«Взволнованная реальность»: подробно об открытии гравитационных волн
Взволнованная реальность
26 декабря 2015 года в 3.38.53 всемирного координированного времени ученые во второй раз обнаружили гравитационные волны — возмущения метрики пространства-времени. Волны были зарегистрированы обоими детекторами Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO — Laser Interferometric Gravitational-Wave Observatory), расположенными в Ливингстоне, штат Луизиана, и в Хэнфорде, штат Вашингтон. Об этом было объявлено вчера в ходе пресс-брифинга, проходившего в Москве (ГАИШ МГУ) и Сан-Диего (Американское астрономическое общество).
«Второе детектирование гравитационных волн от сливающихся черных дыр детекторами LIGO очень важно. Фундамент для создания гравитационно-волновой астрономии становится крепче и надежнее», — говорит Валерий Митрофанов, глава московской группы LIGO, профессор физического факультета МГУ.
Существование гравитационных волн впервые было предсказано в 1916 году Альбертом Эйнштейном, основываясь на общей теории относительности. О том, что гравитационные волны удалось наблюдать (это произошло в сентябре 2015 года, почти случайно), было объявлено в феврале 2016 года. Это стало одним из самых грандиозных открытий в физике за многие годы. Доцент кафедры «Физика» Пензенского госуниверситета А. В. Роменский специально для «Университетской газеты» объясняет суть открытия.
С регистрацией гравитационных волн открывается новый этап в развитии астрономии — это этап гравитационно-волновой астрономии.
Итак, гравитация является одним из самых загадочных физических явлений. Ни о каком ином явлении не высказано, не написано, не защищено столько диссертаций, не присвоено академических званий и Нобелевских премий, как по гравитации.
Важнейшим свойством гравитации является то, что вызываемое ею ускорение малых тел не зависит от массы этих тел. Это связано с тем, что гравитация как сила в природе прямо пропорциональна массе взаимодействующих тел. При размерах тел, достигающих размеров планет и звезд, гравитационная сила становится определяющей и формирует шарообразную форму этих объектов. Если это взаимодействие относительно слабое и тела движутся медленно (по сравнению со скоростью света), то для них справедлив закон всемирного тяготения Ньютона.
В теории Ньютона каждое массивное тело порождает в окружающем его пространстве силовое поле притяжения, которое называется гравитационным полем. Сферически симметричное тело создает такое же поле тяготения, как и материальная точка той же массы, расположенная в центре тела.
В 1915 году Альбертом Эйнштейном была создана общая теория относительности (ОТО), описывающая явления природы в гравитационном поле в терминах геометрии пространства — времени и с учетом влияния гравитации на результаты пространственно-временных измерений.
Основные принципы ОТО:
а) геометрия пространства-времени заранее не задается, а определяется распределением и движением материи;
б) общий принцип относительности: все физические законы имеют одинаковую форму в любой системе отсчета.
Согласно этой теории, гравитация — это геометрическое свойство пространства. Гравитационные волны — геометрические волны, то есть волны, которые изменяют геометрические характеристики пространства, когда проходят по этому пространству. Грубо говоря, это волны, которые деформируют пространство. Деформация — это относительное изменение расстояния между двумя точками. Гравитационное излучение отличается от всех других типов излучений.
Таким образом, движение материальной точки под действием только гравитационного поля можно представить как свободное движение в искривленном пространстве-времени, то есть без действия сил. При таком описании поле тяготения вообще может не вводиться в теорию, а будет представляться как свойство пространства-времени, определяемое движущейся материей, куда можно отнести и вещество (состоящее из масс и полей). На рисунке показано движение спутника в искривленном пространстве-времени Земли.
СВОЙСТВА ГРАВИТАЦИОННЫХ ВОЛН
Источником гравитационных волн будет любая движущаяся система, которая двигается с переменным ускорением, что приводит к неоднородному изменению поля тяготения в окружающем пространстве. Тело, которое двигается с постоянной скоростью, ничего не излучает, так как характер его поля тяготения не меняется. Например, цилиндр, который вращается относительно оси симметрии, проходящей через основания цилиндра, испытывает ускорение, но его поле тяготения остается однородным и гравитационных волн здесь не возникает. Но если этот цилиндр раскрутить относительно оси, проходящей через боковую поверхность, то поле будет периодически изменяться и от цилиндра во все стороны побегут гравитационные волны.
Гравитационные волны, как и электромагнитные, есть поперечные волны. В этом случае плоскость колебаний волны будет перпендикулярна направлению ее движения. Тогда в этой плоскости пространство будет попеременно то сжиматься, то растягиваться в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Причем когда вдоль одного направления происходит сжатие, другое испытывает растяжение.
Гравитационные волны будут уносить энергию, которую они отбирают у излучающих их тел. Поэтому двойные звезды (черные дыры) со временем сближаются, двигаясь по спирали, а период их вращения вокруг общего центра масс уменьшается.
ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ
При изучении условий равновесия тел сферической формы можно получить, что для тела достаточно большой массы равновесного состояния может и не быть. В этом случае это тело будет неограниченно сжиматься. Этот процесс сжатия получил название «гравитационный коллапс». Таким образом, с точки зрения удаленного наблюдателя, гравитационный коллапс приводит к образованию «застывшего» тела, которое не может послать в окружающее пространство никаких сигналов и взаимодействует с ним только за счет своего статического гравитационного поля. Такое образование называют черной дырой. Черная дыра — это область в пространстве-времени, где гравитационное притяжение настолько велико, что покинуть ее не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света (и сам свет в том числе). Граница, отделяющая черную дыру от всего остального мира, называется горизонтом событий: все, что происходит внутри горизонта событий, скрыто от глаз внешнего наблюдателя.
Первая гравитационная антенна была построена Дж. Вебером и представляла из себя твердое тело в форме цилиндра, на боковой поверхности которого находились пьезодатчики. В эксперименте предполагалось зафиксировать дрожание боковой поверхности (резонанс) цилиндра при его взаимодействии с гравитационной волной. Чувствительность такого детектора при длине цилиндра 1 м составляла h ~ 10-13 м по абсолютному сдвигу. В экспериментах Вебера сигнал был обнаружен, но найти его источник не удалось.
Позже физика сосредоточилась на другой идее — поставить на пути волны два взаимно перпендикулярных стержня, их роль выполняют плечи интерферометра Майкельсона. Интерферометр есть прибор, состоящий из лазера, свет от которого падает на полупрозрачное зеркало, где он разделяется на два пучка, после чего они двигаются по двум взаимно перпендикулярным тоннелям (плечам) одинаковой длины (длина плеча LIGO 4 км). Затем эти пучки света отражаются от зеркал, которые расположены в конце плеча, и возвращаются назад к полупрозрачному зеркалу, пройдя через которое, приходят вместе к детектору, где складываются. Положением концевых зеркал можно подобрать такое положение, что интенсивность света складываемых лучей будет равна нулю. Но стоит одному из зеркал сместиться на очень маленькое расстояние — компенсация двух лучей будет нарушена и детектор уловит свет.
Международный проект LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) — лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория — был запущен в 1992 году, сейчас в его работе участвуют ученые из 15 стран. С самого начала в эксперименте участвовали российские физики, в том числе научные группы под руководством профессора физического факультета МГУ Валерия Митрофанова и группа Института прикладной физики РАН (Нижний Новгород).
Работа с такими детекторами позволяет достигнуть чувствительности h ~ 10−21 м, достаточной для регистрации гравитационных волн. Если расположить два интерферометра на расстоянии 3000 км (10 световых миллисекунд) друг от друга (один находится недалеко от Нового Орлеана, а второй — недалеко от Сиэтла), то с ними можно работать по схеме совпадений. И если удастся различить конфигурацию фронта волны, то можно определить возможное направление на источник.
11 февраля 2016 года было объявлено об экспериментальном открытии гравитационных волн коллаборацией LIGO. Сигнал от слияния двух черных дыр с амплитудой в максимуме около 10−21 был зарегистрирован 14 сентября 2015 года двумя интерферометрами LIGO, с интервалом 7 миллисекунд друг от друга, в области максимальной амплитуды сигнала (0,2 секунды).
Сигнал ловили от двух черных дыр, которые расположены от нас на расстоянии примерно в 1,3 миллиарда световых лет в созвездии Магеллановы Облака: одна массой в 29 масс Солнца, а другая — в 36. За 20 миллисекунд, двигаясь по спирали, они сливаются в одну большую черную дыру с массой в 62 массы Солнца, а избыток массы, выделившейся при столкновении, идет на образование гравитационных волн. Дойдя до Земли, гравитационные волны должны растягивать и сжимать масштаб пространства-времени перпендикулярно к плоскости распространения волны. Если достаточно сильная волна пересечет участок с интерферометрами, это приведет к растяжению одного из плеч интерферометра, сместив первый лазерный луч относительно второго. Таким образом, интенсивность результирующего луча немного возрастет. Если одинаковый сигнал будет зарегистрирован в Новом Орлеане и Сиэтле, то ученые смогут исключить случайные влияния на результаты. 14 сентября 2015 года эта волна дошла до Земли и заставила колебаться разнесенные на четыре километра друг от друга зеркала интерферометров (гравитационных телескопов).
LIGO обошлась примерно в 370 миллионов долларов. На разработку детектора, чувствительность которого была адекватна астрофизическому прогнозу, ушло 45 лет.
С регистрацией гравитационных волн открывается новый этап в развитии астрономии — это этап гравитационно-волновой астрономии. Его можно сравнить с появлением телескопа или радиоастрономии. Теперь можно надеяться увидеть реликтовые гравитационные волны, волны, которые стали распространяться во Вселенной почти сразу после Большого взрыва. А факт регистрации слияния черных дыр надолго будет самым надежным подтверждением того, что черные дыры есть примерно такие объекты, как мы представляем.