|
Мы нашли гравитационные волны. Что дальше
|
|
|
|
Дэвид Рейтце, исполнительный директор лаборатории LIGO, вчера утром вышел на подиум National Press Building в Вашингтоне и сказал слова, которых ученые ждали очень давно: «Мы обнаружили гравитационные волны». И набитый людьми зал в здании Калтеха в Пасадене, где собрались люди, чтобы посмотреть живую трансляцию, разразился бурными аплодисментами.
|
|
|
|
Подобные сцены, скорее всего, были разыграны в MIT, в Ливингстоне, в Ханфорде и в Европе, поскольку LIGO является международным проектом ценой в миллиард долларов. И чтобы этот момент свершился, потребовалось сто лет. Эйнштейн предсказал существование гравитационных волн в своей общей теории относительности в 1915 году, а физики обнаружили их косвенное доказательство в 70-х и 80-х. Но прямое обнаружение оставалось призрачным — до сих пор. И история гравитационных волн, а также того, что они могут нам сказать, только начинается.
|
 |
|
Вот как все было. Фиксируем для истории. 14 сентября 2015 года в 5:51 утра детекторы LIGO в Ливингстоне и Ханфорде зарегистрировали сигналы с разницей в миллисекунды. Волны этих сигналов близко соответствовали прогнозируемым (смотри ниже).
|
|
|
|
Это как звуковой отпечаток пальца, похожий на сигнатуры распада, которые физики высоких энергий используют для идентификации субатомных частиц, рождающихся при столкновениях на Большом адронном коллайдере. И именно это вы ожидаете обнаружить в своих данных, если две черные дыры массой в 30 солнц (то есть в 30 раз больше нашего собственного Солнца), закручивающиеся по спирали по направлению друг к другу, сольются в процессе массивного события и пошлют мощные ударные волны, рябью растекающиеся по пространству-времени, где-то за 1,3 миллиарда световых лет от нас.
|
|
|
|
Все было настолько хорошо, что Рейтце начал опасаться, что все слишком хорошо, чтобы быть правдой. Как и Алан Вайнштейн, возглавляющий LIGO в Калтехе. В конце концов, в начале оперативного этапа LIGO, руководители проекта намеренно вставляли ложные сигналы в данные для проверки строгости анализа. Даже если его коллеги заверили его, что новый сигнал не является частью «слепого вброса», Вайнштейн не поверил. Он решил, что это какой-нибудь недовольный и обиженный член команды LIGO сделал пакость из мести.
|
|
|
|
Или, возможно, это была работа злого гения. «Мы не можем исключать гипотезу злого гения, — заявил он во время пресс-конференции в Калтехе. — Мы делаем все возможное, чтобы исключить гипотезу злого гения. Но я думаю, что столкновение двух черных дыр более вероятно».
|
|
|
|
По одному только сигналу физики смогли вывести массы обеих черных дыр, изучая частоту (одна была 29 солнечных масс, другая 36). После слияния, новообразованной черной дыре не хватило примерно 3 солнечных масс — они были извергнуты в мощном всплеске гравитационных волн. Представьте, как три наших солнца внезапно аннигилируют, и вы поймете, о какой энергии идет речь. Изучение амплитуды показало, что столкновение произошло в 1,3 миллиарда световых лет от нас в южном полушарии.
|
|
|
|
Это не только первое обнаружение гравитационных волн, но и также первое доказательство существования бинарных систем черных дыр. И все это стало понятно по данным сразу после того, как обновленная Advanced LIGO начала работать. И она пока еще не работает со всей чувствительностью. Когда заработает, ученые ожидают увидеть намного больше событий, приоткрыть окошко в механизмы работы Вселенной. Вайнштейн сказал, что еще 12 связанных с LIGO работ будет опубликовано не сегодня завтра.
|
|
|
|
LIGO станет «новым инструментом по наблюдению новой формы излучения, приходящей с небес», говорит Билл Вебер, физики Университета ди Тренто и член коллаборации LISA Pathfinder.
|
|
|
|
«Первое обнаружение очень важно с точки зрения фундаментальной физики, поскольку оно не только рассказывает нам о гравитации, но и открывает окошко в ту Вселенную, которая ранее была темной, — говорит Эйвери Бродерик, физик Института Периметра и Университета Ватерлоо в Канаде. — Веками астрономы смотрели на ночное небо и думали о светлой стороне Вселенной. Теперь мы бросим первый взгляд на темную сторону. И есть мнение, что она будет такой же богатой и захватывающей».
|
|
|
|
Подумайте о новых возможностях в таком ключе: каждый раз, когда астрономы смотрели на нашу Вселенную в свете определенной длины волны — рентгеновском, инфракрасном, радио, гамма — они открывали аспекты, которых раньше не видели. Гравитационные волны будут такими же, только будут больше похожи на звук, чем на свет. Теперь мы будем не только смотреть на Вселенную, но и слушать ее. Мы всю жизнь были глухими, но теперь нам вернули слух.
|
|
|
|
Ключевое отличие в том, что если звуку нужна среда, в которой он путешествует, гравитационные волны движут среду — в данном случае само пространство-время. «Они буквально раздавливают и растягивают ткань пространства-времени», — говорит Кьяра Мингарелли, астрофизик гравитационных волн в Калтехе. Для наших ушей, волны, обнаруженные LIGO, будут звучать как бульк.
|
|
|
|
Как именно будет происходить эта революция? У LIGO сейчас есть два детектора, которые выступают «ушами» для ученых, и в будущем будет еще больше детекторов. И если LIGO стала первой обнаружившей, она явно не будет единственной. Типов гравитационных волн весьма много. На самом деле, их целый спектр, подобно тому, как бывают разные типы света, с различной длиной волны, в электромагнитном спектре. Поэтому и другие коллаборации вступят в охоту на волны с частотой, на которую не рассчитана LIGO.
|
|
|
|
Мингарелли работает с коллаборацией NanoGRAV (северо-американской наногерцевой обсерваторией гравитационных волн), частью крупного международного консорциума, в который входят European Pulsar Timing Array и Parkes Pulsar Timing Array в Австралии. Как следует из названия, ученые NanoGRAV охотятся на низкочастотные гравитационные волны в режиме от 1 до 10 наногерц; чувствительность LIGO находится в килогерцевой (слышимой) части спектра, ищет очень длинные волны.
|
|
|
|
Эта коллаборация опирается на данные пульсаров, собранные обсерваторией Аресибо в Пуэрто-Рико и телескопом Грин-Бэнк в Западной Вирджинии. Пульсары это быстро вращающиеся нейтронные звезды, которые образуются, когда звезды массивнее Солнца взрываются и коллапсируют в себя. Они вращаются все быстрее и быстрее по мере сжатия, подобно тому как грузик на конце веревки крутится тем быстрее, чем короче становится веревка.
|
|
|
|
Они также испускают мощные всплески излучения по мере вращения, как маяк, которые фиксируются как импульсы света на Земле. И это периодическое вращение чрезвычайно точное — почти так же точно, как атомные часы. Оно делает их идеальными космическими детекторами гравитационных волн. Первое непрямое доказательство пришло в процессе изучения пульсаров в 1974 году, когда Джозеф Тейлор-младший и Расселл Халс обнаружили, что пульсар, вращающийся вокруг нейтронной звезды, медленно сжимается со временем — такой эффект можно было бы ожидать, если бы он преобразовывал часть своей массы в энергию в форме гравитационных волн.
|
|
|
|
В случае NanoGRAV, дымящимся пистолетом будет своего рода мерцание. Импульсы должны приходить одновременно, но если в них попадает гравитационная волна, они будут приходить чуть раньше или позже, поскольку пространство-время будет сжиматься или растягиваться по мере прохождения волны.
|
|
|
|
Массивы пульсарных временных решеток особенно чувствительны к гравитационным волнам, произведенным путем слияния сверхмассивных черных дыр в миллиард или десять миллиардов раз больше массы нашего Солнца, вроде тех, что скрываются в центре самых массивных галактик. Если две таких галактики сольются, дыры в их центрах также сольются и испустят гравитационные волны. «LIGO видит самый конец слияния, когда пары оказываются очень близко, — говорит Мингарелли. — С помощью МПВР мы могли бы видеть их в начале спиральной фазы, когда они только вступают в орбиту друг друга».
|
|
|
|
А есть еще космическая миссия LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Находящаяся на Земле LIGO прекрасно обнаруживает гравитационные волны, эквивалентные части спектра слышимого звука — вроде того, что произвели наши сливающиеся черные дыры. Но множество интересных источников этих волн выдают низкие частоты. Поэтому физики должны отправиться в космос, чтобы обнаружить их. Основная задача текущей миссии LISA Pathfinder (которая началась в декабре) — проверить работу детектора. «С LIGO вы можете остановить работу инструмента, вскрыть вакуум и все починить, — говорит Скотт Хьюз из MIT. — Но в космосе ничего не вскроешь. Придется сразу нормально делать, чтоб нормально работало».
|
|
|
|
Цель LISA проста: используя лазерные интерферометры, космический аппарат попытается точно измерить относительное положение двух 1,8-дюймовых золото-платиновых кубов в состоянии свободного падения. Размещенные в отдельных электродных боксах в 15 дюймах друг от друга, тестовые объекты будут защищены от солнечного ветра и других внешних сил, так что будет возможно обнаружить крошечное движение, вызванное гравитационными волнами (будем надеяться).
|
|
|
|
Наконец, есть два эксперимента, спроектированных для поиска отпечатков, оставленных первичными гравитационными волнами в реликтовом излучении (послесвечении Большого Взрыва): BICEP2 и миссия спутника Планка. BICEP2 заявил об обнаружении таковой в 2014 году, но оказалось, что сигнал был фальшивым (виновата космическая пыль).
|
|
|
|
Обе коллаборации продолжают охоту в надежде пролить свет на раннюю историю нашей Вселенной — и, надеюсь, подтверждение ключевых прогнозов инфляционной теории. Эта теория предсказала, что вскоре после своего рождения Вселенная пережила быстрый рост, который не мог не оставить мощных гравитационных волн, оставшихся отпечатком в реликтовом излучении в форме особых световых волн (поляризации).
|
|
|
|
Каждый из четырех режимов гравитационных волн откроет астрономам четыре новых окна на Вселенную.
|
|
|
|
Но мы-то знаем, о чем вы думаете: пора запускать варп-двигатель, чуваки! Поможет ли открытие LIGO построить Звезду Смерти на следующей неделе? Конечно, нет. Но чем лучше мы поймем гравитацию, тем шире мы будем понимать, как строить подобные вещи. В конце концов, это работа ученых, этим они зарабатывают на хлеб. Понимая, как работает Вселенная, мы можем больше полагаться на свои возможности.
|
|
|
|
http://hi-news.ru/science/my-nashli-gravitacionnye-volny-chto-dalshe.html
|
