В прошлом мае физик-теоретик Кип Торн, автор классического трехтомника «Гравитация», выступал на физфаке МГУ в забитой до отказа аудитории на 530 мест — их не хватило, и стоячие места вдоль стен тоже быстро закончились. Он рассказывал, как помогал Кристоферу Нолану снимать «Интерстеллар» — голливудскую фантастическую драму 2014 года, где герои подыскивают человечеству новую планету под боком у черной дыры. Торн старался, чтобы на экране все было правильно с физической точки зрения — хотя бы в той степени, в какой это позволяют съемки блокбастера. Скажем, где черная дыра искривляет пространство, замедляет время и загибает лучи света — там вместо голливудских 3D-моделлеров поработала специальная программа-симулятор, которая честно воспроизводит всю физику процесса.
11 февраля работу той же самой программы-симулятора можно было увидеть снова — но в этот раз Торн уже не говорил про кино, а отчитывался в прямом эфире об успехе своего эксперимента LIGO ценой в 620 миллионов долларов, затеянного 24 года назад и задуманного Торном еще раньше.
LIGO впервые зарегистрировал гравитационные волны. 14 сентября прошлого года одна такая волна прошла через Землю насквозь, на миллисекунды слегка сплющив пространство в двух направлениях из трех возможных. Все приборы, люди, кошки, Кремль, Останкинская башня, статуя Свободы и Большой адронный коллайдер в этот момент стали слегка короче — на 0,000000000000000000001 (10 в минус 21-й степени) от своей длины.
Этот эффект — прямое следствие общей теории относительности Эйнштейна, опубликованной им в 1915 году; собственно, волны Эйнштейн сам и предсказал в 1916-м, год спустя. Экспериментаторам на проверку прогноза понадобилось ровно сто лет.
Причина «сплющивания» находилась от нас на расстоянии в 1,3 млрд световых лет — это было слияние двух черных дыр: первая в 29 раз тяжелее Солнца, вторая в 36 раз. Результат слияния — новая черная дыра в 62 раза тяжелее Солнца. Еще три солнечные массы — разница между тем, что было, и тем, что получилось, — превратились в чистую энергию гравитационных волн (тот редкий случай, когда достаточно просто применить самую разрекламированную формулу Эйнштейна E=mc2). Для сравнения: при взрыве 50-мегатонной термоядерной «Царь-бомбы», самой мощной в истории, в энергию взрыва сконвертировалось что-то около килограмма вещества.
Где в «Интерстелларе» черная дыра искривляет пространство, замедляет время и загибает лучи света — там вместо голливудских 3D-моделлеров поработала специальная программа-симулятор.
Кип Торн в своем выступлении воспользовался другим сравнением. При слиянии этих двух черных дыр выделилось примерно в 50 раз больше энергии, чем произвели за то же время все остальные звезды видимой Вселенной.
Даже такой мощный всплеск энергии почувствовать на расстоянии в 1,3 млрд световых лет тяжело. Чтобы зарегистрировать «сплющивание» пространства, и была придумана схема эксперимента — два гигантских бетонных сооружения в разных концах США: одно на северо-западе, в штате Вашингтон, другое на юго-востоке, в штате Луизиана. Каждое сооружение похоже на пару четырехкилометровых отрезков нефтепровода в чистом поле, соединенных под прямым углом в форме буквы L. Это лазерный интерферометр: по туннелям путешествует туда и обратно расщепленный лазерный луч. Если под «сплющивающим» воздействием гравитационной волны один из туннелей стал короче другого хотя бы на процент от диаметра одного атомного ядра — это скажется на яркости там, где лучи воссоединяются. Такого масштаба эффект и был зарегистрирован в этот раз — 14 сентября 2015 года. Еще четыре месяца ученые проверяли, что они не обознались и другого объяснения всплеску нет.
Как часто в космосе две черные дыры превращаются в одну? Никто не знает, признается Михаил Городецкий, профессор МГУ, руководитель группы в Российском квантовом центре и российский участник эксперимента LIGO. «Работа LIGO строится на оценках слияния нейтронных звезд. А здесь произошло слияние черных дыр. Оценки сделать гораздо сложнее, потому что модели количества черных дыр гораздо более слабые».
Сливающиеся друг с другом черные дыры до LIGO не наблюдали вообще никак — ни в телескоп, ни в радиотелескоп. Черные дыры, даже одиночные, — сами по себе неудобный объект для наблюдений, на то они и черные. Раньше считалось, что эти тела не испускают никакого света, теперь рабочая гипотеза — что они генерируют излучение Хокинга (чем дыра крупнее — тем меньше этого излучения) и еще заставляют светиться вещество вокруг себя, но только если оно там есть; это случай квазаров. А, например, существование сверхмассивной черной дыры в центре нашей собственной Галактики, Млечного Пути, пришлось доказывать по неочевидным косвенным признакам.
Все приборы, люди, кошки, Кремль, Останкинская башня, статуя Свободы и Большой адронный коллайдер в этот момент стали слегка короче — на 0,000000000000000000001 от своей длины.
Наконец, само открытие гравитационных волн сделали не тогда, когда рассчитывали. LIGO впервые запустили в 2002 году и остановили в 2010-м — после восьми лет работы с нулевым результатом. Потом ремонтировали долгие пять лет и потратили на это 200 миллионов долларов, чтобы повысить чувствительность прибора и снизить влияние помех. Интерферометр в Луизиане оказался окружен территорией, где регулярно рубят лес и ходят поезда. Для прибора, который регистрирует сокращение пути лазерного луча на величину, сравнимую с диаметром атомного ядра, это серьезная проблема. После того как состав пройдет, команде LIGO необходимо было выждать как минимум час, прежде чем вызванные поездом колебания погаснут. Обсерватория могла нормально работать только по праздникам и выходным, а поскольку смысл имеют только одновременные наблюдения в Вашингтоне и в Луизиане — то и второй интерферометр простаивал без дела.
Ремонт расширил охват пространства во Вселенной, где мог дать о себе знать источник гравитационных волн. «Вероятность обнаружения пропорциональна кубу чувствительности. Если мы увеличиваем чувствительность в 10 раз — значит, в 1000 раз повышается вероятность события, — рассуждает профессор Городецкий. — Получается, что годы работы до ремонта ничего не стоят по сравнению с очень коротким промежутком работы новой антенны».
К сентябрю 2015 года чувствительность успели повысить примерно вчетверо и 18 сентября наконец приступили к первому 106-дневному эксперименту. Вот только слияние черных дыр LIGO увидел 14 сентября — на четыре дня раньше официального начала работы.
«Сигнал зарегистрировали во время пробного прогона, так называемого инженерного. До первого научного запуска», — говорит Городецкий. Это было везение во многих смыслах: случись такое на несколько дней позже, ученые не были бы уверены, что они действительно нечто открыли. Когда LIGO официально запущен, регулярно проводится что-то вроде учебной тревоги — подается ложный сигнал, «слепое впрыскивание», чтобы убедиться, что системы анализа данных (и люди) достаточно бдительны и его не пропустят. «Но на инженерном прогоне такие вещи не предусматривались никогда, и их даже технически сложно было сделать», — уточняет Городецкий. Поэтому слухи про открытие и возникли еще осенью: все вплоть до техников знали, что тревога не ложная.
Астрофизики пока не знают, где конкретно черные дыры слились. Как далеко — известно, а в какой точке неба — уже нет. Им не хватило еще одного интерферометра вдобавок к существующим двум.
В 1993 году за гравитационные волны дали первую Нобелевскую премию по физике. Рассел Халс и Джозеф Тейлор нашли косвенное доказательство тому, что они существуют: они наблюдали, как две нейтронные звезды, вращаясь вокруг общего центра масс, сближаются и теряют энергию. Другого способа ее потратить, кроме как сконвертировать в гравитационные волны, у системы пульсаров не было.
За прямое доказательство Нобелевскую премию просто не могут не присудить. Кому — тоже ясно: у проекта LIGO трое основателей — теоретик Кип Торн и два экспериментатора, Рональд Древер из Калтеха и Райнер Вайс из Массачусетского технологического института (MIT). Интрига только в том, случится это в 2016 году или в 2017-м: процесс номинации официально заканчивается в ночь на 1 февраля — новость об открытии опоздала к дедлайну на 11 дней.
Правда ли, что, раз прогноз Эйнштейна подтвердили, на этом история с гравитационными волнами заканчивается, ее надо описать в учебниках и отправить в архив как решенную проблему? Профессор Городецкий возражает: наоборот, астрономы заполучили новый инструмент, чтобы ставить новые проблемы. Когда к обычным, оптическим, телескопам для наблюдения космоса в видимых лучах в 1940-х добавились радиотелескопы, способные регистрировать космические радиоволны, картина мира у астрономов качественно поменялась. Например, главное экспериментальное доказательство Большого взрыва и расширения — это микроволновое реликтовое излучение, которое в оптические телескопы разглядеть невозможно. Каждый новый тип волн (рентгеновские, ультрафиолетовые, инфракрасные) что-нибудь к этой картине добавлял.
Гравитационная астрономия обещает быть не менее интересной. К тем же сливающимся черным дырам есть повод присмотреться еще. Пока астрофизики не знают даже, где конкретно они слились. Как далеко — известно, а в какой части неба — уже нет. Любой радист знает: чтобы запеленговать передатчик, нужны как минимум три приемника, а тут их было два — интерферометры в Вашингтоне и в Луизиане. «Поэтому мы только с точностью до дуги на небе локализовали событие. А если у нас будет три антенны, мы сможем сказать, в какой точке это происходит. Направить туда телескоп и посмотреть — в момент взрыва было там что-то или не было?»
Вот зачем это нужно: «Может быть, мы увидим и какие-то отклонения от теории относительности в тот момент, когда черные дыры будут очень близки к слиянию. В самые-самые последние миллисекунды. Много предсказаний, что в эти моменты теория относительности не очень хорошо работает — а есть какая-то более общая и более глубокая теория».
Источник: