13 лет понадобилось международной группе исследователей, в числе которых были и россияне, чтобы заглянуть за кулисы Вселенной
Группе физиков удалось впервые в истории человечества зафиксировать прохождение гравитационных волн. О совершении прорывного открытия СМИ сообщили на пресс-конференции Национального научного фонда (ННФ) США.
Представители исследовательской группы заверили прессу, что результат подтвержден, сомнений в его достоверности нет.
О том, что гравитационная волна имеет свойство искажать пространство, сквозь которое проходит, физики знали давно. Однако зафиксировать этот процесс с помощью приборов никак не получалось. Этому мешали две проблемы. Во-первых, искажение пространства, вызываемое гравитационными волнами, слишком незначительно, и до последнего времени в распоряжении ученых просто не было приборов, способных их уловить. Во-вторых, в природе не существует материалов, которые могли бы экранировать гравитацию. Из-за этого исследователи не могли создать эталонное пространство, защищенное от гравитационных флюктуаций, и сравнить его с внешней, колеблемой волнами средой. Гравитация одинаково влияла и на измеряемый объект, и на инструменты измерения.
Ответом на обе проблемы стало создание Лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, или LIGO). Этот исследовательский комплекс менее всего похож на то, с помощью чего можно исследовать звезды. В нем нет ни телескопов, ни антенн направленных в небо; лишь две Г-образные трубы, установленные на расстоянии в 3002 километра одна от другой. Одна расположена в Ливингстоне (штат Луизиана), другая – в Хэнфорде (штат Вашингтон).
Каждая труба имеет два четырехкилометровых плеча, внутри которых находятся кварцевые зеркала и лазерный излучатель, лучом измеряющий расстояние между ним. Из труб откачан воздух, внутреннее пространство очищено от газа до состояния высокого вакуума. Приборы надежно изолированы от микросейсмических толчков и механических колебаний почвы антропогенного происхождения.
При создании лаборатории ученые предполагали, что гравитационные волны движутся со скоростью, близкой к скорости света. Это означало, что волна, пройдя через одну установку, доберется до другой через 10 миллисекунд. Благодаря этой задержке ученые получили возможность не только регистрировать факт прохождения волны, но и определять примерное направление ее движения.
Открытие было сделано 14 сентября 2015 года. В 5:51 утра по времени восточного побережья США приборы сообщили об искривлении пространства. По словам Валерия Митрофанова – профессора физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, принимающего участие в программе, детекторы LIGO обнаружили относительные колебания пар пробных масс 10-19 м. Эта величина во столько же раз меньше атома, во сколько атом меньше яблока.
Отвечая на вопрос о надежности полученных данных, исполнительный директор лаборатории LIGO в Калифорнийском технологическом институте Дэвид Райтце сообщил журналистам, что величина возмущения оказалась выше «золотого» стандарта отсечения шумов, установленного на отметке в 5,1 сигма.
Показания детекторов означали, что работавшая с 2002 года обсерватория выполнила свое предназначение: человечество заглянуло за кулисы Вселенной.
Официально обсчитывать необычный сигнал ученые начали 18 сентября, а завершили 5 октября. Еще несколько месяцев ушло на проверку результатов: исследователи должны были убедиться, что оборудование работало исправно и зафиксированное приборами возмущение было тем самым, что более 13 лет искали сотни лучших физиков планеты.
По расчетам физиков, им удалось зафиксировать эхо столкновения двух черных дыр, произошедшее 1,3 миллиардов лет назад. Масса одной из них превосходила массу Солнца в 29 раз, другая была тяжелее нашей звезды в 36 раз. При этом диаметр каждой из них не превышал 150 километров. Черные дыры некоторое время сближались по спирали, после чего столкнулись. В ходе слияния всего за долю секунды материя, эквивалентная трем массам Солнца, превратилась в гравитационные волны, которые устремились во Вселенную.
Послание, отправленное больше миллиарда лет назад, стало для человечества пригласительным билетом в эпоху гравитационной астрономии. «Мы увидим небо в алмазах!», – заявил Валерий Митрофанов, отвечая на вопрос журналистов о значении этого открытия.
«С этим открытием для нас, людей, начинается новое великолепное приключение: поиски и исследования искаженной стороны Вселенной, предметов и явлений, которые построены из искривленного пространства-времени. Сталкивающиеся черные дыры и гравитационные волны — наши первые прекрасные образцы», – поддержал российского коллегу один из основателей LIGO, астрофизик Кип Торн.
Участники пресс-конференции несколько раз выразили благодарность физику, не принимавшему непосредственного участия в программе – Альберту Эйнштейну. «Это наблюдение красиво описывается в общей теории относительности Эйнштейн, сформулированной 100 лет назад, и представляет собой первое испытание теории в сильной гравитации, - пояснил один из основателей проекта LIGO Райнер Вайс, - Было бы замечательно посмотреть на лицо Эйнштейна, если бы мы могли ему это сообщить».
«Эйнштейн был бы очень счастлив», — согласилась с ним представитель коллаборации LIGO Габриэлла Гонсалез.
Впрочем, великий ученый мог бы быть доволен не только тем, что оказался прав. Фиксация гравитационных волн стала, без преувеличения, достижением всего человечества. Проект LIGO финансировался ННФ США, вложившим в его реализацию не менее 370 миллионов долларов. Однако жил и развивался проект интеллектуальными усилиями 40 научно-исследовательских институтов и 600 отдельных ученых из почти всех стран мира, где занимаются развитием фундаментальной физики.
В числе тех, кто открыл для человечества новые горизонты Вселенной, были и две группы российских ученых: физики из МГУ и Института прикладной физики Российской академии наук Нижнего Новгорода. В успехе проекта россияне сыграли заметную роль: Владимир Брагинский из МГУ разработал систему подвески зеркал, а Сергей Клименко из Флоридского университета стал автором главного алгоритма поиска гравитационных сигналов.
Счастливый случай зафиксировать открытие выпал итальянскому ученому Марко Драго из Института гравитационной физики Общества Макса Планка в Ганновере. Любопытно, что получив на электронную почту собщение о срабатывании детекторов, темпераментный итальянец сначала сообщил об открытии своему коллеге Эндрю Лундгрену, а затем своей семье. И только поделившись радостью с близкими, поставил в известность остальных членов LIGO.
Отвечая на пресс-конференции на вопрос китайского репортера, поинтересовавшегося, что же теперь делать другим научным группам, занимавшимся ловлей гравитационных волн параллельно с LIGO, сооснователь коллаборации Райнер Уайсс из Массачусетского технологического института заявил, что участники проекта против «бега наперегонки». «Дело не в соперничестве, а в том, чтобы двигать науку», – сказал ученый. «Мы - за то, чтобы все окна в космос открылись как можно быстрее», – поддержала его Гонсалес.
Лучшим подтверждением правоты этой позиции стал тот факт, что свои подписи под исследованием поставили 1004 соавтора.
Ооткрытие 14 сентября 2015 года стало первым экспериментальным свидетельством существования гравитационных волн. Однако и после этого дня приборы фиксировали колебание пространства. Рассказывая об открытии, ученые обрушили на аудиторию огромное количество красочных видеофильмов и наглядных пособий. Однако настоящей сенсацией стало сообщение о том, что длина гравитационных волн соответствует длине акустических колебаний, а потому их можно услышать. Физики даже подготовили запись «голосов Вселенной». По их словам, лет через десять накопится достаточно данных для того, чтобы записать целый диск.