электромагнитного излучения, гравитационных волн, нейтринного излучения и так далее. Это комплексный подход к изучению объектов во Вселенной. Прогресс колоссальный.

Изучение свойств и строения черных дыр, ранее недоступное для наблюдений, стало возможным. Открыто множество черных дыр, масса которых превышает сотню масс Солнца, что не согласуется с существующими моделями эволюции звезд. Возникла возможность увидеть гипотетический период быстрого расширения Вселенной в первые 10 . ⁻³⁶ Вскоре после Большого взрыва сформировались первоначальные гравитационные волны, обнаружение которых требует высокочувствительных детекторов. Разработкой таких детекторов занимается команда. LIGO. Сейчас это международное научное сообщество, в состав которого входят две группы учёных из России: кафедра физики колебаний физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова и Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова РАН.

Россия и Китай разрабатывают совместный проект гигантского космического интерферометра с плечами протяженностью в десятки тысяч километров. Проект предполагает запуск на высоту 40 тысяч километров от Земли трёх геостационарных спутников, оборудованных научными приборами.

Разрабатываем космический интерферометр в задаче программы. TianQinБудет запущен в середине 2030-х годов. Прибор рассчитан на регистрацию гравитационных волн в миллигерцевом диапазоне. Если детекторы… LIGO Работают в диапазоне от 1 Гц до 1 кГц, то там будет от 0,1 мГц до 1 Гц. Новый диапазон частот позволит изучить новые источники излучения, например двойные системы сверхмассивных черных дыр и двойные системы с экстремальным соотношением масс. Это еще одна область астрофизики, которая пока остается сугубо теоретической, — рассказывает К.А. Постнов.

Европейцы строят свою лазерную интерферометрическую космическую антенну. LISA (Laser Interferometer Space Antenn) Руководит Европейским Космическим Агентством (ЕКА) при содействии государств, входящих в состав ЕКА. NASAТри спутника запустят в космос к середине 2030-х годов.

За сто лет гравитационные волны прошли путь от предмета скепсиса и насмешек до одной из наиболее перспективных и многообещающих сфер современной фундаментальной и прикладной науки. Главные открытия, вероятно, ещё предстоят.

Источник изображения на главной странице: nasaimages / ru.123rf.com

Источник изображения на превью: wahyu_t / freepik.com

Источники изображений в тексте: kjpargeter / freepik.com, unlim3d / ru.123rf.com, vershininphoto / ru.123rf.com