Вселенная заговорила: Обнаружение гравитационных волн изменило представления ученых о мироздании
Пять месяцев спустя после того, как утром 14 сентября 2015 года земляне впервые "увидели" гравитационные волны, ученые из группы Лазерной обсерватории-интерферометра гравитационных волн (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO) в Вашингтоне, Лондоне, Париже, Москве, Пизе и Ганновере синхронно сделали заявление для мировой прессы. Человечество узнало о сенсации, которая, возможно, уже в этом году будет отмечена Нобелевской премией в области физики.
Как рассказывают ученые, два детектора в Хэнфорде и Ливингстоне независимо друг от друга засекли сигнал, который мог быть обусловлен только гравитационными волнами. Призрачный шум продолжался всего полсекунды, однако этого оказалось достаточно, чтобы изменить мир астрономии навсегда. "Это одно из величайших событий в науке", - торжествует директор ганноверского Института гравитационной физики имени Макса Планка Брюс Аллен.
Сравнение с высадкой на Луну успело набить оскомину, но на этот раз оно кажется более чем оправданным. "Впервые Вселенная с нами заговорила", - ликовал директор LIGO Дэвид Рейц. Весточка из Космоса дает детальное представление о спектакле, который, как считают, разыгрался около 1,3 млрд лет назад в далекой галактике в Южном полушарии небесного глобуса.
Две черные дыры, одна из которых имеет массу, равную 29 Солнцам, а другая еще "тяжелее", крутились в космическом танце, все больше сближаясь. Когда небесные "тяжеловесы" подошли друг к другу на расстояние в сотни километров, их скорость достигла головокружительных 200 000 км/с. Наконец, гиганты соприкоснулись и в мгновение ока поглотили друг друга. Еще восемь тысячных секунды небесное новообразование продолжало колебаться, после чего обрело конечную форму. С тех пор по Космосу носится черная дыра массой в 62 Солнца.
Повторим, все случилось за считанные доли секунды. Однако краткого времени оказалось достаточно, чтобы три солнечные массы превратились в энергию в чистом виде. Это в 50 раз больше, чем свет всех звезд в видимой части Вселенной.
"Отзвуки" такого колоссального выброса энергии и уловили ученые из LIGO.?Для нас распахнулось новое окно", - говорит ганноверский специалист по гравитационной физике Карстен Данцманн. До сих пор, объясняет он, астрономия основывалась на наблюдениях за светом и другими формами электромагнитных излучений. "Однако 99% Вселенной составляет темная материя", - поясняет Данцманн. Для классических телескопов этот теневой мир невидим.
Исследователи из ганноверского Института имени Макса Планка гордятся своим вкладом в открытие. Германия, говорит Данцманн, - это как бы родина исследований гравитационных волн. Еще 100 лет назад Альберт Эйнштейн пришел к выводу, что уравнения поля его общей теории относительности предсказывают существование таких волн: дескать, любая масса, имеющая ускорение, подобно кораблю в океане, становится источником своего рода носовых волн, которые со скоростью света распространяются по Вселенной в виде искривлений пространственно-временного континуума. Так, Земля, вращаясь вокруг Солнца, непрестанно излучает гравитационные волны. Своеобразный гравитационный сигнал "упреждает" даже ракету. Даже просто потрясая кулаком, мы заставляем Вселенную содрогаться.
Пространство время обладает колоссальным запасом прочности. И потому для его искажения требуется огромное количество энергии. Даже столкновение целых звезд вызывает не более чем легкую зыбь на пространстве-времени. С учетом того, что такие коллизии происходят на расстоянии на миллионы световых лет, их отзвуки достигают Земли, однако к этому моменту почти сходят на нет. Так, зарегистрированная в сентябре прошлого года волна привела к сжатию пространства, достаточному, чтобы сократить расстояние от Берлина до Парижа всего лишь на диаметр одного атомного ядра.
В 70 е годы физик Райнер Вайс из Массачусетского технического института, несмотря на пессимизм в научном сообществе, все же решился на то, что в свете тогдашнего уровня развития измерительной техники казалось авантюрой. Он определил принцип, на котором по сей день основываются все детекторы гравитационных волн. Два лазерных луча, которые проходят через два "плеча" измерительного комплекса, выставленные под прямым углом, сопоставляются друг с другом (см. рисунок).
В Германии первым такой комплекс построил Хайнц Биллинг из института имени Макса Планка. Сегодня ему 101 год, глухой и почти слепой, он живет в пригороде Мюнхена. Однажды пионер от науки сказал: "Я не умру, пока не будут замерены первые гравитационные волны". Похоже, теперь Биллинг может отойти в мир иной.
У первого интерферометра, построенного Биллингом около 40 лет назад в Мюнхене, длина плеча составляла три метра. На развитие проекта было предусмотрено щедрое финансирование, однако в дело вмешалось воссоединение Германии: после 1990 года денег на новые крупные научные начинания не стало. Гигантские детекторы для обсерватории LIGO выпало строить американцам. Туннели для дополнительных измерительных комплексов делались в Италии и Японии. Германии пришлось довольствоваться ролью кузницы идей. Впрочем, потребности в измерительно-техническом ноу-хау было предостаточно. Девять долгих лет они вслушивались и всматривались в Космос; в общей сложности измерительный комплекс находился в режиме наблюдения в течение года. Однако обнаружить что-либо им так и не удалось. Однажды им показалось, что в созвездии Большого Пса в сети LIGO попалось нечто действительно интересное. Однако впоследствии выяснилось, что сигнал в компьютеры LIGO "запустила" небольшая команда диверсантов, действовавших с ведома руководства проекта. Цель - выяснить, сумеют ли исследователи "отсеять" такую ложную сенсацию. Первоначально ученые рассчитывали услышать стоны черных дыр уже в 2002 году, когда были введены в эксплуатацию первые детекторы.
В 2011 году физики LIGO демонтировали и воссоздали измерительный комплекс практически с нуля, увеличив его точность на порядок. В сентябре прошлого года они приступили к отладке лазеров и зеркал; до начала штатных наблюдений оставалось совсем немного времени. И тут Марко Драго в Ганновере вдруг засек сигнал.
"Достаточно одного взгляда, чтобы распознать сигнатуру коллизии двух черных дыр", - говорит сегодня Брюс Аллен. Его коллега Карстен Данцманн вспоминает: "Казалось, все слишком хорошо, чтобы быть правдой".
В январе завершилась первая измерительная кампания LIGO.?Принесла ли она другие сенсационные результаты, помимо уже обнародованных? "Об этом мы сообщим, когда закончим анализ", - гласит официальный ответ большинства ученых. Зато обо всем, что они рассчитывают увидеть уже в ближайшем будущем, астрономы говорят с удовольствием. В частности, это вспышки сверхновых. Когда жизнь звезды заканчивается выбросом колоссальной энергии, такой взрыв приводит не только к вспышке, способной озарить целую галактику. Умирающая звезда также излучает отчетливо пульсирующие гравитационные волны. Теперь исследователи гравитационных волн намерены тщательно исследовать данный феномен.
Правда, перспективы успеха скорее невелики. Для того чтобы детекторы LIGO смогли предоставить доказательную базу, вспышка сверхновой должна произойти в нашей галактике. Однако многолетние астрономические наблюдения свидетельствуют, что такое случается примерно два раза в сто лет.
Больше надежд связывают с исследованиями вращающихся нейтронных звезд. Если эти ультракомпактные остатки взорвавшихся солнц имеют шероховатости пусть даже в считанные миллиметры, этого должно быть достаточно, чтобы они постоянно излучали гравитационные волны. То же относится и к парам нейтронных звезд, с высокой скоростью кружащихся вокруг друг друга. "Если нам известны такие объекты, то мы можем прицельно следить за ними при помощи детекторов LIGO", - говорит астрофизик Данцманн. Экспериментальный комплекс установлен стационарно, однако можно изменять цифровые поля, используемые для анализа данных.
Но самыми харизматичными из всех возможных источников гравитационных волн остаются происшествия, свидетелями которых исследователи LIGO стали 14 сентября: коллизии черных дыр. Зловещие пожиратели света и материи с давних пор занимают особое место среди всех природных феноменов. С одной стороны, они кажутся причудливым, почти нематериальным воплощением чистой математики. С другой - они относятся к загадочной пограничной зоне физических знаний, где соприкасаются две великие теории современной физической науки: теория относительности и квантовая физика.
Парный танец двух темных колоссов подобен диковинному концерту. Поначалу слышится лишь однотонный гул в нижнем регистре. Постепенно, по мере сближения, музыка становится все выше и громче. В слуховые окошки двух американских детекторов ритмичная пульсация проникает лишь за доли секунды до блистательного финала. К этому моменту две черные дыры вращаются вокруг друг друга со скоростью 17 оборотов в секунду. Развязка наступает молниеносно. Парочка совершает еще с десяток кругов, все сильнее содрогаясь; звучание нарастает мощным глиссандо, чтобы вдруг оборваться.
Трудно себе представить, какое количество информации зашифровано в столь стремительной пляске. Так, момент, когда сигнал прерывается, позволяет установить размеры обоих объектов. Его интенсивность, в свою очередь, информирует о том, на каком расстоянии от Земли произошла космическая коллизия. Применительно к сентябрьскому событию одни эти факты тянут на физическую сенсацию: до сих пор ученые в принципе не могли сказать, существуют ли черные дыры в 20, 30 и тем более в 60 солнечных масс.
Уже в скором времени, обещает Аллен, "космическая слежка" продолжится: в сентябре 2016 года будет запущена очередная измерительная кампания LIGO, после чего детекторы начнут принимать сигналы с максимальной чувствительностью. "И тогда, вероятно, мы сможем наблюдать такие события каждые 4-5 дней, если не ежедневно", - убежден Аллен. Незамеченными не останутся столкновения даже почти на самой периферии видимой Вселенной. Кроме того, вскоре планируется ввести в эксплуатацию аналогичный итальянский измерительный комплекс Virgo в городе Кашина близ Пизы. Когда в небо будут одновременно всматриваться три такие обсерватории, можно будет определять координаты каждого выявленного события. Только после того как "глаза" и "уши" астрономов смогут напрямую коммуницировать друг с другом, исследователям удастся оценить все величие небесной оперы.
Четыре дня спустя после того, как команда LIGO объявила о своем триумфе, физики приступили к подготовке следующего шага в гравитационную эпоху - запуска космического зонда Lisa Pathfinder. В точке, расположенной в полутора миллионах километров, где силы притяжения Солнца и Земли взаимно нейтрализуются, зонд должен будет оставить в открытом космосе две испытательные массы из золота и платины, чтобы затем с точностью до одной миллиардной миллиметра замерять соответствующие расстояния с помощью лазеров.
Lisa Pathfinder должна доказать, что такие измерения в космосе принципиально возможны. Она не сможет регистрировать гравитационные волны. Такой способностью будет наделен лишь ее преемник, интерферометр eLisa. Измерительный комплекс, который астрономы планируют разместить на орбите, должен будет работать аналогично Ligo - с той лишь разницей, что длина плеча составит уже не четыре, а миллион километров.
Марко Эверс, Йоханн Гролле, текст, Владимир Широков, перевод
Как рассказывают ученые, два детектора в Хэнфорде и Ливингстоне независимо друг от друга засекли сигнал, который мог быть обусловлен только гравитационными волнами. Призрачный шум продолжался всего полсекунды, однако этого оказалось достаточно, чтобы изменить мир астрономии навсегда. "Это одно из величайших событий в науке", - торжествует директор ганноверского Института гравитационной физики имени Макса Планка Брюс Аллен.
Сравнение с высадкой на Луну успело набить оскомину, но на этот раз оно кажется более чем оправданным. "Впервые Вселенная с нами заговорила", - ликовал директор LIGO Дэвид Рейц. Весточка из Космоса дает детальное представление о спектакле, который, как считают, разыгрался около 1,3 млрд лет назад в далекой галактике в Южном полушарии небесного глобуса.
Две черные дыры, одна из которых имеет массу, равную 29 Солнцам, а другая еще "тяжелее", крутились в космическом танце, все больше сближаясь. Когда небесные "тяжеловесы" подошли друг к другу на расстояние в сотни километров, их скорость достигла головокружительных 200 000 км/с. Наконец, гиганты соприкоснулись и в мгновение ока поглотили друг друга. Еще восемь тысячных секунды небесное новообразование продолжало колебаться, после чего обрело конечную форму. С тех пор по Космосу носится черная дыра массой в 62 Солнца.
Повторим, все случилось за считанные доли секунды. Однако краткого времени оказалось достаточно, чтобы три солнечные массы превратились в энергию в чистом виде. Это в 50 раз больше, чем свет всех звезд в видимой части Вселенной.
"Отзвуки" такого колоссального выброса энергии и уловили ученые из LIGO.?Для нас распахнулось новое окно", - говорит ганноверский специалист по гравитационной физике Карстен Данцманн. До сих пор, объясняет он, астрономия основывалась на наблюдениях за светом и другими формами электромагнитных излучений. "Однако 99% Вселенной составляет темная материя", - поясняет Данцманн. Для классических телескопов этот теневой мир невидим.
Исследователи из ганноверского Института имени Макса Планка гордятся своим вкладом в открытие. Германия, говорит Данцманн, - это как бы родина исследований гравитационных волн. Еще 100 лет назад Альберт Эйнштейн пришел к выводу, что уравнения поля его общей теории относительности предсказывают существование таких волн: дескать, любая масса, имеющая ускорение, подобно кораблю в океане, становится источником своего рода носовых волн, которые со скоростью света распространяются по Вселенной в виде искривлений пространственно-временного континуума. Так, Земля, вращаясь вокруг Солнца, непрестанно излучает гравитационные волны. Своеобразный гравитационный сигнал "упреждает" даже ракету. Даже просто потрясая кулаком, мы заставляем Вселенную содрогаться.
Пространство время обладает колоссальным запасом прочности. И потому для его искажения требуется огромное количество энергии. Даже столкновение целых звезд вызывает не более чем легкую зыбь на пространстве-времени. С учетом того, что такие коллизии происходят на расстоянии на миллионы световых лет, их отзвуки достигают Земли, однако к этому моменту почти сходят на нет. Так, зарегистрированная в сентябре прошлого года волна привела к сжатию пространства, достаточному, чтобы сократить расстояние от Берлина до Парижа всего лишь на диаметр одного атомного ядра.
В 70 е годы физик Райнер Вайс из Массачусетского технического института, несмотря на пессимизм в научном сообществе, все же решился на то, что в свете тогдашнего уровня развития измерительной техники казалось авантюрой. Он определил принцип, на котором по сей день основываются все детекторы гравитационных волн. Два лазерных луча, которые проходят через два "плеча" измерительного комплекса, выставленные под прямым углом, сопоставляются друг с другом (см. рисунок).
В Германии первым такой комплекс построил Хайнц Биллинг из института имени Макса Планка. Сегодня ему 101 год, глухой и почти слепой, он живет в пригороде Мюнхена. Однажды пионер от науки сказал: "Я не умру, пока не будут замерены первые гравитационные волны". Похоже, теперь Биллинг может отойти в мир иной.
У первого интерферометра, построенного Биллингом около 40 лет назад в Мюнхене, длина плеча составляла три метра. На развитие проекта было предусмотрено щедрое финансирование, однако в дело вмешалось воссоединение Германии: после 1990 года денег на новые крупные научные начинания не стало. Гигантские детекторы для обсерватории LIGO выпало строить американцам. Туннели для дополнительных измерительных комплексов делались в Италии и Японии. Германии пришлось довольствоваться ролью кузницы идей. Впрочем, потребности в измерительно-техническом ноу-хау было предостаточно. Девять долгих лет они вслушивались и всматривались в Космос; в общей сложности измерительный комплекс находился в режиме наблюдения в течение года. Однако обнаружить что-либо им так и не удалось. Однажды им показалось, что в созвездии Большого Пса в сети LIGO попалось нечто действительно интересное. Однако впоследствии выяснилось, что сигнал в компьютеры LIGO "запустила" небольшая команда диверсантов, действовавших с ведома руководства проекта. Цель - выяснить, сумеют ли исследователи "отсеять" такую ложную сенсацию. Первоначально ученые рассчитывали услышать стоны черных дыр уже в 2002 году, когда были введены в эксплуатацию первые детекторы.
В 2011 году физики LIGO демонтировали и воссоздали измерительный комплекс практически с нуля, увеличив его точность на порядок. В сентябре прошлого года они приступили к отладке лазеров и зеркал; до начала штатных наблюдений оставалось совсем немного времени. И тут Марко Драго в Ганновере вдруг засек сигнал.
"Достаточно одного взгляда, чтобы распознать сигнатуру коллизии двух черных дыр", - говорит сегодня Брюс Аллен. Его коллега Карстен Данцманн вспоминает: "Казалось, все слишком хорошо, чтобы быть правдой".
В январе завершилась первая измерительная кампания LIGO.?Принесла ли она другие сенсационные результаты, помимо уже обнародованных? "Об этом мы сообщим, когда закончим анализ", - гласит официальный ответ большинства ученых. Зато обо всем, что они рассчитывают увидеть уже в ближайшем будущем, астрономы говорят с удовольствием. В частности, это вспышки сверхновых. Когда жизнь звезды заканчивается выбросом колоссальной энергии, такой взрыв приводит не только к вспышке, способной озарить целую галактику. Умирающая звезда также излучает отчетливо пульсирующие гравитационные волны. Теперь исследователи гравитационных волн намерены тщательно исследовать данный феномен.
Правда, перспективы успеха скорее невелики. Для того чтобы детекторы LIGO смогли предоставить доказательную базу, вспышка сверхновой должна произойти в нашей галактике. Однако многолетние астрономические наблюдения свидетельствуют, что такое случается примерно два раза в сто лет.
Больше надежд связывают с исследованиями вращающихся нейтронных звезд. Если эти ультракомпактные остатки взорвавшихся солнц имеют шероховатости пусть даже в считанные миллиметры, этого должно быть достаточно, чтобы они постоянно излучали гравитационные волны. То же относится и к парам нейтронных звезд, с высокой скоростью кружащихся вокруг друг друга. "Если нам известны такие объекты, то мы можем прицельно следить за ними при помощи детекторов LIGO", - говорит астрофизик Данцманн. Экспериментальный комплекс установлен стационарно, однако можно изменять цифровые поля, используемые для анализа данных.
Но самыми харизматичными из всех возможных источников гравитационных волн остаются происшествия, свидетелями которых исследователи LIGO стали 14 сентября: коллизии черных дыр. Зловещие пожиратели света и материи с давних пор занимают особое место среди всех природных феноменов. С одной стороны, они кажутся причудливым, почти нематериальным воплощением чистой математики. С другой - они относятся к загадочной пограничной зоне физических знаний, где соприкасаются две великие теории современной физической науки: теория относительности и квантовая физика.
Парный танец двух темных колоссов подобен диковинному концерту. Поначалу слышится лишь однотонный гул в нижнем регистре. Постепенно, по мере сближения, музыка становится все выше и громче. В слуховые окошки двух американских детекторов ритмичная пульсация проникает лишь за доли секунды до блистательного финала. К этому моменту две черные дыры вращаются вокруг друг друга со скоростью 17 оборотов в секунду. Развязка наступает молниеносно. Парочка совершает еще с десяток кругов, все сильнее содрогаясь; звучание нарастает мощным глиссандо, чтобы вдруг оборваться.
Трудно себе представить, какое количество информации зашифровано в столь стремительной пляске. Так, момент, когда сигнал прерывается, позволяет установить размеры обоих объектов. Его интенсивность, в свою очередь, информирует о том, на каком расстоянии от Земли произошла космическая коллизия. Применительно к сентябрьскому событию одни эти факты тянут на физическую сенсацию: до сих пор ученые в принципе не могли сказать, существуют ли черные дыры в 20, 30 и тем более в 60 солнечных масс.
Уже в скором времени, обещает Аллен, "космическая слежка" продолжится: в сентябре 2016 года будет запущена очередная измерительная кампания LIGO, после чего детекторы начнут принимать сигналы с максимальной чувствительностью. "И тогда, вероятно, мы сможем наблюдать такие события каждые 4-5 дней, если не ежедневно", - убежден Аллен. Незамеченными не останутся столкновения даже почти на самой периферии видимой Вселенной. Кроме того, вскоре планируется ввести в эксплуатацию аналогичный итальянский измерительный комплекс Virgo в городе Кашина близ Пизы. Когда в небо будут одновременно всматриваться три такие обсерватории, можно будет определять координаты каждого выявленного события. Только после того как "глаза" и "уши" астрономов смогут напрямую коммуницировать друг с другом, исследователям удастся оценить все величие небесной оперы.
Четыре дня спустя после того, как команда LIGO объявила о своем триумфе, физики приступили к подготовке следующего шага в гравитационную эпоху - запуска космического зонда Lisa Pathfinder. В точке, расположенной в полутора миллионах километров, где силы притяжения Солнца и Земли взаимно нейтрализуются, зонд должен будет оставить в открытом космосе две испытательные массы из золота и платины, чтобы затем с точностью до одной миллиардной миллиметра замерять соответствующие расстояния с помощью лазеров.
Lisa Pathfinder должна доказать, что такие измерения в космосе принципиально возможны. Она не сможет регистрировать гравитационные волны. Такой способностью будет наделен лишь ее преемник, интерферометр eLisa. Измерительный комплекс, который астрономы планируют разместить на орбите, должен будет работать аналогично Ligo - с той лишь разницей, что длина плеча составит уже не четыре, а миллион километров.
Марко Эверс, Йоханн Гролле, текст, Владимир Широков, перевод