Гравитация — одно из четырех фундаментальных взаимодействий частиц. В классической механике она описывается законом всемирного взаимодействия, сформулированным Исааком Ньютоном. Эта сила придает вес телам, обуславливает движения планет, и по своему характеру напоминает другое взаимодействие — электромагнитное. Однако имеются существенные различия: нет положительных и отрицательных зарядов, гравитационная сила вызывает только притяжение тел, сила которого точно пропорциональна инертной массе объекта. Получается, что все свободные тела в поле тяготения Земли падают с одинаковым ускорением, и в сопутствующей системе отсчета гравитационное поле планеты исчезает, отсюда возникает вопрос о реальности последнего. В 1915 году Альберт Эйнштейн создал теорию гравитации, назвав ее Общей теорией относительности, где он отказался от понятия «поля», которое есть в электромагнетизме, а связал все проявления гравитационного взаимодействия с искажением геометрии пространства вокруг тел: гравитация — это следствие кривизны пространства времени, которую создает материя. В 1916 году Эйнштейн предсказал существование гравитационных волн, бегущих со скоростью света и представляющих собой деформацию пространства. Они могут испускаться, например, парой звезд, вращающихся вокруг общего центра масс.
— Электромагнитные волны были открыты Генрихом Герцем через 20 лет после их предсказания Джеймсом Максвеллом в середине XIX века. В эксперименте Герца излучатель находится в одном углу комнаты, а приемник в другом. Осуществить подобный эксперимент для гравитационных волн внутри лаборатории не получится, потому что взаимодействие слишком слабое, — говорит Валерий Иванович Тельнов.
Гравитационные волны, которые могут создать экспериментально наблюдаемые растяжение пространства (в районе Земли), способны производить только космические тела звездных масс. Именно на такие катастрофические явления надеялись экспериментаторы при разработке детекторов.
— Первая попытка зарегистрировать гравитацию была предпринята еще в конце 1960-х годов. Американский физик Джозеф Вебер в 1969 году сообщил, что обнаружил волны. Он искал их с помощью твердотельной антенны — алюминиевого цилиндра, регистрируя с помощью пьезодатчиков колебания в цилиндре, вызванные проходящей гравитационной волной, — рассказывает ученый.
Два таких прибора Вебера, размещенные на расстоянии двух километров друг от друга, одновременно выдали сигналы. В 1970-х годах результаты этих экспериментов были подвергнуты сомнению, поскольку полученные данные оказались в миллионы раз больше ожидаемых. В последующие годы чувствительность детекторов возросла на семь порядков, но этого все равно было недостаточно.
В 1962 году, когда были открыты лазеры, появилась идея измерять гравитацию с помощью интерферометра — оптического устройства, где два массивных зеркала разнесены на большое расстояние. Приходящая гравитационная волна будет изменять длину плеч, и по интерференции света, находящегося внутри двух перпендикулярно расположенных плечах интерферометра, можно измерить изменение расстояния между зеркалами и тем самым зарегистрировать гравитационную волну. В 1993 году Нобелевская премия была присуждена Расселу Халсу и Джозефу Тейлору за косвенное открытие гравитационных волн. Ученые исследовали двойной пульсар — две вращающиеся звезды — которые по Общей теории относительности тоже должны излучать гравитационные волны, хотя и настолько слабые, что зарегистрировать их на Земле было бы невозможно. Однако излучение — это потеря энергии, приводящая к сближению звезд и уменьшению периода обращения. Наблюдая эти изменения, ученые обнаружили, что варьирование частоты вращения с точностью 0,2% согласуется с потерей всей энергии за счет излучения гравитационных волн.
В 1992 году Кип Торн и Рональд Дривер и Райнер Вайс — основатели LIGO (Laser Interferometer Gravitational Observatory) совместно с тысячей ученых из многих стран, в том числе и России, создали двухплечевой интерферометр, где длина каждого плеча составляет четыре километра. Два таких устройства располагаются в Америке, в штатах Вашингтон и Луизиана. Расстояние между ними три тысячи километров.
— Мощный лазер посылает луч — электромагнитную волну, которая разделяется и накапливается (циркулирует примерно 200 раз) в двух плечах интерферометра. Зеркала интерферометра, специальным образом изолированные от различных шумов, немного смещаются (за счет растяжения-сжатия пространства), когда проходит гравитационная волна. Свет отражается от зеркал, потом опять собирается на разделителе и интерферирует, что регистрируется фотоприемником. В спокойном состоянии сигнала нет, он возникает, когда появляется разница в длинах плеч интерферометра, — объясняет Валерий Тельнов.
В сентябре 2015 г. оба детектора зафиксировали дрожание зеркал с задержкой всего 7 миллисекунд. Сначала был шум, затем начались одинаковые по форме колебания в обоих детекторах, они происходили все чаще и чаще, а потом прекратились. По времени это продолжалось всего 0,2 секунды — последние мгновения слияния двух черных дыр.
Черную дыру можно описать так: если взять массу и начать сжимать, то после определенного размера гравитационное притяжение станет настолько сильным, что ничто уже не сможет удержать ее от дальнейшего схлопывания в «точку», в такой объект, откуда не может выбраться даже свет. В центрах практически всех галактик находятся гигантские черные дыры с массой от миллиона до десяти миллиардов масс Солнца, например, масса черной дыры в центре нашей Галактики составляет четыре миллиона масс Солнца.
— Когда черные дыры подошли друг к другу очень близко, то на последних десяти оборотах выдали максимальный сигнал, гравитационная волна на уровне Земли вызвала относительную деформацию пространства, очень небольшую. Расстояние между зеркалами изменилось лишь на 10-17-10-16 см — это в тысячу раз меньше размера атомного ядра. По величине сигнала, его частоте и скорости ее изменения оказалось возможным определить и массу тел, которые вращались, и то, на каком расстоянии произошло слияние, — комментирует Валерий Иванович.
Обработав данные на суперкомпьютере, ученые установили, что наблюдаемый сигнал очень хорошо объясняется слиянием двух черных дыр (их массы были равны примерно тридцать шесть и двадцать девять масс Солнца) на расстоянии 1,3 миллиарда световых лет от Земли, а. В результате объединения образовалась новая черная дыра в шестьдесят две массы Солнца, а три ушло в гравитационное излучение. Пиковая мощность при слиянии составляла 3,6•1047 Вт, что в 50 раз больше, чем мощность излучения всех звезд на небе во всей видимой Вселенной. Это самое масштабное энерговыделение, которое когда-либо наблюдал человек.
Кто еще работает над подобными исследованиями?
— Подобный LIGO детектор (VIRGO) уже имеется в Европе и находится на стадии модернизации, строятся объекты в Индии и Японии. Опять же в Европе готовится еще на порядок более чувствительный эксперимент — это детектор Einstein Telescope, он будет готов только в 2027 году. Три тоннеля под землей, их длина по десять километров, и в каждом из них будет несколько лазерных резонаторов. Стоимость этой установки оценивается в один миллиард долларов, — рассказывает ученый.
Будущие детекторы планируется делать подземные, это позволить снизить уровень шума поверхностных сейсмических волн.
Другой интересный проект — интерферометр, находящийся в космосе: три тела, и между ними два плеча с лазерами длиной по одному миллиону километров, летающие по орбите вокруг Солнца на угловом расстоянии 20º от Земли. Он будет регистрировать гравитационные волны от сверхмассивных объектов с частотами 10-5-1 Гц (1-104 Гц для LIGO).
Зачем изучать гравитационные волны?
При их помощи ученые планируют узнать намного больше о нейтронных звездах и черных дырах. Не исключено, что последние образовались на ранней стадии развития Вселенной и являются темной материей, которой раз в 5-6 больше, чем обычной. Ее природа до сих пор непонятна, хотя ведутся поиски по всем направлениям. Также есть надежда, что будут зарегистрированы реликтовые волны, тогда человечество узнает о том, как появилась Вселенная.
— Еще одна ее загадка — она постоянно увеличивается. Ожидалось, что скорость разлета галактик будет замедляться, ведь гравитационное притяжение должно привлекать их обратно. Однако 15 лет назад ученые обнаружили: Вселенная не только не замедляет свое расширение, но и, наоборот, ускоренно разгоняется. Фактически исследователи открыли антигравитацию в космологических масштабах, которую ассоциируют с темной энергией. Её тоже нужно объяснить, а для этого необходимо детально изучить, как скорость расширения Вселенной менялась от времени, — говорит Валерий Иванович Тельнов.
Дарина Муханова
Фото: (1,3) — предоставлены Информационным центром по атомной энергии, (2) — предоставлено Валерием Тельновым
