Международная группа во главе с американскими учеными заявила, что ей удалось впервые зафиксировать гравитационные волны — возмущения пространства-времени, предсказанные сто лет назад создателем общей теории относительности Альбертом Эйнштейном, сообщает NHK.
Ученые Международного научного сообщества (LIGO) сообщили об этом в столице США Вашингтоне в четверг.
Наблюдения гравитационных волн от сталкивающихся черных дыр обсерваторией LIGO открывают новое окно во Вселенную, говорится в пресс-релизе Лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватория (LIGO) в Хэнфорде.
Ученые впервые наблюдали колебания пространства-времени – гравитационные волны, пришедшие на Землю от катастрофы, происшедшей далеко во Вселенной. Это подтверждает важное предсказание общей теории относительности Альберта Эйнштейна 1915 года и открывает беспрецедентное новое видение космоса.
Гравитационные волны несут информацию о своем драматическом происхождении и о природе гравитации, которая не может быть получена иным способом. Физики пришли к выводу, что обнаруженные гравитационные волны были порождены двумя черными дырами в последние доли секунды их слияния с образованием одной, более массивной вращающейся черной дыры. Возможность столкновения двух черных дыр предсказывалась, но такое событие никогда ранее не наблюдалось.
Коллаборация #LIGO официально объявила об открытии гравитационных волн pic.twitter.com/BMY8t8grjQ
— RQC (@RuQuantumCenter) 11 февраля 2016
Гравитационные волны были зарегистрированы 14 сентября 2015 года в 5:51 по летнему североамериканскому восточному времени (13:51 мск) на двух детекторах-близнецах Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO – Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory), расположенных в Ливингстоне, штат Луизиана, и Хэнфорде, штат Вашингтон, США.
Обсерватория LIGO финансируется Национальным научным фондом (NSF) США и была задумана, построена и эксплуатируется Калифорнийским и Массачусетским технологическими институтами (Caltech и MIT). Открытие, сообщение о котором принято к публикации в журнале Physical Review Letters, было сделано на основе показаний двух детекторов совместно научной коллаборацией LIGO (которая включает в себя также коллаборацию GEO и Австралийский консорциум интерферометрической гравитационной астрономии) и коллаборацией VIRGO.
А пока почитайте ликбез о том, что такое гравитационные волны на @nplusodin: https://t.co/vzxNzEsQfS pic.twitter.com/S3OyWl11MF
— RQC (@RuQuantumCenter) 11 февраля 2016
Исследования в LIGO осуществляются в рамках научной коллаборации LIGO (LSC – LIGO Scientific Collaboration), коллективом из более 1000 ученых из университетов в Соединенных Штатах и 14 других стран. В разработке детекторов и анализе данных участвуют более 90 университетов и научно-исследовательских институтов, существенный вклад также вносит участие около 250 студентов. Сеть детекторов LSC включает интерферометры LIGO и детектор GEO600. Команда GEO включает ученых из Института гравитационной физики общества Макса Планка (Институт Альберта Эйнштейна, AEI) и университета Лейбница в Ганновере в партнерстве с университетами Великобритании: Глазго, Кардиффа, Бирмингема и другими, а также университета Балеарских островов в Испании.
Создание LIGO для обнаружения гравитационных волн было предложено в 1980 году профессором физики MIT Райнером Вайссом, профессором имени Ричарда Фейнмана теоретической физики Калтеха Кипом Торном и профессором физики того же института Рональдом Дривером. Ныне все они являются заслуженными профессорами этих институтов.
Коллаборация VIRGO состоит из более чем 250 физиков и инженеров, принадлежащих к 19 различным европейским исследовательским группам: 6 из Национального центра научных исследований (CNRS) Франции; 8 из Национального института ядерной физики (INFN) Италии; 2 из Нидерландов (Nikhef); (Wigner RCP) из Венгрии; группой POLGRAW из Польши и Европейской гравитационной обсерваторией (EGO), которая обеспечивает работу детектора VIRGO недалеко от Пизы в Италии.
Открытие стало возможным благодаря новым возможностям обсерватории второго поколения (Advanced LIGO), существенно модифицированной по сравнению с первым, что позволило значительно увеличить объем зондируемой Вселенной и открыть гравитационные волны уже во время первого цикла наблюдений. Национальный научный фонд США лидирует в финансовой поддержке Advanced LIGO. Финансирующие организации в Германии (Общество Макса Планка), в Великобритании (Совет по обеспечению науки и технологии) и Австралии (Австралийский совет по исследованиям) также внесли значительный вклад в проект. Некоторые из ключевых технологий, сделавших Advanced LIGO гораздо более чувствительной, были разработаны и испытаны в германо-британском проекте GEO. Значительные вычислительные ресурсы были предоставлены кластером AEI Atlas в Ганновере, лабораторией LIGO Университета Сиракуз и Университета Висконсина-Милуоки. Несколько университетов спроектировали, создали и испытали ключевые компоненты для Advanced LIGO: Австралийский национальный университет, университет Аделаиды, Университет Флориды, Стэнфордский университет, Колумбийский университет в Нью-Йорке, университет штата Луизиана.
В исследованиях с 1992 года принимали участие и российские ученые, говорится в сообщении Российского квантового центра.
«Мы открываем новую эру – эру гравитационно-волновой астрономии»: https://t.co/daBQVTOLKw pic.twitter.com/FvwSuxCBAY
— RQC (@RuQuantumCenter) 11 февраля 2016
«Мы открываем новую эру – эру гравитационно-волновой астрономии. Это можно сравнить с появлением телескопа или радиоастрономии. У нас появился новый инструмент для исследования Вселенной», — говорит один из авторов открытия, руководитель группы «Когерентная микрооптика и радиофотоника» Российского квантового центра, профессор МГУ Михаил Городецкий.
Он и его коллеги из Университета под руководством выдающегося российского ученого, член-корреспондента РАН В.Б.Брагинского, вместе с физиками из 14 других стран с самого основания в 1992 году участвуют в международной коллаборации LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Основателями проекта были профессора Райнер Вайсс, Рон Дривер и Кип Торн, известный широкой публике как соавтор фильма «Интерстеллар». Проект LIGO вместе с европейским проектами Virgo и GEO600 образуют еще более широкую коллаборацию.
В рамках этого проекта на территории США были созданы две гигантские «антенны» — два Г-образных лазерных интерферометра с длиной «плеч» по четыре километра.
Гравитационные волны возникают при ускоренном движении очень массивных тел, например, при вращении черных дыр друг вокруг друга. Под действием гравитационной волны лазерные лучи, которые распространяются вдоль этих перпендикулярных друг другу и идеально ровных «плеч» и отражаются от подвешенных на их концах зеркалах, проходят меняющиеся расстояния, поскольку волна периодически растягивает и сжимает плечи антенны, в результате на выходе при сложении этих лучей в результате интерференции получаются синусоидальные изменения интенсивности, которые и регистрируются.
Интересно, что идею использовать интерферометр для регистрации гравитационных волн предложили в 1962 году советские ученые М.Е.Герценштейн и В.И.Пустовойт.
Реальная схема современных антенн LIGO несколько сложнее. В антенне используются дополнительные зеркала в плечах, которые создают оптические резонаторы Фабри-Перо для эквивалентного удлинения плеч примерно в сто раз, а также зеркала на входе и на выходе для увеличения циркулирующей мощности и усиления сигнала, поясняет Городецкий. Поиски гравитационных волн были начаты еще в 1960-е годы, когда их пытались уловить с помощью «болваночных» антенн – массивных цилиндров из алюминия. Однако, несмотря на некоторый первый ажиотаж, их чувствительность оказалась недостаточной, поэтому постепенно перешли на лазерные интерферометры.
Однако воздействие гравитационных волн было настолько слабым, что ученым пришлось проявлять чудеса изобретательности, чтобы поймать его. «На четыре километра регистрируемое отклонение составляет лишь 10^-19 метра – это в 10000 раз меньше диаметра протона (ядра атома водорода)», — говорит Городецкий.
Группа российских ученых в рамках проекта занималась задачей повышения чувствительности антенн, точнее искала пути снижения уровня различных шумов.
По словам Городецкого, чувствительность антенн LIGO такова, что при измерениях проявляются квантовые эффекты. Например, принцип неопределенности Гейзенберга требует, что надо накопить определённое количество квантов, чтобы померить их фазу с определенной точностью. Из этого, казалось бы, следует, что чем мощнее лазеры, тем выше точность. Однако если повышать мощность лазеров, то фотоны начинают «дробить» по зеркалам, растут флуктуации.
«Мы этим и занимались: искали хитрые геометрии антенн, которые обеспечивают квантово-невозмущающие измерения», — говорит ученый.
Второе направление работы российских участников проекта связано с уменьшением шумов в подвесах, в зеркалах. В частности, именно российские ученые предложили подвешивать зеркала на кварцевых нитях вместо ранее использовавшихся стальных. Для проекта Advanced LIGO первоначально планировалось использовать зеркала из сверхчистого кристаллического сапфира (оксида алюминия), поскольку для таких зеркал ожидался очень низкий уровень броуновских тепловых флуктуаций. Однако российскому коллективу удалось показать, что сапфир имеет другой, более сильный и ранее неизвестный шум, связанный с термоупругостью. В результате в проекте остановились на зеркалах из плавленого кварца.
Впервые финансирование на проект (суммарно он потребовал около 1 миллиарда долларов) было выделено в 1992 году. В 2000 году постройка была закончена, но «услышать» ничего не удалось, чувствительность была недостаточной. В 2015 году был закончен апгрейд, был сделан пробный запуск, а потом полгода антенна работала непрерывно. «Эти полгода эквивалентны 20 годам на прежней чувствительности», — отметил Городецкий.
Он пояснил, что источниками гравитационных волн, которые мы теперь можем слышать, являются катастрофические события, например, слияния черных дыр, нейтронных звезд.
«Сейчас у нас всего два детектора, однако даже с ними мы можем определить массы объектов и по времени задержки примерное положение на небе. Для двух антенн локализация получается не очень хорошая – некоторая дуга на небе, но когда полностью заработает третья Европейская гравитационная антенна методом триангуляции мы сможем определять положение источников достаточно точно», — говорит Городецкий.
По его словам, это позволит оперативно нацеливать в район, откуда исходят гравитационные волны, оптические и радиотелескопы, для исследования их источников традиционными методами.
«У нас появились «уши», которыми мы можем слушать Вселенную. Я не шучу: частоты гравитационных волн, регистрируемые LIGO фактически звуковые – сотни герц, килогерцы, их можно переложить в звук и слушать как чириканье птиц», — говорит Городецкий.
«Мы сможем фиксировать интересные события во Вселенной, кроме того, мы сможем проверить теорию относительности на таком уровне точности, который недоступен для других методов, проверить новые теории и, возможно, приблизиться к созданию квантовой теории гравитации или даже к теории великого объединения», — добавил он.
