11 февраля было объявлено, что ученые успешно обнаружили гравитационные волны, которые представляют собой искажения в ткани пространства-времени, предсказанные Альбертом Эйнштейном. Эти волны наблюдались с помощью точного оборудования и были созданы в результате столкновения двух массивных черных дыр, расположенных на расстоянии миллиарда световых лет от Земли. Астрофизик Сергей Попов недавно объяснил журналисту Константину Бенюмову природу гравитационных волн и то, как они распространяются в пространстве-времени.
Гравитационные волны являются следствием общей теории относительности, которая предполагает, что гравитация неразрывно связана с геометрией пространства-времени. Современные теории гравитации используют геометрический подход, в котором пространство представлено метрикой, очень похожей на клетчатый узор на плоской плоскости, напоминающий ковер. Хотя это пространство можно искривлять по-разному, лучше всего это делать не руками, а посредством воздействия массивных предметов. Любой массивный объект искажает окружающее пространство. Когда эти объекты находятся в движении, например два тяжелых тела, вращающихся вокруг общего центра, они периодически возмущают пространство, создавая рябь, распространяющуюся по пространству. Эту рябь мы называем гравитационными волнами.
Чтобы лучше понять эту концепцию, представьте, что кто-то плавает в воде, вызывая волны, распространяющиеся по поверхности. Аналогично, гравитационные волны распространяются в пространстве-времени аналогичным образом. Проходя через определенные области, эти волны нарушают ткань пространства-времени, окружающую нас. Из-за чрезвычайно слабой природы гравитации по сравнению с другими силами эти возмущения минимальны, что затрудняет их измерение. Тем не менее, ученые занимались этим вопросом на протяжении последних пяти десятилетий, и их усилия наконец принесли свои плоды.
Связан ли недавний успех в обнаружении гравитационных волн главным образом с развитием оборудования? Действительно, одним из ключевых факторов является исключительная точность используемого оборудования. Детекторы LIGO и VIRGO, последний из которых скоро начнет работать в Европе, являются новаторскими приборами с точки зрения точности измерений. До этих достижений использовались более экономичные и простые подходы. Проект LIGO потребовал четверти века работы, значительных финансовых инвестиций, исследований, технологических инноваций и производства высокоточных инструментов, чтобы наконец достичь этого замечательного подвига.
Связаны ли черные дыры с этим повествованием исключительно из-за их способности искажать пространство как массивные тела? Для улавливания сильных сигналов необходимо иметь не только массивные корпуса, но и компактные. В частности, обнаружение основано на слиянии одной черной дыры с другой. Во время этого процесса эти тяжелые объекты взаимодействуют и движутся почти со скоростью света, высвобождая огромное количество энергии за короткий период времени. Следовательно, LIGO и VIRGO были разработаны специально для обнаружения сигналов, исходящих от нейтронных звезд и черных дыр. Хотя нейтронные звезды сливаются чаще, черные дыры обладают большей массой и их можно наблюдать со значительных расстояний.
Сколько времени потребовалось для наблюдения черных дыр и обнаружения пары в процессе слияния? В данном конкретном случае LIGO повезло. Почти сразу после активации он уловил сигнал, возникший в результате слияния двух чрезвычайно массивных черных дыр. Сила сигнала сильно зависит от массы. Обычно черные дыры в среднем в три-четыре раза легче. Однако в данном случае сигнал успел дойти до нас на значительном расстоянии.
Ослабевает ли сила сигнала по мере его перемещения в пространстве-времени? Поскольку явление произошло на расстоянии миллиарда световых лет, можно было бы предположить, что сигнал поступает в уменьшенном состоянии. Естественно, в этом контексте важное значение имеет обнаружение двух очень тяжелых черных дыр. Обычно детекторы улавливают сигналы слияния двух нейтронных звезд, находящихся гораздо ближе к нам, примерно в пять-десять раз ближе.
Возникает последний вопрос: почему записанный сигнал представляется в виде звука? Здесь важны два аспекта. Во-первых, люди склонны ценить визуальные эффекты и звуки. В результате многие сигналы, такие как вибрации звезд и другие, преобразуются в звуковую форму. Интересно, что в случае гравитационных волн частота улавливаемого сигнала по совпадению примерно соответствует частоте человеческой речи, в диапазоне килогерц. Хотя эти физические явления различны, их частотное сходство побудило ученых представить данные в звуковом формате. Сгенерированная во время эксперимента форма волны показывает форму сигнала гравитационной волны и то, как он вызывает вибрации в зеркалах измерительного устройства. Однако, люди обычно желают большего, чем просто визуальные представления; они ищут форму мультимедийного контента, чтобы лучше понять это явление.