НОВОСТИ НАУКИ
Рождение гравитационноволновой астрономии
Л.БЕЛОПУХОВ
В2017 ГОДУ НОБЕЛЕВСКУЮ ПРЕМИЮ ПО физике «за решающий вклад в развитие детектора LIGO (лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории) и наблюдение гравитационных волн» получили американские ученые Райнер Вайсс (Rainer Weiss), Барри Бэриш (Barry Barish) и Кип Торн (Kip Thorne). Миллиард триста миллионов лет назад на огромном расстоянии от Земли две солидные черные дыры в своем кружении по Вселенной сошлись на такое расстояние, что сила их гравитационного взаимодействия стала активно притягивать их друг к другу. Одна из них имела массу в 36 раз больше массы Солнца, другая – больше в 29 раз. Сближаясь, они вращались вокруг своего центра масс так, что двигались как бы по спирали. Скорость этого вращения стала в конце концов огромной – один оборот за несколько миллисекунд. И наконец, черные дыры слились, издав короткий, но страшной силы
Райнер Вайсс, Кип Торн и Барри Бэриш
энергетический всплеск. По энергии это было все равно, что взорвать одновременно мегатонных атомных бомб. Большая часть этой энергии представляла собой гравитационную волну. Со скоростью света она стала распространяться во все стороны. Крохотный кусочек этой энергии достался и Земле. Очень образно президент РАН А.М. Сергеев в одном из своих интервью назвал этот всплеск «воплем». Тем более что на Земле диапазон частот этого волнового всплеска случайно оказался как раз в районе акустических частот. Электроакустическая система может сделать сигнал не только видимым на экране, но и слышимым. Действительно – вопль! Известие об этом событии пришло на Землю 14 сентября 2015 года в 9 часов 50 минут 45 секунд по международному времени UTC (отличающемуся от московского времени на три часа назад). Оно было зафиксировано в США двумя установками коллаборации LIGO, находящимися на расстоянии 3000 км друг от друга. Научное объяснение рождения гравитационных волн дается ОТО – общей теорией относительности Эйнштейна. По сути своей это теория гравитации с учетом специальной теории относительности и с отказом от обязательности столь привычной нам евклидовой геометрии. Краткая суть ОТО – всякая масса искажает и «искривляет» вокруг себя геометрию, превращая ее в неевклидову (риманову). При этом пространство и время нельзя в общем случае отделять друг от друга и геометрию нужно рассматривать как геометрию четырехмерного мира,
15
НОВОС Т И
конкретные свойства которого определяются силами тяготения масс, находящихся в этом мире. Математическая сторона этой теории – уравнения гравитационного поля. Вот слова самого Эйнштейна в его замечательной популярной книге (написанной совместно с Л.Инфельдом) «Эволюция физики» (1938 г.): «Ньютонов закон тяготения связывает движение тела здесь и теперь с движением другого тела в то же самое время на далеком расстоянии… Наши новые законы суть структурные законы, описывающие изменение поля тяготения. Они связывают события, которые происходят теперь и здесь, с событиями, которые будут происходить или уже происходили в другое время и в других точках. Схематически можно сказать – переход от ньютонова закона тяготения к общей теории относительности до некоторой степени аналогичен переходу от законов электростатики и магнитостатики к теории Максвелла». Справедливость теории гравитации Эйнштейна была многократно доказана. Достаточно хотя бы того факта, что все точные расчеты траекторий движения космических аппаратов в околоземном и околосолнечном пространствах базируются не на простом ньютоновском законе тяготения, а на уравнениях общей теории относительности. А навигационные системы типов GPS, Глонасс и др. без использования уравнений ОТО давали бы ошибку в определении координаты земного объекта порядка 10 километров, а не 5 метров, как это достигнуто сейчас. ОТО совершенно необходима, когда речь идет об огромных массах (звезды, галактики и вся Вселенная). Кроме того, ОТО предсказывает явления, которые в ньютоновской теории отсутствуют. Именно к таким явлениям и относятся гравитационные волны. Как из уравнений Максвелла для электромагнитного поля обязательным следствием стало существование электромагнитных волн, так и из анализа гравитационных уравнений Эйнштейна вытекало, что должны существовать волны гравитации. Косвенные доказательства наличия гравитационных волн появились к концу ХХ века. Например, при слиянии двух нейтронных
НА У КИ
звезд (пульсаров) астрофизики зафиксировали значительное уменьшение суммарного момента импульса этой системы (Нобелевская премия по физике 1993 г.). Эта «пропажа» могла быть объяснена только потерей массы-энергии при слиянии звезд, уносом ее гравитационной волной. Другой пример – наличие так называемых гравитационных линз. Теоретики рассчитали, что гравитационная волна своим изменением метрики пространства-времени может исказить излучение какого-либо космического объекта, подобно тому как линза искажает ход световых лучей. И такие искажения астрономами были зафиксированы. Но прямых, «земных» экспериментальных доказательств существования гравитационных волн не было. Проблема заключается в слабости этого волнового сигнала, дошедшего до Земли. Энергия сигнала, достигшего Земли 14 сентября 2015 года, была по крайней мере в раз меньше энергии этой волны при ее рождении. Если провести аналогию со звуком от ударной взрывной волны, то это все равно, что взорвать одну миллионную долю грамма взрывчатого вещества на расстоянии десяти метров. Для человеческого уха это будет не «вопль» и даже не слабый треск – оно вообще никак не отреагирует на такой слабый звук. Однако попытки физиков поймать сигнал гравитационной волны начались еще в 60-е годы прошлого века. Первым идею поимки гравитационной волны высказал и попытался ее осуществить американский физик Дж. Вебер в 1969 году. Идея была простая – чувствительными датчиками измерить деформации массивных тел, которые должны происходить, когда гравитационная волна, искажая метрику пространства-времени, проходит сквозь эти тела. Телами были алюминиевые цилиндры массами по полторы тонны с поясами из десятков пьезоэлектрических датчиков деформаций. Чувствительность датчиков была необычайно большой – до м (размер атомных ядер). Вебер заявил, что он зафиксировал волны. Но это оказалось ошибкой. Скорее всего, это были сигналы от многочисленных помех – колебаний от посторонних источников, например от транспорта.
16
КВАНТ 2018/№3
По схеме Вебера подобные опыты стали производиться в ряде стран, в том числе и в России (В.Б.Брагинский, МГУ). Результат всюду был отрицательный, поскольку расчеты астрофизиков показывали, что деформации под действием гравитационной волны должны быть значительно меньше м. А датчиков, которые могли бы измерить такие малые величины, не существовало. В 60-е же годы появилась другая идея измерения таких малых деформаций – с использованием интерференции. Идея была выдвинута советскими физиками из МГУ М.Е.Герценштейном и В.И.Пустовойтом в 1962 году. Но на семинаре в Физическом институте АН СССР идея была раскритикована, а соответствующая статья не была рекомендована к печати. Через несколько лет идея использования интерферометрического метода возникла вновь, на этот раз в США. Райнер Вайсс в Массачусетском технологическом институте в 1967 году начал разрабатывать проект лазерного интерферометра, который смог бы преодолеть «шумы» от всех посторонних источников (тепловые, сейсмические, гравитационные источники помех, неустойчивость частоты лазерного излучения и даже возможные помехи от геомагнитных бурь и всплесков космического излучения). Он рассчитал, что интерферометр должен иметь колоссальные размеры – несколько километров. Именно дальнейшее развитие проекта Вайсса и привело к созданию LIGO – лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории, которой и суждено было совершить открытие. В 1968 году в Калифорнийском технологическом институте теоретик-астрофизик Кип Торн стал исследовать возможные источники гравитационных волн. Он выделил три источника – слияние двух черных дыр, слияние двойных пульсаров (нейтронных звезд) и последнюю стадию взрыва сверхновой звезды с образованием нейтронной звезды в ее центре. Он произвел оценки энергии гравитационных волн и смоделировал характер самого сигнала, приходящего на Землю. Это должен быть кусок нестандартной синусоиды с увеличивающимися амплитудой и частотой и резким прекращением сигнала. Дли-
тельность сигнала, его амплитуда и частота зависят от вида и энергии источника волны. Стало ясно, какой сигнал надо искать. В 1970 году в Калифорнию переехал из Шотландии физик Рональд Древер, работавший в университете в Глазго. Он построил по своему проекту интерференционный детектор одновременно с Вайссом. Они были не конкурентами, а соратниками и друзьями и с момента создания LIGO работали вместе. К сожалению, Р.Древер, скончавшийся в марте 2017 года, не дожил полгода до присуждения Нобелевской премии своему другу. Третьим нобелевским лауреатом стал физик-экспериментатор Барри Бэриш, работавший одним из руководителей Национальной лаборатории ускорителей имени Энрико Ферми «Фермилаб» (близ Чикаго), с 1993 года профессор Калифорнийского технологического иститут. Проект Вайсса и Древера развивался медленными темпами – слишком много научных и инженерных задач приходилось решать. И хотя за 15 лет работы группа Вайсса и Древера расширилась до 40 человек, этого было явно мало. Не доставало физика с инженерным мышлением и опытом организаторской и административной работы. Именно таким человеком был Бэриш. Он переработал проект с инженерных позиций и за несколько лет создал крупный международный коллектив – коллаборацию LIGO, куда привлек из разных стран (Италии, Германии, Японии, России) исследовательские группы, имеющие необходимый опыт. Его поистине бешеная энергия, характер, позволяющий срабатываться с людьми самых разных характеров, умение добиваться финансирования проекта обеспечили создание коллаборации. Сегодня в LIGO работают свыше 1200 исследователей из 110 научных организаций 18 стран. Российские участники – группа В.Б.Брагинского из МГУ и группа из Нижегородского Института прикладной физики РАН. По мнению руководителей проекта, Владимир Борисович Брагинский вложил огромный вклад в открытие гравитационных волн. К сожалению, он ушел из жизни 29 марта 2016 года. Бэриш стал директором LIGO в 1994 году и был им до 2005 года, когда он, оставаясь
17
НОВОС Т И
членом коллаборации, принял предложение возглавить руководство другим глобальным международным проектом США – созданием линейного суперколлайдера. Но Нобелевская награда от него не ушла. Она увенчала его более чем десятилетние усилия по доведению до конца лазерно-интерферометрического проекта. Под руководством Бэриша в 1994–1998 годах были построены две одинаковые обсерватории – в Хэнфорде и в Ливингстоне на расстоянии 3000 км друг от друга. К 2002 году там были установлены лазерные интерферометры. Но первые же измерения показали, что проект нуждается в серьезной переработке. Интерферометрическая система не смогла распознать события, которые были бы характерными для гравитационных волн. Теоретики под руководством Торна провели огромную работу по пересчету амплитуд возможных деформаций от гравитационных волн. Они оказались еще меньше, чем думали раньше, а именно порядка м. На первый взгляд, регистрация деформаций с такой точностью могла бы показаться невыполнимой. Ведь это все равно что измерять расстояние до ближайших звезд с погрешностью в одну десятую долю миллиметра. Но у руководителей проекта не опустились руки. Они оказались оптимистами, верящими в способности своего коллектива, А Барри Бэриш снова сумел добиться финансирования проекта. Началось обновление проекта. Применение более мощного лазера, создание группой В.Б.Брагинского улучшенной тройной системы подвеса зеркал, разработка математиками из МГУ программного обеспечения автоматической регистрации событий и многое другое потребовали еще десяти лет напряженной работы. В 2014 году началась регулярная, а потом и постоянная работа установок, прерываемая только остановками для воссоздания необходимого вакуума в трубах. Исследователи не дежурили непрерывно у экранов, чтобы поймать характерный сигнал. Система регистрировала множество сигналов, возникающих по самым разным причинам. Но они не были похожи на сигналы, рассчитан-
НА У КИ
ные Торном и другими астрофизиками. Если бы появился нужный сигнал, система сама переслала бы его на рабочую почту в несколько центров LIGO в европейских городах. Именно так и произошло 14 сентября 2015 года, когда впервые были зафиксированы гравитационные волны, – уже через полчаса все участники коллаборации получили сообщение об этом событии. Началась тщательная обработка сигнала и вычисление энергии черных дыр. Астрофизики стали проверять все данные об излучениях в этой области неба, откуда пришла волна, и действительно обнаружили мощные кратковременные электромагнитные излучения, которые можно было объяснить только втягиванием масс в две мощные сходящиеся черные дыры (ведь самих черных дыр увидеть нельзя). Вполне возможно, что без «подсказки» физиков из LIGO астрофизики проморгали бы эти излучения – они были очень кратковременными. Но теперь сошлись концы с концами, и событие, зафиксированное 14 сентября 2015 года, считается первым надежным доказательством существования не только гравитационных волн, но и черных дыр! Работа опознания длилась несколько месяцев, и 11 февраля 2016 года на прессконференции в ЦЕРНе в Женеве было объявлено об открытии гравитационных волн. В тот же день вышел из печати специальный выпуск самого авторитетного физического журнала Physical Review Letters, где было заявлено это открытие. За последние два года произошли еще четыре регистрации гравитационных волн. Особенно интересной была регистрация 17 августа 2017 года. В этот день впервые была зафиксирована гравитационная волна от слияния двух нейтронных звезд, и одновременно это событие наблюдалось астрономами как превращение двух звезд в одну. И тут уже Нобелевскому комитету по физике некуда было деваться. Открытие стало фактом, и оно было единодушно признано заслуживающим Нобелевской премии 2017 года. Она была присуждена американским физикам Райнеру Вайссу, Кипу Торну и Барри Бэришу. В денежном измерении половина премии присуждалась