фото показано с polit.ru

Сотрудники научного проекта LIGO на специальной пресс-конференции объявили, что им удалось экспериментально обнаружить существование гравитационных волн, существование которых предсказывалось общей теорией относительности Эйнштейна.

Теоретически гравитационные волны были известны физикам давно. Работа Эйнштейна, в которой демонстрировалось, что тело, обладающее массой и движущееся с ускорением, будет распространять волны, искажающие геометрию пространства, была опубликована век назад - в 1916 году. В существовании гравитационных волн не сомневались, а вот обнаружить их в эксперименте долгое время не удавалось. Дело в том, что изменения пространства-времени, вызываемые гравитационный волной, очень слабые. Их амплитуда составляет всего лишь 10−18 - 10−23. Необходимой точности для регистрации таких пространственных возмущений гравитационные антенны достигли совсем недавно. По причине слабости гравитационных волны те их источники, которые могут дать нам возможность их заметить, это системы из очень крупных объектов: сталкивающиеся галактики, гравитационный коллапс в системе из двух нейтронных звезд или черных дыр.

В 1993 году Нобелевскую премию по физики получили астрономы Джозеф Тейлор и Рассел Халс, сумевшие добиться косвенного подтверждения существования гравитационных волн. В 1970-х годах они открыли двойной радиопульсар PSR B1913+16, состоящий из двух звезд, масса каждой из которых равна примерно 1,4 массы Солнца. Звезды вращаются вокруг общего центра масс. При этом одна из звезд оказалась сверхплотной нейтронной звездой, которая делает вокруг своей оси около 17 оборотов в секунду (благодаря этому система и является радиопульсаром). Общая теория относительности предсказывает, что гравитационные волны, излучаемые двумя вращающимися телами, должны уносить энергию, что будет заставлять орбиту постоянно сжиматься. Для характеристики радиопульсара PSR B1913+16 расчеты предсказывали уменьшение орбитального периода на 75,8 микросекунд в год. Тейлор и Халс наблюдали радиопульсар более пятнадцати лет и определили, что уменьшение составляет 76±0,3 микросекунды в год, что очень хорошо согласуется с предсказанием теории. Позднее аналогичные подтверждения были получены для ряда других двойных радиопульсаров. Но это было лишь обнаружение гравитационных волн по косвенным признакам, а не прямая детекция волны.

Недавно, в марте 2014 года, поступило новое сообщение о косвенном обнаружении гравитационных волн. На этот раз были отмечены вызванные гравитационными волнами неоднородности в поляризации реликтового микроволнового излучения. Наблюдение было сделано на радиотелескопе BICEP2, который установлен на южном полюсе. Ученые зафиксировали так называемую B-моду поляризации реликтового излучения, которая должна возникать в результате действия гравитационных волн. Однако последующее изучение данных показало, что обнаруженный эффект может быть и следствием влияние на реликтовое излучение космической пыли.

Нынешнее обнаружение гравитационных волн сделано при помощи лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO). Это масштабное и инженерно очень сложное сооружение. Фактически LIGO состоит из двух обсерваторий, одна из которых расположена в Хэнфорде в штате Вашингтон, а другая - на противоположном конце страны в Ливингстоне, что в Луизиане. Расстояние между двумя обсерваториями составляет 3002 километра. Так как гравитационные волны распространяются со скоростью света, разница во времени их регистрации двумя обсерваториями, должна составлять несколько миллисекунд и, по замыслу создателей, позволит определить направление на источник, вызвавший гравитационную волну. Забегая вперед, скажем, что этот расчет оправдался.

Общий вид центра LIGO в Хэнфорде

Главным «действующим лицом» обеих обсерваторий, и в Хэнфоде, и Ливингстоне, служит интерферометр Майкельсона. Альберт Майкельсон создал такое устройство еще в 1880-х годах и планировал измерить с его помощью скорость движения Земли относительно «мирового эфира» (а в результате измерил скорость света). Принцип интерферометра Майкельсона таков: луч света разделяется зеркалом на два луча, оба они отражаются от зеркал и направляются к приемнику, чтобы на нем вновь совпасть. По получившейся интерференционной картинке можно судить о смещении зеркал. Например, взяв лазерный луч, можно настроит интерферометр так, чтобы соединившиеся лучи гасили световые колебания друг друга. Тогда фотодетектор на приемнике не будет регистрировать света. Если же одно из отражающих зеркал хотя бы немного сместится, то лучи сдвинутся, а фотодетектор это сразу заметит.

Принципиальная схема интерферометра Майкельсона

В проекте LIGO лазерные лучи интерферометра находятся в тоннелях L-образной формы, длина которых составляет четыре километра. Решающим фактором в нынешнем открытии стала проведенная в 2015 году модернизация LIGO, превратившая его в Advanced LIGO. Чувствительность интерферометра многократно возросла, он стал способен улавливать разницу между длиной пути двух лазерных лучей размером примерно с атомное ядро. Поэтому если раньше теоретические расчеты предсказывали, что в год будет происходит примерно одно событие, порождающее гравитационные волны, которые можно зафиксировать на LIGO, для Advanced LIGO таких случаев должно было стать до десятка за год.

И первый такой случай наступил очень скоро после модернизации. 14 сентября 2015 года в 9:51 по всемирному времени гравитационную волну отметили интерферометры в Хэнфорде и в Ливингстоне. Разница по времени в двух обсерваториях составила семь миллисекунд.

Сигналы, зафиксированные в Хэнфорде и Ливингстоне

Расчеты показывают, что зафиксированная гравитационная волна была порождена слиянием двух черных дыр, произошедшим 1,3 миллиарда лет назад. Их массы равнялись 36 и 29 солнечных, а возникшая в результате их объединения черная дыра имела массу в 62 солнечных. Такие образом три массы Солнца ушли в энергию, выделившуюся в виде гравитационных волн. Вся эта энергия была выделена за десятые доли секунды перед столкновением черных дыр, когда они начали двигаться со сверхвысокими скоростями.

Обработка информации и ее проверка заняли пять месяцев, и вот теперь об открытии, которое явно претендует на Нобелевскую премию, сообщили официально на пресс-конференции, а статья с изложением полученных результатов опубликована журналом Physical Review Letters.

В ближайшем будущем планируется объединить усилия нескольких наземных детекторов гравитационных волн, включая LIGO, принадлежащий Европейской гравитационной обсерватории Advanced Virgo под городом Пиза, японский KAGPA, а также еще одного интрферометра LIGO, который планируют построить в Индии, в сеть, которая позволит определять по гравитационным волнам расположение породивших их источников и давать координаты для наблюдений астрономам. Особые надежды возлагаются на проект LISA (Laser Interferometer Space Antenna), который будет представлять собой интерферометр, образованный космическими аппаратами, которые будут находиться по орбите вокруг Солнца. Длина пути лазерного луча в нем составит до пяти миллионов километров, что обеспечит большую чувствительность интерферометра. Запуск аппаратов в космос запланирован на 2034 год.

Аналог Ноткоин - TapSwap Получай Бесплатные Монеты

Подробнее читайте на polit.ru