© "Семь искусств"
  октябрь 2019 года

336 просмотров всего, 15 просмотров сегодня

Для Эйнштейна существование гравитационных волн, как показывают его письма коллегам, изначально не было самоочевидно и только углубление в собственные уравнения дали ему основания для некоторой уверенности. Хотя, как мы увидим, и позднее он был готов расстаться со своим детищем.

[Дебют]Игорь Биленко и др.

ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ ГРАВИТАЦИОННЫХ ВОЛН

  1. Предсказание гравитационных волн

История исследований гравитационных волн от момента предсказания их существования А. Эйнштейном в 1916 году [1] в рамках Общей теории относительности до прямого детектирования в 2015 году насчитывает более 100 лет. Эта история хорошо отражена в англоязычной литературе [2, 3]. Ранняя история поисков также хорошо изложена из первых рук в переведенной на русский язык популярной книге Кипа Торна, который в 2017 году получил за открытие Нобелевскую премию [4]. Особенно следует обратить внимание на книги известного британского социолога науки Гарри Коллинза [5, 6], который на протяжении десятилетий тесно общался с учеными, работающими в этом направлении, и получил доступ к внутренней «кухне» проекта LIGO, став, фактически, его летописцем. На возможность существования гравитационных волн, распространяющихся со скоростью не превышающей скорость света, ранее указывали Оливер Хевисайд [7], Хендрик Лоренц [8] и Анри Пуанкаре [9]. Эти указания, однако, следовали из аналогии с электромагнитными волнами, а не из теории гравитации. В ОТО в формулировке Эйнштейна «гравитация — не сила, а изменение (кривизна) пространства-времени, вызываемое распределением масс и энергии». Причиной такого искривления является наличие некой материи, в том числе небесных тел. Для Эйнштейна существование гравитационных волн, как показывают его письма коллегам, изначально не было самоочевидно и только углубление в собственные уравнения дали ему основания для некоторой уверенности. Хотя, как мы увидим, и позднее он был готов расстаться со своим детищем. Если в начале 1916 года в письме Шварцшильду он писал: «… не существует гравитационных волн, подобных световым волнам», — уже в середине года в письме де Ситтеру он отмечает: «я нашел, что гравитационные уравнения в первом приближении могут быть решены точно» и публикует статью [1] с утверждением: «…следовательно, гравитационное поле распространяется со скоростью света.»

В этой пионерской статье из линеаризации уравнений ОТО Эйнштейном было предсказано существование продольно-продольных, продольно-поперечных, поперечно-поперечных гравитационных волн. В 1918 году была опубликована новая статья [10] с исправлением ошибки при выводе амплитуды волны от движущегося источника (множитель 2), где также выведена важнейшая формула излучения от квадрупольного переменного источника. В 1922 году Эддингтон показал, что только поперечно-поперечные волны, распространяющиеся со скоростью света, единственные имеют физический смысл, а остальные типы гравитационных волн являются математическими артефактами выбора системы координат.

В 1936 году Эйнштейн, углубившись в уравнения ОТО вместе со своим помощником Натаном Розеном (который в том же году уехал на два года в Советский Союз преподавать в Киевском государственном университете), снова стал сомневаться в существовании гравитационных волн (письмо Максу Борну): «Вместе с молодым сотрудником (Розеном), я пришел к интересному результату, что гравитационные волны не существуют, хотя они определенно предполагались в первом приближении». Написанная статья «Are there any gravitational waves?» («Существуют ли гравитационные волны?») 1 июня была послана в журнал Physical Review. Несмотря на гигантский авторитет Эйнштейна, главный редактор журнала Джон Тэйт все же послал статью на рецензию и получил отрицательный отзыв. Рецензент нашел ошибку в выкладках авторов, которые использовали единую пространственно-временную координатную систему, которая включала сингулярность, и показал, что переход в цилиндрическую систему координат устраняет проблему сингулярности, сохраняя гравитационные волны. Этим неординарным рецензентом, как потом выяснилось, был специалист в теории гравитации из Калтеха Ховард Перси Робертсон. Эйнштейн по получении рецензии, видимо, даже не вникая в доводы рецензента, написал резкое письмо редактору:

Дорогой Сэр, Мы (Мр. Розен и я) послали Вам нашу статью для публикации и не давали разрешение показывать ее специалистам до выхода из печати. Я не вижу причины отвечать на — в любом случае ошибочные — комментарии анонимного эксперта. На основе этого инцидента я предпочту опубликовать статью где-то в другом месте.

С уважением, Эйнштейн. 27.07.1936

P.S. Мр. Розен, который уехал в Советский Союз [1936–1938] уполномочил меня представлять его в этом вопросе.

Летом 1946 года Робертсон переехал из Калтеха в Принстон, где подружился с Инфельдом (заменившим Розена в качестве ассистента Эйнштейна) и сообщил ему об ошибке в статье, которую рецензировал. Инфельд изложил эту истории Эйнштейну, который к тому времени и сам обнаружил ошибку. Вместо гранок статья переписывается, меняется название на «О гравитационных волнах» (сохранилось письмо редактору 13 ноября), в конец статьи добавляется благодарность Робертсону. Но в Принстоне был уже заявлен доклад о «Несуществовании гравитационных волн», который Эйнштейн закончил фразой: «Если спросите меня, есть или нет гравитационные волны, я должен ответить, что не знаю. Но это очень интересная проблема».

  1. Первые шаги по возможному регистрированию гравитационных волн

Первый проанализировал не излучение, а воздействие гравитационной волны на тела, определяющееся уравнением геодезических, Феликс Пирани. В присутствии гравитационных волн свободные массы будут двигаться относительно друг друга [11]. Это послужило первым предложенным способом регистрации гравитационных волн.

Важную роль в признании принципиальной возможности обнаружения гравитационных волн сыграла конференция 1957 года ВВС США «Роль гравитации в физике» в Чапел-Хилл, где участвовали такие знаменитые физики 20 столетия, как: Джон Арчибальд Уиллер, Чарльз Мизнер, Роберт Дикке, Питер Бергманн, Джозеф Вебер, Ричард Фейнман, Джулиан Швингер, Хью Эверетт. Ключевой вопрос состоял в том, передают ли гравитационные волны энергию телам, через которые они проходят? Поскольку, если ответ положительный, то гравитационные волны можно обнаружить. Убедил всех мысленный эксперимент Фейнмана, состоящий в том, что две бусины на стержне под действием гравитационных волн будут по стержню передвигаться, и если есть сила трения, а, значит, энергия от гравитационных волн другим телам может передаваться.

Проблема состоит в том, что гравитационные волны, даже порожденные катастрофами вселенского масштаба, на Земле вызывают чрезвычайно слабый отклик. Первые эксперименты по фиксации гравитационных волн поставил американский физик Джозеф Вебер через полвека после их предсказания. В качестве детектора он использовал 1,5 тонный алюминиевый цилиндр с пьезодатчиками, регистрирующими деформирование цилиндра под действием гравитационной волны. В 1969 году он объявил об обнаружении гравитационных волн. Профессор В.Б. Брагинский был первым, кто создал аналогичный гравитационно-волновой детектор на кафедре физики колебаний физического факультета МГУ в 1971 году, проверил и не подтвердил результаты Вебера о детектировании сигналов гравитационных волн [14]. Были предприняты и другие попытки повторения результатов Вебера, также с отрицательным результатом. Но хотя попытка Вебера оказалась неудачной, она положила начало исследованиям по созданию современных гравитационно-волновых детекторов. Сначала это были детекторы веберовского типа, но более совершенные. Здесь ключевым моментом являлось достижение максимальной добротности для механических мод колебаний цилиндра-детектора, а также его охлаждение, что позволяло значительно уменьшить тепловой шум. Было экспериментально продемонстрировано, что такие материалы, как сапфир и кремний, позволяют получить лучшие значения механической добротности, чем алюминий. В дальнейшем такие детекторы стали охлаждать до криогенных температур. Однако создание более чувствительных детекторов этого типа в различных лабораториях мира не привело к обнаружению гравитационных волн. Чувствительность первых резонансных твердотельных детекторов гравитационных волн (конец
60-х – начало 70-х годов) составляла примерно ∼100 аттометров. В последующие 20 лет она была улучшена примерно на два порядка, до  ∼1 аттометра.

В 1962 году Герценштейн и Пустовойт [12] предложили использовать интерферометры для детектирования гравитационных волн по корреляции между ними. Считается, что американские коллеги, не зная о русской статье 1962-го года, пришли к идее оптических интерферометров независимо. Однако это, видимо, не так. На идею интерферометра из статьи Герценштейна и Пустовойта ссылается Вебер [13] в работе 1963-го года в то время, когда его статьи другие ученые еще с интересом читали и воспринимали всерьез.

В это же время В.Б. Брагинский начал развивать теорию квантовых измерений (Рис. 1). Он сформулировал концепции стандартного квантового предела (СКП) чувствительности и квантово-невозмущающих измерений и вместе с коллегами применил теорию квантовых измерений для анализа чувствительности гравитационно-волновых детекторов.

Профессоры В.Б. Брагинский и Ф.Я. Халили у детектора веберовского типа

Рис1. Профессоры В.Б. Брагинский и Ф.Я. Халили у детектора веберовского типа

  1. Лазерные интерферометрические детекторы гравитационных волн

В первых схемах с интерферометрами Майкельсона были добавлены резонаторы Фабри-Перо, впервые проанализированы шумы — дробовой шум, радиационное давление, тепловой шум, сейсмический шум и т. д. [15]. В 80-х годах XX века Калифорнийский технологический институт и Массачусетский институт технологии в США приступили к созданию лазерных интерферометрических гравитационно-волновых детекторов с расстоянием между пробными массами, сначала 10 м, затем 40 м. Создание LIGO (Laser Interferometric Gravitational Observatory) для обнаружения гравитационных волн было предложено в 1980 году профессорами Кипом Торном и Рональдом Дривером из Калтеха и Райнером Вайссом из MIT.

Позднее в рамках проекта LIGO были созданы четырехкилометровые современные детекторы гравитационных волн. Поскольку сигнал от гравитационных волн пропорционален расстоянию между пробными массами, переход к интерферометрическим детекторам с длинной базой позволил существенно увеличить их чувствительность.

Основой лазерного детектора гравитационных волн является интерферометр Майкельсона. Излучение лазера разделяется на два перпендикулярных луча, которые, отражаясь от зеркал, расположенных на расстояниях в 4 км от светоделителя, возвращаются и попадают на фотоприемник. Сигнал на его выходе зависит от разности фаз в лучах, который, в свою очередь, зависит от разности пройденных ими путей. Чтобы увеличить набег фазы в каждом плече установлены дополнительные зеркала, образующие резонаторы Фабри-Перо. Можно сказать, что лучи 300 раз пробегают 4 километра в каждом направлении, прежде чем попадают в фотоприемник. Диапазон частот, которые регистрируют детекторы LIGO, составляет от 10 Герц до нескольких килогерц (по совпадению, звуки именно с такими частотами воспринимает человеческий слух). Необходимо измерять очень малые колебания зеркал в этом диапазоне. Это означает, что основной проблемой при разработке детектора является снижение всех видов шумов, которые могут маскировать или имитировать полезный сигнал. Шумы имеют различную природу. Среди них колебания земной поверхности, вызванные сейсмическими возмущениями и антропогенными факторами, на много порядков большие той величины, которую необходимо измерить. Поэтому зеркала подвешиваются на сложном, многоступенчатом фильтре, подавляющем эти колебания. Лучи света распространяются внутри труб, где поддерживается глубокий вакуум. Поскольку свет имеет квантовую природу и состоит из отдельных частиц — фотонов, существует особый вид флуктуаций — фотонный дробовой шум. Для уменьшения его влияния необходимо увеличивать интенсивность света в интерферометре. В детекторах второго поколения, которые используются сейчас, мощность лазера составляет от 15 до 100 Ватт, а эффективная мощность внутри интерферометра, с учетом накопления в резонаторах и использования так называемой рециркуляции света, достигает одного мегаватта. Важнейшим фактором, ограничивающим чувствительность, является броуновский шум — результат теплового движения атомов и молекул. Для его снижения были разработаны монолитные кварцевые подвесы зеркал, обладающие большой механической добротностью. В целом детектор — чрезвычайно сложное устройство, в котором использованы уникальные компоненты, в том числе созданные специально для него в различных лабораториях мира. Достаточно сказать, что покрытие зеркал таково, что из каждого миллиона падающих на них фотонов теряется лишь один, что настройку положения зеркал и других оптических элементов обеспечивают более 5000 следящих систем, а для обработки поступающей информации (порядка 1 терабайта в сутки) задействованы тысячепроцессорные кластеры и глобальная распределенная вычислительная сеть.

В.Б. Брагинский и С.П. Вятчанин в гостях у К. Торна

Рис2. В.Б. Брагинский и С.П. Вятчанин в гостях у К. Торна

В.Б. Брагинский вместе со своей научной группой сразу включился в работу по созданию интерферометрических детекторов. В 1968 году Кип Торн создал группу в Калтехе, работающую над теорией гравитационных волн, а позднее и над теорией детекторов (Рис. 2). Уже в 1969 году он по приглашению Я.Б. Зельдовича гостил в Москве, где Зельдович и познакомил К. Торна с В.Б. Брагинским, и они подружились. К. Торн вынашивал идею создать экспериментальный проект по поиску гравитационных волн в Калтехе, и уже в 1976 году прилетел в Москву с приглашением для В.Б. Брагинского возглавить проект. Брагинский отказывается, поскольку, не вступая в конфликт с советскими властями, это сложно было бы проделать, и предлагает Рональда Дривера из Глазго (Рис. 3). В 1979 году Дривер начинает создавать интерферометр в Калтехе, а NSF начинает финансировать проекты в MIT и Калтехе.

В.Б. Брагинский и Р. Дривер

Рис3. В.Б. Брагинский и Р. Дривер

Полномасштабные детекторы первого поколения, создание которых началось в 1992 году, не смогли обнаружить гравитационные волны. Эти детекторы (в Хэнфорде и Ливингстоне) обладали уже гораздо более высокой чувствительностью к гравитационным волнам в силу просто гораздо большего их размера — километры по сравнению с метрами у твердотельных детекторов. Достаточно сказать, что они измеряют смещение двух зеркал (пробных масс), расположенных на расстоянии 4 км, с невероятной точностью — около 10-19 м. Чтобы это проиллюстрировать, напомним известный пример: если Землю уменьшить до размеров апельсина, а апельсин уменьшить во столько же раз, то получится размер атома. Если же во столько раз уменьшить атом, как мы уменьшили Землю, получим размер 10-19 м.

Проектная чувствительность детекторов Advanced LIGO, которая должна быть достигнута в ближайшие годы, практически соответствует СКП. Это будет возможным благодаря лучшей сейсмоизоляции, подвесам и пробным массам, а также более мощному лазеру. Следующие итерации Advanced LIGO, как и другие будущие детекторы, должны превзойти этот предел. Единственным альтернативным методом является дальнейшее увеличение длин плеч интерферометров до десятков километров; перспективы такого подхода сомнительны в силу финансовых соображений.

В 1993 году Р. Халс и Дж. Тейлор получили Нобелевскую премию за открытие гравитационных волн по изменению частоты вращения двойной звезды, которое хорошо описывалось в рамках ОТО как потеря энергии на излучение гравитационных волн. Но следует подчеркнуть, это было лишь косвенное подтверждение существования гравитационных волн, сами волны еще не были зарегистрированы.

Исследования в LIGO осуществляются в рамках научной коллаборации LIGO (LSC — LIGO Scientific Collaboration), основанной в 1997 году, коллективом из более 1000 ученых из университетов в Соединенных Штатах и 14 других стран, включая Россию. 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.

Россия представлена двумя научными коллективами: группой физического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова и группой Института Прикладной физики РАН (Нижний Новгород). Московскую группу создал и вплоть до последнего времени возглавлял член-корреспондент РАН Владимир Борисович Брагинский — всемирно известный ученый, один из пионеров гравитационно-волновых исследований в мире. Вклад московской группы (В.Б. Брагинский, И.А. Биленко, С.П. Вятчанин, М.Л. Городецкий, В.П. Митрофанов, Л.Г. Прохоров, С.Е. Стрыгин, Ф.Я. Халили) включает разработку и анализ следующих пунктов: кварцевые подвесы пробных масс, фундаментальные шумы в пробных массах, шумы в отражающих покрытиях, параметрическая неустойчивость, квантовые ограничения чувствительности и способы их обхода, влияние зарядов на пробных массах.

  1. Регистрация гравитационных волн

Первая регистрация гравитационных волн от сталкивающихся черных дыр произошла 14 сентября 2015 года в 5:51 утра по летнему североамериканскому восточному времени (13:51 по московскому времени) на двух детекторах-близнецах Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO — Laser Interferometric Gravitational 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 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 [16].

Ученые впервые наблюдали колебания пространства-времени — гравитационные волны, пришедшие на Землю от катастрофы, происшедшей далеко во Вселенной. Это подтвердило важное предсказание общей теории относительности Альберта Эйнштейна 1915 года и открыло 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.

На основании наблюдавшихся сигналов ученые LIGO оценили, что чёрные дыры, учувствовавшие в этом событии, имели массы в 29 и 36 раз больше массы Солнца, а само событие произошло 1,3 миллиарда лет назад. За доли секунды примерно три солнечных массы превратились в гравитационные волны, максимальная мощность излучения которых была примерно в 50 раз больше, чем от всей видимой Вселенной. Детектор в Ливигстоне записал событие на 7 миллисекунд раньше детектора в Хэнфорде, на основании чего ученые могут сказать, что источник был расположен в южном полушарии небесной сферы.

Согласно общей теории относительности, две черные дыры, вращающиеся друг вокруг друга, теряют энергию на излучение гравитационных волн, что заставляет их постепенно сближаться на протяжении миллиардов лет. На финальной стадии этот процесс ускоряется, и в последние доли секунды они сталкиваются со скоростью почти в половину скорости света, сливаясь и образуя одну, более массивную черную дыру. При этом часть массы слившихся черных дыр превращается в энергию в соответствии с формулой Эйнштейна E = mc2. Эта энергия излучается в виде сильного всплеска гравитационных волн, которые и наблюдались LIGO.

Вторым прямым событием по прямому детектированию гравитационных волн было столкновение второй пары черных дыр. При регистрации участвовали научные коллаборации LIGO и Virgo, анализируя данные детекторов Advanced LIGO. 26 декабря 2015 г. в 03:38:53 всемирного координированного времени ученые во второй раз обнаружили гравитационные волны — возмущения метрики пространства-времени. Волны были зарегистрированы обоими детекторами Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO — Laser Interferometric Gravitational-Wave Observatory), расположенных в Ливингстоне, штат Луизиана, и в Хэнфорде, штат Вашингтон, США. Открытие, сообщение о котором принято к публикации в журнале Physical Review Letters, было сделано на основе показаний этих двух детекторов совместно научной коллаборацией LIGO (которая включает в себя также коллаборацию GEO и Австралийский консорциум интерферометрической гравитационной астрономии) и коллаборацией Virgo.

Физики опять пришли к выводу, что обнаруженные гравитационные волны опять были порождены двумя черными дырами, имеющими массы в 14 и 8 раз больше массы Солнца, в последние доли секунды их слияния с образованием одной, более массивной вращающейся черной дыры, масса которой в 21 раз превышает массу солнца. Эти черные дыры были существенно менее массивными, чем те, слияние которых было зарегистрировано в первом обнаружении гравитационных волн, потому что из-за меньших масс сигнал от них в течение большего времени — около одной секунды — находился в диапазоне чувствительности детекторов.

В процессе слияния, которое произошло около 1,4 миллиарда лет назад, количество энергии примерно эквивалентное одной солнечной массе превратилась в гравитационные волны. Был зарегистрирован сигнал от последних 55 оборотов черных дыр перед их слиянием. Детектор в Ливингстоне записал событие на 1,1 миллисекунды раньше детектора в Хэнфорде, что позволяет дать грубую оценку расположения источника на небесной сфере.

Третья регистрация гравитационных волн двумя детекторами LIGO, расположенными в Ливингстоне, штат Луизиана, и в Хэнфорде, штат Вашингтон, США, произошла 4 января 2017 г., подтвердив, что новый канал получения астрофизической информации вступил в действие. Как и в первых двух случаях, волны были порождены столкнувшимися черными дырами, в результате слияния которых образовалась новая черная дыра с массой, составляющей около 49 солнечных масс. В предыдущих зарегистрированных событиях массы образовавшихся черных дыр составили 61 (первое обнаружение) и 21 (второе обнаружение) масс Солнца. Эти черные дыры расположены соответственно на расстоянии 1,3 и 1,4 миллиарда световых лет от Земли. В случае третьего события источник находился на расстоянии около 3 миллиардов световых лет. Энергия, выделяющаяся при слиянии этих черных дыр, превышает световую энергию, излучаемую за это же время всеми звездами и галактиками во Вселенной. В результате анализа сигналов, зарегистрированных детекторами обсерватории LIGO, было обнаружено, что с большой вероятностью у вновь обнаруженной пары черных дыр спины не совпадают по направлению, а значит, эти объекты, по-видимому, сформировались в плотном звездном скоплении отдельно друг от друга, а затем образовали двойную систему.

14 августа 2017 года детектор международной научной коллаборации Virgo (Италия) и два детектора LIGO (США) в четвертый раз зарегистрировали сигналы гравитационных волн от двух слившихся черных дыр. Согласно проведенным оценкам их массы составили около 30 и 25 солнечных масс соответственно. Источник находился на расстоянии около 1,8 миллиарда световых лет от Земли. Впервые гравитационное излучение было зарегистрировано не двумя, а тремя детекторами. Это позволило более чем в 10 раз сузить размер области, в которой локализован источник излучения, а также впервые проверить состояние поляризации гравитационных волн.

Введение в строй третьего детектора (VIRGO) позволило гораздо более точно определять направление, откуда пришла гравитационная волна. Поэтому существенно улучшаются перспективы сравнения гравитационно-волновых данных с другими астрономическими методами наблюдений

Гравитационный сигнал, названный GW170817, был обнаружен 17 августа 2017 года двумя детекторами LIGO. Детекторы LIGO и Virgo впервые зарегистрировали гравитационные волны от слияния двух нейтронных звезд. Это первое космическое событие, наблюдаемое как в гравитационных, так и в электромагнитных волнах.

Открытие было сделано на основе показаний двух детекторов Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории LIGO, расположенных в США, и Европейского детектора Virgo, расположенного в Италии, а также около 70 наземных и космических астрономических обсерваторий.

Информация, предоставленная третьим детектором Virgo, позволила значительно улучшить локализацию космического события. Почти в то же время (примерно через две секунды после гравитационных волн) Космический гамма-телескоп НАСА «Ферми» и Международная орбитальная обсерватория гамма-лучей (INTErnational Gamma-Ray Astrophysics Laboratory/INTEGRAL) обнаружили всплески гамма-лучей. В последующие дни было зарегистрировано электромагнитное излучение и в других диапазонах, включая рентгеновские, ультрафиолетовые, оптические, инфракрасные и радиоволны (ссылка!).

Сигналы детекторов LIGO показали, что зарегистрированные гравитационные волны излучались двумя астрофизическими объектами, вращающимися друг относительно друга, расположенными на относительно близком расстоянии около 130 миллионов световых лет от Земли. Оказалось, что объекты были менее массивными, чем ранее обнаруженные LIGO и Virgo двойные черные дыры. Согласно вычислениям, их массы находились в диапазоне от 1,1 до 1,6 массы Солнца. Это область масс нейтронных звезд. Нейтронные звезды — самые маленькие, самые плотные звезды. Они образуются в результате взрыва и гравитационного коллапса массивных звезд. Их типичный радиус составляет 10—20 километров. В то время как сигнал от сливающихся двойных черных дыр обычно находился в диапазоне чувствительности детекторов LIGO в течение долей секунды, сигнал, зарегистрированный 17 августа, длился около 100 секунд. Непосредственно в момент столкновения произошла вспышка гамма-излучения, которая была зарегистрирована космическими гамма-телескопами. Быстрое обнаружение гравитационных волн командой LIGO-Virgo в сочетании с обнаружением гамма-излучения позволило запустить наблюдение оптическими и радиотелескопами по всему миру. Получив координаты, несколько обсерваторий смогли через несколько часов начать поиск в области неба, где, как полагали, произошло событие. Новая светлая точка, напоминающая новую звезду, была обнаружена оптическими телескопами. В конечном итоге около 70 обсерваторий на земле и в космосе наблюдали это событие в своих диапазонах длин волн. В последующие дни после столкновения было зарегистрировано электромагнитное излучение в диапазонах, включающих рентгеновские, ультрафиолетовые, оптические, инфракрасные и радиоволны.

Теоретики предсказывают, что при столкновении нейтронных звезд должны излучаться гравитационные волны и гамма-лучи, а также извергаться мощные струи вещества, сопровождающиеся излучением электромагнитных волн в широком частотном диапазоне. Обнаруженный гамма-всплеск, является так называемым коротким гамма-всплеском. То, что, по крайней мере, некоторые короткие гамма-всплески генерируются при слиянии нейтронных звезд, раньше только предсказывалось. Теперь это подтверждено наблюдениями. Но в то время как одна загадка, кажется, решена, появились новые вопросы. Источник наблюдаемого короткого гамма-всплеска был одним из самых близких к Земле, видимых до сих пор, но сам всплеск был неожиданно слаб для такого расстояния. Ученые начинают предлагать модели, объясняющие, почему это может быть.

В момент столкновения основная часть двух нейтронных звезд слилась в один ультраплотный объект, излучающий гамма-лучи. Первые измерения гамма-излучения в сочетании с детектированием гравитационных волн подтверждают предсказание общей теории относительности Эйнштейна о том, что гравитационные волны распространяются со скоростью света.

Теоретики предсказали, что в результате слияния образуется «килоновая» — явление, при котором материал, который остается от столкновения нейтронных звезд ярко светится и выбрасывается из области столкновения далеко в космос. При этом возникают процессы, в результате которых создаются тяжелые элементы, такие как свинец и золото. Наблюдение послесвечения слияния нейтронных звезд позволяют получать дополнительную информацию о различных стадиях этого слияния, о взаимодействии образовавшегося объекта с окружающей средой и о процессах, которые производят самые тяжелые элементы во Вселенной.

  1. Заключение

За создание детектора гравитационных волн и экспериментальное доказательство их существование в 2017 году удостоились Нобелевской премии по физике трое американских физиков — Райнер Вайс, Кип Торн и Барри Бэриш. Рональд Дривер, к сожалению, не дожил до получения нобелевской премии. Вклад директора проекта LIGO c 1997 года Барри Бэриша не менее значителен. Именно он превратил национальный научный проект в работающую обсерваторию, поддержанную международной коллаборацией.

Первое обнаружение гравитационных волн, объявленное мировому сообществу 11 февраля 2016 года, явилось важной вехой в развитии физики и имеет огромное значение для современной науки. Оно подтвердило предсказание общей теории относительности Альберта Эйнштейна, сделанное в 1915 году, и ознаменовало начало новой области гравитационно-волновой астрономии. Начинается новая эра: ученые могут уже не только видеть, но и слышать далекую Вселенную (гравитационно-волновые детекторы принимают сигналы в диапазоне звуковых волн). К 2020 году сеть работающих детекторов с большой вероятностью пополнится детекторами GEO-600 (германо-британская коллаборация), KAGRA (японская коллаборация), LIGO India, телескоп Эйнштейна и космический проект LISA. Несомненно, это поможет решить многие еще не разгаданные вопросы мироздания.

Список литературы

  1. Einstein A. Näherungsweise Integration der Feldgleichungen der Gravitation // Sitzungsberichte der Königlich Preussischen Akademie der Wissenschaften Berlin. 1916. S. 688—696.
  2. Bartusiak M. Einstein’s Unfinished Symphony: Listening to the Sounds of Space-Time also viewed. London: Yale University Press, 2017.
  3. Levin J. Black Hole Blues and Other Songs from Outer Space // Knopf, 2017.
  4. Торн К. Черные дыры и складки времени. Дерзкое наследие Эйнштейна. М.: Физматлит, 2007.
  5. Collins H. Gravity’s Shadow: The Search for Gravitational Waves. London: The MIT Press, 2004.
  6. Collins H. Gravity’s Kiss. London: The MIT Press, 2017.
  7. Heaviside O. A. Gravitational and electromagnetic analogy // Electromagnetic Theory. Vol. 1. Pp. 455—466, Appendix B.
  8. Lorentz H. A. Considerations on Gravitation (англ.) = Considerations de la pesanteur // Proc. Kovninkl. akad. Amsterdam, 1900. Vol. 6. P. 603.
  9. Пуанкаре А. О динамике электрона. 1905 // К работам Анри Пуанкаре “О ДИНАМИКЕ ЭЛЕКТРОНА” = Sur la dynamique de l’électron / комм. акад. Логунова А. А.— ИЯИ АН СССР, 1984. — С. 18, 93.
  10. Einstein A. «Über Gravitationswellen» // Sitzungsberichte der Königlich Preussischen Akademie der Wissenschaften Berlin. 1918. part 1. S. 154—167.
  11. Pirani F.A.E. On the Physical significance of the Riemann tensor (англ.)// Acta Phys. Polon. Vol. 15, 389.
  12. Герценштейн М.Е., Пустовойт В.И. К вопросу об обнаружении гравитационных волн малых частот // ЖЭТФ. 1962. Том 43. С. 605.
  13. Weber J. Remarks on Gravitational Experiments // Nuovo Cim. 1963. Vol. 29. P. 930.
  14. Брагинский В.Б., Манукин А.Б., Попов Е.И., Руденко В.Н., ХоревА.А. Поиски гравитационного излучения внеземного происхождения // УФН. Т. 108. С. 595—596.
  15. Rainer W. Electromagnetically Coupled Broadband Gravitational Antenna // Quarterly Reports of the Research Laboratory of Electronics, 1973 MIT 105, p. 54.
  16. Abbott B. P. et al. Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger // Physical Review Letters. 2016. 116, 061102.
Share

Игорь Биленко и др.: История открытия гравитационных волн: 1 комментарий

  1. Валерий Лесов

    Замечательное сообщение об истории открытия, познавательная и вполне популярная статья. Физическое и человеческое проявления слились воедино. Ничто человеческое ученому не чуждо, ничто физическое не чуждо природе.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

AlphaOmega Captcha Mathematica  –  Do the Math
     
 
В окошко капчи (AlphaOmega Captcha Mathematica) сверху следует вводить РЕЗУЛЬТАТ предложенного математического действия