Несколько лет назад мы узнали, что обнаружены гравитационные волны

11 февраля 2016 г. ученые из проекта LIGO объявили, что впервые в истории им удалось напрямую засечь гравитационные волны. Их существование еще за сто лет до того предсказал Альберт Эйнштейн, но не хотел себе верить. Вспомним, как было сделано открытие и почему оно стало одним из главных событий в физике в XXI в.

1,3 млрд лет назад далеко-далеко от Земли сблизились две черные дыры и спустя еще 20 мс слились воедино. Из-за колоссальной энергии, выделившейся при столкновении, само пространство-время пошло рябью во все стороны от места катастрофы. 14 сентября 2015 г. в 13:51 по московскому времени эти волны на скорости света достигли Земли.

В многокилометровых тоннелях на противоположных концах США — одних из самых сложных инженерных объектах в мире — друг за другом задрожали зеркала. Колебание зеркал было почти незаметным — с амплитудой в 10-19 м. Это во столько же раз меньше размера атома, во сколько апельсин меньше нашей планеты.

Расчеты, занявшие десятки лет, измерения на грани квантового предела точности, несколько месяцев аккуратных проверок результатов — и 11 февраля в Вашингтоне, Москве, Лондоне, Париже и других городах начались пресс-конференции. Ученые имели сказать одно: человечество впервые зарегистрировало гравитационные волны, и это не могло быть ошибкой. Впереди нас ждали гравитационные телескопы, новая физика и, может, даже новая реальность.

Что такое гравитационные волны?

Если бросить в воду камень, по ней пойдет рябь. Гравитационные волны напоминают такую рябь, только колеблется само пространство-время. Гравитационные волны излучает все, что обладает массой и движется с переменным ускорением, даже тормозящая машина. Но в этом случае волны так малы, что законы физики не позволяют их уловить. Проще всего гравитационные волны обнаружить после вселенских катастроф — при столкновении черных дыр или нейтронных звезд: сравнительно компактных, но чрезвычайно массивных объектов.

Одни из первых экспериментов по обнаружению гравитационных волн ставили еще в 1970-е гг. на физическом факультете МГУ в группе под руководством профессора Владимира Брагинского. Тогда прибор, установленный в подвале здания, вроде бы зарегистрировал сигнал, сильный и стабильно повторяющийся каждый вечер. Назревала сенсация. Но праздник сорвал сам Брагинский: он понял, что прибор регистрировал сейсмический шум от трамваев в расположенном неподалеку депо.

Исследователи, участвовавшие в международном эксперименте BICEP2, были не так аккуратны, как советские физики. В 2014 г. они заявили о неопровержимых следах гравитационных волн в реликтовом излучении, сохранившемся с первых мгновений после Большого взрыва. Но ученые поторопились, не учтя влияние космической пыли при обработке данных.

Неоднократные попытки обнаружить гравитационные волны делались и на других гравитационных телескопах, в том числе на детекторах коллаборации LIGO.

Что такое LIGO и гравитационные телескопы?

LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) — это название обсерватории и международного проекта ученых из 14 стран. Россию в LIGO представляют два научных коллектива: группы Александра Сергеева из Института прикладной физики РАН (Нижний Новгород) и Валерия Митрофанова с физического факультета МГУ. Последнюю, кстати, одно время возглавлял тот же Владимир Брагинский.

Обсерватория LIGO состоит из двух комплексов в 3 тыс. км друг от друга в американских штатах Луизиана и Вашингтон. В обоих проложены четырехкилометровые тоннели с зеркалами, по которым пускают лазерные лучи. Из-за гравитационных волн пространство-время сжимается и растягивается — расстояние, которое проходит пучок света, чуть-чуть меняется, как меняется и время, нужное, чтобы его преодолеть. Эти отклонения и позволяют засечь волну. В Италии работает похожая обсерватория Virgo, благодаря ей проще определить направление, откуда пришла волна.

Какой сигнал зарегистрировали ученые?

14 сентября 2015 г. зеркала в тоннелях стали колебаться с частотой 150 Гц и немыслимо маленькой амплитудой 10-19 м. После обработки была найдена причина — слияние двух черных дыр на расстоянии 1,3 млрд световых лет от Земли. Первая была в 29 раз массивнее Солнца, а вторая — в 36 раз. Получившаяся черная дыра потеряла три массы Солнца: столько энергии ушло в виде гравитационных волн. Будь это свет, а не гравитация, он ненадолго затмил бы всю видимую Вселенную.

В 2017 году за это открытие присудили Нобелевскую премию по физике. Половина награды досталась Райнеру Вайссу, который занимался разработкой детекторов гравитационных волн, еще по четверти — теоретику, инициатору проекта LIGO Кипу Торну и Барри Бэришу, первому руководителю и основателю LIGO.

Что будет дальше?

Сначала ученые надеются обзавестись третьим гравитационным телескопом для своей системы, который будет расположен в космосе. Тогда по характерным задержкам сигналов гравитационных волн исследователи смогут определять точное положение источников так же, как сейчас можно узнать свое точное положение на Земле, обменявшись сигналами с тремя спутниками GPS.

Гравитационные телескопы позволят лучше изучить Вселенную. Волны, которые они улавливают, ничто не может остановить. Вдобавок такой телескоп может сканировать сразу все небо: его не нужно наводить в определенную точку или настраивать на одну частоту. В перспективе многие уникальные астрофизические события первыми будут фиксироваться именно на так, а уже потом с помощью полученных данных будут наводить другие инструменты наблюдения.

Еще ученые надеются увидеть реликтовые гравитационные волны — те, что стали распространяться по Вселенной почти сразу после Большого взрыва. Это позволило бы заглянуть в самое начало времен, а может, разработать единую теорию фундаментальных взаимодействий, для которой теория относительности Эйнштейна будет частным случаем. Пока ее нет, и это одна из главных проблем в физике.

Наконец, кое-что с этого пира может перепасть и нам, простым людям, не мечтающим о теории великого объединения. Что это будет? Передача информации сквозь время, как в фильме "Интерстеллар"? Путешествия во времени? Что-то совершенно немыслимое? Мы не можем этого предсказывать — только ждать и смотреть.