Как попались гравитационные волны

14 сентября 2015 года стало неофициальным днём рождения гравитационного телескопа. Учёные давно наблюдают за небом в видимом, радио- и других диапазонах электромагнитного спектра, но впервые они смогли увидеть гравитационные волны от слияния двух чёрных дыр. Гравитационные волны проходят насквозь любые объекты во Вселенной, умение «ловить» их позволит заглянуть в области космоса, недоступные ранее.

— Дамы и господа, мы обнаружили гравитационные волны, — торжественно объявил Дэвид Рейтце, исполнительный директор лаборатории LIGO на пресс-конференции в Вашингтоне. — Мы сделали это!

— Важно, что это прямая регистрация гравитационных волн, а не косвенная. Очень важное событие, что теоретики могут рассчитать процесс слияния чёрных дыр, но впервые его удалось наблюдать здесь, на Земле! — объяснял посетителям пресс-конференции, проходившей одновременно и в Москве, профессор Валерий Митрофанов с кафедры колебаний физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова. Он и несколько его коллег из коллаборации LIGO представляли детали открытия в России.

Назревает двойное открытие. Ранее вопрос о чёрных дырах вызывал у исследователей лёгкое раздражение: вроде они должны существовать, но никак нельзя было доказать, что наблюдаемый объект — чёрная дыра. Полученный LIGO сигнал трактуется именно так.

Учёные признались, что им немного повезло, — нечасто космические катастрофы такого масштаба происходят относительно недалеко от Земли: 1,3 миллиарда лет назад чёрные дыры массами в 29 и 36 солнечных заключили вечный брачный союз и слились в экстазе. При этом вещество массой в три солнечных превратилось в гравитационное излучение. Наверное, нам тоже повезло — что не так уж и близко, и достаточно давно.

Волнительно

Исследование гравитационных волн чем-то напоминает поиски бозона Хиггса: теоретическое предсказание, долгие попытки, сверхдорогие установки. Только если для открытия бозона необходимо было найти частицу в высокоэнергетичном процессе, то для обнаружения гравитационных волн, наоборот, надо было убрать все помехи, чтобы поймать очень низкоэнергетичный сигнал. Это оказалось сложнее: «хиггса» нашли за полвека, на колебания потратили вдвое больше времени.

Что же колеблется? Эйнштейн предсказал существование гравитационных волн в рамках общей теории относительности, опубликованной в 1916 году. Гравитацию он рассматривал не как отдельное взаимодействие, а как свойство пространства-времени. Учёный предложил известную аналогию. Если положить на эластичную поверхность — пусть это будет батут — яблоко, то батут прогнётся, а рисунок, нанесённый на его поверхность, деформируется. Продолжим аналогию. Горошина, положенная рядом, скатится к яблоку без заметных последствий. А вот второе яблоко тоже деформирует поверхность, и в итоге фрукты скатятся в общую яму — от их движения поверхность задрожит, по ней пойдут волны. Это аналог гравитационных волн, для их рождения обязательно должны взаимодействовать два тела.

Осталось представить, что мы нарисованы на этом батуте, а сам он трёхмерный, колебания по нему распространяются во всём пространстве. Гравитационные волны имеют поперечную поляризацию: волны сжатия и растяжения деформируют нас и окружающее пространство в плоскости, перпендикулярной направлению движения волны. Эти колебания можно считать гравитацией, оторвавшейся от тела. Чем крупнее тело, чем сильнее тряхнёт (больше ускорение), тем сильнее волны. Самые сильные колебания рождаются при катастрофических космологических событиях — столкновениях звёзд в двойных системах. Но даже самые мощные гравитационные волны во столько же раз меньше атомного ядра, во сколько оно само меньше апельсина.

Гравитационные волны постоянно рождаются в результате множества событий, происходящих в космосе, а потом отправляются в путешествие по Вселенной со скоростью света. Вы, стол, комната постоянно сжимаетесь по одной оси и расширяетесь по другой от проходящих через вас волн. Но так как плющит и растягивает нас на очень маленькую величину — одну миллиардную триллионной доли метра, — использовать этот эффект для похудения или набора веса не получится.

От «Оскара» до Нобелевской премии

Представители научного сообщества выражают уверенность, что коллаборация учёных, сделавших открытие на установке Advanced LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory — лазерная интерферометрическая обсерватория гравитационных волн), получит Нобелевскую премию. За одно открытие награду может получить только три человека и одним из них может стать профессор Калифорнийского технологического института Кип Торн, работавший научным консультантом фильма «Интерстеллар».

Обнаружить гравитационные волны пытались начиная с 1960-х. Однако заявления об их регистрации неизменно заканчивались опровержением. Технологии не позволяли заметить столь незначительные деформации пространства. В 1974 году удалось показать их наличие косвенным образом. Джозеф Тейлор и Рассел Халс показали, что уменьшение периода изменения мощности излучения пульсара PSR 1913+16 точно соответствует предсказаниям общей теории относительности (ОТО). Пульсар состоит из двух звёзд, одна из которых нейтронная. Наблюдения показали, что период их вращения вокруг общего центра уменьшается на 76 микросекунд в год, что с высокой точностью предсказывалось теорией, учитывавшей потерю энергии на излучение гравитационных волн. Тейлор и Халс получили Нобелевскую премию в 1993 году.

Казалось бы, можно ставить крест на честолюбивых планах прослыть первооткрывателем гравитационных волн и переходить к следующим грантоёмким темам, однако физики — люди дотошные. Любое исследование выполняется с определёнными погрешностями, а вдруг это не ошибка измерения, а неточность предсказаний ОТО? Кроме того, в большинстве случаев наблюдаемые экспериментальные данные можно объяснить механизмом альтернативным очевидному. Поэтому физикам хотелось получить прямые доказательства существования гравитационных волн, но более 40 лет их не удавалось обнаружить.

Исследования с размахом

В качестве линейки, которая должна измерять крошечные величины и не гнуться вместе с пространством, обычно используют интерферометр Майкельсона. Это крест, в соседних коротких «плечах» которого располагаются источник света и детектор, а в длинных установлены два зеркала: в конце с полным отражением, а ближе к перекрестью — с очень высокой отражательной способностью.

Лазерный луч разделяется полупрозрачным зеркалом и проходит в два длинных плеча. В конце лазер отражается от обычного зеркала, и лучи снова встречаются у полупрозрачного зеркала. Разность хода лучей (пройденное ими расстояние) можно подобрать так, чтобы она различалась ровно на половину длины световой волны: в этом случае волны взаимно гасятся и на детектор не будет попадать свет.

Стоит гравитационной волне искривить пространство, как длина плеч немного изменится и разность хода между лучами в плечах станет отличной от половины длины волны. На детектор попадёт часть света. Волна будет зафиксирована!

Установки для обнаружения гравитационных волн последовательно увеличивали длину плеч: 300, 600, 3 000 метров. Установка LIGO, заработавшая в 1999 году, в сентябре 2015-го стартовала в версии Advanced LIGO. По расчётам учёных, она стала в 10 раз чувствительнее и способна принимать гравитационные сигналы от вращающихся друг вокруг друга нейтронных звёзд, находящихся в радиусе 650 миллионов световых лет от Земли. А чем больше радиус, тем выше вероятность, что попадётся объект, испускающий достаточно мощные для обнаружения волны. Зафиксированное событие мощнее, поэтому его удалось разглядеть на большем расстоянии, но оно сравнительно редкое, а вот сигналы от пары нейтронных звёзд учёные надеются принимать раз в месяц.

В конструкции Advanced LIGO длина плеч достигла 4 километров (обычно речь идёт о длинных плечах, так как расстояние от лазера и датчика до пересечения плеч несущественно и составляет десяток метров). В конструкцию входят два аналогичных интерферометра, разнесённых на противоположные стороны американского континента — на 3 000 километров, что позволяет отсеивать случайные события на одном из телескопов и даже определять общее направление на астрономический объект, пославший гравитационную волну.

Для достижения максимальной чувствительности приходится демпфировать все возможные колебания: в плечах откачан воздух, опоры заглублены на 20 метров до стабильных пластов земли. Кроме того, для увеличения чувствительности в каждом плече расположен резонатор Фабри — Перо: почти на выходе из плеча луч встречает зеркало с высокой отражательной способностью, которое сможет преодолеть только после множества попыток. Переотражаясь от зеркал, свет проходит большее расстояние, накапливает сигнал. В результате установка способна почувствовать отклонение зеркала на 10^-19 м (одна десятимиллиардная миллиардной части метра).

Работа по шаблону

Грандиозная задача была решена, и 14 сентября учёные поймали сигнал с амплитудой 10^-21 (на такую долю изменились плечи интерферометра) и длительностью примерно 25 миллисекунд на частоте от 35 до 250 Гц. Кроме того, было отмечено, что разнесённые на 3 000 километров интерферометры засекли волну с разницей в 7 миллисекунд. Как можно судить о космологическом событии по этим данным?

Учёные заранее рассчитали шаблоны — форму сигналов, которые выдаст детектор при обнаружении гравитационных волн при всевозможных событиях: взрывах сверхновых, столкновении нейтронных звезд и др. Для этого даже привлекались добровольцы в рамках программы Einstein@Home — они предоставляли для расчётов ресурсы своих компьютеров.

По полученному сигналу оценивалась масса объектов: перед слиянием они вращались вокруг общего центра с частотой 250 раз в секунду — она должна была уравновешиваться силой притяжения. Соответствующая масса при такой скорости вращения могла быть только у чёрных дыр. На это указывает и быстрое затухание сигнала после события.

Сравнив расчётную амплитуду для случая с чёрными дырами и ту, которая была измерена на земле, учёные смогли оценить расстояние до события: 1,3 миллиарда световых лет. Наконец, по задержке детектирования сигнала они оценили, откуда пришла волна, — правда, очень приблизительно, описав на небе целую область.

Российский вклад

Интерферометры построены Массачусетским и Калифорнийским технологическими институтами (США). Однако в коллаборации LIGO Scientific Collaboration (LSC) участвуют учёные из разных стран, всего свыше 1400 сотрудников. Среди них исследователи из МГУ им. М. В. Ломоносова и нижегородского Института прикладной физики РАН.

Один из центральных элементов конструкции — зеркала. При массе в 40 килограмм необходимо добиться их позиционирования с точностью до 10^-19 метра. Во избежание сейсмического воздействия они расположены на специальных подвесах, которые гасят колебания внешней среды.

— Мы участвуем в этой программе с 1992 года. Исследовали шумы подвеса [зеркала]. Например, наша группа предложила использовать кварцевые нити. В Advanced LIGO они сменили металлические, применявшиеся в Initial LIGO. Это повысило добротность системы, — рассказывает профессор Сергей Вятчанин, заведующий кафедрой физики колебаний физфака МГУ им. М. В. Ломоносова. Он входит в российскую научную группу, организованную членом-корреспондентом РАН Владимиром Брагинским.

Каждое зеркало имеет 500 различных механизмов позиционирования и стабилизации. За тонкую подстройку его положения отвечает электростатический актуатор, который притягивает его в нужное положение. На актуаторы этого типа тоже перешли по совету российской группы, потому что использовавшиеся ранее магнитные были чувствительны к силе земного магнитного поля.

А вот от перехода с кварцевых зеркал на сапфировые российская команда, наоборот, отговорила: при нормальных температурах они добавляют шума больше, чем кварцевые, используемые сейчас. Но при переходе к сверхнизким температурам могут пригодиться.

Впрочем, Вятчанин не преувеличивает значение российского вклада. Он говорит, что это американский проект, их сложнейшие конструкции, их инженерное обеспечение.

— Года два назад начал утекать вакуум, — вспоминает профессор МГУ один из самых неожиданных случаев. — Давление внутри длинных плеч — одна триллионная от атмосферного, чтобы газ не вносил помехи в измерения. Однако откачивать его очень дорого, этот процесс занимает 40 дней. Для зеркал даже созданы шлюзы, чтобы не заполнять весь четырёхкилометровый туннель воздухом при операциях с ними. Поэтому утечка вакуума была большой проблемой. Инженерам пришлось обследовать трубы по всей длине — выяснилось, что интерферометр стал пристанищем для мышей. Помёт грызунов оказался настолько едким, что проедал сталь — образовывались микротрещины, через которые стравливалось давление. Пришлось зачищать от мышей все четыре километра трубы.

Ещё одной проблемой, которую предсказали российские учёные, стали нелинейные эффекты. Установка использует лазер мощностью 20 ватт, поскольку лучи задерживаются в плечах, многократно переотражаясь, мощность излучения составляет 40 киловатт. При таких значениях может наблюдаться параметрическая неустойчивость, в результате которой часть мощности теряется, практически проходя сквозь зеркало.

Точность измерения после выхода Advanced LIGO на полную мощность достигнет стандартного квантового предела, возникающего из-за того, что нельзя одновременно точно измерить импульс и координату тела:

— Представляете прибор длиной 4 километра, у которого на 40-килограммовой пробной массе [зеркале] проявляются квантовые свойства! Удивительно, правда?! — восхищается Вятчанин. И добавляет, что сейчас уже разрабатываются устройства, которые помогут обойти квантовые ограничения. Для этого надо измерять не координату, а скорость смещения зеркал.

Что дальше?

В научном плане открытие гравитационных волн — ещё одно экспериментальное подтверждение общей теории относительности, которую уже многократно проверили. Сергей Вятчанин не сомневается, что рано или поздно они были бы обнаружены:

— Если их не удаётся засечь, это говорит только о недостаточной чувствительности установки. Для нас это ещё один канал информации. Сейчас есть оптические, радио-, нейтринные детекторы, гравитационные дополнят их — позволят уточнять, что происходит.

Ученые смоделировали различные космические события, создали шаблоны сигналов для них и, обнаружив следующий гравитационный всплеск, сразу смогут сказать, что произошло.

Пока Advanced LIGO не может точно определить направление в небе, откуда пришёл сигнал. Для точной ориентации нужен третий интерферометр. Сейчас с LIGO сотрудничают проекты VIRGO в Италии (антенна 3 км) и англо-германский GEO (600 метров). Их модернизация вкупе с планами постройки в Индии интерферометра Indigo дарят надежду, что в будущем учёные смогут-таки определять, в каком именно месте Вселенной произошло событие, гравитационный отклик которого достиг Земли.

Опубликовано в журнале «Кот Шрёдингера» №3 (17) за март 2016 г.

_{Подписаться на «Кота Шрёдингера»}