14 сентября 2015 года произошло событие, ознаменовавшее новую эру в астрофизике: учёные в Обсерватории гравитационных волн с лазерным интерферометром (LIGO) впервые непосредственно зафиксировали гравитационные волны. Это открытие стало основанием для присуждения Нобелевской премии по физике в 2017 году. Что же делает это открытие столь значимым? Давайте воспользуемся аналогией.
Представьте, что человечество эволюционировало без способности видеть свет. На протяжении тысячелетий люди ориентировались в мире, опираясь исключительно на остальные чувства. Однажды появляется машина, способная воспринимать свет за нас. Со временем это позволило бы нам увидеть всё — от кончика собственного носа до самых удалённых галактик.
Такая аналогия иллюстрирует важность открытия, сделанного в LIGO. Оно выходит далеко за рамки простого доказательства научного предположения. LIGO открывает нам возможность воспринимать физическую вселенную и понимать реальность на совершенно новом уровне.
Гравитационные волны, подобно фотонам, перемещаются со скоростью света, создавая рябь в пространстве-времени. Их сигналы присутствуют вокруг нас. Используя одни из самых чувствительных инструментов, когда-либо созданных, учёные регистрируют колебания от далёких взрывов сверхновых, образования чёрных дыр и, возможно, ещё не открытых экзотических явлений. Но что такое гравитационные волны? Что их вызывает? И как способность LIGO обнаруживать их уже преобразует наше понимание Вселенной?
Гравитационные волны — это одно из наиболее необычных следствий Общей теории относительности Альберта Эйнштейна. Как вы уже знаете, пространство-время — это модель, объединяющая три измерения пространства и четвёртое измерение времени в единое целое.
Технология LIGO стала прорывом в этой области, обещая великие открытия в будущем. Исследование гравитационных волн открывает новые горизонты в астрофизике, позволяя учёным взглянуть на космические явления под совершенно инновационным углом. Это знаменует собой новую эпоху в изучении космоса, предоставляя нам возможность исследовать тайны Вселенной как никогда ранее.
Любой объект с массой вызывает искривление пространства-времени, а объекты с большой массой создают значительное искривление, которое мы воспринимаем как гравитацию. Чтобы наглядно представить это, можно воспользоваться следующей аналогией: представьте себе киевой шар, лежащий на упругой поверхности, и боулинговый шар на той же поверхности. Более массивный боулинговый шар создаст большее искривление.
Когда объекты перемещаются в пространстве-времени, искривление также изменяется вместе с ними. Одним из удивительных последствий этого является то, что объекты определённой массы, при ускорении, способны создавать волны в пространстве-времени, перенося гравитационную энергию. Для этого требуются особые условия, в частности, очень массивный объект, который подвергается ускорению. Такое катастрофическое событие может порождать волны, или гравитационные волны, распространяющиеся наружу со скоростью света.
Можно представить их как круги на воде в пруду, но в отличие от воды, эти волны распространяются через саму ткань пространства-времени во всех направлениях. И, как и в аналогии с прудом, эти возмущения ослабевают по мере их распространения наружу.
Для наблюдателя, расстояние между объектами будет казаться увеличивающимся и уменьшающимся по мере прохождения гравитационной волны, что представляется невероятным. Хотя Альберт Эйнштейн и предсказал существование гравитационных волн, он сомневался в том, что человечество когда-либо сможет их обнаружить. Он полагал, что эти возмущения будут настолько незначительными, что останутся незаметными для наших измерительных возможностей. И ведь сложно его винить: изменения расстояний, которые LIGO стремится измерить, составляют всего одну десятитысячную длины протона.
Несмотря на это, эти сигналы могут нести в себе огромное количество информации о своём происхождении – о времени возникновения, пройденном расстоянии и характере события, их вызвавшего. Вот тут на сцену выходит LIGO – состоящая из двух обсерваторий система, финансируемая Национальным научным фондом США и управляемая MIT и CalTech. Основными деятелями проекта являются известные физики Кип Торн, Райнер Вайсс и Барри Бариш, которые разделили Нобелевскую премию 2017 года за «решающий вклад» в обнаружение гравитационных волн.
LIGO по сути является крупномасштабным и чрезвычайно чувствительным интерферометром, изобретение которого датируется 1880-ми годами. Интерферометр измеряет эффекты взаимодействия световых волн, исходящих из двух или более источников. Например, с помощью интерферометра можно проверить, отличается ли скорость света при прохождении через разные вещества, такие как воздух или вода.
Даже небольшое различие в скорости света создаёт интерференционный рисунок при совмещении световых волн, подобно тому, как происходит при пересечении двух волн на поверхности пруда. Если пик одной волны сталкивается с впадиной другой, они взаимно уничтожают друг друга, образуя ровную поверхность. Однако, если пики совпадают, это означает, что волны находятся в фазе и усиливают друг друга. Именно это и измеряет интерферометр с помощью света.
Наблюдая, насколько световые волны синхронизированы или нет, можно сделать выводы о их относительной скорости. Чем крупнее и мощнее интерферометр, тем он чувствительнее. Вот как это работает: в LIGO есть две обсерватории, расположенные в Ханфорде, штат Вашингтон, и Ливингстоне, штат Луизиана.
Зачем две? Минимум два места обнаружения необходимы для того, чтобы триангулировать, откуда исходят сигналы. В каждой обсерватории непрерывно работает мощный лазер, направленный на делитель луча под углом 45 градусов. Лазерный луч должен иметь мощность около 750 киловатт – достаточную, чтобы полностью испарить человека, если тот попадёт на его путь. Делитель затем разделяет лазерный луч перпендикулярно. Свет в каждом плече проходит через 4-километровую вакуумную камеру с зеркалом на конце.
Лучи света в системе LIGO отражаются между этим зеркалом и вторым, рециркулирующим зеркалом, почти 300 раз, увеличивая расстояние с 4 до 1200 километров. Важно помнить, что в интерферометрах большие размеры имеют значение! После почти 300 проходов лазерные лучи вновь соединяются у делителя луча и направляются на фотодиод – светочувствительный полупроводник. Если лучи не подверглись воздействию, они будут синхронизированы, их частоты компенсируют друг друга, и на фотодиод свет не попадёт. Но если присутствует гравитационная волна, расстояние, пройденное каждым лучом, будет немного отличаться, и они выйдут из фазы.
Фотодиод зафиксирует сигнал, указывая на наличие гравитационной волны. В идеальных условиях всё происходит именно так. Однако на практике интерферометр постоянно подвергается воздействию помех. Чтобы минимизировать их, LIGO использует исключительно гладкие зеркала весом 40 кг, подвешенные на нитях из кремнезёма. Любые частицы на интерферометре также представляют проблему, поэтому LIGO откачивает воздух из своих вакуумных камер до одной триллионной атмосферного давления.
Однако есть ещё одна проблема: на этих микроскопических уровнях даже квантовая механика создаёт помехи, внося случайность в поведение фотонов. LIGO преодолевает это с помощью оптического резонатора, который сжимает свет. Это сжатие минимизирует фазовый шум света, превращая его в шум амплитуды, который интерферометр не измеряет. Другими словами, квантовая случайность проявляется больше в высоте волн.
Квантовая случайность – это неизбежный факт. Её нельзя устранить, но можно перенаправить, подобно тому как можно убрать беспорядок с пола комнаты в шкаф. Хаос не исчезает, он просто становится невидимым на время. К тому же, цель не в полном устранении шума, а в достижении наилучшего соотношения сигнал/шум.
Это довольно полное описание работы LIGO. Так что же она обнаружила? Как уже было сказано, первый сигнал LIGO обнаружила в 2015 году. Этот сигнал, получивший название GW150914, был изучен учёными, и они выяснили, что он был вызван слиянием двух чёрных дыр, находящихся примерно в 1,6 миллиардах световых лет от нас.
Эти чёрные дыры, имевшие массы в 29 и 36 солнечных масс соответственно, сформировали двойную систему и вращались вокруг друг друга, пока в итоге не слились, высвободив в последние 20-ти миллисекундный взрыв, который был невероятно мощным. Учёные оценивают, что его энергия составила 50-кратную суммарную светимость всех звёзд наблюдаемой Вселенной.
Этот факт настолько поразителен, что даже после многократного прочтения трудно его осознать. Однако, несмотря на то что эти волны путешествовали 1,6 миллиарда лет и, наконец, достигли LIGO, возмущение было настолько слабым, что перемещение 4-километрового плеча LIGO составило всего тысячную долю ширины протона. Чтобы представить это, можно сравнить расстояние между Землёй и Проксимой Центавра, изменяющееся на ширину человеческого волоса. Такова точность, с которой работает LIGO.
В контексте LIGO, термин "плечо" относится к одной из двух длинных, прямолинейных труб или каналов, по которым проходит лазерный луч. LIGO использует два таких плеча, расположенных под углом 90 градусов друг к другу. Каждое плечо имеет длину 4 километра.
Когда LIGO обнаруживает гравитационные волны, происходит чрезвычайно малое смещение зеркал на концах этих плеч, изменяя путь лазерного луча. Это смещение, хотя и невероятно маленькое (обычно меньше, чем тысячные доли диаметра протона), может быть точно измерено благодаря высокой чувствительности интерферометра LIGO.
Это было одним из самых поразительных достижений в истории человечества. И это была только первая гравитационная волна, обнаруженная LIGO. Второе обнаружение произошло через три месяца, в декабре 2015 года. Этот сигнал также был от слияния чёрных дыр, произошедшего на расстоянии 1,4 миллиарда световых лет. За время своих первых трёх сессий LIGO зарегистрировала более 80 слияний чёрных дыр, а в августе 2017 года – слияние двух нейтронных звёзд.
Обозначенный как GW170817, этот сигнал был знаменателен тем, что стал первой гравитационной волной, подтверждённой электромагнитными наблюдениями 70 обсерваторий по всему миру. Это стало прорывом не только в области детектирования гравитационных волн, но и в "мульти-мессенджерной" астрономии.
Оказывается, за время своих первых трёх сессий работы LIGO лишь набирала обороты. По состоянию на май 2023 года LIGO начала свою четвёртую сессию с ещё более высокой чувствительностью. После последних модернизаций, которые вывели LIGO из строя на 3 года, обсерватории теперь обладают более отражающими зеркалами, улучшенной подвеской зеркал и совершенствованным методом сжатия света с уменьшенной квантовой неопределённостью.
На этот раз LIGO также поддерживается KAGRA – новой обсерваторией интерферометрии в Хида, Япония. KAGRA расположена под землёй, что делает её первой в мире подземной обсерваторией гравитационных волн, а также первой, использующей криогенные зеркала. В ходе инженерных испытаний 18 мая учёные LIGO заявили, что уже получили сигнал, возможно вызванный поглощением нейтронной звезды чёрной дырой.
В ожидании подтверждения этих первых результатов, если они соответствуют ожиданиям, LIGO готовится кардинально изменить наше понимание явлений, порождающих гравитационные волны. Какие ещё новшества предстоят в будущем? Индия готовит к реализации совместный проект под названием LIGO-India, или INDIGO, который поможет LIGO лучше триангулировать данные о местоположении источников.
В 2027-2028 годах планируется модернизация LIGO Voyager, которая обеспечит повышенную чувствительность за счёт использования зеркал в четыре раза тяжелее и лазеров с более высокой частотой. В более отдалённом будущем предложено создать третье поколение обсерватории под названием Cosmic Explorer. Эта установка включала бы две новые обсерватории с рукавами длиной 40 и 20 километров соответственно.
Однако самое захватывающее предложение – это Laser Interferometer Space Antenna, или LISA. Это станет первой космической обсерваторией гравитационных волн, которая будет использовать три космических аппарата, размещённых в конфигурации длиной 2,5 миллиона километров. Такой масштабный и точный интерферометр, как надеются учёные, будет способен раскрыть экзотические и теоретические источники гравитационных волн, такие как космические струны и другие гипотетические явления.
Теоретически LISA поможет нам углубиться в самую суть реальности. С планируемой датой запуска в 2037 году до этого события ещё более десяти лет, но уже сейчас нет причин не начать отсчёт времени.
Таким образом, мы познакомились с LIGO и тем, как учёные используют гравитационные волны для лучшего понимания Вселенной. Они предоставляют нам доказательства крайне удалённых и древних явлений, которые невозможно измерить иным способом. Также они могут служить дополнительным способом подтверждения наблюдений, сделанных другими инструментами, например, телескопами Webb или Hubble.
Со временем эта революционная область науки должна позволить нам лучше понять природу нашей Вселенной, её историю и даже будущее. Это открытие, без сомнения, вызывает восторг и интерес, предлагая новые перспективы для понимания мира и Вселенной, в которой мы живём.
Если вам понравилась статья и вы хотите узнавать больше о мире науки и космоса, не забудьте подписаться на наш канал. Ваши подписка и комментарии помогают нам создавать ещё более интересный и полезный контент. Спасибо, что выбрали нас в качестве источника информации. Оставайтесь любознательными и до новых встреч в наших следующих публикациях!
