Человек «поймал» гравитационную волну

Чтобы дать на это внятный ответ, мы решили обратиться к истории проблемы, над которой не одно десятилетие трудились ученые в России и США

Голос черной дыры

Великие открытия, как говорили мудрецы, всегда тайна и не терпят шума и суеты. Дмитрию Ивановичу Менделееву, как известно, таблица химических элементов «пришла» ночью, во сне. Вот и гравитацион­ная волна пришла не во сне, а на­яву, но кое-что все-таки роднит ее с великим сном Дмитрия Менделеева. Ведь появилась она в тот час, когда очень многие предпочитают спать: случилось это 14 сентября 2015 го­да в 5 часов 51 минуту. Именно в это время датчики суперсистемы LIGO-2, построенной спецами Ка­лифорнийского и Массачусетского технологических институтов в тесной связке с расчетами и экс­периментальными исследованиями ученых из России, уловили колеба­ние, которое в итоге было признано гравитационной волной. Напомним, что существование этих волн предсказывал ещё Альберт Эйнштейн, который, правда, свидетельствовал, что на тот момент зафиксировать их человеку невозможно.

В наши дни ученым это удалось. Причем свое открытие физики по обе стороны Атлантики перепрове­ряли полгода — можно только пред­ставить, каков был соблазн заявить об этом уже в сентябре 2015 года! Но дотерпели до февраля 2016-го, и не зря: критиков у подобных открытий по традиции хватает, и се­годня ученые в России и США, ра­ботавшие над гравитационной «ан­тенной», имеют на порядок больше аргументов для скептиков от науки.

Так что же такое гравитацион­ные волны и каков источник их происхождения?

Учёные предлагают начать ответ на этот вопрос с необходимых для понимания всего произошедшего деталей работы LIGO-2 — много­уровневой системы, аналогов кото­рой в мире нет. Первое, что необхо­димо знать, — она включает в себя два мощных детектора, установ­ленных на расстоянии три тысячи километров друг от друга (располо­жены они в города США Хэнфорд, штат Вашингтон, и Ливингстон, штат Луизиана). Для того чтобы убедиться в достоверности факта гравитационной волны, необходимо, чтобы ее сигнал был зарегистриро­ван на обоих этих детекторах.

Это и случилось 14 сентября. Ученые поясняют, что когда сигнал поступает, то он попадает в банк данных и сравнивается с шаблона­ми, которые представляют собой модели предсказаний теоретиков о том, каким должен быть сигнал гравитационных волн. «Когда ста­ли искать, с каким из шаблонов совпадает сигнал от 14 сентября прошлого года, то выяснили, что он полностью совпадает с шабло­ном сигнала, который приходит из космоса, когда в нем сливаются две черные дыры, — поясняет руководи­тель научной группы по изучению гравитационных волн физфака МГУ имени М.В. Ломоносова, профессор Валерий Митрофанов. — Черные ды­ры в представлении научной мыс­ли — это объекты, которые получа­ются в результате коллапса звезд: на этих звездах выгорает горючее, и они начинают сжиматься до такого состояния, что свет уже не может покинуть этот объект. Такие дыры могут сливаться, перед этим долго вращаясь одна относительно дру­гой и постепенно сближаясь. В этом процессе они теряют энергию, в частности на излучение гравитаци­онных волн. Именно такой процесс и был зафиксирован детекторами LIGO-2».

Физики из МГУ обращают вни­мание на огромную массу двух чер­ных дыр — 29 и 36 солнечных масс. Размеры каждой из них — сотни ки­лометров, и вращались они с часто­той в сотни герц. Можно предста­вить, что это за процесс, если ско­рость вращения объектов при сли­янии достигает половины скорости света! Это позволяет поверить в то, что гравитационную волну удалось уловить даже при том, что столкно­вение черных дыр произошло… 1,3 миллиарда лет назад — именно та­кой «возраст» показали исследова­ния волны.

Королевство сверхточных зеркал

Вместе с тем с теорией черных дыр связаны и сомнения критиков «от­крытия века». По их мнению, никто этих черных дыр не видел и все рассуждения об их взаимодействии невозможно подтвердить. На самом же деле черные дыры давно при­няты научным сообществом. «Это рабочая теория и никто ее не оспа­ривает, — подчеркивает профессор физфака МГУ имени Ломоносова, доктор наук Сергей Вятчанин. — Есть опыты, в том числе в рентге­новском диапазоне, которые кос­венно свидетельствуют о том, что они взаимодействуют так, как мы предполагаем».

Для фундаментальной науки этих свидетельств вполне достаточ­но. Кроме того, достоверность от­крытия гравитационных волн под­тверждена и другими факторами, которые убедительны для ученых (например, соотношение сигнала к шуму — более 5, а вероятность слу­чайного появления подобного сиг­нала на обоих детекторах — один раз в 200 тысяч лет). У наиболее пытливых умов возникает вопрос: если есть система LIGO-2, значит, есть и LIGO-1 — в чем отличие? Во­прос этот открывает труднейшую специфику работы в сфере фунда­ментальных исследований в целом и в сфере изучения гравитационных волн в частности. Действительно, первый вариант LIGO, сконструи­рованный в США, существовал — именно с него начался поиск гра­витационных волн. Он представлял собой лазерную интерференцион­ную антенну в полтора человече­ских роста, к которой прикреплены два «рукава» по четыре километра каждый. Все устройство оборудо­вано сложнейшей системой зеркал, которые призваны увеличить взаи­модействие света и гравитационной волны (время нахождения света в «плече» становится порядком сред­него периода волны).

Однако ловушки LIGO-1 космос легко «обходил» целых два года: только после существенного ап­грейда (его ориентировочная сто­имость 200 миллионов долларов), который был завершен летом 2015 года и увеличил чувствительность системы в среднем в десять раз, открытие свершилось. Стоит отме­тить, что каждый детектор LIGO -это комплекс более 1000 систем «подстройки», которые выдают по полтерабайта информации в сутки. А еще это почти 500 дополнитель­ных контрольных каналов, которые призваны нейтрализовать посто­ронние факторы — сейсмические, антропогенные, тепловые, шумо­вые и иные воздействия, которые мешают сохранять энергию прини­маемого сигнала в каждой из двух антенн.

Интересно, что между зеркалами LIGO циркулирует свет, мощность которого достигает 100 кВатт. Как

поясняет один из участников «грави­тационной» группы МГУ имени Ло­моносова, доктор наук Игорь Биленко, чем меньше сигнал, тем большая мощность нужна, чтобы его зафиксировать. Поэтому в плечах LIGO циркулирующая мощность и дости­гает 100 кВатт, и малейшая пылинка, если она попадет на зеркало в «ру­каве», способна его уничтожить. По­этому покрытие зеркал имеет очень высокий процент отражения. При этом использована сложная система подвесов, на которых эти зеркала держатся, — для крепления исполь­зуются уникальные кварцевые нити, которые дают необходимую доброт­ность устройству LIGO.

«Птенцы гнезда» Брагинского

«Открытие века» состоялось под «шапкой» американской науки. Одна­ко гравитационные исследования -международный проект, в котором участвуют ученые многих стран мира. В том числе ученые России, которым удалось внести весомый вклад в общее дело. Именно у нас в 60-х годах над темой прецизионных измерений начал работать один из всемирно известных отечественных ученых Владимир Брагинский. И именно под его крылом возник кол­лектив ученых в Москве, которые стали теоретическими основателями открытия гравитационных волн. Рас­сказывают, что американцы долгие годы активно «приглашали» Влади­мира Брагинского к себе. Однако тот отказывался переезжать в одиночку и предлагал США оплачивать работу всего коллектива МГУ имени Ломо­носова по гравитационным исследо­ваниям. Американцы пошли на ком­промисс: посредством грантов, вы­деляемых властями США через NSF (National Science Foundation; аналог в России — Российский фонд фунда­ментальных исследований), РФФИ в течение более десяти лет полностью покрывали расходы на исследования российских ученых, работающих над открытием гравитационных волн. «Это исключение из правил: обычно NSF и РФФИ договариваются, что каждый сам оплачивает работу сво­их ученых. Однако здесь американ­цы пошли на уступку — во многом из-за уважения к имени Владимира Брагинского», — подчеркивает про­фессор Сергей Вятчанин.

Сегодня знаменитый физик-тео­ретик Владимир Брагинский, которому в прошлом году исполнилось 84 года, испытывает проблемы со здоровьем — год назад болезнь за­ставила отойти его от гравитаци­онных дел. Но вклад Владимира Брагинского в «открытие века» — и это подчеркивают по обе стороны Атлантики — переоценить невоз­можно.

Известно, что наука никогда не стоит на месте. Вот и в сфере гравитационных исследований на­прашивается вопрос: что дальше? Астрофизические прогнозы ученых оптимистичные. «При том усовер­шенствовании системы LIGO, кото­рое запланировано на ближайшее будущее, мы можем рассчитывать на два интересных события (реги­страции гравитационной волны. — Прим. авт.) в неделю», — говорит профессор МГУ Игорь Биленко. И тому, что данные перспективы вы­соко оцениваются в мире, уже есть свидетельства: аналоги LIGO уже разработаны в Италии и Японии, се­рьезно заинтересован в появлении у себя собственной антенны Китай.

Самое время вернуться к вопро­су, заданному в начале: каков пред­ставляется эффект для «народного хозяйства» от открытия гравитаци­онных волн? На первый взгляд ну­левой: никто сегодня не знает, для чего это может быть использовано в прикладном плане. А вот в буду­щем можно пофантазировать. На­пример, предположить, что если мы способны слышать отзвук события, произошедшего более миллиарда лет назад, то в будущем мы будем способны преодолевать время на радость создателям кино «Назад в будущее» или «Кин-дза-дза».

Но ученые не фантасты и потому неохотно пускаются в рассуждения о «машинах времени». Зато вполне конкретно говорят о том, что ис­следования фундаментальной науки всегда являлись локомотивом осяза­емых достижений научно-техниче­ского прогресса. И действительно, не будь гипотезы гравитационных волн, о такой суперустановке, как LIGO с ее многочисленными системами, «контролерами», кварцевыми нитями и сверхотражающими зеркалами, че­ловечество вряд ли узнало бы.

Стоит вспомнить, что, когда были открыты электромагнитные волны, никто не мог предполагать, что спустя какое-то время именно они лягут в основу системы спут­никовой связи, без которой сегодня сложно представить современный мир. Заработала, кстати, эта связь благодаря теории относительности, которую также поначалу любители «потребительской» науки не жало­вали: именно теория Эйнштейна позволила вычислить погрешность, без учета которой невозможно бы­ло синхронизировать и, соответ­ственно, заставить работать ту же систему ГЛОНАСС. «Можно пред­положить, что прикладные послед­ствия открытия гравитационных волн мы или наши дети, внуки уви­дим, но «на расстоянии». А вот ког­да именно это произойдет, сегодня говорить рано», — резюмирует про­фессор Сергей Вятчанин.

Николай Гуляницкий