Райнер Вайс, Барри Бариш и Кип Торн
112.ua
Нобелевский комитет сегодня объявил, что премия в области физики за этот год присуждена американским ученым Райнеру Вайсу (1/2), Барри Баришу и Кипу Торну по (1/4) за изобретение детектора гравитационных волн и дальнейшее их исследование. Рассказываем историю этого захватывающего открытия.

14 сентября 2015 года LIGO-детектор в США впервые зафиксировал возмущение пространства – гравитационные волны. Хотя сигнал был чрезвычайно слабым, когда он достиг Земли, стало понятно, что за ним последует революция в астрофизике. Гравитационные волны – это совершенно новый способ исследования самых бурных космических событий и расширение границ человеческого знания.

Гравитационные волны, которые наблюдали лауреаты Нобелевской премии по физике за 2017 год, возникли в результате мощного столкновения двух черных дыр, которое произошло более миллиарда лет тому назад. В начале ХХ века их обнаружение в своей общей теории относительности предсказал гениальный Альберт Эйнштейн. Но сам ученый сомневался, получится ли когда-нибудь их зафиксировать.

Прошли десятилетия, и была сконструирована LIGO – лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория, основной задачей которой было проверить правоту Эйнштейна. К этому проекту присоединились более тысячи исследователей из более чем двадцати стран. В центре собранной команды оказались сегодняшние нобелевские лауреаты – Райнер Вайс, Барри Бариш и Кип Торн, которые взялись за работу с небывалым энтузиазмом и решительностью. Им понадобилось более 40 лет для того, чтобы обнаружить гравитационные волны. Примерно за пять месяцев до того, как ученые завершили свои расчеты, начали появляться слухи об их успехе. Но сами исследователи не решались заявить о нем вплоть до 11 февраля 2016 года.

Исследователи проекта LIGO установили своим открытием сразу несколько рекордов. Кроме того, что они первыми наблюдали гравитационные волны, все развитие событий было первым признаком того, что в космосе действительно существуют среднего размера черные дыры, масса которых составляет от 30 до 60 солнечных, и они могут сливаться друг с другом. Гравитационное излучение, которое возникает при этом, во много раз сильнее, чем собранный вместе свет всех звезд в видимой вселенной.

Новости по теме: Как работают биологические часы организма. За что дали Нобелевскую премию по медицине в 2017 году

Колебания пространства-времени

Было очень темно. Тьма была почти абсолютной. Но не совсем. Колебание от сталкивающихся черных дыр сотрясло весь пространственно-временной континуум. Как рябь от камешка, брошенного в воду, гравитационные волны от этого столкновения начали распространяться сквозь космос. Им потребовалось время, чтобы добраться до нас. Несмотря на то, что они двигались со скоростью света, (а это, вероятно, максимально возможная во Вселенной скорость) понадобилось более миллиарда лет, чтобы эти волны достигли Земли. 14 сентября 2015 года в 11:51 по центральноевропейскому времени (10:51 по киевскому) слабое колебание, зафиксированное датчиками в американской лаборатории LIGO, стало отголоском катастрофы, случившейся очень давно и невероятно далеко – на расстоянии 1,3 млрд световых лет от Земли.

LIGO – это не обычный телескоп, который фиксирует свет и другие электромагнитные излучения из космоса. Это инструмент, с помощью которого ученые слушали космос, пытаясь уловить в нем отголоски гравитационных волн. Даже если эти волны являются колебаниями самого пространства-времени, а не звуковыми волнами, их частота уловима человеческим ухом.

Десятилетиями ученые пытались обнаружить эти гравитационные волны, которые сотрясли вселенную, в том виде, в котором их описал Альберт Эйнштейн сто лет назад. Он объяснил, что пространство и время гибкие, а также что четырехмерное пространство-время подвержено колебаниям в виде гравитационных волн. Волны эти всегда возникают, когда масса получает ускорение. Понятный пример – разгоняющийся на дорожке конькобежец, реальный – взрывающаяся в далекой галактике звезда или пара черных дыр, которые вращаются вокруг друг друга.

Как и гравитационные волны, черные дыры тоже были описаны Эйнштейном в общей теории относительности 1915 года. Более 50 лет большинство исследователей по-прежнему считали, что черные дыры существуют только в виде решения уравнений Эйнштейна и на самом деле не присутствуют в космосе. Теория относительности объясняет гравитацию как кривизну пространства-времени. Там, где гравитация чрезвычайно сильна, кривизна может стать настолько большой, что образуется черная дыра. Черные дыры – самые причудливые объекты в пространстве-времени. Ничто не может выбраться из них, даже свет. Поэтому они являются постоянным источником вопросов и загадок для физиков.

Гравитационные волны дают надежду ученым наблюдать то, что раньше было просто невообразимым, но очень долго не удавалось понять, будут ли раскрыты тайны пространства-времени. На протяжении многих лет Альберт Эйнштейн был убежден, что невозможно измерить гравитационные волны, и не был уверен, реальны они вообще или являются просто математической иллюзией. Его современник и коллега Артур Эддингтон был настроен еще более скептически и указывал, что гравитационные волны "распространяются со скоростью мысли".

Существование гравитационных волн приблизилось к признанию научным сообществом в конце 1950-х годов, когда новые расчеты показали, что они фактически несут энергию и поэтому должны в принципе быть измеримы. Одно из косвенных доказательств появилось в 1970-х годах, когда американские астрономы Джозеф Тейлор и Рассел Халс использовали большой радиотелескоп для наблюдения пары чрезвычайно плотных звезд – двойного пульсара. Они смогли показать, что звезды вращаются вокруг друг друга с увеличивающейся скоростью, теряя энергию и сближаясь. Количество потерянной энергии соответствовало теоретическим расчетам для гравитационных волн. Джозеф Тейлор и Рассел Халс были удостоены Нобелевской премии по физике в 1993 году.

Однако получение прямых доказательств существования гравитационных волн требовало прямых наблюдений за волнами. Но пространство-время довольно жесткое и его непросто всколыхнуть, поэтому только самые мощные космические процессы могут вызвать гравитационные волны, достаточно сильные для того, чтобы их можно было измерить. И все равно их амплитуда крошечная. Обнаружение этих волн похоже на измерение расстояния до звезды, удаленной на десяток световых лет, с точностью, эквивалентной диаметру волоска. Кроме того, даже если вся Вселенная постоянно вибрирует гравитационными волнами, самые взрывные события редко происходят в нашей галактике. Необходимо было заглянуть дальше.

Гравитационные волны открывают прошлое

И вот это произошло – ловушка LIGO уловила гравитационные волны. Их спровоцировали две черные дыры, которые наконец столкнулись. С момента своего возникновения в начале существования Вселенной они все двигались кругами вокруг друг друга. С каждым циклом эта пара закручивала пространство-время в спираль – возмущение пространства-времени, которое распространялось все дальше и дальше в космос в виде гравитационных волн.

Волны уносили энергию, заставляя черные дыры сближаться. При этом, чем сильнее это вращение сближало их, тем быстрее они вращались и больше энергии терялось в этом все ускорявшемся танце, который продолжался много миллионов лет. В самом конце за долю секунды горизонты черных дыр соприкоснулись и дыры качнулись навстречу своему роковому финалу со скоростью, почти равной скорости света. Когда они слились, все вибрации затухли, оставив одну вращающуюся черную дыру без видимых следов ее драматического возникновения.

Но память об этом слиянии не была потеряна – ее история сохранилась в виде возмущения пространства-времени, гравитационных волн, которые ритмично растягивают и сжимают пространство, меняя свой тон. Если бы мы могли слышать все эти волны, а не только самые сильные, вся вселенная была бы полна музыки, похожей на щебет птиц в лесу, – то громче, то тише. Так после миллиардов лет, когда черные дыры ускорялись на пути к своему столкновению, их мелодия вышла на крещендо, которое затихло до полной тишины.

Теперь сквозь пространство можно услышать только далекие отголоски этого грандиозного события. Почему они такие тихие? Это связано с тем, что их источник был сильно удален от нас, а гравитационные волны, как и световые волны, и круги на поверхности воды, ослабевали с расстоянием. Поэтому, когда эти колебания добрались до Земли, их сила значительно уменьшилась – растяжение полотна пространства-времени, которое должен был зафиксировать детектор LIGO, когда волна прошла Землю, было в тысячи раз меньше атомного ядра.

Новости по теме: Нобель бы поржал: Что такое Шнобелевская премия и чем известны ее лауреаты

LIGO – гигантский интерферометр

К мечте доказать экспериментально существование гравитационных волн множество ученых шли долгим, извилистым и трудным путем более 50 лет. Один из первых детекторов для захвата гравитационных волн напоминал камертон, чувствительный к волнам определенной частоты. Но Джозеф Вебер из Мэрилендского университета (Вашингтон) мог только догадываться о частоте, на которой черные дыры будут петь их лебединую песню. Он построил самый первый детектор в 1960-х годах, в то время, когда многие люди сомневались, что гравитационные волны и черные дыры вообще существуют. Так что, когда в 1970-х гг. Вебер заявил, что слышал последние отзвуки космического катаклизма, это стало сенсацией. Однако никто не смог повторить результаты исследователя, и его наблюдения сочли ложной тревогой.

В середине 1970-х годов, несмотря на всеобщий скептицизм, Кип Торн и Райнер Вайс были твердо уверены, что гравитационные волны могут быть обнаружены, что, в свою очередь, совершит переворот в представлениях о Вселенной. Вайс к тому моменту уже проанализировал возможные источники фонового шума, которые могли бы нарушить их измерения, направленные на поиск гравитационных волн. Он также разработал детектор, лазерный интерферометр, который устранил бы этот шум.

В то время как Вайс разрабатывал свои детекторы в Массачусетском технологическом институте в Кембридже, Кип Торн начал работать с Рональдом Древером, который построил свои первые прототипы необходимого оборудования в Глазго, Шотландия. Древер присоединился к Торну в Калифорнийском технологическом институте в Лос-Анджелесе. Вайс, Торн и Древер сформировали трио, которое на много лет захватило лидерство в этой области. Со временем Древер отошел от дел, но он все же успел испытать свое первое открытие перед смертью – ученого не стало в марте этого года.

Вместо вилочной конструкции детектора, которую предложил Вебер, троица в составе Вайса, Торна и Древера разработала лазерный интерферометр. Принцип его работы давно известен: интерферометр состоит из двух плеч, образующих L-образную конструкцию. На ее углу и концах особым образом закреплены зеркала. Проходящая гравитационная волна влияет на плечи интерферометра по-разному – когда одно плечо сжато, другое растянуто.

Лазерный луч, который скачет между зеркалами, измеряет изменение длины каждого плеча. Если ничего не происходит, лучи света от лазера нивелируют друг друга, встречаясь в углу L-образной конструкции. Однако если одно из плеч интерферометра меняет длину, свет перемещается на разные расстояния, поэтому световые волны теряют синхронизацию, а интенсивность света меняется, когда лучи встречаются.

Идея была довольно простой, но дьявол скрывался в деталях. На то, чтобы понять, каких именно, понадобилось более 40 лет. Для фиксации изменений размером меньше ядра атома необходимы были инструменты огромных размеров. План состоял в том, чтобы построить два интерферометра, каждый с плечами по четыре километра длиной, вдоль которых лазерный луч отскакивал бы много раз, тем самым расширяя путь свету и увеличивая вероятность обнаружения любых крошечных искривлений в пространстве-времени. Непосредственно LIGO была построена в степях северо-запада США, недалеко от Хэнфорда, штат Вашингтон. А в трех тысячах километрах к югу, в болотах Ливингстона, штат Луизиана, был расположен дублирующий прибор.

Принцип работы обсерватории LIGO
Нобелевский комитет

Потребовались годы разработки максимально чувствительного инструмента, позволяющего отделять гравитационные волны от всех фоновых шумов. Кроме того, необходимы были сложный анализ и передовые теоретические данные – тут экспертом был Кип Торн. А новаторский вклад Райнера Вайса в общую задачу состоял в разработке креативных и тонких инженерных решений. Длина волны и интенсивность лазерного излучения должны были быть как можно более стабильными, и луч должен был точно ударить по зеркалам интерферометра. Вряд ли бы они начали колебаться от упавшего на них листа, или из-за ребенка, пробегавшего поблизости, или даже из-за грузовика, который проезжал бы по дороге вдалеке. Вместе с тем, зеркала должны были свободно раскачиваться от прохождения гравитационной волны. Тепловое движение атомов на поверхности зеркал должно было быть компенсировано, также как и квантовые эффекты в лазере. Необходимо было разработать новую лазерную технологию, изобрести инновационные материалы, а также построить гигантские вакуумные трубки, сейсмическую изоляцию и другие жизненно важные технологии, которые намного превосходили существующие на тот момент.

Выполнение такого проекта в небольших масштабах стало невозможным, и необходим был новый подход. В 1994 году, когда Барри Бариш стал лидером LIGO, он преобразовал небольшую исследовательскую группу из примерно 40 человек в крупномасштабное международное сотрудничество с более чем тысячей участников. Он искал необходимый опыт и привлекал многочисленные исследовательские группы из многих стран. Невероятная мечта могла сбыться только благодаря совместным усилиям большой науки.

Сигнал прибывает незамедлительно

В сентябре 2015 года LIGO собиралась начать работу после обновления, которое длилось несколько лет. Теперь, оснащенная в десять раз более мощными лазерами, зеркалами весом 40 килограммов, высокотехнологичной фильтрацией шума и одной из крупнейших в мире вакуумных систем, обсерватория захватила волновой сигнал за несколько дней до запланированного начала эксперимента. Сначала волна прошла мимо объекта в Ливингстоне, а затем, спустя 7 миллисекунд (поскольку она двигалась со скоростью света) волна ​​появилась в Хэнфорде – в трех тысячах километров от первой точки.

Сообщение от компьютеризированной системы было отправлено ранним утром 14 сентября 2015 года. Все в США еще спали, но в немецком Ганновере было уже 11:51 утра. Марко Драго, молодой сотрудник Института астрофизики им. Макса Планка, как раз готовился к обеду. Кривые, которые он заметил, выглядели точно так же, как те, которые он учился распознавать уже много раз. Мог ли он быть первым человеком в мире, который зафиксировал гравитационные волны? Или это была просто ложная тревога, один из случайных слепых тестов, о которых знали лишь несколько человек?

Да, форма волны была точно такой же, как и было предсказано, и нет, это было не испытание. Все подходило идеально. Пионеры данной научной отрасли, которым было уже за 80, и их коллеги из LIGO наконец смогли услышать музыку, о которой мечтали. Это было почти слишком хорошо, чтобы быть правдой. Так что только в феврале следующего года им разрешили рассказать потрясающую новость. Даже семьи исследователей не были в курсе до этого момента.

Тщательно скрываемая тайна под названием GW 150914 оправдала все ожидания ученых. Из сигнала становилось понятно, что столкнувшиеся так давно и так далеко черные дыры были в 29 и 36 раз тяжелее Солнца, но не более 200 километров в диаметре. Они слились, образовав черную дыру массой равной примерно 62-м солнечным массам, так что в течение нескольких десятых секунды могли излучать энергию в виде гравитационных волн, эквивалентных трем солнечным массам. Это сделало GW 150914 самым мощным источником излучения во Вселенной на тот короткий момент. Обработанный сигнал также указал на область в южном небе, где на расстоянии в 1,3 миллиарда световых лет произошло описанное событие. Это означает, что столкновение случилось 1,3 миллиарда лет назад. В это время жизнь на Земле только делала шаг от одноклеточных к многоклеточным организмам.

Обсерватория LIGO наблюдала еще два подобных события с момента своего первого сенсационного открытия. Европейский детектор VIRGO, находящийся недалеко от города Пиза в Италии, присоединился к LIGO в августе 2017 года, и они объявили о первом совместном открытии 27 сентября. Оно заключалось в том, что 14 августа 2017 года все три детектора наблюдали одни и те же космические гравитационные волны, которые прибыли из двух черных дыр среднего размера. Эти дыры столкнулись 1,8 миллиарда лет назад.

Детекторы уже четыре раза наблюдали, как дрожит Вселенная, и еще много открытий ожидаются в будущем. Индия и Япония также строят новые обсерватории гравитационных волн. С несколькими экспериментами, проведенными на большом удалении друг от друга, исследователи планируют получить возможность точно определить, откуда поступают сигналы. Позднее планируются наблюдения гравитационных волн с использованием оптических телескопов, рентгеновских телескопов или других типов телескопов.

На сегодня все обнаруженные учеными виды электромагнитного излучения и частиц, такие, как космические лучи или нейтрино, дали нам новые знания о Вселенной. Однако гравитационные волны являются прямым свидетельством возмущений в самом пространстве-времени. Это нечто совершенно новое, неизведанное, открывающее невидимые миры. Множество открытий ждет тех, кто преуспевает в захвате гравитационных волн и интерпретации их сигналов.

Перевод материалов Шведской королевской академии наук.